D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2004.03.013 第26卷第3期 北京科技大学学报 Vol.26 No.3 2004年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2004 残余元素锡、锑对34CrN3Mo钢冲击韧性的 影响及稀土镧的改善作用 严春莲王福明魏利娟傅强吴承建 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 摘要利用B-30B型冲击试验机研究了不同含量的残余元素锡、锑及稀土镧对低氧、低硫 的34CNi3Mo钢冲击韧性的影响：采用SEM及EDS手段研究了稀土镧对不同锡、锑含量钢的 断裂方式的影响以及在钢中形成化合物的情形.结果表明：稀土金属可以明显改善低氧、低 硫钢中残余元素对钢性能的危害：镧可与钢中的残余元素作用形成复合相且分布均匀， 关键词残余元素；稀土；冲击韧性 分类号TG142.1*3,TG115.56 由于残余元素锡、锑、砷等在常规炼钢方法 韧性的影响及稀土元素所起的改善作用. 中很难去除，所以在废钢的循环利用过程中，这 些元素在钢中含量不断增加.近年来钢中残余元 1实验部分 素导致的连铸坯和钢质量问题日益引起国际钢 1.1实验用钢的制备 铁界的高度重视.研究表明，在一定温度回火、回 火后冷却或时效过程中磷、锡、锑和碑等有害元 原料（纯铁）中O和$含量较高，为了冶炼洁 素易在奥氏体晶界处偏聚"，特别是其含量较高 净钢，必须进行专门的脱氧、脱硫处理.冶炼在10 时，回火后急冷处理也很难充分抑制这种偏聚， kg非真空感应炉完成，通过采用加铝、金属钙及 使钢的冲击韧性大为降低，脆性断裂趋势增大， 喂丝（含渣料的丝）达到降低氧、硫含量的目的. 34CrNi3Mo钢是普遍采用的大型汽轮机整锻 然后，在母料中配加一定量的合金元素（其中铜、 低压转子钢.这种钢需要在约400℃左右的温度 锡、锑纯度>99.5%，铬、镍、钼、碳纯度>99%，硅纯 区间长期运行，不可避免地引起回火脆性，带来 度>99.99%，稀土镧的纯度为98.5%)，以获得不同 长期时效脆化的问题.早期研究提出，向钢中添 锡、锑含量和镧含量水平的34CrNi3Mo钢.冶炼 加少量稀土元素可以改善由P及残余元素引起 在10kg真空感应炉完成，真空度1.8×10Pa,治 的Cr-Mo系合金钢回火脆性2)，并且证明稀土金 炼时通氩气保护.得到试样的成分见表1. 属镧确实能和钢中含量较低的锡作用生成化合 钢锭均热后在1200℃锻成13mm×13mm× 物，不过当时的研究有限，对钢中的氧、硫含量 300mm方棒，退火处理后加工成11mm×11 并没有严格的控制.为此，本文考察了低氧、低硫 mm×57mm的冲击试样毛坯.在时效脆化后加工 条件下，34CrNi3Mo钢中锡、锑含量变化对冲击 成标准夏氏冲击缺口样. 表1试样钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of the tested steel % 试样 C Si 0 Cr Ni Mo Sn Sb La A 0.35 0.23 0.00110.001 0.90 2.8 0.30 B 0.34 0.22 0.0004 0.001 0.90 2.8 0.30 0.031 0.028 C 0.32 0.23 0.0004 0.001 0.90 2.8 0.30 0.029 0.036 0.046 D 0.31 0.22 0.0004 0.001 0.90 2.8 0.30 0.050 0.049 0.046 收稿日期2003-09-10 严春莲女，24岁，硕士研究生 +国家自然科学基金委和宝钢共同设立的“钢铁研究联合基金”资助(N0.50174005)
第 2 6 卷 第 3 期 2 0 0 4 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n vi e r s iyt o f s e i e n e e a n d Te e h n o of yg B e ij i n g V b l 一 2 6 N 0 . 3 J U n 。 2 0 0 4 残余元素锡 、 锑对 3 4 C r N 3i M O 钢冲击韧性的 影响及稀土斓 的改善作用 严 春 莲 王 福 明 魏利 娟 傅 强 吴 承建 北京科 技大 学冶 金与 生态 工程 学 院 , 北 京 10 0 0 83 摘 要 利用 BJ 一 3 0B 型 冲击 试验 机研 究 了不 同含量 的残余 元 素锡 、 锑及 稀土 斓对 低氧 、 低 硫 的 3 4 C rN i3 M o 钢 冲 击韧 性 的影 响 ; 采用 S E M 及 E D S 手段 研究 了稀 土 斓对 不 同锡 、 锑含 量钢 的 断裂 方式 的影 响 以及 在钢 中形 成化 合物 的情 形 . 结 果表 明 : 稀土 金属 可 以 明显改 善低 氧 、 低 硫钢 中残 余元 素对 钢 性 能的危 害 ; 铜 可 与钢 中 的残余 元 素作 用形 成复 合相 且 分布 均匀 . 关键 词 残余 元 素; 稀 土 ; 冲击 韧 性 分 类号 T G 14 2 . 1 + 3 , T G 1 1 5 . 5 + 6 由于 残 余元 素 锡 、 锑 、 砷等 在 常 规炼 钢 方法 中很 难 去 除 , 所 以在废 钢 的循 环 利 用过 程 中 , 这 些元 素在 钢 中含 量不 断增 加 . 