VN微合金钢中Ti脱氧夹杂物诱导晶内铁素体析出行为_图文

1、第32卷第5期2010年5月北京科技大学学报Journa l of Un i versity of Sc i ence and Technology Be iji n gVol .32No .5M ay 2010VN 微合金钢中T i 脱氧夹杂物诱导晶内铁素体析出行为杜松林1金友林1高振波1杨应东1包燕平21马鞍山钢铁股份有限公司,马鞍山2430002北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083摘要通过热力学计算及热态实验,研究了Ti 脱氧VN 微合金钢中,含Ti 夹杂物析出行为及其诱导晶内铁素体析出行为.结果发现,夹杂物与铁素体、珠光体之间的相对位置关系存在六种形式,通过赋予这些形式不同

2、的诱导能力系数,定量比较夹杂物类型、尺寸与诱导能力的关系.Ti 的复合氧化物诱导能力最强,A l 2O 3最弱.Ti 的复合氧化物诱导最佳尺寸46m,其他夹杂物最佳尺寸为24m.通过控制夹杂物种类、尺寸促进晶内铁素体析出,能够细化晶粒.关键词微合金钢;晶内铁素体;夹杂物;脱氧;晶粒细化分类号TG142133Prec i p it a ti on behav i or of i n clusi on 2i n duced i n tra 2granul ar ferr ite i n T i 2deox i dedVN m i croa lloyed steelDU Song 2lin 1,J

3、I N You 2lin 1,G AO Zhen 2bo 1,YAN G Ying 2dong 1,BAO Yan 2ping21Maanshan Ir on and Steel Co .L td .,Maanshan 243000,China2School of Metallurgical and Ecol ogical Engineering,University of Science and Technol ogy Beijing,Beijing 100083,ChinaABSTRACT Preci p itati on behavi ors of Ti 2containing incl

4、usi ons and inclusi on 2induced intragranular ferrite were investigated by ther 2modynam ic calculati ons and laborat ory experi m ents .The results show that there are six for m s about positi on relati ons of inclusi ons t o ferrite grains and pearlite grains .The effects of inclusi on types and s

5、ize on the inclusi on 2inducing ability were analyzed quantificati onal 2ly by defining the index of inducing ability .It is indicated that the ability of Ti 2containing comp lex oxide 2inclusi ons inducing intragranu 2lar ferrite is the best,but that of A l 2O 3is the worst .The op ti m al size of

6、Ti 2containing comp lex oxide 2inclusi ons is 4t o 6m and that of other inclusi ons is 2t o 4m.I ntra 2granular ferrite is induced t o p reci p itate by contr olling the inclusi on types and size,leading t o grain refinement .KE Y WO R D S m icr oall oyed steel;intragranular ferrite;inclusi ons;deox

7、idizati on;grain refine ment收稿日期:200922092204基金项目:国家科技支撑计划资助项目(No .2007BAE30B01作者简介:杜松林(1962,男,教授级高级工程师,E 2mail:ah .masdsl近年来,通过钢中形成的微细夹杂物或析出物作为异质形核的质点,诱导晶内铁素体析出,实现组织细化的方法备受冶金工作者的关注1224.早在20世纪80年代,Barritte 和R ichs 等5从热力学角度推导分析,认为铁素体在夹杂物诱导作用下比均匀形核更加容易,并进一步得出夹杂物尺寸对晶内铁素体诱导析出具有一定影响.目前对夹杂物诱导铁素体晶内形核已有较多的研

8、究,认为Ti 的氧化物62210、MnS 、Si O 2、Zr O 2、Ti N 、VN 、CuS 和A l 2O 3以及多种氧硫复合氧化物112213都具有诱导晶内铁素体析出的作用.其中,研究最多、意见相对统一的是Ti 的氧化物,如Ti 2O 3具有较强的诱导作用.目前关于夹杂物诱导能力的评价都是定性的,以个别的二维图片作为夹杂物诱导析出的例证不够准确.另外,以X 射线衍射等方法确定夹杂物与铁素体的位相关系来证明诱导作用,由于分析的工作量大也只能对个别现象进行分析.本实验试图采用统计方法进行大量样本的定量第5期杜松林等:VN 微合金钢中T i 脱氧夹杂物诱导晶内铁素体析出行为分析,研究夹杂物

