Ti_Al復(fù)合脫氧鋼中夾雜物的析出行為及對(duì)鋼的組織的影響

1、第 4期 總第 188期冶 金 叢 刊Su m. 188 N o. 42010年 8月 M ETALLURG ICAL COLLECT I ON SA ugust 2010:, , 大學(xué)本科 , 2003T i-A l 復(fù)合脫氧鋼中夾雜物的析出行為 及對(duì)鋼的組織的影響呂春風(fēng) 尚德禮 于廣文 康 磊(鞍鋼股份有限公司技術(shù)中心 , 遼寧 鞍山 114009摘 要 利用光學(xué)顯微 鏡和掃描電鏡、 透射電鏡 對(duì) T i-A l 復(fù) 合脫氧 鋼中夾 雜物的 析出行為 進(jìn)行了 研究。 結(jié)果表 明 :在 T i-A l 復(fù)合脫氧鋼熔煉試驗(yàn)中 , 通過采取鋼熔化后先加碳、 硅、 錳、 鈮 進(jìn)行預(yù)脫氧 , 再加鋁

2、進(jìn)行脫氧 , 最后再加 鈦進(jìn)行終脫氧的脫氧合 金化處理方式 , 鋼中產(chǎn)生的夾雜物主要為 T i -A l 復(fù)合夾雜物或 T i-A l-M n 等復(fù)合夾雜物 , 夾雜物尺寸為 13 m, 分布比較均勻。這些分布較均勻的細(xì)小夾 雜物引起了周圍鋼組織的高密 度位錯(cuò) , 誘導(dǎo)了大 量晶內(nèi)針狀鐵素體的形 成 , 細(xì)化了鋼的組織 , 提高了性能。 關(guān)鍵詞 T i-A l 復(fù)合脫氧 ; 夾雜物 ; 針狀鐵素體中圖分類號(hào) :TG144. 1+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :1671-3818(2010 04-0001-05PREC I PITAT I ON BEHAV I OR OF I NCLU SI

3、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 STEELLv Chunfeng Shang D eli Yu Guangw en K ang Lei(TechnologyCenter of Angang S tee l Co . , Ltd . , Anshan 114009, LiaoningAbst ract The prec i p itation behav i o r of i n clusi o ns in T i A lm ulti p

4、 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 idizati o n, then ad

5、di 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 13m 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 den

6、sity 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 鋼中夾雜物的去除一直是煉鋼生產(chǎn)中的一項(xiàng)重 要

7、工作 , 鋼的潔凈化也一直是煉鋼工作者追求的目 標(biāo)。但鋼的完全潔凈化在工藝上是不可能實(shí)現(xiàn)的 , 而且在煉鋼生產(chǎn)過程中投入大量的人力、 物力去過 度地除掉夾雜物會(huì)大大增加煉鋼成本 , 這也是不經(jīng) 濟(jì)的。對(duì)于鋼中那些細(xì)小的難以去除的夾雜物是否 可以變害為利 , 使之成為鋼中有益的質(zhì)點(diǎn) , 近年來有 不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入的研究 , 并提出了氧化物冶金的概念 1。氧化物冶金作為一 種利用有效形 核質(zhì)點(diǎn)改變鋼的組織結(jié)構(gòu) , 細(xì)化晶粒的手段 , 國內(nèi)外 進(jìn)行了大量研究24, 取得了良好的效果。本文作者通過大量的試驗(yàn) , 在鋼的冶煉過程中采用不同的 脫氧工藝 , 研究了鈦鋁復(fù)合脫氧鋼中夾雜物的析出 規(guī)律以

8、及這些夾雜物對(duì)鋼的組織的影響 , 尤其是那 些細(xì)小的難以聚集和上浮的夾雜物 , 為煉鋼生產(chǎn)中 利用這些細(xì)小的夾雜物提供一些依據(jù)。1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用高溫管式電阻爐 , 該電阻爐為硅 鉬棒加熱 , 最高溫度可達(dá)到 1650 , 爐內(nèi)溫度均勻 度為 5 。該爐采用鎧裝雙鉑銠熱電偶進(jìn)行測溫 , 并配合一臺(tái) KSY 12 16型可控硅溫度控制柜進(jìn)行爐溫控制 , 控溫精度 2 。實(shí)驗(yàn)過程采用氬氣保護(hù) , 氬 氣 由 剛 玉管 從 爐 底 部 通 入 爐 內(nèi) , 氬 氣 純度 為 99. 9%以上 , 流量控制在 2L /mi n 左右。實(shí)驗(yàn)原料為工業(yè)純鐵。實(shí)驗(yàn)中 , 將事先準(zhǔn)備好 的原料塊裝入