近 年 来钢 中残 余元 素 导致 的连 铸 坯 和 钢 质 量 问题 日益 引起 国际钢 铁界 的 高度 重视 . 研究表 明 , 在 一定温 度 回火 、 回 火后 冷 却 或 时效 过程 中磷 、 锡 、 锑 和 砷等 有 害 元 素 易在 奥 氏体 晶界 处偏 聚 `l] , 特 别 是 其 含量 较 高 时 , 回火 后 急冷 处 理 也很 难 充 分抑 制 这 种偏 聚 , 使钢 的冲 击韧 性 大 为 降低 , 脆 性 断裂趋 势 增 大 . 3 4 CNr i3 M o 钢 是 普遍 采用 的大 型汽 轮 机整锻 低压 转 子 钢 . 这 种 钢 需要 在 约 4 0叭二左 右 的温 度 区 间长 期 运行 , 不 可 避免 地 引起 回火 脆性 , 带 来 长 期 时效 脆化 的 问题 . 早期 研 究提 出 , 向钢 中添 加 少量 稀 土元 素 可 以改善 由 P 及 残 余 元素 引起 的 C卜M 。 系 合金 钢 回 火脆性 `, , ” , 并 且证 明稀 土 金 属 斓 确 实 能和 钢 中含 量 较 低 的锡 作 用 生 成 化 合 物 科, , 不 过 当时 的研 究有 限 , 对 钢 中的氧 、 硫 含 量 并 没有 严 格 的控 制 . 为此 , 本文 考 察 了低 氧 、 低 硫 条 件 下 , 34 C Nr i3 M o 钢 中锡 、 锑 含量 变 化对 冲 击 韧 性 的影 响及 稀 土 元 素所 起 的改 善作 用 . 实 验 部分 实验 用 钢 的 制备 原 料 ( 纯 铁 ) 中 0 和 S 含量 较 高 , 为 了冶 炼洁 净 钢 , 必须 进行 专 门的脱氧 、 脱 硫 处理 . 冶 炼在 10 kg 非 真 空感 应 炉 完成 , 通 过采 用 加 铝 、 金 属钙 及 喂 丝 ( 含渣 料 的丝 ) 达 到 降低 氧 、 硫 含 量 的 目的 , 然 后 , 在母 料 中配 加 一定量 的合金 元素 (其 中铜 、 锡 、 锑 纯度 > 9 . 5% , 铬 、 镍 、 铝 、 碳 纯度> 9 % , 硅纯 度 > 9 . 9 % , 稀土 斓 的纯 度 为 98 . 5% ) , 以获得 不 同 锡 、 锑 含 量和 斓 含 量水 平 的 34 CNr i3 M 。 钢 . 冶炼 在 10 gk 真 空感 应 炉 完成 , 真 空度 1 . 8 xl 0 一 , P a , 冶 炼 时通氨 气 保 护 , 得 到 试样 的成 分 见表 1 . 钢 锭 均 热 后 在 1 2 0 0 ℃ 锻 成 13 nu x l 3 m m x 3 0 ~ 方 棒 , 退 火 处 理 后 加 工 成 n r n 们n x l In ln 巧 7 r n l n 的冲击 试 样 毛 坯 . 在 时效脆 化 后 加 工 成 标 准 夏 氏冲 击 缺 口 样 , 表 1 试样 钢 的化 学成 分 (质 量分 数 ) aT b le 1 C h e m i e a l e o m P o s it o n o f t h e t e s t e d s t e e l 试 样 C 5 1 C r N M O S n S b L a 0 3 5 0 . 3 4 0 . 3 2 0 . 3 1 0 . 2 3 0 . 2 2 0 . 2 3 0 . 2 2 0 . 0 0 1 1 0 . 0 0 0 4 0 . 00 0 4 0 . 0 0 0 4 0 . 0 0 1 0 . 0 0 1 0 . 0 0 1 0 . 0 0 1 0 . 9 0 0 . 9 0 0 . 9 0 0 . 9 0 0 . 3 0 0 3 0 0 . 3 0 0 . 3 0 0 . 0 3 1 0 . 0 2 9 0 . 0 5 0 0 . 0 4 6 0 . 0 4 6 ē袄R八à :; 2 勺乙内, ù ABCD 收稿 日期 2 0 03 刁 9 一 10 严 春莲 女 , 24 岁 , 硕士研 究 生 * 国家 自然 科学基 金委和 宝钢 共 同设立 的 “ 钢铁 研究 联合基 金 ” 资助 ( N o 5 01 7 4 0 0 5) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 03. 013
•278 北京科技大学学报 2004年第3期 1.2实验内容 奥氏体晶粒长大比较均匀，而含有残余元素锡、 (1)晶粒度评定，已有研究工作表明，稀土能 锑且未加稀土的试样B奥氏体长大明显的不均 够细化奥氏体晶粒.考虑到晶粒度对冲击实验 匀，一些奥氏体晶粒远远大于加入稀土的试样， 结果的影响，本文首先对不同成分、不同温度下 在1020℃，奥氏体晶粒继续长大，其长大情况和 的晶粒度进行评级.将试样分别在940,980， 980℃时变化情况相似，试样C长大均匀，试样D 1020℃保温1h后淬火. 次之，未加稀土的试样B均匀性最差，即加入稀 将溶有适量腐蚀剂（苦味酸+海鸥洗头膏）的 土对奥氏体晶粒度影响明显.实验表明，高于 小烧杯放入60℃恒温水浴锅中加热，待腐蚀剂溶 980℃时稀土对34CNi3Mo钢奥氏体晶粒不均匀 解后，将已经砂磨、抛光的试样抛光面朝上置于 长大有较强的抑制作用，这样，通过考虑一定的 小烧杯内，侵蚀2min后，在显微镜下观察晶粒组 晶粒度条件以及实际生产工艺，本实验中选择 织.