9、类型和尺寸对晶内铁素体诱导析出能力的影响,以确定控制夹杂物类型和尺寸的目标,实现晶内铁素体诱导析出、细化铸态组织的目的.1实验条件和试样分析方法 本研究中热态实验在有氩气保护的硅钼棒炉中进行,使用VN 微合金化的高强度废钢,放在Mg O 质坩埚中(40mm 100mm ,然后整体放在石墨坩埚内在高温炉内加热,熔清后的补入合金,并进行Ti 脱氧工艺.将上述试样加工、清洗、打磨和抛光制成金相样,用配有能谱仪的扫描电子显微镜对夹杂物成分和形貌及铸态组织进行统计分析.2Ti 脱氧钢中夹杂物析出的热力学分析211T i 氧化物析出分析Ti 脱氧钢中形成的Ti 的氧化物主要有Ti O 、Ti O 2、Ti

10、 3O 5和Ti 2O 3四种,各类Ti 氧化物形成的G如图1所示.由图可见,Ti 脱氧钢中形成的氧化物 图11873K 钛氧化物形成的GF i g .1G of for mati on of titanium oxides at 1873K 主要以Ti 2O 3为主,但当氧活度a O 高于5010-6左右时,可能存在Ti 2O 3和Ti 3O 5的竞争析出.Ti 3O 5析出的可能性如图2所示.由图可见,钢中a Ti 2O 3和a O 对Ti 3O 5析出有很大影响,随着a Ti 2O 3和a O 增加,Ti 3O 5更容易析出.图21873K Ti 3O 5析出可能性F i g .2Pre

11、ci p itati on possibility of Ti 3O 5at 1873K212Fe 22T i 22A l 22O 系中T i 与A l 的氧化物选择析出已有的研究成果表明,钢中A l 形成的A l 2O 3夹杂,是轧制过程中不变形脆性夹杂,从控制钢中夹杂物尺寸和诱导铁素体析出能力的角度来讲都是不希望出现的.因此应该控制Ti 脱氧钢中Fe 22Ti 22A l 22O系的A l 2O 3夹杂的析出及其在复合夹杂物中的比例.钢中Ti 和A l 选择性氧化热力学计算结果如图3所示.由图可见,要促进钢中Ti 的氧化,形成Ti 2O 3夹杂物或夹杂物中含Ti 2O 3成分含量高的复合夹

12、杂,就需要控制钢中的A l 含量,适当提高Ti 含量.控制Ti/A l 大于12,有利于形成细小的Ti 2O 3类夹杂物. 图31873K 时Fe 22Ti 22A l 22O 系钢中Ti 和A l 选择性氧化关系.(a Ti 、A l 和O 关系;(b Ti 和A l 关系F i g .3Selective oxidati on of Ti and A l in the Fe 2Ti 2A l 2O syste m at 1873K:(a relati on of Ti,A l and O;(b relati on of Ti and A l213Fe 22T i 22O 22N 系中T i

13、 N 和T i 氧化物的选择性析出钢中Ti N 是一种脆性较强的夹杂物,对钢的性能危害较大.本实验的钢液中同时存在Ti 和较高含量的N 、O ,可能生成Ti 2O 3、Ti N ,1873K 时Fe 22Ti 22O 22N 系中Ti 、N 和O 活度的相互关系和该体系中Ti N 生成的可能性如图4和图5所示.由图可见,Ti 2O 3的生成对Ti N 的析出起到抑制作用.因此,要使凝固过程中最大限度地形成Ti 2O 3而不生成Ti N ,必须控制钢中合适的溶解氧含量.本实验钢中N 的575北京科技大学学报第32卷质量分数为(15021010-6,要限制Ti N 的过早析出,在形成VN 之后必须

