Ti_Al复合脱氧钢中夹杂物的析出行为及对钢的组织的影响

冶 金 丛 刊

Su m.188 N o.4

2010年8月M ETALLURG ICAL COLLECT I ON S

A ugust 2010

作者简介:吕春风(1980-),男,工程师,大学本科,2003年毕业于辽宁科技大学

T i-A l 复合脱氧钢中夹杂物的析出行为及对钢的组织的影响

吕春风 尚德礼 于广文 康 磊

(鞍钢股份有限公司技术中心,辽宁鞍山114009)

摘 要 利用光学显微镜和扫描电镜、透射电镜对T i-A l 复合脱氧钢中夹杂物的析出行为进行了研究。结果表明:在T i-A l 复合脱氧钢熔炼试验中,通过采取钢熔化后先加碳、硅、锰、铌进行预脱氧,再加铝进行脱氧,最后再加钛进行终脱氧的脱氧合金化处理方式,钢中产生的夹杂物主要为T i -A l 复合夹杂物或T i-A l-M n 等复合夹杂物,夹杂物尺寸为1~3 m,分布比较均匀。这些分布较均匀的细小夹杂物引起了周围钢组织的高密度位错,诱导了大量晶内针状铁素体的形成,细化了钢的组织,提高了性能。关键词 T i-A l 复合脱氧;夹杂物;针状铁素体

中图分类号:TG144.1+3 文献标识码:A 文章编号:1671-3818(2010)04-0001-05

PREC I PITAT I ON BEHAV I OR OF I NCLU SI ONS I N T i A lM ULT I PLIC I TY DEOXI DI ZED S TEEL AND I TS EF 17FECT ON T HE M I CRSTRUCTURE STEEL

Lv Chunfeng Shang D eli Yu Guangw en K ang Lei

(Technology Center of Angang S tee l Co .,Ltd .,Anshan 114009,Liaoning)

Abst ract The prec i p itation behav i o r of i n clusi o ns in T i A lm ulti p li c ity deox i d ized steel w as studied by OM 、SE M and TE M.The results sho w ed that i n the s m e lting experi m ents o fT i A lmu ltiplicity deox i d izied steel ofwh ich deox idizati o n m ethod was add i n g car bon ,silicon ,m agnesi u m and niob i u m for pre deox idiza

ti o n,then addi n g alu m inum ,at last add i n g titaniu m for end deox i d izati o n ,inc l u sionsw ere m ainly T i A l or Ti A l Mn co m plex inc l u sion ,etc .Inc l u sions sizes w ere co mm on l y 1~3m icrons that distri b uted re lati v ely unifor m ed .These ti n ny i n clusi o ns caused h i g h density of disl o cati o n i n the stee l around the m and a lot o f acicular ferrite w as i n duced to for m ,so that the m icrostr uct u re w as fi n ed and t h e properties w ere i m proved .K ey w ords T i A lmu lti p lic ity deox idization;i n clusions ;ac icular ferrite 钢中夹杂物的去除一直是炼钢生产中的一项重要工作,钢的洁净化也一直是炼钢工作者追求的目标。但钢的完全洁净化在工艺上是不可能实现的,而且在炼钢生产过程中投入大量的人力、物力去过度地除掉夹杂物会大大增加炼钢成本,这也是不经济的。对于钢中那些细小的难以去除的夹杂物是否可以变害为利,使之成为钢中有益的质点,近年来有不少学者对其进行了深入的研究,并提出了氧化物

冶金的概念[1]

。氧化物冶金作为一种利用有效形核质点改变钢的组织结构,细化晶粒的手段,国内外进行了大量研究

[2~4]

,取得了良好的效果。本文作

者通过大量的试验,在钢的冶炼过程中采用不同的脱氧工艺,研究了钛铝复合脱氧钢中夹杂物的析出规律以及这些夹杂物对钢的组织的影响,尤其是那些细小的难以聚集和上浮的夹杂物,为炼钢生产中利用这些细小的夹杂物提供一些依据。