由图1可见，在940℃时，加入稀土的试样C, 940℃作为奥氏体化温度. D的奥氏体晶粒比未加稀土的试样A,B细小一 (2)调质及回火处理.据钢的热处理曲线及晶 些，且在同样的稀土含量下，残余元素锡、锑含量 粒度评定结果，并参考实际生产操作过程，制定 低的试样C的晶粒显然比锡、锑含量高的试样D 调质处理工艺如图3所示，对调质处理后试样进 晶粒细小得多，这说明940℃时稀土对奥氏体晶 行长时间回火（脆化）处理.根据工件的实际工作 粒起了一定的细化作用. 温度选500℃作为脆化处理温度.回火时间分别 由图2可见，在980℃，加入稀土的试样C,D 为100,500,1000h.回火处理在SG-3-9型坩埚式 (b) c) (d) 30m 图1试样在940℃时的奥氏体形貌.(a)试样A;(b)试样B;(C)试样C;(d试样D Fig.1 Austenite grains of sample A(a),B(b),C(c)and D(d)at 940'C (b) 30m 图2试样在980℃时的奥氏体形貌.(a)试样A;(b)试样B;(C)试样C;(d)试样D Fig.2 Austenite grains of sample A(a),B(b),C(c)and D(d)at 980C 电阻炉进行，额定功率3kW 940℃，1h (3)冲击实验.将回火处理后的试样加工成 860℃，1h 10mm×10mm×55mm的标准夏氏冲击缺口样. 600℃，1h 系列冲击实验在JB-30B型冲击试验机上进行. 低温(0~一80℃)实验用酒精加液氮实现，不同试 样在各自的冲击温度中保温10mn后打断.用韧 性断口比例与温度的关系曲线评价试样的脆化 时间 程度向，用扫描电镜观察冲击试样断口形貌和韧 图3热处理工艺示意图 窝中析出相.将试样分别在-20，-40，-60，一70， Fig.3 Heat treatment sketch -80℃冲击试验机上冲断
8 7 北 京 科 技 大 学 学 报 4 年0第0 3 期 2 2 实L验 内容 Z ( ) 晶粒 度评 定 l . 己有 研 究工 作 表 明 , 稀 土 能 够 细化 奥 氏体 晶粒 `5] . 考 虑 到 晶粒 度 对冲 击 实验 结 果 的影 响 , 本 文 首先 对 不 同成分 、 不 同温 度下 的 晶粒 度 进 行 评 级 . 将 试 样 分 别 在 9 40 , 9 8 0, 1 02 0℃ 保 温 l h后 淬火 . 将 溶有 适 量腐 蚀剂 (苦味 酸+ 海 鸥 洗 头膏 ) 的 小烧 杯放 入 60 ℃ 恒温 水浴 锅 中加 热 , 待腐 蚀 剂溶 解后 , 将 己 经砂 磨 、 抛光 的试样 抛 光 面朝 上 置于 小烧 杯 内 , 侵蚀 Z m in 后 , 在 显微 镜 下 观察 晶粒组 织 . 由 图 1 可 见 , 在 9 4 0 ℃ 时 , 加入 稀 土 的试 样 C , D 的奥 氏体 晶粒 比 未 加稀 土 的试 样 A , B 细 小一 些 , 且在 同样 的稀 土含 量下 , 残 余 元素 锡 、 锑 含量 低 的试样 C 的 晶粒 显 然 比锡 、 锑 含 量 高 的试 样 D 晶粒 细 小得 多 , 这 说 明 9 40 ℃ 时稀 土对 奥 氏体 晶 粒起 了一定 的 细化 作用 . 由 图 2 可见 , 在 98 0 ℃ , 加 入 稀土 的试样 C , D 奥 氏 体 晶粒 长 大 比较 均 匀 , 而 含 有残 余元 素 锡 、 锑且 未 加稀 土 的试 样 B 奥 氏 体长 大 明显 的不 均 匀 , 一些 奥 氏体 晶 粒远 远 大于 加 入稀 土 的试 样 . 在 1 02 0 ℃ , 奥 氏体 晶粒 继续 长 大 , 其 长 大情 况 和 9 80 ℃ 时变化 情 况 相似 , 试样 C 长大 均 匀 , 试 样 D 次之 , 未加 稀土 的试样 B 均 匀性 最 差 , 即加 入稀 土对 奥 氏体 晶粒 度 影 响 明显 . 实 验 表 明 , 高于 98 0 ℃ 时稀 土对 34 CNr i3 M O 钢 奥 氏 体 晶粒 不 均 匀 长大 有 较 强 的抑制 作 用 . 这样 , 通 过 考 虑一 定 的 晶 粒度 条 件 以及 实 际 生产 工 艺 , 本 实 验 中选 择 94 0 ℃ 作 为 奥 氏体 化温 度 . (2 )调 质及 回火 处理 . 据 钢 的热处 理 曲线及 晶 粒 度 评 定 结果 , 并 参考 实 际 生产 操作 过程 , 制 定 调质 处 理工 艺 如 图 3 所 示 . 对 调质 处 理后 试样 进 行长 时 间回火 (脆 化 ) 处 理 . 根据 工 件 的实 际工作 温 度 选 5 0 ℃ 作 为脆化 处理 温度 . 回火 时 间分别 为 100 , 5 0 0 , 1 0 0 0 h . 回火 处 理在 S-G 3一 型增 竭 式 图 1 试 样在 , 40 ℃ 时 的奥 氏体 形貌 . (a) 试 样 ;A ( b )试 样 ;B (c) 试 样 ;C (d) 试样 D Fi g · 1 A u st e n it e g r a i n s o f s a m p l e A ( a ) , B b( ) , C ( e ) a n d D ( d ) a t 9 4 0℃ 目 孟 城 砰仕 , 舀 O U 阿 阴 哭 比 体游 貌 . 