9、剛玉坩 堝內(nèi) , 實(shí)驗(yàn)原料質(zhì)量為 400g , 然后將裝有實(shí)驗(yàn)原料的剛玉坩堝放入高溫爐內(nèi) , 打 開氬氣閥門通入氬氣 , 通電加熱升溫。當(dāng)鋼料加熱 至 1600 左右熔化后 , 采用不同的脫氧合金化工藝 進(jìn)行增碳、 脫氧及合金化處理 , 最后用石英管取樣。將所取試樣鑲制 成金相樣 , 經(jīng)磨制、 拋光后在 LE I C A D M 4000M 型金相顯微鏡 和配有 E DAX 公司 P HOE N I X 型 X-射線能譜儀的 QUANTA 400型掃描電鏡上 以及利用由荷蘭 P H I L I PS 公司制造的 Tecnai G 220型透射電鏡分別對(duì)試樣進(jìn)行夾雜物、 組織觀察和夾雜 物成分分

10、析。實(shí)驗(yàn)后利用 Z1200型電液伺服拉伸試 驗(yàn)機(jī)和 JB N -500型沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋼樣進(jìn)行了拉伸 和低溫沖擊等力學(xué)性能分析。實(shí)驗(yàn)鋼目標(biāo)成分控制范圍見表 1。2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析2. 1 夾雜物的形貌及組成2. 1. 1 常規(guī)脫氧工藝鋼中夾雜物的形貌及組成鈦鋁復(fù)合脫氧鋼熔煉試驗(yàn) :采用常規(guī)脫氧方式 進(jìn)行鋼水的脫氧及合金化處理。合金加入順序?yàn)?:先加碳、 硅、 錳、 鈮、 鈦進(jìn)行預(yù)脫氧 , 最后加鋁進(jìn)行終 脫氧。在掃描電鏡上對(duì)實(shí)驗(yàn)中所取得的試樣進(jìn)行了 夾雜物觀察及成分分析 , 見圖 1和圖 2。表 1 實(shí)驗(yàn)鋼的目標(biāo)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) %C S i M n P S A l S Nb T i 0. 1

11、00. 130. 20. 61. 21. 60. 030. 0080. 0010. 010. 020. 060. 010.06 圖 1常規(guī)脫氧鋼中氧化鋁夾雜物的形貌 圖 2 常規(guī) 脫氧鋼中硅酸鹽類夾雜物的形貌從圖 1和圖 2可以看出 , 常規(guī)脫氧鋼中夾雜物 為團(tuán)簇狀的 A l 2O 3夾雜物、 硅酸鹽類夾雜物等 , 尺寸 較大 , 其中 A l 2O 3夾雜物為 10 m 左右 , 硅酸鹽夾雜 物為 5 m 左右。這些夾雜物中 , 氧化鋁夾雜物是在 液態(tài)鋼液中形成的 , 硅酸鹽類夾雜物是在鋼凝固過 程中形成的5。從圖 1、 圖 2中還可以看出 , 氧化鋁夾雜物為單一的團(tuán)簇狀 , 而硅酸鹽類夾雜

12、物為復(fù)合 夾雜物 , 其中成分中還含有少量的鈣、 錳等元素。用 LE I C A DM 4000M 型金相顯微鏡觀察常規(guī)脫氧鋼試 樣還可以發(fā)現(xiàn)沿晶界析出的氧化鐵夾雜物 , 見圖 3。 由于氧化鋁夾雜物為熔點(diǎn)高且不可變形夾雜物 , 夾 雜物尺寸較大 , 因此 , 這些沿晶界析出的夾雜物和團(tuán)簇的氧化 鋁 夾雜 對(duì) 鋼的 組 織和 性 能起 到 了 破壞 作用。在光學(xué)顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn) , 這些試樣中還含有 大量的 T i N 、 NbN 夾雜物以及它們的復(fù)合夾雜物 ,見 圖 3 沿晶界析出的氧化鐵夾雜物圖 4。利用掃描電鏡對(duì) T i N 、 NbN 夾雜物以及它們的復(fù)合夾雜物對(duì)鋼的組織的影響進(jìn)行了觀