14、采用合理控制氧含量的工艺路线,才有利于促进Ti 氧化物尽早析出.热力学计算结果表明,在1873K 的条件下,N 的质量分数为20010-6时,只要氧活度大于71510-6,即O /N 大于01038,就不会有Ti N 的析出.图41873K Fe 22Ti 22O 22N 系中Ti 、N 、O 活度相互关系F i g .4Activity relati ons of Ti,N and O in the Fe 2Ti 2O 2N syste m at 1873K图5Fe 22Ti 22O 22N 系Ti N 生成可能性F i g .5For mati on possibility of Ti N

15、 in the Fe 2O 2N system 图6珠光体中夹杂物诱导析出铁素体晶粒形貌特征.(a Ti 22A l 22Si 22Mn 22O 22S 类复合夹杂物;(b Ti 22Si 22Mn 22O 22S 类复合夹杂物F i g .6Mor phol ogies of inclusi on 2induced intra 2granular ferrite in pearlite grains:(a Ti 2A l 2Si 2Mn 2O 2S comp lex inclusi ons;(b Ti 2Si 2Mn 2O 2S com 2p lex inclusi ons3实验结果和分析3

16、11夹杂物诱导铁素体析出的特征及其诱导能力31111夹杂物诱导铁素体析出的特征通过热态实验,在不同实验工艺下,对所有试样的显微组织进行统计分析,试样中铁素体与珠光体的比例为3141.不同类型夹杂物在铁素体和珠光体中的分配比例不同,夹杂物绝大多数都处于铁素体或铁素体边界上,如Ti N 类夹杂出现在铁素体和珠光体中的比例为161,而统计的1000个Ti 氧化物夹杂都出现在铁素体或其边界上.通过统计分析夹杂物与铁素体和珠光体之间的相对位置关系,将夹杂物诱导铁素体析出总结为三种类型六种形式.(1A 类:夹杂物诱导析出系数定义为1.在此种类型关系中,夹杂物与钢基体组织相对位置关系主要有两种形式:在大片珠

17、光体中,以夹杂物为中心形成一个或多个铁素体晶粒,如图6所示;在铁素体中夹杂物周围形成小的铁素体晶粒,可能形成一个也可能形成多个,如图7所示.这两种形式认为夹杂物对铁素体诱导析出起着关键作用,因此定义这两种形式夹杂物的诱导析出系数为1.(2B 类:夹杂物诱导析出系数定义为015.在此种类型关系中,夹杂物与钢基体组织相对位置关系主要有三种形式:夹杂物处于铁素体和珠光体的边界上,如图8所示;夹杂物处于铁素体晶粒中,铁素体平均尺寸远大于夹杂物尺寸,如图9所示;夹杂物处于两个或多个铁素体的晶界上,铁素体晶粒的当量直径远大于夹杂物尺寸,如图10所示.对于此种类型的夹杂物和钢基体组织的位置关系,夹杂物对铁素

18、体的析出是否起到诱导促进作用,难以确定.对于夹杂物周围或一侧的铁素体晶粒,其在夹杂物诱导作用下析出的可能性很大.因此定义该类型下的三种形式夹杂物的诱导系数为015.(3C 类:夹杂物诱导析出系数定义为0.夹杂物处于珠光体中,夹杂物周围没有形成铁素体,如675第5期杜松林等:VN 微合金钢中T i脱氧夹杂物诱导晶内铁素体析出行为 图7铁素体中夹杂物诱导析出小晶粒的铁素体形貌特征.(a MnS 夹杂物;(b Mn 22S 22Ti 22N 夹杂物F i g .7Mor phol ogies of inclusi on 2induced intra 2granular ferrite of fine

