稀土对低镍铬锰氮不锈钢凝固组织的影响

研究了低镍铬锰氮不锈钢的凝固模式，观察了其稀土元素Ce不同含量相同冷却条件下的铸态组织，并测量了其硬度值。结果表明，低镍铬锰氮不锈钢的凝固模式为全奥氏体模式，添加稀土元素Ce后，细化了其铸态组织；随着稀土加入量的增加，其组织由胞状转变为树枝状，晶粒更加细小；当稀土加入量增加到0.067wt%时，晶粒度级别变为6.47，比不加稀土的不锈钢增加了3个级别。稀土元素Ce加入后，通过细化晶粒和晶界强化作用，提高了低镍铬锰氮不锈钢的硬度。

铬锰氮不锈钢是不锈钢中最重要的一类，由于其含镍量低，成本低，且具有全面的和良好的综合性能而得到广泛的应用。

近年来，国外已有人采用数值模拟、人工智能等方法对不锈钢板坯连铸过程的凝固现象进行了初步的研究]，发现不锈钢的凝固过程对最终产品的性能和质量有着重要的影响。因此研究低镍铬锰氮不锈钢的凝固特性引起了研究者的高度关注。中国是世界稀土资源大国，其蕴藏量和产量均居世界前列，将我国的稀土资源优势转化为钢材的品种优势成为一项重要的研究。有研究表明，在不锈钢中加入稀土可以改善钢的加工性能、力学性能、耐腐蚀性能等相关性能。

本试验在低镍铬锰氮不锈钢中加入不同量的稀土元素Ce，分析其在低镍铬锰氮不锈钢中的作用规律，为改善低镍铬锰氮不锈钢的铸坯质量，开发高品质的低镍铬锰氮不锈钢提供科学依据。

1试验材料与方法

试验所用原料为低镍铬锰氮不锈钢，分别加入不同含量的稀土元素Ce，加入量分别为0%、0.1%、0.2%、0.4%，采用ZG-0.03A型真空感应熔炼炉熔炼，在真空冶炼时，充入氩气作为保护气体，避免稀土元素Ce的氧化及氮的损失。冶炼步骤为：烘干→装料一抽真空→充氩一钢料完全熔化→由窥视孔加入稀土元素Ce→浇注，四个成分试验钢试样的冶炼条件、浇注的冷却条件完全相同。经检测试验钢的最终成分如表1所示。

用钼丝切割机在试验钢铸锭的同一位置处取样，并制成金相样品，然后进行打磨、抛光、腐蚀并经无水乙醇清洗、烘干后，利用Axiovert25型蔡司金相显微镜观察其显微组织；按照GB/T6394-2002《金属平均晶粒度测定法》测定其晶粒度；用洛氏硬度仪测量试样的硬度。

2试验结果及分析

2.1稀土微合金低镍铬锰氮不锈钢凝固模式预测

铬锰氮不锈钢是一种复杂的多元多相合金，它的凝固组织包含各种形态的奥氏体-铁素体混合组织。化学成分和凝固过程，甚至后续的固态相变都影响着凝固组织的形态。

2.2Ce对低镍铬锰氮不锈钢组织和晶粒度的影响

稀土元素在钢中的作用主要集中在净化钢液、改善夹杂物形态并减少夹杂物数量、强效微合金化、净化晶界、固溶强化以及细化晶粒等方面。在四个不同稀土元素Ce含量铸锭的相同位置上取样，观察其微观组织，结果如图1所示。由图1可以看出，试样组织均为单一奥氏体，符合凝固模式的计算结果。1*试样未加入稀土元素Ce，其奥氏体组织比较粗大，呈胞状；2"、3"、4°试样，随着其稀土元素Ce含量的增加，试样的晶粒不断变小，且晶粒形状也发生了改变，逐渐由胞状、网状变成4试样的树枝状显微组织。添加稀土元素Ce的低镍铬锰氮不锈钢在凝固过程中，稀土元素Ce引起液-固两相界面上溶质的富集，引起溶质再分配，从而增大了合金凝固过程中的成分过冷，容易得到树枝晶，同时，形核率增大，使晶粒细化。

另一方面，稀土元素Ce与氧、硫有较强的亲合力，在钢中大多以硫、氧化合物的形式存在，增强非均质形核作用，改善了钢的铸态组织。此外，Ce的原子半径比相对于铁的原子半径大得多，它在钢中的扩散系数较小，在钢中的固溶度也很小，为了降低畸变能，Ce在晶界聚集，降低了合金的表面张力，使晶粒长大的驱动力减小，抑制了晶粒的长大。晶粒度能够描述试样的晶粒大小。本文按照GB/T6394-2002《金属平均晶粒度测定法》测定的试验钢的晶粒度大小如表3所示。可见，未加入稀土元素的1*试样的晶粒度为3级；当稀土元素Ce含量为0.002%时（2"试样），晶粒度级别增加到4.19级；稀土元素Ce含量为0.053%时（3”试样），晶粒级别为5.13；当稀土元素Ce含量为0.067%时（4华试样），晶粒度级别为6.47，比未加入稀土的1*试样提高了3级。这表明，随着稀土元素Ce加入量的增加，晶粒的细化作用越大。稀土元素Ce的加入细化了试样的显微组织，提高了晶粒度的级别。这是由于稀土元素Ce的半径比较大，它更容易在晶界位置偏距，这样就使得奥氏体晶界的界面张力和晶界能有所降低，使晶粒长大的驱动力减少，起到钉扎、拖拽晶界的作用，阻止了晶粒长大，从而细化晶粒，减小晶粒尺寸，增加晶粒度等级。此外，稀土元素Ce的溶质分配系数很小，使成分过冷增加，提高形核率，细化晶粒。

2.3Ce对低镍铬锰氮不锈钢硬度的影响

试验钢的硬度测试结果见表4。可见，添加稀土元素Ce能提高低镍铬锰氮不锈钢试样的铸态硬度。稀土元素Ce有较大的原子半径，引起了基体强烈的晶格畸变，起到了固溶强化的作用，但在铬锰氮不锈钢中，稀土的固溶量比较少，固溶强化并不是硬度增加的主要原因。加入稀土元素Ce后，使得钢的晶粒细化，晶粒越细小，晶界面积就越大，组织更加细密、均匀，提高了不锈钢的硬度。

3结论

本试验成分的低镍铬锰氮不锈钢的凝固模式为奥氏体模式，凝固过程中从液相中先析出奥氏体，冷却到室温仍为全奥氏体组织。

稀土元素Ce细化了低镍铬锰氮不锈钢的铸态组织，随着稀土含量的增加，铸态组织晶粒有由胞状变为树枝状，晶粒更加细小。不含稀土元素Ce的低镍铬锰氮不锈钢晶粒度为3.25级，加入稀土量增加到0.067%时，晶粒度级别变为6.47，比不加稀土的不锈钢增加了3个级别。

添加稀土元素Ce由于细化晶粒、强化晶界的作用，提高了低镍铬锰氮不锈钢的硬度。