残余元素砷和稀土镧对高碳钢性能的影响研究

摘要

由于钢中残余元素砷的氧化势低于铁，当前的冶炼工艺很难将其从钢中脱除。残余元素会在凝固过程中偏析、晶界偏聚和氧化富集从而影响钢材的热加工性能、回火脆性和力学性能。目前，由于降低和控制钢中残余元素的方法综合成本高、操作程度复杂和能耗大等缺点，还没有适合于工业生产的有效方法。稀土元素能和钢中残余元素As、Sn、Pb等反应，也可以降低钢中S和O的含量起到净化钢液的作用。因此，为了控制As对高碳钢力学性能和高温氧化性能的影响，本文从含As钢中As的赋存状态、钢的微观组织及非金属夹杂物等角度出发，研究了La、As对高碳钢力学性能和高温氧化性能的影响。
　　As通过影响高碳钢的微观组织影响其力学性能。As含量在0.008-0.115％范围内增加时，高碳钢的抗拉强度和屈服强度均呈现先增大后减小的趋势，且当As含量为0.060%时两者达到最大值，变化趋势与As对索氏体片间距和原奥氏体晶粒尺寸的影响规律一致。但是，As含量高于0.030%时会显著降低高碳钢的塑性和韧性。另一方面，在没有O参与的条件下，As含量和氧化温度均对高碳钢内部的As偏聚无显著促进作用；而在有O参与的条件下，当As含量大于0.030%时，O会显著促进As在钢表面晶界处偏聚，两者均在晶界偏聚。
　　稀土La会显著影响含As高碳钢中夹杂物的生成。La-O-As夹杂物是As在稀土高碳钢中的主要赋存形式，这种夹杂物在固相中生成。在液相中生成的 La2O3和 La2O2S可以作为 La-O-As夹杂物的异质形核核心，从而生成复合夹杂物；La-O-As夹杂物也可以以单颗粒夹杂物的形式存在。微量稀土 La会恶化含As高碳钢力学性能，La的含量应控制在适宜范围。
　　氧化温度和As含量会显著影响高碳钢的高温氧化性能。当氧化温度为1080℃时，As在氧化层-基体界面处的富集程度达到最大值，同时氧化层最厚；当As含量为0.090%时，As在氧化层-基体界面处富集程度最严重。添加稀土La对含As高碳钢的氧化层结构并无显著影响，当 La含量增加至0.089%时，可以保证 As基本不在氧化层-基体界面处富集。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 残余元素的定义及来源

1.3 残余元素砷对钢材性能的影响

1.4 钢中残余元素的控制措施

1.5 稀土元素在钢中的作用

1.6 研究内容

2 实验方案

2.1 研究思路与技术路线

2.2 实验原料

2.3 实验钢成分设计及制备

2.4 实验方案

3 砷对高碳钢力学性能的影响研究

3.1 砷在钢中的赋存状态研究

3.2 砷对高碳钢组织的影响

3.3 砷对高碳钢拉伸和冲击性能的影响

3.4 砷对高碳钢力学性能的影响作用机理

3.5 本章小结

4 稀土镧对含砷高碳钢力学性能的影响研究

4.1 稀土镧对钢中砷赋存状态的影响

4.2 稀土镧对含砷高碳钢组织的影响

4.3 稀土镧对高碳钢拉伸和冲击性能的影响

4.4 本章小结

5 镧对含砷高碳钢高温氧化性能的影响研究

5.1 砷在高碳钢高温氧化过程中的偏聚行为研究

5.2 组分浓度对含砷高碳钢高温氧化性能的影响

5.3 本章小结

6 结论与展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录：