19、 grains in ferrite grains:(a MnS inclusi ons;(b Mn 2S 2Ti 2N inclusi ons 图8Ti 22Mn 22S 22N 类复合夹杂物处于铁素体和珠光体边界上的形貌特征F i g .8Mor phol ogy of Ti 2Mn 2S 2N comp lex inclusi ons on the bounda 2ries of ferrite grains and pearlite grains 图9Ti 22A l 22Si 22Mn 22O 22S 类复合夹杂物处于铁素体晶粒中形貌特征F i g .9Mor phol ogy of

20、 Ti 2A l 2Si 2Mn 2O 2S comp lex inclusi ons in ferrite grains图11所示.认为这种类型夹杂物没有诱导铁素体晶粒,因此定义其诱导系数为0.图12是夹杂物诱导晶内铁素体析出的六种形式的比例.由图可见,夹杂物诱导晶内铁素体析出主要以A 类和B 类为主,其中夹杂物诱导形式最多的是B 类中第一种形式,夹杂物从珠光体边界上诱导铁素体.图10A l 22Ca 22Ti 22O 复合夹杂物处于两个铁素体晶界上的形貌特征F i g .10Mor phol ogy of A l 2Ca 2Ti 2O comp lex inclusi ons on the

21、 bound 2ary of t w o ferrite grains图11Ti N 夹杂物处于珠光体上形貌特征F i g .11Mor phol ogy of Ti N inclusi ons in pearlite grains31112夹杂物诱导铁素体析出能力通过对热态实验的试样夹杂物诱导铁素体行为特征进行大量统计分析,试图从统计学角度定量分析夹杂物诱导能力的大小.在确定夹杂物诱导系数的基础上,定义夹杂物诱导铁素体析出的能力指数Z ,Z 值由下式计算,Z 值大小反应夹杂物诱导铁素体能力的强弱.Z =i Na i+015N b -N c N式中,Z 为夹杂物诱导能力指数,N a i 为A

22、类诱导铁775北京科技大学学报第32 卷图12夹杂物诱导晶内铁素体析出的六种形式的比例F i g.12Pr oporti on of six for m s of inclusi on2induced intra2granular ferrite素体个数为i的夹杂物的个数,Nb为B类诱导的夹杂物个数,Nc为C类诱导的夹杂物个数,N为统计的夹杂物总数.按照上述的统计计算标准,采用扫描电镜(SE M统计分析夹杂物的尺寸、类型及对铁素体诱导析出的情况,统计了六炉组织完全为铁素体+珠光体的炉次和两炉含有部分粒状贝氏体组织炉次的试样中夹杂物的诱导能力.统计分析结果如表1所示,表中统计了六类夹杂物诱导铁素

23、体析出的能力指数.由表可见,所有的夹杂物均有诱导铁素体析出的能力,诱导析出的现象在试样中普遍存在,并不是只有某一种特定的夹杂物才具有这种现象.但是,不同类型夹杂物诱导铁素体析出的能力有明显的差异,其中,Ti2O322A l2O322MnO22MnS类夹杂诱导能力最强,A l2O3最弱.冷却条件由炉冷变为空冷时,各类型夹杂物的诱导能力指数有所增加,但这个差异远没有夹杂物类型带来的差异大.表1不同类型夹杂物诱导晶内铁素体析出能力指数Table1Ability index of different types of inclusi ons inducing intra2granular ferrit

24、e冷却方式诱导能力指数A l2O3Ti N22MnS A l2O322MnS Ti N MnS Ti2O322A l2O322MnO22MnS炉冷016201740180017901951141空冷01680186018301891101形成针状铁素体组织312夹杂物诱导铁素体析出机理探讨夹杂物诱导铁素体析出的现象已由很多冶金工作者研究和证实,但是关于其诱导析出机理,目前没有统一的解释,争议颇多.对夹杂物诱导铁素体现象的解释有多种理论,如应力22应变理论、贫Mn区理论、惰性界面理论和形核匹配理论142215.本文通过实验研究发现,单一的理论难以解释所有的诱导现象,分析认为诱导现象的形成机理应该

