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1、 本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：稀土对重轨钢组织和性能的影响学生姓名：魏仁群学 号： 专 业：冶金工程班 级： 指导教师： 38 稀土对重轨钢组织和性能的影响摘 要我国是一个人口众多的国家，铁路运输在我国的运输业中占有很重的比例，包钢在满足我国重轨需求的前提下，已向巴西出口了10000吨稀土重轨，在巴西得到了实际应用，并取得良好收益。本课题通过在U75V钢种中加入稀土和铬元素，通过包钢的NEOPHOT 32金相显微镜、LEO EVO 50HV型扫描电镜和一些力学性能检验观察其夹杂物、珠光体组织以及稀土对重轨钢性能的影响。实验结果表明：稀土能明显改善夹杂物形态，提高冲击韧性，改善耐磨和
2、耐腐蚀性，并且均能达到我国铁道部标准GB/T2241987（钢的脱碳层深度测定法）、GB/T2261991（钢的低倍组织及缺陷酸蚀试验法）、GB/T105611989（钢中非金属夹杂物显微评定方法）、GB/T132981991（金属显微组织评定方法）、GB/T30751982（金属轴向疲劳试验）、AREA1996（钢轨技术条件），完全符合出口标准。关键词：稀土；重轨；组织；性能内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）AbstractOur country has a great population，the railway transportation take a great proport
3、ion in transportation industrys，On the premise of satisfying the needs of heavy-rail steel in China，Baotou steel & iron company has already exported to Brazil 10000t Heavy-Rail Steel treated with Rare Earth，which showed a good performance during the practical application and brought enormous economi
4、c benefit to them. The issue passed in U75V adding steel and chrome rare earth elements, Baotou through the NEOPHOT 32 metallographic microscope, LEO EVO 50 HV-SEM and some mechanical means to observe the inclusions, pearlite, and the heavy rare earth orbit performance of steel. The results showed :
5、 RE could significantly improve the form and improve toughness and improve wear and corrosion resistance. and able to meet our standards GB/T224-1987 Railways (Steel decarbonization measured depth), GB/T226-1991 (steel macrostructure and defect etch test), GB/T10561-1989 (non-metallic inclusions in
6、steel-microscopic evaluation method), GB/T13298-1991 (metal microstructure evaluation method), GB/T3075-1982 (metal axial fatigue test), AREA-1996 (rail technology) Key words: Rare Earth; heavy-rail steel; macrostructure; 目 录摘 要IAbstractII第一章 文献综述11.1 重轨钢的发展及展望11.1.1 国内外钢轨生产现状11.1.2 在役钢轨常见伤损形式21.1.3
7、 提高钢轨性能的方法41.2 稀土在钢中的应用51.2.1 稀土处理钢的前景展望61.2.2 稀土对钢的三大作用61.2.3 稀土对钢组织的影响81.2.4 稀土对钢性能的影响101.3 铬在钢中的作用101.4 选题意义及研究内容111.4.1 选题意义111.4.2 课题研究内容11第二章 实验内容132.1 实验钢的冶炼工艺及成分132.1.1 实验钢的冶炼132.1.2 实验钢的轧制142.2 夹杂物分析152.2.1 试验设备及原理162.2.2 试验方法172.3 显微组织分析182.3.1 实验设备182.3.2实验方法182.4 冲击韧性试验182.4.1 试验设备192.4.
