超纯铁素体不锈钢中TiN析出的动力学分析

采用动力学的方法研究超纯铁素体不锈钢凝固过程中Ti、N的偏析及冷却速率对TiN夹杂析出的影响。结果表明,超纯铁素体不锈钢凝固过程中,Ti的富集程度稍低于N;凝固末期残余液相中[Ti]和[N]的浓度分别提高至其初始浓度的2.5倍和3.2倍;随着钢液的逐渐凝固,析出的TiN颗粒尺寸增大;随着冷却速率的增大,析出的TiN颗粒尺寸减小,但析出时间几乎不受影响,冷却速率分别为10、20、30K/s时,TiN颗粒尺寸分别为7.1、4.8、3.9μm;其他条件相同时,随着钢中初始Ti含量或N含量的减少,凝固析出的TiN颗粒尺寸减小且析出时间推迟;相比Ti含量对TiN夹杂尺寸的影响,N含量的影响更为显著。     

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.     

含硼氮中碳铝镇定钢中BN夹杂析出热力学分析

运用数值模拟方法对含硼氮中碳铝镇定钢中BN析出的热力学条件进行分析,研究该钢种在冶炼浇注及加热奥氏体化过程中BN夹杂物的析出规律,并与试验情况进行了比较。结果表明,在钢液中初始w(B)≤0.012%、初始w(N)≤0.03%的情况下,含硼氮中碳铝镇定钢浇注凝固过程中不能析出BN夹杂物,且钢液中B的富集程度远高于N,凝固末期残余液相中,B浓度是其初始浓度的20倍,N浓度约为其初始浓度的2.1倍;钢中w(B)为0.005%~0.01%、w(N)为0.01%~0.03%时,在1470K奥氏体化温度以下,可以稳定析出BN夹杂物,B、N含量越高,BN夹杂开始析出的温度越高;在奥氏体化过程中,钢坯中酸溶铝含量越高,越容易析出BN夹杂物。     

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.     

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.     

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.     

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.     

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。     

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。     

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.     

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.     

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。     

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.     

微合金钢中夹杂物诱导晶内铁素体析出行为

通过热力学计算及实验,研究了微合金钢加钛脱氧后钢液中夹杂物的形态、组成、尺寸和类型,分析了加钛前后钢的组织变化.结果表明:加钛后,钢的组织明显细化,钛的脱氧产物可成为TiN夹杂的形核核心,还可以包覆在Al2O3夹杂周围,此类夹杂物呈细小弥散析出;这些细小的夹杂物可以在奥氏体晶粒内部诱发晶内铁素体析出,从而产生细化组织的效果.     

Zr处理对含Ti低碳微合金钢中氮化物的影响

以含Ti低碳微合金钢为研究对象,通过实验和热力学计算研究了Zr质量分数对钢中氮化物的影响规律.结果表明:随着钢中Zr质量分数由0.0020%增加至0.0200%,钢中氮化物数量密度和面积占比明显增加,氮化物类型逐渐由TiN变为(Ti_○y,Zr_1-○y)N,(Ti_○y,Zr_1-○y)N中Zr/Ti原子数比逐渐增加,(Ti_○y,Zr_1-○y)N由以TiN为主转变为以ZrN为主.热力学计算结果发现精炼过程无TiN,ZrN等氮化物析出,氮化物主要在凝固过程析出.当钢中Zr质量分数为0.0020%时,凝固过程只有TiN析出;而当Zr质量分数≥0.0046%,逐渐有ZrN在凝固末期析出.随着凝固过程温度的降低,(Ti_○y,Zr_1-○y)N具备热力学析出条件.当钢中Zr质量分数由0.0046%增加至0.0200%,(Ti_○y,Zr_1-○y)N开始析出温度逐渐增加,TiN在(Ti_○y,Zr_1-○y)N中占比逐渐减小.最后,当采用Zr-Ti复合脱氧时,钢中Zr质量分数应控制在0.0020%~0.0050%.     

X80管线钢中氮化物和碳化物析出热力学分析

基于规则熔体理论和平衡反应基础,对连铸工序X80管线钢中碳化物、氮化物析出进行热力学分析,研究Ti、Nb及Al的碳化物、氮化物析出规律。结果表明,固液两相区,TiC0.005N0.995和TiN分别在1785K和1784K时开始析出;奥氏体相区,碳化物、氮化物析出先后顺序为NbC0.64N0.36、NbC、NbN、AlN、TiC,相应析出温度为1457、1404、1354、1267、1226K;γ→α相变过程中,TiC发生相间析出,Nb主要以NbC形式析出,AlN析出量较少。     

医用不锈钢表面TiN薄膜的组织结构和力学性能研究

为改善医用不锈钢的耐磨性,采用反应磁控溅射在304不锈钢表面沉积了TiN薄膜,研究了Ti过渡层沉积时间对TiN薄膜微观结构和力学性能的影响。通过Ｘ射线衍射仪、扫描电子显微镜、纳米压痕仪、FST1000型薄膜应力测试仪、HSR-2M摩擦磨损试验机和WS-2005型涂层附着力自动划痕仪对样品进行微观组织表征和力学性能测试。结果表明,当Ti过渡层沉积时间为20 min,Ti过渡层厚度为340 nm时,TiN薄膜结晶性最强,硬度和弹性模量达到最大值,分别为21.6 GPa和327.5 GPa,平均摩擦因数达到最小值0.45,临界载荷达到最大值24.7 N,TiN薄膜的力学性能、摩擦性能以及与基体的结合力达到最优。进一步延长Ti过渡层的沉积时间,TiN薄膜的柱状晶组织粗化、力学性能、摩擦性能以及与基体的结合力均降低。     

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.