超纯铁素体不锈钢中TiN夹杂析出的热力学分析

为了控制TiN夹杂对材料性能的不利影响,对TiN在超纯铁素体不锈钢冶炼和凝固过程中析出的热力学条件进行分析。结果表明,在Cr含量为16%～23%的条件下,超纯铁素体不锈钢的最佳钛含量为0.1%～0.3%;当w（Ti）=0.3%时,将w（N）控制在0.004 6%以下才能避免在液相区中生成TiN夹杂;超纯铁素体不锈钢凝固过程中钛的富集程度稍低于氮;凝固末期残余液相中[Ti]和[N]的浓度分别提高到其初始浓度的2.5倍和3.2倍;随着钢液的逐渐凝固,凝固前沿温度和凝固前沿钛氮平衡浓度积下降,凝固前沿钛氮实际浓度积升高;降低钢中氮含量能推迟TiN析出时间,使TiN夹杂在凝固末期形成,可减小TiN夹杂尺寸,减少其析出数量。     

82A钢凝固过程中TiN夹杂析出热力学和动力学

用热力学和动力学方法研究82A钢液凝固过程元素偏析及其对TiN夹杂析出的影响.热力学分析表明, Ti的偏析比远高于N的偏析比;凝固冷却速度从6 K/min增至600 K/min过程中,凝固冷却速度对Ti、N凝固偏析比影响不大;钢液初始Ti含量降至0.000 2%、初始氮含量为0.002%～0.004%时,在凝固末期仍有TiN夹杂析出.动力学分析表明,随着钢液凝固冷却速度的加快,凝固析出的TiN颗粒尺寸明显变小.     

Ti--IF钢凝固过程中TiN的析出机理和规律

结合冶金热力学和凝固偏析模型分析了Ti--IF钢凝固过程中TiN的析出特点.Ti--IF钢凝固前期钢液中TiN夹杂无法生成,固相中TiN源自低温固相析出;凝固固相分数达到0.64时,Ti、N组元在凝固前沿富集程度增加,凝固前沿固相中开始有TiN析出;凝固末期,Ti和N的富集程度进一步增大,固液相中均能有TiN析出.采用扫描电镜分析了TiN在铸坯中的分布,从铸坯表层到中心TiN数量和尺寸存在显著变化:从铸坯表层向中心方向TiN尺寸不断增大,平均尺寸从1~2μm增大到5μm,在距离表层70~80 mm处尺寸达到最大;在铸坯厚度中间位置,TiN尺寸较大,平均尺寸为5μm左右;在铸坯中心TiN尺寸又有所变小,平均尺寸为3μm左右;在铸坯表层TiN密集程度较高,在铸坯中间和中心TiN数量密集程度显著降低.IF钢铸坯中TiN析出时机及其尺寸和数量与Ti、N组元偏析和凝固冷却速度关系密切.     

超低氧车轮钢中TiN夹杂析出的热力学分析及控制

通过对高速车轮钢中TiN夹杂物析出进行热力学分析,得到了车轮钢的液相线和固相线温度及1873K时Ti、N的活度.对TiN生成反应和钢中Ti、N溶度积进行了计算.结果表明:TiN只能在固相中生成,但在本车轮钢Ti、N含量下,固相中也没有TiN生成的条件,只有在钢液凝固前沿,由于Ti、N在两相区的富集,TiN夹杂物的生成反应得以进行.因此,在生产中,适当提高连铸二冷的冷却速率,使钢液快速凝固,减少凝固前沿Ti、N的富集时间,可减少纯TiN的析出.对本实验车轮钢中TiN夹杂的检测结果进行计算分析可知,在正常生产时铸坯冷却速率条件下,将钢中Ti的质量分数控制在3.5×10-5以下、N的质量分数控制在3.1×10-5以下,理论上可以消除TiN夹杂物的析出,改善车轮钢的疲劳性能,提高车轮的使用寿命.     