8、2 试验原理及方法192.5 耐磨试验设备及原理202.6 耐腐蚀性能试验212.6.1 耐腐蚀试验方法21第三章 实验结果及分析223.1 稀土对重轨钢夹杂物的影响223.2 稀土对重轨钢组织的影响253.3 稀土对重轨钢冲击韧性的影响263.4 稀土对重轨钢耐磨性能的影响283.5 稀土对重轨钢耐腐蚀性能的影响30第四章结论32参考文献33致谢36内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 文献综述1.1 重轨钢的发展及展望1.1.1 国内外钢轨生产现状当今世界科学技术日新月异，发展速度一日千里。各种各样的运载工具使我们与周围世界联系更加紧密，通过其自身快捷、高速等的特点不仅方便了出行
9、，而且加快了世界经济的发展。与汽车、飞机相比，铁路运输以其低成本、低污染、低能耗、高动力、速度快、票价低、不堵车和安全等特点1，越来越受到人们青睐。因此，铁路的发展特别是高速铁路的发展引起人们的普遍关注，高速铁路不但成为国家发展程度的标志，而且更成为加快经济发展的必经之路。与发达国家相比，我国公路、航空运输不甚发达。因此，铁路在我国经济发展中的作用就更加显著，铁路不仅是我国运输业的主力军，而且是经济发展的大动脉，随着现代化建设步伐的加快以及改革开放的深入发展，国民经济对铁路运输提出了更高的要求。长期以来，钢轨铁路运输在运输业中一直扮演着主要角色，它不仅承担全国70%货运量，而且承担着60%的客
10、运量2。铁路运输是我国主要的交通运输手段，而且铁路运输一直以其安全、廉价、快速等特点，在国民经济中起着举足轻重的作用。目前，铁路正向着高速、重载的方向发展，势必导致我国钢轨生产向着高强度、高耐磨性等方向发展。目前，国内高强度耐磨钢轨有鞍钢研制的74SiMnV(1078MPa)，攀钢研制的PD3(980MPa)。国外有美国的Cr-Mn和Cr-Mo轨(1078MPa)；西德的Cr-Mo轨(1078MPa)和Cr-V轨(980MPa)；法国的Cr-Si轨(1078MPa)以及加拿大的Cr-Si-Nb轨；英国的Mn-Cr轨；澳大利亚的Cr-Mo-V轨；日本的Cr-V轨等，也有些国家生产热处理或合金热处
11、理轨可使钢强度达到1785MPa以上3。1.1.2 在役钢轨常见伤损形式目前钢轨使用中出现的主要问题是钢轨伤损严重，如轨头压溃、波浪磨耗、波浪弯曲、孔裂、轨腰裂纹、弯道的侧磨和剥离掉块等。1）轨头磨耗轨头磨耗通常表现为钢轨在轮轨摩擦力和接触应力的作用下，在钢轨头部发生的全长磨损，轨头磨耗分为垂直磨耗和侧面磨耗，它使钢轨强度下降，一般多出现在曲线外股钢轨的头部4。在小半径曲线地段，轮轨两点接触，侧向压应力较大，在轨角处造成侧磨。据统计，在曲线半径R300m路段，钢轨寿命平均只有6.3个月；在曲线半径R400m地段，通过3000万吨后侧磨达到期限换轨；而在曲线半径R600m弯道，普通60kg/m钢
12、轨使用9个月后侧磨达到1718mm，需要换轨。目前随着列车提速和轴重增加，钢轨侧磨逐渐向较大半径曲线发展5。2）钢轨波浪磨耗在小半径曲线地段，还经常出现波浪磨耗。波浪磨耗是钢轨踏面在全长出现周期性高低不平的波浪磨耗，轨头下颚和整个断面保持平直。波浪磨耗已经成为重载线路的一大病害，有些地段甚至决定了钢轨的寿命。澳大利亚研究了钢轨强度与出现波浪磨耗的关系，指出提高钢轨强度可以减缓波浪磨耗4。美国在FAST环行试验场研究了大量的波浪磨耗以后提出，当硬度大于422HB时在钢轨上没有观察到任何波浪磨耗8。3）钢轨的波浪弯曲钢轨的波浪弯曲是指钢轨沿纵向在踏面呈现明显的波浪状不平顺，轨头下颚及轨身均随钢轨踏
13、面呈现周期性的弯曲。随着铁路的提速，波浪弯曲已经成为钢轨新的病害，主要有6：a.广深准高速铁路使用U71Mn钢轨段，自开通运营以来钢轨波浪状不平顺较为严重；b.郑州铁路局京广线使用PD3钢轨，在低速时未发现异常，但自1999年快速列车开行后，发现钢轨踏面呈明显的波浪状不平顺。c.2002年6月，宝兰二线U74 60kg/m淬火钢轨经过半年多运营，出现大量波浪弯曲，波长周期无规律。钢轨的波浪弯曲多与路基状况、列车运行蛇行失稳、运行 速度高和出厂钢轨本身不平顺等有关。4）剥离掉块剥离掉块是指发生在钢轨踏面上一种呈薄片状金属剥离母体或呈掉块状剥离母体的损伤，实际上也是一种疲劳磨耗。剥离多发生在曲线外
