Fe-Mn-Al-C低密度鋼中的脫氧合金化夾雜物

為了研究Fe-Mn-Al-C低密度鋼脫氧合金化夾雜物的生成及機(jī)理，采用Si、Mn、Al進(jìn)行脫氧合金化，通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡結(jié)合夾雜物自動分析系統(tǒng)對Fe-Mn-Al-C低密度鋼樣品中的夾雜物進(jìn)行觀察。結(jié)果顯示，F(xiàn)e-Mn-Al-C低密度鋼中夾雜物主要分為6類，即單顆粒Al2O3夾雜物、單顆粒MnS夾雜物、單顆粒AlN夾雜物、Al2O3-MnS復(fù)合夾雜物、AlN-MnS復(fù)合夾雜物、Al2O3-AlN-MnS復(fù)合夾雜物。單顆粒的Al2O3、MnS、AlN夾雜物的數(shù)量相對較多，夾雜物尺寸以小于5μm為主。熱力學(xué)計算發(fā)現(xiàn)Al2O3在脫氧合金化時生成，AlN在固相分?jǐn)?shù)為0.844時開始析出，而MnS在完全凝固后的固相鋼中開始析出。不同夾雜物間的二維晶格錯配度計算結(jié)果顯示，MnS(110)/Al2O3(001)、AlN(001)/Al2O3(001)和MnS(100)/AlN(100)錯配度分別為8.41%，11.66%和8.94%，說明Al2O3和AlN可以為MnS的形核提供異質(zhì)形核位點(diǎn)，Al2O3同樣也可以為AlN的形核提供異質(zhì)形核位點(diǎn)。利用FactSage8.2熱力學(xué)軟件計算發(fā)現(xiàn)，從1873K冷卻至373K時，Al2O3、AlN和MnS夾雜物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.129%、0.017%和0.615%。研究結(jié)果可以為研究Fe-Mn-Al-C低密度鋼脫氧合金化夾雜物的生成機(jī)理提供一定的理論指導(dǎo)。

1、關(guān)鍵詞Fe-Mn-Al-C低密度鋼；夾雜物；熱力學(xué)；二維晶格錯配；異質(zhì)形核

2、引言在全球“碳達(dá)峰”“碳中和”大環(huán)境下，鋼材輕量化已成為近年來研究的熱點(diǎn)。有研究發(fā)現(xiàn)，鋼材中Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加1%，鋼密度會降低1.3%，鋼材質(zhì)量減輕7%~18%。近年來，F(xiàn)e-Mn-Al-C低密度鋼因其高強(qiáng)度、高塑性和良好的成型性得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。然而，F(xiàn)e-Mn-Al-C低密度鋼的力學(xué)和熱加工性能在很大程度上與夾雜物的種類、尺寸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)。因此，研究Fe-Mn-Al-C低密度鋼脫氧合金化夾雜物的種類和形成是十分必要的。PARKJH等通過Mn和Al脫氧合金化發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-Mn-Al合金鋼中夾雜物主要有7類，即單顆粒Al2O3夾雜物、單顆粒AlN或AlON夾雜物、單顆粒MnAl2O4夾雜物、聚集的Al2O3(-Al(O)N)顆粒、單顆粒Mn(S，Se)夾雜物、以氧化物為核心的Mn(S，Se)包裹的復(fù)合夾雜物和以Mn(S，Se)為核心的Al2O3(-Al(O)N)包裹的復(fù)合夾雜物。ALBAM等研究不同Al含量對Fe-5Mn-xAl鋼中夾雜物的影響，計算發(fā)現(xiàn)AlN夾雜物在凝固過程中開始析出，而MnS夾雜物會優(yōu)先于AlN析出。另外，當(dāng)Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.5%增加到6.0%時，夾雜物的總數(shù)量增加2.5倍，增加的夾雜物主要為AlN夾雜物。王偉勝等研究發(fā)現(xiàn)，Al含量的升高導(dǎo)致高錳鋼中夾雜物析出順序從Al2O3→AlN→MnS轉(zhuǎn)變?yōu)锳l2O3/AlN→MnS，并通過計算給出了Al2O3、AlN和MnS質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度的變化趨勢。肖超等在研究國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的相變誘導(dǎo)塑性鋼時，認(rèn)為Al含量增加引起的氧化物演變順序?yàn)锳l2O3·MnO→MgAl2O4，鋁系夾雜物的演變順序?yàn)锳l2O3→AlN，硫化物的演變順序?yàn)镸nS→MgS。XINXL等則認(rèn)為Al含量的增加會導(dǎo)致Fe-Mn-Al-C鋼中主要夾雜物按MnO→Al2O3/MnS→MnS→AlN的順序演變。WANGYN研究寶鋼公司生產(chǎn)的孿生誘導(dǎo)塑性鋼時發(fā)現(xiàn)，AlN和AlN-MnS夾雜物的數(shù)量是最多的，并且發(fā)現(xiàn)AlN的形成溫度較高，可以作為MnS和MgS的異質(zhì)形核位點(diǎn)。劉洪波等研究Al含量對孿生誘導(dǎo)塑性鋼中AlN夾雜物析出的影響時，發(fā)現(xiàn)鋼中Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.07%時，在鋼液中可以形成AlN夾雜物，認(rèn)為控制鋼中氮含量可以有效控制AlN夾雜物的析出。為了研究Fe-Mn-Al-C低密度鋼脫氧合金化夾雜物生成及機(jī)理，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行Fe-Mn-Al-C低密度鋼冶煉試驗(yàn)，結(jié)合場發(fā)射掃描電子顯微鏡和夾雜物自動分析系統(tǒng)對樣品中夾雜物的特性進(jìn)行觀察。對AlN和MnS夾雜物的形成條件進(jìn)行熱力學(xué)計算，并通過二維晶格錯配理論解釋多種復(fù)合夾雜物的形成機(jī)理。最后，利用FactSage8.2軟件對鋼液降溫凝固過程中各種夾雜物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了定量計算。

3、精選圖表

4、結(jié)

論通過在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行Fe-Mn-Al-C低密度鋼的熔煉和脫氧合金化、夾雜物觀察和理論計算，得到如下結(jié)論。1)Fe-Mn-Al-C低密度鋼中主要包含6類夾雜物，分別為單顆粒的Al2O3、MnS和AlN以及復(fù)合的Al2O3-MnS、AlN-MnS和Al2O3-AlN-MnS。通過夾雜物自動分析系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，單顆粒的Al2O3、AlN和MnS夾雜物數(shù)量較多，夾雜物尺寸以小于5μm為主。2)Fe-Mn-Al-C低密度鋼中Al2O3夾雜物在脫氧合金化時形成；AlN夾雜物在凝固過程的液-固兩相區(qū)開始析出，固相分?jǐn)?shù)為0.844，對應(yīng)的析出溫度為1730K；MnS夾雜物則是在完全凝固的固相鋼(奧氏體)中析出的。Fe-Mn-Al-C低密度鋼中夾雜物析出順序?yàn)椋篈l2O3>AlN>MnS。3)二維錯配度計算結(jié)果顯示，MnS(110)/Al2O3(001)、AlN(001)/Al2O3(001)和MnS(100)/AlN(100)的錯配度分別為8.41%、11.66%和8.94%，說明Al2O