25、是多种因素综合作用的结果.根据实验的统计分析结果,所有的夹杂物都有诱导现象,即使不含任何的Mn、S等元素,这显然是贫Mn区理论所不能够解释的,但这可以从应力22应变理论进行解释,在夹杂物与钢基体间相邻区域中存在着剪应力,促进了晶内铁素体析出.统计分析得出Ti2O322A l2O322Mn O22MnS类夹杂物具有最强的诱导能力,这不仅由于有应力、惰性界面能的作用,还具有贫锰区的形成能力.综上所述,夹杂物诱导晶内铁素体析出应该是多种因素综合作用的结果.313夹杂物诱导铁素体析出的最佳尺寸夹杂物诱导铁素体析出的最佳尺寸,不同研究者得出的结论不同,且存在较大的差距.本实验通过对不同类型夹杂物的统计分

26、析,得出了六类夹杂物尺寸与其诱导铁素体析出能力指数的关系,如图13所示.由图可见,对于MnS、A l2O3、A l2O3MnS、Ti N和Ti NMnS夹杂,随尺寸的增加,诱导能力总体上变化不大,尺寸为24m和大于6m时诱导能力指数较大.由于夹杂物尺寸增大,其危害性增加,因此认为这类夹杂物的尺寸为24m时最合适. Ti22A l22Mn22O22S的诱导能力指数与其尺寸大小关系很大,随着尺寸增大,诱导能力显著增加,明显高于其他类型的夹杂物,尺寸为46m时诱导能力达到峰值.在本实验条件下,Ti22A l22Mn22O22S复合夹杂物是诱导铁素体析出最有效的夹杂物,控制其尺寸为46m,能够充分发挥

27、其诱导晶内铁素体析出的作用.图13不同种类的夹杂物尺寸与其诱导能力指数关系F i g.13Relati ons of inclusi ons size,type and their induced ability875第 5期 杜松林等 : VN微合金钢中 T i脱氧夹杂物诱导晶内铁素体析出行为 579 由热态实验的试样显微组织统计分析结果得 出 ,有两种情况出现了看似针状铁素体组织 : 一是采 用 Ti脱氧的水冷条件下 , 形成针状铁素体组织 , 如 素体析出能够细化组织晶粒 . 对试样中完全具有铁 素体 +珠光体组织的炉次进行了晶粒度评级 ,图 15 是夹杂物诱导能力指数和试样铸态晶粒度的

28、关系 . 由图可见 ,随着诱导能力指数 Z 的增大 , 试样的晶 粒度评级随之增大 ,铸态组织得到细化 . 图 16 是不同夹杂物诱导能力下的铸态组织特 征 . 由图可见 ,夹杂物诱导指数大的炉次 , 铸态组织 中会出现较大数量的细小铁素体晶粒 , 组织晶粒得 主要夹杂物 Ti2 O3 , 控制 Ti/A l大于 12, 有利于形成 细小的 Ti2 O3 类夹杂 ,能够抑制 A l2 O3 夹杂形成 ; 控 制钢中合适的 O /N , 能促进 Ti2 O3 形成而抑制 TiN 析出 ,在 1 873 K时 , N 的质量分数为 200 10 - 6 314 夹杂物诱导针状铁素体组织 315 夹

29、杂物诱导能力与铸态晶粒度关系 通过对试样进行统计分析 , 认为夹杂物诱导铁 4 结论 dex of inducing ability is 113 F ig. 16 M icrostructures of inclusion 2induced intragranular ferrite at different inducing abilities: ( a the index of inducing ability is 016; ( b the in2 - 6 ( 1 热力学计算表明 ,对于 Ti脱氧钢中形成的 F ig. 14 Morphologies of inclusion 2ind