13、察 , 見圖 5。從圖 4和圖 5可以看出 , T i N 、 NbN 夾雜物以及 它們的復(fù)合夾雜物尺寸較小 , 為 13 m 之間 , 形狀 成規(guī)則的菱形或多邊形。從圖 5的掃描電鏡觀察發(fā) 現(xiàn) ,這些細(xì)小夾雜物周圍鋼的組織為塊狀鐵素體。圖 4 T i N 、 N bN夾雜物 圖 5 T i N N b N 復(fù)合夾雜物及其周 圍鋼的組織它們對(duì)鋼的組織沒有起到積極的作用 , 對(duì)其周圍鋼 的組織沒有影響。 T i N 、 NbN 夾雜物以及它們的復(fù) 合夾雜物為不變形夾雜物 , 在鋼的加工變形過程中 不隨鋼的變形而變形 , 但由于其尺寸較小 , 對(duì)鋼的危 害作用不大。2. 1. 2 非常規(guī)脫氧工藝鋼

14、中夾雜物的形貌及組成進(jìn)行鈦鋁復(fù)合脫氧 鋼熔煉試驗(yàn)。采用非常規(guī)脫氧 方式進(jìn)行鋼水的脫 氧及合金化處理 , 合金加入順序?yàn)?:先加碳、 硅、 錳、 鈮進(jìn)行預(yù)脫氧 , 再加鋁進(jìn)行脫氧 , 最后 再加鈦進(jìn)行終脫氧 。用掃描電鏡對(duì)實(shí)驗(yàn)中所取得的試 樣進(jìn)行了夾雜物觀 察及成分分析 , 結(jié) 果見圖 6和圖 7。圖 6為鋼中夾雜物的形貌。圖 7中 a 圖為圖 6夾雜物中位置 1處的能譜 , b 圖為圖 6夾雜物中位置 2處的能譜 , c 圖為圖 6夾雜物中位置 3處的能譜。 從圖 6和圖 7中可以看出 , 鋼中夾雜物為復(fù)合夾雜 物 , 通過掃描電鏡能譜儀分析發(fā)現(xiàn) , 復(fù)合夾雜物為 A l T i 復(fù)合夾雜物和

15、 A l T i M n 等復(fù)合夾雜物。通過試驗(yàn)圖 6 鋼中 A l T i M n 復(fù)合夾雜物的形貌夾雜物相比 , 尺寸較小 , 一般為 13 m 之間。通過 光學(xué)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn) , 這些夾雜物分布較均勻 , 沒有 團(tuán)聚和沿晶界析出的現(xiàn)象 , 見圖 8。從圖 8中還可以 發(fā)現(xiàn) , 鋼中還生成了 T i N 、 NbN 夾雜物以及它們的復(fù) 合夾雜物 , 其尺寸較小 , 形狀為方形或多邊形。 2. 2 夾雜物對(duì)鋼的組織的影響T i l 圖 7 鋼 中 A l T i n 復(fù)合夾雜物能譜 圖 8 鋼中的夾雜物規(guī) T i A l 復(fù)合脫氧鋼中的組織的影響進(jìn)行了觀察和分析。圖 9為常規(guī)脫氧鋼中成串鏈狀

16、分布的氧化鋁夾 雜物和其周圍的鋼 的組織照片。從圖 9中 可以看 到 , 氧化鋁夾雜物為單一夾雜物 , 大小為 35 m 左 右 , 呈串鏈狀分布。夾雜物周圍鋼的組織為塊狀鐵 素體。這些單一的氧化鋁夾雜物并沒有起到誘導(dǎo)針 狀體素體的作用 , 反而當(dāng)鋼經(jīng)過壓力加工變形時(shí) , 由 于氧化鋁夾雜物具有熔點(diǎn)高、 不可變形等特點(diǎn) , 大量 的尺寸較大的簇狀分布的氧化鋁夾雜物將會(huì)引起鋼 的組織缺陷 , 大大降低鋼的成材率。圖 10為非常規(guī)脫氧鋼中夾雜物和其周圍鋼的 圖 9 A l 2O 3夾雜物對(duì)鋼的組織的影響 圖 10 A l T i M n 復(fù)合夾雜物對(duì)鋼的組織的影響組織照片。從夾雜物的能譜圖中可以看