峥 )城件 A ; 气)D 城砰 t, ; 伏夕城件 L ; 价 )城 件 ” F i g · 2 A u s et n it e g r a in s o f s a m P le A ( a ) , B (b ) , C (c) a n d D ( d ) a t 9 8 0℃ 9 4 0 ℃ , l h 侧 明 8 6 0℃ , l h 人 、 0/ ℃ , l h\ \ 冷 / \ 水 \ / \ 冷 时 间 图 3 热 处理工 艺 示意 图 iF g · 3 H e a t t er a t m e n t s ke t c h 电阻炉 进 行 , 额 定功 率 3 k w , (3 ) 冲 击 实验 . 将 回火处 理后 的试 样加 工 成 10 ~ “ 10 ~ x 5 ~ 的 标 准 夏 氏 冲 击缺 口 样 . 系列 冲 击 实验 在 BJ 一OB 型冲 击试 验 机上 进 行 . 低温 (0 一80 ℃ ) 实验 用 酒精 加 液氮 实 现 , 不 同试 样在 各 自的冲 击温 度 中保 温 10 m in 后 打 断 . 用 韧 性 断 口 比例 与温 度 的关 系 曲线评 价 试 样 的脆 化 程度 【6] , 用 扫描 电镜观 察冲击 试 样断 口 形貌 和 韧 窝 中 析 出 相 . 将 试 样 分 别 在 一 20 , 一 40 厂 60 厂 70 , 一 8 0 ℃ 冲 击试 验 机 上冲 断
Vol.26No.3 严春莲等：残余元素锡、锑对34Ci3Mo钢冲击韧性的影响及稀土镧的改善作用 ·279· 2实验结果 图5是不加镧的试样B和试样C在不同回火 时间下韧性断口比例与温度的关系.由图5可以 2.1Sn,Sb,La对34CrNi3Mo钢冲击韧性的影响 看出，La不同程度降低了34CrNi3Mo钢的韧脆转 图4是试样A和试样B在不同回火时间下韧 变温度，在回火时间较长时，韧-脆转变温度降低 性断口比例与温度的关系.由图4可见，在其他成 了30℃以上. 分基本相同的试样中，含有锡、锑使34CNi3Mo 在镧含量相同的条件下，不同含量的残余元 钢回火脆化倾向有所加强，同时随回火时间延长 素在不同回火时间下韧性断口比例与温度的关 这一趋势变得更加明显，脆化处理时间较短时， 系见图6所示，由图6可见，当镧含量相同时，残 试样B比试样A韧脆转变温度高2℃；脆化时间 余元素含量低的试样C的韧-脆转变温度比试样 增加，两者相差10℃左右. D降低了20℃. 100(a)100h回火 100b)1000h回火 80 80 试样A 口海型 试样A 试样B 60 60 ● 试样B 9 40 -80 -70 -60 -50 -40 -80 -70 -60-50-40 -30-20 温度/℃ 温度/℃ 图4不同锡、锑含量的34CNi3Mo钢韧性断口比例与温度的关系 Fig.4 Relations between ductile fracture ratio and temperature of 34CrNi3Mo steel tempered for 100 h(a)and 1000h(b) 100 (a)100h回火 100 b)1000h回火 试样C 80 试样C 试样B 60 60 试样B 屋 90 40 20 -90-80-70-60-50-40-30-20-100 -90-80-70-60-50-40-30-20 温度℃ 温度/℃ 图5不同镧含量的34CNi3Mo钢韧性断口比例与温度的关系 Fig.5 Relations between ductile fracture ratio and temperature of 34CrNi3Mo steel with different lanthanum contents tempered for 100 h (a)and 1000 h(b) 100 100 (a)500h回火 b)1000h回火 ◆ 80 试样C 80 试样C 试样D 试样D 60 40 40 80 -70 60 -50 -40 -30 -90-80-70-60-50-40-30 温度/℃ 温度/℃ 图6不同锡、锑含量34CrNi3Mo钢韧性断口比例与温度的关系 Fig.6 Relations between ductile fracture ratio and temperature of 34CrNi3Mo steel with different Sn,Sb contents tempered for 100b (a)and 1000 h(b)
、 b l 一 2 6 N O 一 3 严 春莲 等 : 残余 元 素锡 、 锑对 3 4C rN 诌M 。 钢 冲击韧 性 的影 响 及稀 土斓 的改 善作 用 · 2 7 9 - 2 实验 结 果 2 . 1 S n , S b , L a 对 3 4 C Nr 诌M o 钢 冲击 韧 性 的影 响 图 4 是 试 样 A 和 试 样 B 在 不 同回 火 时 间下韧 性 断 口 比 例 与温 度 的关 系 . 由图 4 可 见 , 在其 他成 分 基 本 相 同 的试样 中 , 含 有 锡 、 锑使 3 4 c Nr i3 M o 钢 回火脆 化倾 向有所 加 强 , 同时随 回火 时 间延 长 这 一 趋 势变得 更加 明显 . 脆 化 处理 时 间较短 时 , 试 样 B 比试 样 A 韧 脆转 变温 度 高 2 ℃ ; 脆 化 时 间 增 加 , 两 者相 差 10 ℃ 左 右 . 