30、uced needle2ferrite: ( a Ti deoxidation; ( b the mass fraction of carbon is 01028% 图 16 不同夹杂物诱导能力下的显微组织 . ( a 夹杂物诱导能力指数 016; ( b 夹杂物诱导能力指数 113 图 14 夹杂物诱导针状铁素体组织形貌 . ( a Ti脱氧 ; ( b C 质量分数为 01028% ,只 图 14 ( a 所 示 ; 另 一 种 是 在 高 C (质 量 分 数 为 01028% 条件下 , 在 大片 珠光 体上 诱导析 出铁 素 体 ,其形状类似于针状 ,如图 14 ( b 所示 . 到

31、明显细化 . 图 15 夹杂物诱导能力指数与晶粒度评级的关系 F ig. 15 Relations of the index of inducing ability and the grade of grain size 要氧的质量分数控制在 715 10 以上 , 就能有效 抑制 TiN 析出 . ( 2 钢中夹杂物统计分析发现 , 夹杂物大部分 都处于铁素体或铁素体边界上 , 诱导能力强的夹杂 物不会出现在珠光体中 . 实验中对 1 000 个 Ti氧化 物夹杂物的统计结果表明 , 其全部处于铁素体或其 边界上 . 580 北 京 科 技 大 学 学 报 2001, 49: 2115 7

32、Byun J S, Shim J H, Suh J Y, et al . 第 32 卷 ( 3 不同类型夹杂物诱导铁素体析出的能力有 明显的差距 , 诱 导铁 素体 析出 能力 指数 为 0162 2 2 2 1141,其中 Ti2 O3 2A l2 O3 2M nO 2M nS类夹杂诱导能 A l2 O3 nS、 N、 N nS夹杂 , 诱导铁素体析出最 M Ti Ti M Inoculated acicular ferrite m icrostructure and mechanical p roperties M a ter S ci Eng A , 2001, . 319 /321:

33、326 8 Shim J H, Cho YW , Chung S H. Nucleation of intra2granular fer2 rite at Ti2 O 3 particle in low carbon steel A cta M a ter, 1999, 47 . ( 9 : 2751 9 Byun J S, Shim J H , Cho YW , et al Non 2 . metallic inclusion and M a ter, 2003, 51: 1593 力最强 , A l2 O3 最弱 . ( 4 夹杂物尺寸对夹杂物诱导晶内铁素体诱导 析 出 能 力 有 一 定

34、 影 响 . 对 于 M nS、A l2 O3 、 2 2 2 2 佳尺寸为 2 4m ,对于 Ti2 A l2M n 2 O 2 S复合夹杂 参 考 文 献 ( 2 : 739 ram ic / austenite interfaces IS IJ Int, 1996, 36 ( 10 : 1301 . inclusions in steel M et M ater In t, 1998, 4 ( 2 : 115 . rite in HSLA steel weld metals J M ater S ci, 1982, 17 ( 3 : 732 . non2 metallic inclusi

35、ons in medium carbon steel . A cta M ater, 物 ,其尺寸对诱导能力影响很大 ,诱导铁素体析出最 佳尺寸为 4 6m. ( 5 夹杂物诱导铁素体析出能力与铸态组织晶 粒度评级呈正相关 ,夹杂物诱导能力越强 ,基体铸态 组织越细化 . 1 Gergg J M , Bhadeshia H K D H. Solid 2State nucleation of acicular ferrite on m inerals added to molten steel A cta M a ter, 1997, 45 . icular ferrite in steel w

36、eldments A cta M ater, 1994, 42 ( 10 : 3291 . 4 Enomoto M. Nucleation of phase transfor mations at intragranular 6 Shim J H, Oh Y J, Suh J Y, et al Ferrite nucleation potency of . 2 Zhang S, Hattori N , Enomoto M , et al Ferrite nucleation at ce2 . 3 Lee J L. Evaluation of the nucleation potential of intragranular ac2 5 R icks R A , Howell P R, Barritte G S The nat