14、股上，钢轨接触应力大于钢轨屈服强度是造成剥离的外因；钢轨轨头踏面存在夹杂物是造成剥离的内因。钢中夹杂物尤其铝的氧化物夹杂是脆性夹杂物，为疲劳裂纹源，所以在钢轨钢的冶炼过程中应采用精炼，真空脱气使钢质净化，尽量减少钢中非金属夹杂物，减少疲劳剥离和核伤的发生。除钢轨质量外，线路状况不佳、轮轨润滑不当也能引起剥离掉块。5）轨头压溃轨头压溃是指发生在轨头踏面处，由被压溃的金属所形成的飞边。造成轨头压溃的原因是由于列车给予钢轨的压应力和离心力，使轨头金属产生塑性流变。发生轨头压溃处的金属常常存在有害夹杂物和元素偏析。另外，车轮通过轨缝和道岔时，车轮首先和钢轨端头发生强烈的撞击，使其部位被压溃，由于轨道结
15、构的弹性释放效应，车轮会被弹起，再次与钢轨发生二次撞击，使距钢轨端部大约30cm处轨头踏面被压溃。这种破坏现象已是铁路现场最常见而又难以克服的现象。6）孔裂孔裂是指钢轨在列车冲击载荷的作用下，在螺栓孔边角处，由于存在应力集中或其它缺陷而造成的裂纹。这种裂纹受载荷反复作用而扩展，甚至发生断裂。另外，车轮通过钢轨连接处时，由于连接结构形式和受力变形特点，螺栓孔处受剪应力大，材料易开裂，也常常导致钢轨断裂。由于载荷交大，这种类型的断裂往往是突发性的，由此造成许多重大脱轨事故。7）轨头踏面线纹所谓轨头踏面线纹是指在钢轨表面存在细微裂纹，这种裂纹在热轧后的钢轨上由于氧化铁皮的覆盖，不易被发现，若经过列车
16、车轮碾压，或热酸腐蚀，就会被发现，表面形式是沿钢轨的长度方向呈断续平行分布，线纹条数不等。从金相检验结果来看，踏面线纹及周围有两种现象：一种线纹附近严重脱碳；另一种现纹附近无脱碳，现纹处存在着大量的Mg、Al、Si、Ca等夹杂物7。此外，钢轨其他伤损形式还有轨腰裂纹、轨面探伤、轨底碎裂、钢轨锈蚀、焊接不良造成钢轨断裂等都直接影响钢轨的使用。1.1.3 提高钢轨性能的方法根据国内外的许多相关资料及报道，用于提高钢轨性能的工艺方法大致有两种：一种是采用微合金化的方法来提高钢轨的性能；另一种是采用热处理工艺来强化钢轨8，其强度可达到10001200MPa。对某些条件特别苛刻的重载路线，普通碳素钢轨的
17、全长淬火或合金钢轨也不能满足要求。因此，已开始采用复合强化，即合金化、变形强化和热处理三位一体的生产工艺。合金元素中最普通和大量采用的是Mn，其主要作用是固溶强化，并降低碳在铁中的共析度。为了提高钢轨钢的强度，还需加入其它合金元素，主要有Cr、V、Mo、Nb等元素，Cr和Mo均为固溶强化元素，加入Cr、Mo的主要作用是推迟珠光体转变，细化珠光体，从而提高钢的强度和耐磨性，同时提高钢的渗透性；V和Nb的作用是细化晶粒和析出强化，因而提高钢的强度，特别是屈服强度，同时加Nb对改善碳素钢轨的可焊性有好处，其特点是焊缝区的硬度比较均匀9。(1) 细化珠光体组织细珠光体钢在接触疲劳过程中的塑性变形能力高
18、于粗珠光体钢，TEM观察结果表明：部分样品珠光体中的铁素体内存在高密度的位错。从位错的分布来看，主要集中在铁素体/渗碳体界面附近。这说明铁素体内产生了塑性变形，铁素体的塑性变形要受到相邻渗碳体的阻碍作用，铁素体发生的位错在铁素体/渗碳体的界面上发生塞积。因此，可以判断在铁素体/渗碳体界面上存在应力集中，是疲劳裂纹可能发生的位置之一，细化珠光体，可以起到使变形均匀分布，缓解应力应变集中的作用，对延缓接触疲劳裂纹的萌生及扩展十分有利。 (2) 减小珠光体片层间距珠光体进一步强化到11001200MPa的抗拉强度是在使珠光体细化程度提高的基础上进行的，由900MPa级钢的连续冷却相变(CCT)图表明