图 5 是 不 加斓 的试 样 B 和试 样 C 在 不 同回 火 时 间 下韧 性 断 口 比 例 与温 度 的 关系 . 由图 5 可 以 看 出 , L a 不 同程度 降低 了 34 CNr i3 M o 钢 的韧 脆 转 变温 度 , 在 回火 时间较 长 时 , 韧一脆 转变温度 降低 了 3 0 ℃ 以上 . 在 斓含 量 相 同 的条件 下 , 不 同含 量 的残 余 元 素 在 不 同回 火 时 间下 韧 性断 口 比例 与温 度 的 关 系 见 图 6 所 示 . 由图 6 可 见 , 当铜 含 量相 同时 , 残 余 元素 含 量 低 的试 样 C 的韧一脆 转 变温度 比试 样 D 降低 了 2 0 ℃ . 1 0 0 卜(a) 1 0 0 h 1 0 0 } b( ) 1 o o o h 回火 “n0 八齐`0 4 芝军五鑫到口 , 早 0 O八à`U4 奉五每擎早芝口 一 8 0 一 7 0 一 6 0 一 5 0 一4 0 一 8 0 一 7 0 一 6 0 一 5 0 一 4 0 温度 / ℃ 温度 / ℃ 图 4 不 同锡 、 锑含 量 的 3 4 C rN e M O 钢韧 性 断 口 比例 与温 度 的关 系 F i g . 4 R e l a t i o n s b e tw e e n d u e t il e fr a c t u re r a it o a n d te m P e r a t u re o f 3 4 C rN 订M o s t e e l te m P e re d fe r 1 0 0 0 h 伪) 一 3 0 一2 0 1 0 0 h ( a ) a n d 芝军五萄担口 , 早 · `的 一 10 0 8 0 八曰nlU 642 nU 只O à`U 芝奉五萄到口 , 早 4 0 L e 一一一` 一一一一` 一一一一` 一 9 0 一 8 0 一 70 一 6 0 一 5 0 一 4 0 一 3 0 一 2 0 一 10 0 温 度 /℃ 一 (b” 一9 0 一 8一0 一 7 0 一 6 0 一 5 0 一 4 0 一 3 0 一 2 0 温度 /℃ 图 5 不 同铺 含 量 的 34 C rN e M O 钢韧 性 断 口 比例 与温 度 的关 系 F i g · 5 eR l a h o n s b e tw e e n d u c t Ue fr a c t u r e r a it o a n d t e m P e r a t u re o f 3 4C rN 诌M o s t e e l w i t h d i幻re re n t l a n ht a n u m c o n t e n t s t e m p e re d fo r 1 0 0 h ( a ) a n d 1 0 0 0 h ( b ) _ ’ 0 爸 卿 l 丽、 、 、 。乓/ 食 8 0 卜 队千「 七 / 荟 L 厂 呈 } 丫/ / - 职 6 0 卜 一 廷二 1 . 早 卜 10 0 陌万石丽下画灭 试样 C 试样 D R00 产0 芝摹五当划早口 一 8 0 一 7 0 一 6 0 一 5 0 温 度 / ℃ 一 4 0 一 3 0 4 0 L 一一一 一曰 一一一 一 一一 一么 一 一 一 二一 一 9 0 一 8 0 一 7 0 一 6 0 一 5 0 一 4 0 一 3 0 温 度 / ℃ 图 6 不同锡 、 锑 含量 3 4 C rN 诌 M O 钢韧 性 断 口 比例 与温 度 的关 系 F ig · 6 R e la t i o n s b e tw e e n d u e t ite fr a c t u r e r a t i o a n d t e m P e r a t u re o f 3 4 C r N e M o s t e e l w i t h d i n免re n t S n , Sb e o n t e n t s t e m p e er d fo r 1 0 0 h ( a ) a n d 1 0 0 0 h (b )
·280 北京科技大学学报 2004年第3期 22冲击试样的断口形貌检验 可见，残余元素Sn,Sb的存在降低了试样钢的冲 冲击实验后，对不同回火时间下断口形貌进 击韧性. 行扫描电镜观察，考察残余元素和稀土对钢的断 图8是与试样B相同回火时间及相同回火温 裂方式的影响，试样A和试样B不同回火时间下 度，并且在相同的温度下冲击打断后的试样C断 的典型断口见图7.从图7中可看出，试样A为混口形貌.对比图7和图8可以看出，加入稀土镧 合型断裂，在500h回火后仍以韧性为主，断口上后，原来的脆性解理断裂全部和部分转变为韧性 有很多韧窝：而试样B为混合型断裂，有韧性和断裂，韧窝比较干净，韧窝中有夹杂存在，稀土显 准解理，有时出现沿晶断裂，整体上以脆性为主. 着改善了钢的回火脆性， (a)试样A,0Uh回火，-4℃ (b)试样B,5U0h回火，-45C (c)试样A,1000h回火，-45℃ (d)试样B,1000h回火，-45℃ 图7试样A和试样B不同回火时间下的断口形貌 Fig.7 Fracture patterns for samples A and B tempered for various tempering time (a500h回火，-45℃ (b)1000h▣火，-45℃ 图834CrNi3Mo钢加镧后断口形貌的变化 Fig.8 Fracture patterns for sample C tempered for various tempering time 3稀土改善冲击韧性的机理 中，大小也比较均匀. 试样C在检测过程中发现了镧与残余元素 本实验利用扫描电镜和能谱检测仪检测了 锡、锑作用形成的化合物，这与热力学计算相一 经1000h脆化处理后的试样C断口韧窝析出相， 致，从而说明镧和有害元素结合，降低了有害元 发现La和Sb,Sn作用生成了复合相，如图9所示. 素在钢中的有效浓度，从而减轻了它们对晶界的 照片中浅灰色颗粒为La(Sn,Sb)复合相. 脆化能力，这是稀土改善回火脆性的重要原因. 图10是试样C经1000h脆化后的冲击断口 随着固溶稀土含量的增加和回火时间的延长，改 形貌.从图中可以看出，析出相均匀分布于韧窝 善效果愈加明显
