稀土元素精确控制重轨钢中MnS夹杂物的基础研究

One of the key and difficult points in high speed rail steel production is the control of MnS nonmetallic inclusions. Rare earth elements play a unique and irreplaceable role in many steel grades. China has obvious advantages in rare earth resources, but the application of rare earth in heavy rail steel which belongs to important functional materials is still in its initial stage. In this project, U75V, a typical steel grade of heavy rail steel, is studied to explore the mechanism of Ce precise control of the composition, shape, size, amount, distribution and structure of MnS inclusions. Thermodynamic calculation, laboratory experiment and industrial experiment are included in the study contents. Metallographic microscope, scanning electron microscope, high temperature laser confocal scanning microscope, vacuum induction melting furnace, ASPEX automatic scanning electron microscope will be used in this study. The theoretical basis and technical support for the precise control of MnS inclusions in heavy rail steel can be obtained through this project.

高速重轨钢生产中的重点和难点之一是MnS非金属夹杂物的控制。稀土元素在许多钢中发挥着独特而且不可替代的重要作用，作为具有稀土资源优势的中国，在属于重要功能材料的重轨钢中稀土的应用还处于起步阶段。本项目以高速重轨钢典型钢种U75V为研究对象，旨在探索稀土元素Ce精确控制U75V钢中MnS夹杂物成分、形状、尺寸、数量、分布和结构的机理。主要内容包括：热力学计算、实验室实验和工业实验；借助的设备主要包括：金相显微镜、扫描电子显微镜、高温激光共聚焦扫描显微镜、真空感应熔炼炉、ASPEX全自动扫描电镜等。通过本项目的开展，为稀土元素精确控制重轨钢中MnS夹杂物提供理论依据与技术支撑。

重轨钢中的硫以硫化物的形式偏聚在晶界或异相界面上，对重轨钢的质量和性能造成极大的危害。目前，对U75V钢中MnS夹杂物的控制手段主要是热处理和稀土处理。虽然前人对稀土改质钢中MnS夹杂物以及利用热处理工艺处理钢中MnS夹杂物已经有了大量的研究，但是稀土处理后钢中的夹杂物已然发生了较大改变，对于钢的热处理制度是否还有必要沿用未加稀土时的制度相关研究报道比较少。本项目以U75V重轨钢为研究对象，初步探索稀土处理、退火处理以及二者共同处理下，钢中MnS及其相关夹杂物的变化规律、力学性能变化规律。具体研究结果如下：.（1）原始U75V钢中主要有3类夹杂物——纯MnS；Al2O3-SiO2-CaO-MnO复合夹杂；MnS半包裹的Al2O3-SiO2-CaO复合夹杂，其平均长宽比为3.3，平均尺寸为4.5μm。经加热至1200℃保温2h再水冷后，钢中夹杂物的种类和成分没有发生变化，但是球化作用显著，平均长宽比降为1.3，降低了约61%，平均尺寸也有所减少，减少了约25%；添加微量稀土Ce后，夹杂物种类和成分均复杂化，除了纯MnS以外，还发现了另外3种不同形态的含Ce夹杂物。与原始U75V相比，添加Ce后，夹杂物球化作用与退火处理效果相当，平均长宽比降为1.4，降低了约58%，但是对平均尺寸减小作用甚微，只减小了9%；进一步地，对添加Ce后的试验钢进行1200℃保温2h再水冷，夹杂物球化率没有变化，即平均长宽比仍为1.4。但是夹杂物平均尺寸进一步减小了，与原始U75V钢相比，减小了1.4μm（约31%）。与单一添加稀土Ce的钢相比，夹杂物平均尺寸也减小了1μm（约24%）。.（2）添加微量稀土Ce后实验钢的塑性略微提升。添加多量稀土与微量稀土实验钢的峰值应力没有发生明显变化，即实验钢的塑性没有明显变化。未添加稀土时，当应变速率不变时，峰值应变随变形温度的升高而呈降低趋势。添加稀土Ce改变了U75V钢动态再结晶的驱动力条件。添加稀土会使U75V钢的常温冲击性能降低，微量稀土可以一定程度的提升其低温（-20℃）冲击性能，但是添加过量稀土后实验钢的常温和低温冲击性能均会降低。实验钢加入稀土元素，珠光体晶粒尺寸减小，粒状珠光体的数量减少，片状珠光体的数量增加，有利于提高实验钢的机械性能。