19、，珠光体显微组织的最大强度均为1200MPa，说明实现珠光体细化有两种可能。第一是通过添加铬，奥氏体向珠光体转变区可向右移动，在此轨头空冷将奥氏体转变成了窄片间距的细珠光体，这种类型是轧制后空冷的1100MPa级高强度和高耐磨性合金钢；第二是使轨头进行加速冷却，让900MPa级钢的奥氏体转变珠光体区向左移动，以实现细珠光体显微组织，在钢化学成分相同的情况下得到11001200MPa的抗拉强度，这种类型是轨头淬火钢轨，轨头热处理和加速冷却后或轧制后仍为奥氏体显微组织时进行。1.2 稀土在钢中的应用稀土在元素周期表中的位置十分特殊，17个元素同处在第B族，钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)分别为第四
20、、五、六长周期中过渡元素系列的第一个元素。它们具有相同的壳层结构，只是4f过渡电子数目从0到14不同，外层电子都是1个d电子和2个s电子，采取Xe4fn6s2Xe4f(n-1)5d16s2基层组态10，这使得它们的外层电子易丢失而成为化合价为+2、+3的阳离子。因此，RE在钢液中具有很强的化学活性，能与钢中O、S等有害杂质生成高熔点产物。1.2.1 稀土处理钢的前景展望随着国民经济建设的发展，除了要求钢材有高的强度和韧性外，还要求有良好的耐氧化和腐蚀性能，这方面稀土能发挥重要作用。我国的稀土资源丰富，发展稀土处理钢对弥补我国钢铁企业技术与装备差距，参与国际市场竞争，具有重要意义。目前，随着许多
21、钢厂研究中心对稀土在钢中作用机理的深入研究，已经相继取得进展，对其改善钢坯质量，提高钢材性能等多方面取得成果，尤其对稀土微合金化作用机理的进一步研究，必会极大的拓宽稀土在钢中应用的范围，扩大稀土钢的应用。预计在未来十年里，稀土重轨钢将在我国现代化建设中有较大发展。稀土的加入，对提高韧性和耐腐蚀性能起到很好作用，海上采油平台和隧道用钢筋都需要提高耐腐蚀性能，加入稀土也有很好的应用前景。此外，在不锈钢和合金钢使用稀土目前已有了一定的基础，可以改善钢的抗腐蚀性、高温塑性和强度10。1.2.2 稀土对钢的三大作用(1) 稀土的净化作用稀土元素具有很强的脱氧能力11，而且脱氧速度很快，其脱氧能力比强脱氧
22、剂Al、Mg、Ti等强，与Ca元素相近，微量稀土元素可脱氧至小于1ppm，所以在冶炼过程中，金属液相经过适宜脱氧后再加入稀土仍有深度脱氧和稀土氧化物变质作用。 稀土元素的脱硫能力也很强，比Mg强，稍次于Ca，当稀土含量高，硫含量低时，铁液中主要生成RES，反之，主要生成 RE2S3。当钢液中同时含有硫和氧时，稀土元素将在铁液中生成RE2O2S型的硫氧化合物，而纯稀土氧化物反而不多见，稀土元素在钢中同时脱氧和脱硫的能力很强，较脱硫能力强，接近于脱氧能力。 稀土在钢中同时具有消除和降低微量低熔点金属的危害作用，一些稀土元素和低熔点的金属生成高熔点的金属间化合物，其熔点在14002200范围内，稀土
23、与Pb、Sn等低熔点金属交互作用，相互增加溶解度12-21，降低了其对钢材性能的危害，稀土可以使其中一部分产物上浮，残留在钢液中的稀土可以降低其危害。 热力学研究表明，稀土元素可以增加铁液中氢的溶解度，由于稀土原子体积较大，而氢原子体积较小，所以，稀土对氢的吸附力极强，稀土元素加入钢中可以吸附钢中的氢原子，降低白点敏感性，降低氢裂，从而增加钢的机械性能。 (2) 稀土对钢中夹杂物的变质作用稀土加入钢中主要起脱氧、脱硫和变质夹杂物的作用。反应产物主要是稀土夹杂物，随着稀土加入量的增加，完成脱氧、脱硫和变质夹杂的作用后，富余的稀土元素固溶在钢中，其固溶量可达到10-510-4数量级，这部分稀土将起
24、到合金化的作用13。当用铝终脱氧时，MnS夹杂对钢的横向塑性和韧性的危害，特别是在连轧钢板中的危害十分突出。未加稀土前，钢中夹杂物主要是长条状的MnS和少量成串的Al2O3和铝酸盐；加入稀土后，钢中夹杂物首先出现不变形或难变形的RE2O2S和RE2S3，进而甚至出现RES，长条状的硫化物夹杂基本消失，形成了细小的圆形或椭圆形的稀土硫化物、稀土硫氧化物。钢中加入RE后可以改善其铸态组织，缩短柱状晶，减少枝晶偏析。而且，由于稀土的作用，使得夹杂物的形状由链状转变为球状或纺锤状，这些变化减少了偏聚力和应力集中的影响。因此，由于相变应力和热应力导致的裂纹萌生和扩展被抑制了，对于在线路上服役的钢轨来说，