17、出 , 此復(fù)合 i , 2 左右 ,另外還含有少量的鈣。從圖 10中還可明顯地看出 A l T i M n成。鋼中這些細(xì)小的分布較均勻的 A l T i 復(fù)合夾雜 物或 A l T i M n 等復(fù)合夾雜物起到了晶內(nèi)鐵素體核 心的作用 , 誘導(dǎo)了晶內(nèi)針狀鐵素體的形成 , 細(xì)化了鋼 的組織。與常規(guī)脫氧鋼中的單一的簇狀分布的大尺 寸的氧化鋁和硅酸鹽類夾雜物相比 , 非常規(guī)脫氧鋼 中采用分步脫氧 , 并且最后加入鈦進(jìn)行終脫氧后 , 鋼 中生成的是細(xì)小的均勻分布的 A l T i 復(fù)合夾雜物或 A l T i M n 等復(fù)合夾雜物 , 使鋼中的夾雜物變害為利 , 對(duì)鋼的組織細(xì)化起到了積極的作用。利用透

18、 射電鏡對(duì)非常規(guī)鋁鈦復(fù)合脫氧鋼中夾雜物及其周圍組織進(jìn)行了觀察。圖 11為 A l T i M n 復(fù)合夾 雜物及 其周圍鋼的位錯(cuò)形貌 。從圖 11中 可以看出 , A l T i Mn 復(fù)合夾 雜物周圍鋼的位錯(cuò)密度 較大 , 位錯(cuò)方向各 異。高的 位錯(cuò)密度引發(fā)了超細(xì)晶內(nèi)鐵素體的形成 , 新 晶內(nèi)鐵素體是靠消耗高位錯(cuò)密度的基體而長大的 , 而 且在新的晶內(nèi)鐵素體中又出現(xiàn)了新的位錯(cuò)。這樣 , 在 這些復(fù)合夾雜物周圍形成了大量的晶內(nèi)針狀鐵素體 , 大大細(xì)化 了鋼的組織 , 提 高鋼的性能。圖 11 A l T i M n 復(fù)合夾雜 物周圍的位錯(cuò)形貌2. 3 夾雜物對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響實(shí)驗(yàn)后利用 Z1

19、200型電液 伺服拉伸 試驗(yàn)機(jī)和JB N 500型沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼樣進(jìn)行了拉伸和低 溫沖擊等力學(xué)性能檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果見表 2。 1#為常 規(guī)脫氧方式 , 2#為非常規(guī)脫氧方式。表 2 實(shí)驗(yàn)鋼的力學(xué)性能試樣號(hào)屈服強(qiáng)度 s /M Pa 抗拉強(qiáng)度 b /M Pa 斷面收縮率 /%沖擊功 A kv ( 20 /J A kv ( 40 /J1#33057123. 055302#38662329. 57138從表 2中的數(shù)據(jù)可以看出 , 2#實(shí)驗(yàn)鋼與 1#實(shí)驗(yàn)鋼 相比 , 屈 服強(qiáng) 度 提高 了 16. 97%, 抗 拉強(qiáng) 度 提高 了 9. 11%, 低溫沖擊功提高了 26. 67%以上 , 斷面收縮率

20、 也有一定的提高。 通過對(duì)常規(guī)脫氧方式和非常規(guī)脫氧 方式實(shí)驗(yàn)鋼的力學(xué) 檢驗(yàn)可以看出 , 采取 原料熔化后先 加碳、 硅、 錳、 鈮進(jìn)行預(yù)脫氧 , 再加鋁進(jìn)行脫氧 , 最后再 加鈦進(jìn)行終脫氧 #的脫氧合金化方式 , 鋼中產(chǎn)生的大量、 細(xì)小的 T i-A l 復(fù)合夾雜物或 T i-A l-Mn 等復(fù)合 夾 雜物誘導(dǎo)了大量晶內(nèi)針狀鐵素體的形成 , 細(xì)化了鋼的 組織 , 進(jìn)而使鋼材的力學(xué) 性能得到了進(jìn)一步的提 高。3 結(jié)論常規(guī) T i-A l 復(fù)合脫氧鋼中 , 夾雜物主要為硅酸 鹽類夾雜物、 氧化鋁夾雜物等 , 夾雜物尺寸較大 , 為 310 m 之間 , 分布不均勻 , 有些 夾雜物沿晶界析 出。這些夾雜物對(duì)鋼的組織沒有起到積極的作用 , 有些沿晶界析出的夾雜物和團(tuán)簇的氧化鋁夾雜物對(duì) 鋼的組織和性能 起到了破壞作用。而在非 常規(guī) T i -A l 復(fù)合脫氧鋼中 , 夾雜物主要為 T i-A l 復(fù)合夾雜 物或 T i-A l-M n 等復(fù)合夾雜物