. 2 8 0 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 4 年 第 3 期 .2 2 冲击 试 样 的断 口形 貌检 验 冲击 实验 后 , 对 不 同回火 时 间下 断 口 形 貌进 行扫 描 电镜观 察 , 考 察残 余元 素 和稀 土对 钢 的 断 裂方 式的影 响 , 试 样 A 和试 样 B 不 同回火 时 间下 的 典型 断 口 见 图 7 . 从 图 7 中可 看 出 , 试 样 A 为混 合 型断 裂 , 在 5 0 Oh 回火后 仍 以韧 性 为主 , 断 口 上 有很 多 韧窝 ; 而 试样 B 为 混合 型 断裂 , 有 韧性和 准解 理 , 有 时 出现 沿 晶断 裂 , 整体 上 以脆 性为 主 . 可 见 , 残 余 元 素 S n , bS 的存在 降低 了试 样钢 的冲 击 韧性 . 图 8 是 与试 样 B 相 同回火 时间及 相 同 回火 温 度 , 并 且在 相 同的温 度 下冲 击 打断 后 的试 样 C 断 口 形貌 . 对 比 图 7 和 图 8 可 以看 出 , 加入 稀 土斓 后 , 原 来的脆 性解 理 断裂全 部和 部 分转变 为韧 性 断裂 , 韧 窝 比较 干净 , 韧 窝 中有 夹杂存 在 , 稀 土显 着 改善 了钢 的回火 脆 性 . (a) 试 样 A , 5 0 0 h 回火 , 一 4 5 ℃ ( b )试 样 B , 5 0 0 h 回火 , 一 4 5℃ ( e )试 样 A , 1 00 0 h 回火 , 一4 5℃ (d) 试样 B , 1 0 0 0 h 回火 , 一 45 ℃ 图 7 试样 A 和试 样 B 不 同回 火时 间下 的断 口 形貌 F ig , 7 F r a c t u er P a t t e r n s fo r s a m P le s A a n d B t e m P e r e d fo r v a r i o u s t e m p e r in g ti m e ( a) 5 0 0 h 回 火 , 一 4 5 ℃ ( b ) 1 OU 0 h 回 火 , 一 4 5 ℃ 图 8 3 4 c r N i3 M 。 钢 加斓 后 断 口形 貌 的变化 F i g · 8 F r a ct u er P a t e r n s fo r s a m P l e C t e m Pe r e d fo r v a r i o u s t e m P e r i n g it m e 3 稀 土 改善 冲 击 韧 性 的机 理 本 实验 利 用 扫 描 电镜 和 能谱 检测 仪 检 测 了 经 I O0 0 h 脆化 处 理后 的试 样 C 断 口 韧 窝析 出相 , 发 现 L a 和 S b , S n 作 用 生成 了复合相 , 如 图 9 所 示 . 照 片 中浅灰 色 颗粒 为 L a( S n , S b) 复合 相 . 图 10 是 试样 C 经 1 0 0 h 脆化 后 的冲 击 断 口 形貌 . 从 图 中可 以看 出 , 析 出相均 匀 分布 于 韧 窝 中 , 大小 也 比较 均 匀 . 试 样 C 在 检 测过 程 中发现 了铜 与 残 余元 素 锡 、 锑 作用 形成 的化 合物 , 这 与 热力 学计 算’l] 相 一 致 , 从 而 说 明斓和 有 害元 素 结合 , 降低 了有害 元 素 在钢 中 的有 效浓 度 , 从 而减 轻 了它们 对 晶界 的 脆 化 能力 , 这 是稀 土 改善 回 火脆 性 的重 要 原 因 . 随着 固溶稀 土 含量 的增 加和 回火 时 间的延 长 , 改 善 效果 愈加 明显
VoL26 No.3 严春莲等：残余元素锡、锦对34CN3Mo钢冲击韧性的影响及稀土镧的改善作用 ·281· (b) Sb Fe Sb Fe 图9试样C冲击断口上析出相形貌()及相应的能谱曲线(b) Fig.9 Fracture precipitated phase morphology for sample C and its EDS curve (3)在冲击断口上发现了镧和残余元素Sb,Sn 形成的复合相，分布均匀，这说明稀土与残余元 素作用形成化合物，减少了晶界偏聚，细化了奥 氏体组织，提高了钢的冲击韧性， 参考文献 1 Gropp JC,Matway R J.Residual elements in stainless steels [A].Electric Furnace Conference Proceedings [C]. Dallas,.1996.497 图10试样C冲击断口背散射形貌 2 Seah MP,Spencer P J,Hondros E D.Additive remedy for Fig.10 Fracture backscattering pattern for sample C temper brittleness [J].Met Sci,1979,5:307 4结论 3 Garcia C I,Ratz G A,Burke M G,et al.Rebucing temper embrittlement by lanthanide additions [J].J Met,1985,9: (1)Sn,Sb残余元素的存在降低钢的冲击韧 22 性.