25、正是由于这种夹杂物的变性作用在最大剪应力区减少了裂纹萌生，因而，提高了钢的疲劳性能14。(3) 稀土的微合金化作用合金化的物理本质应是：通过元素的固溶及其固态反应，影响微结构、组分和组织,从而使钢获得要求的性能。这样，从存在形态、结构和组织、性能三个方面，比较具体地规定了合金化的含义。因此，稀土在钢中固溶量的测定是判断稀土是否存在合金化首先要解决的问题。 我国科学家对钢中稀土固溶量的测定方法做了大量的研究，可分两大类：(1)物理法:如内耗法、正电子湮灭法、点阵常数法；(2)电化学分离、计量法:电解分离稀土夹杂物后,采用不同的方法得出固溶量。其中,采用非水电解液低温电解等离子光谱分析法,分析精度
26、可达110-6。 有研究说明稀土在钢中主要以三种形态存在:稀土夹杂物、固溶稀土、稀土铁金属间化合物。当钢中氧、硫含量较高而稀土加入量又相对较低时,稀土主要起脱硫、脱氧和变质夹杂的作用;当钢中氧、硫含量较低或稀土加入量相对较高时,富余的稀土将固溶于钢中,其固溶量可达10-510-4 数量级。攀钢碱土金属脱氧、脱硫净化钢液后在结晶器喂稀土丝的处理工艺,使O9SiVL钢板中固溶稀土量为0.0027%,占稀土总量的12%7。固溶的这部分稀土将起到微合金化的作用。微合金化的大小程度取决于微量稀土固溶量的固溶强化、稀土与其他溶质元素或化合物的交互作用、稀土的存在状态(原子、夹杂物或化合物)、大小、形状和分
27、布,特别是在晶界的偏聚,以及稀土对钢表面和基体组织结构的影响等。稀土在钢中的晶界偏聚和强化晶界的作用，稀土在钢中溶解量很少,主要偏聚在晶界。稀土的这种分布特点减少了杂质元素在晶界的偏聚,改变了晶界的成分和结构,改善了与晶界有关的钢的性能。如稀土降低高速钢中晶界硫的偏聚量；铈降低Sb在-Fe晶界的偏聚速度,在500600范围内显著降低Sb在晶界的平衡偏聚浓度;稀土净化强化晶界,使20#管坯钢800下延伸率提高60%,面缩率提高30%,并保持有较高的强度。1.2.3 稀土对钢组织的影响(1) 改善钢的铸态组织稀土处理钢中的稀土夹杂物作为钢凝固的非自发形核中心，缩小了钢结晶的过冷度，显著地细化了铸态
28、组织，在连铸钢坯，模铸钢锭以及铸钢件上，均可观察到缩小的柱状晶区，扩大等轴晶区并细化等轴晶粒。大型连铸板坯的等轴晶区约扩大10%15%，柱状晶区的一次晶和二次晶组织都变得细小，枝晶间距变短。碳、硅、锰、磷和硫的枝晶偏析得到减少，硫和非金属夹杂物在铸坯心部的偏聚现象也明显消减，中心裂纹可能克服。铸钢坯结晶组织的改善对钢材性能的提高有重要作用。(2) 抑制钢的奥氏体晶粒长大细小稀土夹杂物对晶界有钉扎作用，固溶于钢中的稀土多偏聚在晶界上产生拖曳作用，它们可能阻碍晶界迁移，从而抑制奥氏体晶粒长大。固溶于钢中的稀土也使奥氏体晶粒长大温度提高。 林勤等人通过定量金相分析结果表明：稀土使铁素体量增加，脱碳层
29、厚度减少，这些与稀土降低碳在铁素体中活度，增大铁素体的溶碳能力和降低碳的扩散能力有关15。 (3) 影响转变过程及转变产物的组织结构根据资料的实验证明16-20，稀土影响钢的转变温度，如Ac1、Ar1、Ac3、Ar3、Ms、Mf等，改变相变产物的组织结构。不同的钢号加入稀土后，分别观察到细化的渗碳体、板条马氏体或位错马氏体亚结构，改变铁素体的含量和尺寸，抑制碳化物相的聚集粗化等现象，对于含稀土的低、中、高碳钢，稀土影响它们连续冷却变化曲线，使该曲线向右下方移动，不同转变产物的数量变化，细化组织。李文学，刘宗昌对一些微合金钢研究表明18：固溶稀土影响过冷奥氏体转变产物，当获得珠光体加铁素体组织时
30、，固溶稀土使得在同样冷速下，珠光体的相对量增加，先共析铁素体的相对量减少并细化珠光体，固溶稀土可以增加贝氏体的相对量，细化马氏体板条和马氏体片。1.2.4 稀土对钢性能的影响(1) 稀土改善钢的疲劳性能钢中加入RE，可以改善铸态组织，缩短柱状晶，减少枝晶偏析。而且，由于稀土的作用，使得夹杂物的形状由链状变为球状或纺锤状，这些变化减少了偏聚力和应力集中的影响。因此，由于相变应力和热应力导致的裂纹萌生和扩展被抑制了。对于在线路上服役的钢轨来说，正是由于这种夹杂物的变性作用在最大剪应力区减少了裂纹萌生，因而，提高了疲劳性能14。(2) 提高钢的强度和塑性、韧性加入稀土后，使钢的强度、均匀性得以改善，