1 实验设备及方法

实验设备采用高温管式电阻炉,该电阻炉为硅钼棒加热,最高温度可达到1650 ,炉内温度均匀度为 5 。该炉采用铠装双铂铑热电偶进行测温,并配合一台KSY 12 16型可控硅温度控制柜进行炉

!2 !冶金丛刊总第188期

温控制,控温精度 2 。实验过程采用氩气保护,氩气由刚玉管从炉底部通入炉内,氩气纯度为99.9%以上,流量控制在2L /m i n 左右。

实验原料为工业纯铁。实验中,将事先准备好的原料块装入刚玉坩埚内,实验原料质量为400g ,然后将装有实验原料的刚玉坩埚放入高温炉内,打开氩气阀门通入氩气,通电加热升温。当钢料加热至1600 左右熔化后,采用不同的脱氧合金化工艺进行增碳、脱氧及合金化处理,最后用石英管取样。

将所取试样镶制成金相样,经磨制、抛光后在LE I C A D M 4000M 型金相显微镜和配有E DAX 公司P HOE N I X 型X-射线能谱仪的QUANTA 400型扫描电镜上以及利用由荷兰P H I L I PS 公司制造的Tecnai G 2

20型

透射电镜分别对试样进行夹杂物、组织观察和夹杂物成分分析。实验后利用Z1200型电液伺服拉伸试验机和JB N -500型冲击试验机对钢样进行了拉伸和低温冲击等力学性能分析。

实验钢目标成分控制范围见表1。

2. 实验结果及分析

2.1 夹杂物的形貌及组成

2.1.1 常规脱氧工艺钢中夹杂物的形貌及组成

钛铝复合脱氧钢熔炼试验:采用常规脱氧方式进行钢水的脱氧及合金化处理。合金加入顺序为:先加碳、硅、锰、铌、钛进行预脱氧,最后加铝进行终脱氧。在扫描电镜上对实验中所取得的试样进行了夹杂物观察及成分分析,见图1和图2。

表1 实验钢的目标成分(质量分数)

%

C S i M n P S A l S Nb T i 0.10~0.13

0.2~0.6

1.2~1.6

<0.03

<0.008

0.001~0.01

0.02~0.06

0.01~0.

06

图1

常规脱氧钢中氧化铝夹杂物的形貌

图2 常规脱氧钢中硅酸盐类夹杂物的形貌

从图1和图2可以看出,常规脱氧钢中夹杂物为团簇状的A l 2O 3夹杂物、硅酸盐类夹杂物等,尺寸较大,其中A l 2O 3夹杂物为10 m 左右,硅酸盐夹杂物为5 m 左右。这些夹杂物中,氧化铝夹杂物是在液态钢液中形成的,硅酸盐类夹杂物是在钢凝固过程中形成的

[5]

。从图1、图2中还可以看出,氧化铝

夹杂物为单一的团簇状,而硅酸盐类夹杂物为复合夹杂物,其中成分中还含有少量的钙、锰等元素。用LE I C A DM 4000M 型金相显微镜观察常规脱氧钢试样还可以发现沿晶界析出的氧化铁夹杂物,见图3。由于氧化铝夹杂物为熔点高且不可变形夹杂物,夹杂物尺寸较大,因此,这些沿晶界析出的夹杂物和团

第4期吕春风等:T i -A l 复合脱氧钢中夹杂物的析出行为及对钢的组织的影响!3 !