与不含残余元素的试样相比，0.031%Sn, 4沙爱学，王福明，吴承建，等.稀土铜对钢中残余元 0.028%Sb的试样脆化处理后韧-脆转变温度上升 素的固定作用U.稀有金属，2000,24(4)：287 5王龙妹，杜挺，卢先利，等，微量稀土元素在钢中的 10℃左右. 作用机理及应用研究[.稀土，2001,4(22)：38 (2)稀土的加入明显改普34CNi3Mo钢的回 6黄明志，石德珂，金志浩.金属力学性能M).西安： 火脆性.本实验条件下，加入0.046%La使长时间 西安交通大学出版社，1986 回火后的韧-脆转变温度降低了30℃以上. Improvement of Lanthanum on Impact Toughness of 34CrNi3Mo Steel Containing Sn,Sb Residual Elements YAN Chunlian.WANG Fuming,WEI Lijuan,FU Qiang,WU Chengjian Metallurgical and Ecological Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The effect of different residual element contents of tin and antimony and rare earth element lantha- num on the impact toughness of 34CrNi3Mo steel with low oxygen and sulfur contents was investigated with JB-30B impact test machine.SEM and EDS were used to study lanthanum effect on the fracture mode of the steel with different tin and antimony contents and the rare earth inclusions.Results show that rare earth metal lanthanum may decrease remarkably the harm ofresidual elements on the toughness of the steel and combine with residual ele- ments in the steel to form La-Sb intermetallic compound and a little amount of La-Sn intermetallic compound,pre- senting orderly distribution. KEY WORDS residual element;rare earth metal;impact toughness
V b l 一 2 6 N o 一 3 严 春莲 等 : 残余 元 素锡 、 锑对 3 4 C rN i3 M O 钢 冲击韧 性 的影 响 及稀 土斓 的改 善作 用 2 8 1 ( b ) 图 , 试样 C 冲 击断 口 上 析 出相形 貌 (a) 及相应 的能谱 曲线 伪) Fi g . 9 F r a e t u r e P er c i Pi t a t e d Ph a s e m o r Ph o le gy of r s a m Ple C a n d it s E D S e u vr e (3 )在 冲击 断 口 上发 现 了铜 和 残 余 元素 Sb , nS 形成 的复合 相 , 分 布均 匀 , 这 说 明稀 土 与残 余 元 素作 用 形 成化 合 物 , 减 少 了晶 界偏 聚 , 细化 了奥 氏体 组 织 , 提 高 了钢 的冲 击 韧性 . 图 1 0 试 样 C 冲击 断 口 背 散射 形貌 iF 乡1 0 F ar e t u er b a e ks e a t e r in g P a 批邝 fe r s a m lP e C 4 结 论 ( 1) S n , S b 残 余 元 素 的存 在 降低 钢 的冲 击 韧 性 . 与 不 含 残 余 元 素 的 试 样 相 比 , .0 0 31 % S n, .0 02 8% sb 的试 样脆 化 处理 后韧一脆 转变 温度 上 升 10℃ 左右 . (2 ) 稀 土 的加 入 明显 改善 3 4 CNr i3 M 。 钢 的 回 火 脆 性 . 本 实验 条 件 下 , 加 入 .0 0 46 % L a 使 长 时 间 回火 后 的韧一脆 转 变 温度 降低 了 30 ℃ 以上 . 