31、稀土对钢强度的影响是复杂的。一方面，稀土净化钢液与N、P交互作用，减少珠光体数量等会导致强度的降低；另一方面，稀土在钢中固溶，减少了珠光体片层间距，稀土细化晶粒及促进碳氮沉淀相析出等作用，有利于强度的提高。随着钢中稀土含量的增加，铁素体数量增多，珠光体数量减少，晶粒度级别略有提高，究其原因是由于稀土降低了碳在铁素体中的活度，增大了铁素体的溶碳能力，从而减少了组织中珠光体含量 23。(3) 提高钢的耐磨性在重轨钢中，也有耐磨性提高的报道，但尚有一些争论。由于影响钢的耐磨性因素很多，而钢磨损的机制也随磨损形式和种类不同而不同。因此，目前对稀土的作用尚不能得到统一认识，不过有一点可以肯定，钢中稀土夹
32、杂物变少、变小和球化，使晶粒细化和使碳化物及渗碳体尺寸变细，这些作用都可以提高钢的耐磨性。1.3 铬在钢中的作用Cr可提高强度，增加淬透性，还可改善抗氧化作用，增加抗腐蚀性。铬是中等碳化物形成元素，加热时溶于奥氏体的铬强烈提高淬透性。钢中的铬，一部分置换铁形成合金渗碳体，提高其稳定性；一部分溶于铁素体中，产生固溶强化，提高铁素体的强度和硬度，在较高强度的非调质钢中，有时加入0.1%0.2%的铬，芬兰生产的IVA1000非调质钢中含有0.5%0.6%铬。铬不仅能使C曲线明显右移，而且使其分为珠光体和贝氏体转变两个部分，Cr、Ni、Mn、Mo适当搭配，同时加入钢中，可显著地推迟珠光体转变，使钢容易
33、获得贝氏体组织。1.4 选题意义及研究内容1.4.1 选题意义巴西已经从包钢购得二代稀土重轨10000吨，并应用于实际，使用性能良好，获得很好的收益，而这种重轨在我国也具有使用价值，所以研究并开发这种稀土轨已迫在眉睫，在此有必要研究一下稀土在钢中的作用，尤其是在低氧硫的钢种中。由于我国铁道部标准较严格，要想在我国普及该钢轨，必须有理论为依据，因此，本课题围绕该目的进行。1.4.2 课题研究内容1试验钢的冶炼及样品制备试验钢的冶炼是本试验的关键，所冶炼的钢坯质量的好坏直接影响试验结果。在夹杂物分析、组织分析试验过程中均要求良好的金相试样，所以好的实验材料是本次实验的基本前提，在此系统地阐述了实验
34、钢的冶炼工艺、轧制工艺，以及试验样品的制备方法；2夹杂物分析稀土有良好的控制夹杂物的作用，通过金相显微镜、扫描电镜观测以及夹杂物评级，系统的阐述了稀土对夹杂物变性的作用；3组织分析组织是影响材料性能的主要因素，当钢中有一定量的稀土的时候，对材料的铸态组织以及轧后组织均产生一定的影响，通过组织分析完整的阐述稀土对材料性能所带来的影响；4材料性能分析对材料性能的研究主要是通过冲击试验来完成的。另外还进行了耐磨和耐腐蚀性能的研究。第二章 实验内容2.1 实验钢的冶炼工艺及成分2.1.1 实验钢的冶炼根据重轨的特别服役条件，包钢在成功出口巴西10000吨重轨的基础上，即在U75V的基础上加入稀土和铬元
35、素。众所周知，铬元素可提高钢的耐磨性和淬透性，以使钢轨的强度得到进一步提升，而稀土则可以净化钢液，对夹杂物具有变性作用，在这一理论的支持下，包钢进行了大胆的实验，冶炼了三个钢种。试验用钢采用包钢轨梁厂生产的U75V成品重轨钢，试验钢生产工艺流程为：铁水扒渣顶底复吹氧气转炉冶炼（单渣、高为补吹）挡渣出钢无铝终脱氧LF钢包炉精炼（脱硫、深脱氧、合金化、吹氩搅拌、控制温度、控制成分）VD深真空脱气（去氢、去氧、去氮、大强度均匀化）VD后定时间软吹（去夹杂、稳定温度）自动开浇保护浇注结晶器液位自动控制结晶器电磁搅拌气雾冷却火焰切割自动打号。VD盖盖前在钢包喂入稀土包芯线150米，过热度1525，不大于
36、30。经轧制后成型。这次试验钢用三炉钢，分别是1#、2#、3#，均加入了稀土和铬元素。5#则是未加入稀土的对比钢种，它们的化学成分见表2-1。表2-1 冶炼钢的化学成分试样编号熔炼号钢种CSiMnPSVCrRE备注1#07700614U75VM0.710.580.860.0130.0050.060.270.0022熔炼0.7150.5870.8680.0120.0050.0680.283成品轨2#07700623U75VM0.790.660.940.0150.0080.060.270.0022熔炼0.7700.5170.9250.01280.0050.0580.276成品轨3#07700731