簇的氧化铝夹杂对钢的组织和性能起到了破坏作用。

在光学显微镜下观察发现,这些试样中还含有大量的T i N 、NbN 夹杂物以及它们的复合夹杂物,

见

图3 沿晶界析出的氧化铁夹杂物

图4。利用扫描电镜对T i N 、NbN 夹杂物以及它们的

复合夹杂物对钢的组织的影响进行了观察,见图5。

从图4和图5可以看出,T i N 、NbN 夹杂物以及它们的复合夹杂物尺寸较小,为1~3 m 之间,形状成规则的菱形或多边形。从图5的扫描电镜观察发现,

这些细小夹杂物周围钢的组织为块状铁素体。

图4 T i N 、N bN

夹杂物

图5 T i N N b N 复合夹杂物及其周围钢的组织

它们对钢的组织没有起到积极的作用,对其周围钢的组织没有影响。T i N 、NbN 夹杂物以及它们的复

合夹杂物为不变形夹杂物,在钢的加工变形过程中不随钢的变形而变形,但由于其尺寸较小,对钢的危害作用不大。

2.1.2 非常规脱氧工艺钢中夹杂物的形貌及组成

进行钛铝复合脱氧钢熔炼试验。采用非常规脱氧方式进行钢水的脱氧及合金化处理,合金加入顺序为:先加碳、硅、锰、铌进行预脱氧,再加铝进行脱氧,最后再加钛进行终脱氧。用扫描电镜对实验中所取得的试样进行了夹杂物观察及成分分析,结果见图6和图7。

图6为钢中夹杂物的形貌。图7中a 图为图6夹杂物中位置1处的能谱,b 图为图6夹杂物中位置2处的能谱,c 图为图6夹杂物中位置3处的能谱。从图6和图7中可以看出,钢中夹杂物为复合夹杂物,通过扫描电镜能谱仪分析发现,复合夹杂物为A l T i 复合夹杂物和A l T i M n 等复合夹杂物。通过试验

分析发现,钢中的复合夹杂物与常规脱氧钢中的单一

图6 钢中A l T i M n 复合夹杂物的形貌

夹杂物相比,尺寸较小,一般为1~3 m 之间。通过光学显微镜观察发现,这些夹杂物分布较均匀,没有团聚和沿晶界析出的现象,见图8。从图8中还可以发现,钢中还生成了T i N 、NbN 夹杂物以及它们的复合夹杂物,其尺寸较小,形状为方形或多边形。2.2 夹杂物对钢的组织的影响

利用扫描电镜对常规T i A l 复合脱氧钢和非常

!4 !冶金丛刊总第188期

图7 钢中A l T i n 复

合夹杂物能谱

图8 钢中的夹杂物

规T i A l 复合脱氧钢中的组织的影响进行了观察和

分析。

图9为常规脱氧钢中成串链状分布的氧化铝夹杂物和其周围的钢的组织照片。从图9中可以看到,氧化铝夹杂物为单一夹杂物,大小为3~5 m 左右,呈串链状分布。夹杂物周围钢的组织为块状铁素体。这些单一的氧化铝夹杂物并没有起到诱导针状体素体的作用,反而当钢经过压力加工变形时,由于氧化铝夹杂物具有熔点高、不可变形等特点,大量的尺寸较大的簇状分布的氧化铝夹杂物将会引起钢的组织缺陷,大大降低钢的成材率。

图10

为非常规脱氧钢中夹杂物和其周围钢的

图9 A l 2O 3

夹杂物对钢的组织的影响

图10 A l T i M n 复合夹杂物对钢的组织的影响

组织照片。从夹杂物的能谱图中可以看出,此复合夹杂物为A l T i M n 复合夹杂物,大小为2 m 左右,

另外还含有少量的钙。从图10中还可明显地看出以A l T i M n 复合夹杂物为核心的针状体素体的形

第4期吕春风等:T i -A l 复合脱氧钢中夹杂物的析出行为及对钢的组织的影响!5 !