参 考 文 献 1 G r o p J C , M a 卜刀 ay R J . eR s idu a l e l e m e nt s in s t a i n l e s s s t e e l s [A ] . E l e e tr i e F unr ac e C on fe r enc e P or c e e d i n g s 【C ] . D al l a s , 1 99 6 . 4 97 2 S e ha M P, S Pen e e r P J , H o n dr o s E D . A d dit i v e r e m e 勿 fo r t e m P e r ibr lt en e s s 汇J] . M et S e i , 1 9 7 9 , 5 : 3 0 7 3 G ar e i a C I , R a t z G A , B u rk e M G , e t a l . 称buc in g et m P e r e m bir t l e m e nt by l a n t h an id e a d di ti o n s [ J ] . J M e仁 1 9 8 5 , 9 : 2 2 4 沙 爱 学 , 王 福 明 , 吴 承建 , 等 . 稀 土铜 对钢 中残余 元 素 的固 定作用 [J ] . 稀有 金属 , 2 0 0 0 , 2 4 ( 4 ) : 2 8 7 5 王龙 妹 , 杜挺 , 卢 先利 , 等 . 微量 稀土 元 素在 钢 中的 作用 机理 及应 用研 究 [ J I . 稀 土 , 2 0 0 1 , 4 ( 2 2 ) : 3 8 6 黄 明志 , 石 德 坷 , 金 志 浩 . 金属 力 学性 能 [M ] . 西 安 : 西安 交通 大 学 出版社 , 19 86 Im P r o v e m e nt o f L a n th a n u 们以 o n Im P a c t oT u g hn e s s o f 3 4 C Nr i 3M o S t e e l C o nt a i n i n g S n , S b eR s idu a l E l e m e nt s 别刃 hC un lia n , 洲刃G uF m ing, 不仁 E I L’iuj a ,n F U Qia gn, 砰刃 hC e儿 g/ ia n M e t a l lur gic al an d E e o l o gi e al nE g in e e ir gn S e h o o l , U n i v e r s ity o f s e ien e e an d eT c hn o l o gy B e ij gm , B e ij ign 10 0 0 8 3 , C h i 幻a A B S T R A C T T h e e fe c t o f id fe er in r e s idu a l e l em ent e o nt e nt s o f t in an d an t 1m o ny an d r ar e e a rt h e l em e in 1 a 11 th -a n 切 m o n ht e lm P a e t t o u ghn e s s o f 34 CNr i 3 M o s t e e l w iht l o w o Xy g e n an d s u l fur e o n t ent s w a s 1 n v e s t ig at e d w iht BJ 一 3 0 B im Pac t t e s t m ac h l n e . S EM an d E D S w e r e u s e d t o s ut d y l a n t h a n u n以 e fe e t o n ht e fr a c t u r e m o d e o f ht e s t e e l w i ht d lfl 免r e nt t in an d an t lm o ny c o net nt s an d ht e r aer e 翻 rt h inc l u s i o n s . eR s u lt s s h ow ht at r ar e e a rt h m e t a l l an ht m ay d e e r e a s e r em ar k ab ly ht e h anum amr o f r e s i d u a 】e l e m e in s on het t o u gbn e s s o f ht e s t e e l an d e o m b ine w i ht r e s idu a l e l e - m e n t s i n het s et e l ot fo 溯 L a 一 S b in ot mr e at lli e c o m P o un d an d a lilt e am o un t o f aL 一 S n i n t emr eat lli c e o m P o un d , p r e - s e nt ign o r d e lyr d i s itr b u t i o n . K E Y WO R D S r e s ld u a l e l e m e in ; r ar e e a rt h m e t a l; im P ac t t o u g h n e s s