37、U75VM0.760.630.920.0180.0070.060.300.0014熔炼0.7730.6410.9340.01830.0070.0630.326成品轨5#06403866U75V0.730.550.920.0210.0090.05/熔炼0.7390.5430.9370.01820.0080.05/成品轨2.1.2 实验钢的轧制轧制工艺：钢坯上料步进梁加热炉加热第一次高压水除磷BD1第一次开坯BD2粗成型万能粗轧第二次高压水除磷万能精轧打印切头、取样冷却矫直检测中心检测锯钻床加工长尺轨四面翻钢检查长尺轨入库。为了保证钢轨脱碳层不超0.5mm的标准，钢坯加热时采用微还原气氛，同时为保
38、证钢坯温度均匀，要求冷钢坯加热时间必须大于4小时。各段轧制温度控制工艺参数见表2-2。表2-2 轧制温度控制钢种加热段温度（）均热段温度（）钢坯出炉温度U75VM上：1100-1300上：1100-12801080-1160U75V下：1100-1300下：1100-1280轧制过程采用万能孔型系统，包括一个箱形孔、一个梯形孔、三个帽形孔、四个轨形孔、四个万能孔、两个轧边孔，共轧制20道次，可使钢轨全断面进行充分变形，改善钢轨内部致密度，提高钢轨性能，尤其是尺寸精度的精确控制，使生产的钢轨完全满足高速轨尺寸精度要求。 开坯机采用液压平衡装置，带有位移传感器，辊缝控制精度高，确保供万能轧机的坯料
39、尺寸稳定。万能轧机采用先进的高精度动态数字控制系统，实现了每次轧制程序更换后轧辊缝的校对；在每次设备零件更换后轧制线确定和位置传感器的校准；快速位置控制促使实际辊缝达到设定值；在轧制过程中自动补偿由于轧制力产生的轧辊弹跳；每一个机架可以在垂直方向上调整到正确的中心线等功能。轧制过程中有两次高压水初磷，基本清除了轧件表面加热产生的氧化铁皮和二次氧化铁皮。另外由于变形方式的改变，轧辊磨损减轻，成品钢轨表面光洁度较好，消除了轨底边缘充填不满的缺陷。通过合理的设计孔型结构，并配合精细的孔型调整，使钢轨轨头踏面轮廓充填饱满，满足高速铁路标准对轨头充填度的要求。2.2 夹杂物分析制备试样时将重轨的截面分为
40、11个小部分，如图2.1所示，其中1#、2#、5#、7#、8#、9#试样分别做金相、电镜的观察。夹杂物对钢轨的力学性能有着重要的影响，因此，对夹杂物的种类、大小、分布和数量的研究也成为性能研究的一个重要方面。通过金相观察、扫描电镜与能谱分析，系统的研究了稀土对钢中夹杂物的影响。图2.1重轨钢截面取样区示意图用于观察夹杂物形貌的试样的制备：首先是取样，夹杂物在钢轨不同部位的分布不同，如钢轨的头部、腰部及底部就有明显的差别，因为该重轨属轧制成型，夹杂物的分布和形态与金相磨面的方向有关。因此根据研究的目的，取纵向试样，样品制备包括粗磨、细磨、抛光三道工序，制备好的金相试样应满足以下要求：(1) 试样
41、平整、光洁、无细微划痕、无锈蚀斑点；(2) 夹杂物完整无缺、无孔洞和“拖尾”；(3) 无磨料嵌入。采用短毛的抛光细物，轻慢的抛光盘转速，尽量缩短抛光时间，在抛光过程中不断地转动试样以将试样预选进行淬火热处理等，以防止夹杂物脱落和“拖尾”的一些行之有效的方法，在细磨和抛光过程中，用人工操作，可以得到较理想的金相试样，在分析钢材缺陷区的夹杂时，只需将缺陷区域磨好，不必磨制整块试样，以免夹杂物剥落。此外，在制备金相试样试要特别注意，不稳定的稀土夹杂物以及Fe-Re中间相和稀土碳化物等，易于在空气中变质、受蚀和脱落，因此在制备试样应尽量减少和水接触。2.2.1 试验设备及原理本次试验主要采用的试验设备