帘线钢中Ti夹杂物研究

为完善Ti夹杂去除工艺以控制其生成和尺寸,采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪测定了80级帘线钢冶炼过程钢水样中Ti含量,发现平均Ti含量在电炉出钢→精炼→连铸工序呈先上升后下降趋势.TiN生成热力学、凝固偏析及长大动力学计算表明:在目前南钢80级帘线钢炼钢和连铸控制条件下,TiN只能在凝固率大于98%的两相区或固相区生成;凝固冷却速率越大,TiN析出尺寸越小;TiN析出尺寸为3～7 μm,与实际金相样观察到的尺寸基本一致.     

不同强度级别帘线钢中Ti(C_xN_(1-x))夹杂分析

在真空感应炉中熔炼出3种Ti、N含量相近但强度级别不同的帘线钢钢锭,研究钢液凝固过程中析出碳氮化钛(Ti(CxN1-x))夹杂的尺寸分布特点及其连续固溶体中TiC所占比例与钢中碳含量之间的关系。结果表明,帘线钢在凝固过程中的固液两相区温度随钢液碳含量的升高而降低,可使Ti(CxN1-x)夹杂析出的过饱和度增大,有利于其在钢液凝固过程中析出与长大。随着帘线钢强度级别的提高,钢样中尺寸大于4μm的钛夹杂的比例增加,其平均尺寸也相应增大;72A亚共析帘线钢中未检测到5μm以上的钛夹杂,而82A、92A过共析帘线钢中尺寸大于5μm的钛夹杂析出比例分别达到4.92%和9.52%;钢液凝固过程中析出的Ti(CxN1-x)夹杂中TiC所占比例也随帘线钢强度级别提高而增大。     

轴承钢中TiN夹杂物的控制研究

研究了轴承钢中TiN夹杂物的形成热力学,以及钢中Ti和N的控制理论,并在某钢厂进行了GCr15轴承钢的生产实验.结果表明,在凝固过程中钢中Ti或N的含量越高,TiN夹杂物开始析出温度就越高,析出物的尺寸就越大;使用低Ti合金原料能够有效降低钢中的Ti含量;采用低Ti铁水,初炼渣中的TiO2降到1.0%以下,能有效控制钢水中的Ti含量;采用低钛合成渣过程回钛量显著减少,钢中Ti含量由原来的37×10-6下降至30×10-6;优化改进精炼工艺和大包保护浇铸可以降低钢中N含量为33×10-6;降低凝固偏析,能降低TiN夹杂析出.     

含钛高强钢中夹杂物析出行为研究

以不同钛含量(0.032%~0.153%)的高强钢为研究对象,利用SEM、EDS等对钢中氧化物及氮化物夹杂的形貌、组成、数量及尺寸分布进行表征,结合热力学与动力学计算,对TiN的析出行为进行分析。结果表明,当钢中Ti含量较低(0.032%)时,冶炼过程会形成富含MgAl_2O_4的多边形高熔点固态夹杂,易造成水口堵塞;当Ti含量大于0.106%时,钢中形成了富含TiAl_2O_5的液态球形夹杂,可通过上浮去除,不易堵塞水口;Ca处理能将低钛钢中的夹杂改性为低熔点的铝酸钙,不仅降低了水口堵塞风险,还能还原夹杂物中的Ti,提高Ti的收得率。含钛高强钢中夹杂物平均尺寸为1~2μm,氮化物平均尺寸为1~3μm,其均随着Ti含量的增加而稍有增加。当Ti含量小于0.04%时,将钢中N含量控制在0.0018%以下,能有效减小TiN的析出尺寸;当Ti含量大于0.1%时,实际工业生产中很难阻止TiN的液析,但可通过提高钢中细小氧化物的数量,来细化TiN的尺寸。     

430铁素体不锈钢中Ti2O3+TiN复合核心形成的热力学研究

通过理论分析Ti2O3、TiN在430铁素体不锈钢中的形成规律,提出了凝固前沿形成Ti2O3+TiN复合核心所需的Ti、Al、O和N含量.根据该成分要求,在真空感应炉中进行实验得到铸锭,制备金相试样在扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)上观察析出物的特征.通过SEM发现,析出物细小弥散分布,尺寸约为2 μm.从形貌上看,它由两层组成,氮化钛围绕氧化钛析出.通过析出物的TEM衍射花样进一步确认,析出物的中心层为Ti2O3,外层为TiN.合理控制钢液成分,即使在较低钛含量时也可以形成Ti2O3+TiN的复合核心.     