成。钢中这些细小的分布较均匀的A l T i 复合夹杂物或A l T i M n 等复合夹杂物起到了晶内铁素体核心的作用,诱导了晶内针状铁素体的形成,细化了钢的组织。与常规脱氧钢中的单一的簇状分布的大尺寸的氧化铝和硅酸盐类夹杂物相比,非常规脱氧钢中采用分步脱氧,并且最后加入钛进行终脱氧后,钢中生成的是细小的均匀分布的A l T i 复合夹杂物或A l T i M n 等复合夹杂物,使钢中的夹杂物变害为利,对钢的组织细化起到了积极的作用。

利用透射电镜对非常规铝钛复合脱氧钢中夹杂物

及其周围组织进行了观察。图11为A l T i M n 复合夹杂物及其周围钢的位错形貌。从图11中可以看出,A l T i Mn 复合夹杂物周围钢的位错密度较大,位错方向各异。高的位错密度引发了超细晶内铁素体的形成,新晶内铁素体是靠消耗高位错密度的基体而长大的,而且在新的晶内铁素体中又出现了新的位错。这样,在这些复合夹杂物周围形成了大量的晶内针状铁素体,大大细化了钢的组织,提

高钢的性能。

图11 A l T i M n 复合夹杂物周围的位错形貌

2.3 夹杂物对钢的力学性能的影响

实验后利用Z1200型电液伺服拉伸试验机和

JB N 500型冲击试验机对实验钢样进行了拉伸和低温冲击等力学性能检验。检验结果见表2。1#

为常规脱氧方式,2#

为非常规脱氧方式。

表2 实验钢的力学性能

试样号

屈服强度 s /M Pa 抗拉强度 b /M Pa 断面收缩率 /%冲击功A kv ( 20 )/J A kv ( 40 )/J

1

#33057123.055302

#

386

623

29.5

71

38

从表2中的数据可以看出,2#

实验钢与1#

实验钢相比,屈服强度提高了16.97%,抗拉强度提高了9.11%,低温冲击功提高了26.67%以上,断面收缩率也有一定的提高。通过对常规脱氧方式和非常规脱氧方式实验钢的力学检验可以看出,采取∀原料熔化后先加碳、硅、锰、铌进行预脱氧,再加铝进行脱氧,最后再加钛进行终脱氧#的脱氧合金化方式,钢中产生的大

量、细小的T i-A l 复合夹杂物或T i-A l-Mn 等复合夹杂物诱导了大量晶内针状铁素体的形成,细化了钢的组织,进而使钢材的力学性能得到了进一步的提高。

3 结论

常规T i-A l 复合脱氧钢中,夹杂物主要为硅酸盐类夹杂物、氧化铝夹杂物等,夹杂物尺寸较大,为3~10 m 之间,分布不均匀,有些夹杂物沿晶界析出。这些夹杂物对钢的组织没有起到积极的作用,有些沿晶界析出的夹杂物和团簇的氧化铝夹杂物对钢的组织和性能起到了破坏作用。而在非常规T i -A l 复合脱氧钢中,夹杂物主要为T i-A l 复合夹杂物或T i-A l-M n 等复合夹杂物,这些夹杂物尺寸较小,为1~3 m 之间,且分布较均匀。这些分布较均匀的细小夹杂物引起了周围钢的高密度位错,进而诱导大量晶内针状铁素体的形成,起到了核心的作用,细化了钢的组织,提高了性能。

参 考 文 献

[1] Ya m a m ot o K,H asegaw a T ,T aka mu ra J .E ffect of boron on i n tragranu lar f errite for mati on i n T i oxi d e beari ng steels[J ].ISIJ In t ,1996,36:80-83.[2] Byun J S,Sh i m JH,Cho Y W.Non -M etallic Incl u si on and In tragranu lar Nucleation of Ferrite i n T i K illed C M n S teel[J].A ctaM ateriali a ,2003,

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[3] Sh i m J H,Suh J Y.Ferrite Nucleati on Potency of Non M et a lli c Incl us i on s i n M ed i um C arbon S teel[J ].A ctaM ateriali a ,2001,49:2115-2119.[4] 黄维刚,郑燕康.晶内析出铁素体非调质钢[J].机械工程材料,1995,19(2):5-9.

[5] 宋 波,毛 红,等.钛处理钢凝固后夹杂物的析出行为[J ].钢铁研究学报,2008,20(8):12-15.