42、为包钢技术中心的NEOPHOT32金相显微镜和LEO EVO 50HV扫描电镜。扫描电镜是利用细聚焦的电子束，在样品表面逐点扫描，用探测器收集在电子束作用下，样品中产生的电子信号，把信号转换成图像的仪器。扫描电镜的结构分五部分：电子光学系统、扫描系统、信号接受和显示系统、样品台及真空系统。扫描电镜的优点之一是制样简单，金属样品可以直接观察，对样品的要求是：尺寸适当，表面导电且洁净，金属样品通常用酒精清洗，有油污的断口样品用超声波清洗器清洗。在高能量电子束照射下，样品原子受激发产生的特征X射线是一种电磁辐射，可以用两种方式描述。若将其看成连续的电磁振动，则它是具有固定波长的电磁波。每种元素各有其
43、特征X射线波长，并可利用已知经面间距的分光晶体，根据布拉格公式予以测定，这就是X射线波谱分析。另一方面，还可以把X射线看成由不连续的光子组成的射线。光子能量Eh，特征X射线的光子有一定的振动频率，即有一定的能量，而每种元素的特征X射线能量不同。因此，如果用某种探测器测出X射线光子的能量，同样可以达到鉴定化学成分的目的。随着稀土的加入，考察钢中稀土夹杂物的变形过程和夹杂物在钢中的大小、分布和数量。由于钢的成分、杂质含量、冶炼工艺、稀土加入量以及加入方法等因素的不同，以至在某一具体钢中出现的稀土夹杂物也是各种类型。在稀土钢中通常会出现下列几种稀土夹杂物：稀土氧化物及复杂氧化物(如RE2O3，REA
44、l11O8，REAlO3，RE与Al、Ti、Ca、Mg等的复杂氧化物)，稀土氧硫化物(RE2O2S)和稀土硫化物(含稀土的MnS、RE2S3、或RE3S4，RES)。在某些情况下，还会出现稀土的硅化物，RE-P-As化合物，稀土碳化物以及Fe-RE中间相等。稀土的某些化合物，特别是稀土硫化物的化学性质很不稳定，稀酸和含有弱化学性质的溶剂就能将它溶解。在电解提取稀土夹杂物时必须选择适当的电解液和电解制度，才能将稀土夹杂物保留下来。2.2.2 试验方法本次试验通过金相显微镜、扫描电镜和能谱对试样中夹杂物的形貌和大小、尺寸和分布进行分析，并做了夹杂物评级，探讨钢中稀土含量对夹杂物的变性的作用。其中，
45、夹杂物的评级采用标准图谱比较法：国际标准化组织(ISO)、美国材料试验协会(ASTM)和我国国家标准GB10561 89将高倍金相夹杂物分为4类，即A类(硫化物类)、B类(氧化铝类)、C类(硅酸盐类)和D类(球状或点状氧化物类)。标准评级图谱的图片直径80mm，相当于被检金相试样上直径0.8mm的视场放大100倍后的尺寸。A、B、C和D类夹杂物按其厚度或直径不同又分为细系和粗系两个系列，每个系列按夹杂物沿钢材轧制方向的长度分成5个级别，JK法分为15级、ASTM法分为0.52.5级，后者用于评定高纯度钢。标准图谱比较法可以根据非金属夹杂物的形态来区分夹杂物的类型。采用不同脱氧工艺生产的钢，即使
46、其总氧量基本相同，仍可能具有不同的氧化物夹杂类型。标准图谱比较法通常将CaS和不变形的硅酸盐夹杂物都归入D类夹杂物。对于用铝脱氧的钢种，B类夹杂物的级别在一定程度上反映了钢中总氧含量。但对于总氧含量低于1010-6的超低氧钢，标准图谱比较法已不适于用来评定钢的纯净度，这也从另一个侧面反映出钢中大颗粒夹杂物随氧含量的降低而减少的规律。2.3 显微组织分析2.3.1 实验设备 由于珠光体组织较细，所以对珠光体片层的分析和比较，必须考虑设备因素。此次实验是在包钢的LEO EVO 50HV 电子显微镜下进行实验和观察的。由于本次实验钢为重轨用钢，而重轨钢对组织的要求较严格，要求基体组织必须为珠光体组织
47、，可以有少量铁素体，因此研究重轨钢的性能就必须从研究钢中的珠光体入手，而珠光体组织在钢中的形态将在很大程度上影响重轨钢性能，所以研究钢中珠光体形貌对分析重轨钢所具有的性能将有很大帮助。2.3.2实验方法抛光好的金相试样，要得到有关显微组织的信息，还必须经过组织的显示，习惯称为浸蚀或腐蚀。此次实验是将试样放在4%硝酸酒精的腐蚀介质中腐蚀的，经过30分钟左右，表面呈浅灰色即可。2.4 冲击韧性试验本次试验是对U型缺口试样进行冲击。试样破坏时所受能量的大小即为材料的韧性，由韧性的高低可以判断材料在使用时是否会发生脆性破坏，最终分析不同温度下稀土对材料冲击韧性的影响。冲击试验可以用来决定金属材料在温度下降时，有延性转变为脆性行为的温度范围，即：材料的脆韧转变温度(Frac