稀土处理C-Mn钢显微组织和夹杂物演化

对稀土处理C-Mn钢的夹杂物和显微组织进行分析,统计稀土处理C-Mn钢中针状铁素体形核核心尺寸,并将稀土处理钢在不同温度下淬火,研究稀土夹杂物生成和长大过程. 实验结果表明:C-Mn钢加入少量稀土后钢中夹杂物从MnS﹢硅铝酸盐夹杂转变为La2 O2 S﹢LaAlO3 ﹢MnS﹢硅铝酸盐夹杂,尺寸得到细化,显微组织也从马氏体﹢贝氏体组织变成侧板条铁素体、针状铁素体和块状铁素体组织;稀土处理C-Mn钢中针状铁素体有效形核核心的尺寸集中在1~4μm,主要是在钢液中形成,冷却和凝固过程形成的数量较少;稀土夹杂物在钢液温度和冷却及凝固过程容易碰撞黏合长大,上浮从钢液中去除, MnS能在稀土夹杂物颗粒间析出.     

轴承钢中TiN夹杂物析出的控制

通过对轴承钢中TiN夹杂析出的理论分析,得到不同凝固率下TiN夹杂析出溶解度饱和线,据此提出防止TiN夹杂析出的[Ti]、[N]控制范围,同时提出了生产过程中[Ti]、[N]的控制措施.     

低碳含硼钢中BN的析出行为

以硼质量分数为0.0045%、氮质量分数为0.0039%的低碳含硼钢为研究对象,通过对实验钢在凝固过程中BN析出和长大的热力学与动力学进行分析,并结合实验研究了冷却条件对BN析出与长大行为的影响.结果表明：由于溶质元素B和N在凝固前沿的微观偏析,只有当凝固前沿的固相率大于临界值0.981时,BN才能在凝固前沿析出;在凝固前沿随着固相率的增加,B和N均具有明显的偏析.当固相率接近于1时,硼在剩余液相中的实际含量远高于氮元素的含量,氮的扩散是BN长大的限制性环节;钢液冷却速率的变化对B和N元素的偏析无显著影响,而生成BN的尺寸随着钢液冷速的增加而显著减小.     

含锡不锈钢溶质偏析模型计算

结合微观偏析模型及Thermo-calc软件,考虑了Mn S的析出,用微观偏析理论研究了含锡铁素体不锈钢中溶质的偏析行为.主要讨论了铁素体不锈钢中C,Mn,S,P,Cr在凝固过程中的偏析程度,研究了溶质偏析对零强度温度(ZST)、零塑形温度(ZDT)的影响规律.分析了锡在铁素体钢和低碳钢中偏析行为的差异,解释了低碳钢的热加工塑形凹槽现象,理论分析了微量元素对热塑性的影响.结果表明,Sn的凝固偏析比远大于除P,S外的其他元素,Mn对S元素凝固偏析有抑制作用.锡为易偏析元素,其在奥氏体相中的凝固偏析比大于在铁素体相中的偏析比.     

CSP流程钛微合金化高强钢的第二相粒子析出行为

采用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、物理化学相分析等方法并结合热力学计算,分析了CSP工艺生产的钛微合金化高强钢的析出物特征及析出规律.研究发现：屈服强度700 MPa级高强钢中存在大量球形的纳米级TiC和Ti( C,N)粒子及少量不规则形状、100 nm以上的Ti4 C2 S2粒子,TiN在连轧前完成析出,TiC主要在卷取和空冷时析出.不含钼钢和含钼钢(0.1% Mo)中MC相的质量分数为0.049%和0.043%,由于钼的加入,含钼钢中Ti的析出量较少,但析出粒子更为细小,并定量得到了不含钼钢和含钼钢的析出强化效果分别为126 MPa和128 MPa.     

321不锈钢小方坯浸入式水口堵塞研究

通过观测水口结瘤物的结构和成分的变化,对AISI 321不锈钢小方坯浸入式水口的堵塞机理进行了研究。水口的解剖结果表明水口结瘤物主要由TiN、金属相以及渣相组成。通过计算建立了钢液及凝固过程中TiN的热力学模型。研究发现,TiO2过渡层的存在、较高的钛氮浓度积、不佳的钢水洁净度是导致结瘤物形成的主要原因。因此堵塞机理可以表述为,首先浇注过程中钢液中的[ Ti]与耐火材料中的SiO2进行反应,TiO2过渡层会在浸入式水口内壁形成;钛氧化物的良好传热性能造成钢液温度下降进而导致TiN结瘤物的形成,且不佳的钢水洁净度则会进一步恶化钢水的可浇性;随着结瘤物的不断增长,最终导致水口堵塞。     

Comparison between the surface defects caused by Al_2O_3 and TiN inclusions in interstitial-free steel auto sheets

Al_2O_3 and TiN inclusions in interstitial-free(IF) steel deteriorate the properties of the steel. To decrease the defects of cold-rolled sheet, it is important to clearly distinguish between the degrees of damage caused by these two inclusions on the surface quality of the steel. In this study, a nanoindenter was used to test the mechanical properties of the inclusions, and the distribution and size of the inclusions were obtained by scanning electron microscopy(SEM). It was found that when only mechanical properties are considered, TiN inclusions are more likely to cause defects than Al_2O_3 inclusions of the same size during the rolling process. However, Al_2O_3 inclusions are generally more inclined to cause defects in the rolling process than TiN inclusions because of their distribution characteristic in the thickness direction. The precipitation of Al_2O_3 and TiN was obtained through thermodynamical calculations. The growth laws of inclusions at different cooling rates were calculated by solidification and segregation models. The results show that the precipitation regularity is closely related to the distribution law of the inclusions in IF slabs along the thickness direction.     

A coupled model of TiN inclusion growth in GCr15SiMn during solidification in the electroslag remelting process

TiN inclusions observed in an ingot produced by electroslag remelting (ESR) are extremely harmful to GCr15SiMn steel. There-fore, accurate predictions of the growth size of these inclusions during steel solidification are significant for clean ESR ingot production. On the basis of our previous work, a coupled model of solute microsegregation and TiN inclusion growth during solidification has been estab-lished. The results demonstrate that compared to a non-coupled model, the coupled model predictions of the size of TiN inclusions are in good agreement with experimental results using scanning electron microscopy with energy disperse spectroscopy (SEM-EDS). Because of high cooling rate, the sizes of TiN inclusions in the edge area of the ingots are relatively small compared to the sizes in the center area. Dur-ing the ESR process, controlling the content of Ti in the steel is a feasible and effective method of decreasing the sizes of TiN inclusions.     

Ti和Nb对18Cr-2Mo铁素体不锈钢韧脆转变温度的影响

通过真空冶炼、锻造、热轧和退火试验制备出18Cr-2Mo铁素体不锈钢,结合其冲击试验和透射电子显微镜、扫描电子显微镜及电子背散射衍射等分析结果探讨了Ti和Nb微合金化对其韧脆转变温度的影响.结果表明：在C和N含量较低的条件下,添加微量元素Ti和Nb可以显著降低18Cr 2Mo铁素体不锈钢的韧脆转变温度（降低约40 °C）,并改变热轧后的织构类型而形成(001)和(111)复合织构;通过合适的退火工艺处理,可进一步提高其冲击韧性;在热轧过程中,产生细小弥散的Ti（N, C）和Nb（C, N）相是复合织构形成的主要原因.