Fe-Mn-Al-C低密度钢中的脱氧合金化夹杂物

为了研究Fe-Mn-Al-C低密度钢脱氧合金化夹杂物的生成及机理，采用Si、Mn、Al进行脱氧合金化，通过场发射扫描电子显微镜结合夹杂物自动分析系统对Fe-Mn-Al-C低密度钢样品中的夹杂物进行观察。结果显示，Fe-Mn-Al-C低密度钢中夹杂物主要分为6类，即单颗粒Al2O3夹杂物、单颗粒MnS夹杂物、单颗粒AlN夹杂物、Al2O3-MnS复合夹杂物、AlN-MnS复合夹杂物、Al2O3-AlN-MnS复合夹杂物。单颗粒的Al2O3、MnS、AlN夹杂物的数量相对较多，夹杂物尺寸以小于5μm为主。热力学计算发现Al2O3在脱氧合金化时生成，AlN在固相分数为0.844时开始析出，而MnS在完全凝固后的固相钢中开始析出。不同夹杂物间的二维晶格错配度计算结果显示，MnS(110)/Al2O3(001)、AlN(001)/Al2O3(001)和MnS(100)/AlN(100)错配度分别为8.41%，11.66%和8.94%，说明Al2O3和AlN可以为MnS的形核提供异质形核位点，Al2O3同样也可以为AlN的形核提供异质形核位点。利用FactSage8.2热力学软件计算发现，从1873K冷却至373K时，Al2O3、AlN和MnS夹杂物的质量分数分别为0.129%、0.017%和0.615%。研究结果可以为研究Fe-Mn-Al-C低密度钢脱氧合金化夹杂物的生成机理提供一定的理论指导。

1、关键词Fe-Mn-Al-C低密度钢；夹杂物；热力学；二维晶格错配；异质形核

2、引言在全球“碳达峰”“碳中和”大环境下，钢材轻量化已成为近年来研究的热点。有研究发现，钢材中Al质量分数每增加1%，钢密度会降低1.3%，钢材质量减轻7%~18%。近年来，Fe-Mn-Al-C低密度钢因其高强度、高塑性和良好的成型性得到迅速发展和广泛应用。然而，Fe-Mn-Al-C低密度钢的力学和热加工性能在很大程度上与夹杂物的种类、尺寸和质量分数有关。因此，研究Fe-Mn-Al-C低密度钢脱氧合金化夹杂物的种类和形成是十分必要的。PARKJH等通过Mn和Al脱氧合金化发现，Fe-Mn-Al合金钢中夹杂物主要有7类，即单颗粒Al2O3夹杂物、单颗粒AlN或AlON夹杂物、单颗粒MnAl2O4夹杂物、聚集的Al2O3(-Al(O)N)颗粒、单颗粒Mn(S，Se)夹杂物、以氧化物为核心的Mn(S，Se)包裹的复合夹杂物和以Mn(S，Se)为核心的Al2O3(-Al(O)N)包裹的复合夹杂物。ALBAM等研究不同Al含量对Fe-5Mn-xAl钢中夹杂物的影响，计算发现AlN夹杂物在凝固过程中开始析出，而MnS夹杂物会优先于AlN析出。另外，当Al的质量分数从0.5%增加到6.0%时，夹杂物的总数量增加2.5倍，增加的夹杂物主要为AlN夹杂物。王伟胜等研究发现，Al含量的升高导致高锰钢中夹杂物析出顺序从Al2O3→AlN→MnS转变为Al2O3/AlN→MnS，并通过计算给出了Al2O3、AlN和MnS质量分数随温度的变化趋势。肖超等在研究国内某钢厂生产的相变诱导塑性钢时，认为Al含量增加引起的氧化物演变顺序为Al2O3·MnO→MgAl2O4，铝系夹杂物的演变顺序为Al2O3→AlN，硫化物的演变顺序为MnS→MgS。XINXL等则认为Al含量的增加会导致Fe-Mn-Al-C钢中主要夹杂物按MnO→Al2O3/MnS→MnS→AlN的顺序演变。WANGYN研究宝钢公司生产的孪生诱导塑性钢时发现，AlN和AlN-MnS夹杂物的数量是最多的，并且发现AlN的形成温度较高，可以作为MnS和MgS的异质形核位点。刘洪波等研究Al含量对孪生诱导塑性钢中AlN夹杂物析出的影响时，发现钢中Al的质量分数达到1.07%时，在钢液中可以形成AlN夹杂物，认为控制钢中氮含量可以有效控制AlN夹杂物的析出。为了研究Fe-Mn-Al-C低密度钢脱氧合金化夹杂物生成及机理，在实验室进行Fe-Mn-Al-C低密度钢冶炼试验，结合场发射扫描电子显微镜和夹杂物自动分析系统对样品中夹杂物的特性进行观察。对AlN和MnS夹杂物的形成条件进行热力学计算，并通过二维晶格错配理论解释多种复合夹杂物的形成机理。最后，利用FactSage8.2软件对钢液降温凝固过程中各种夹杂物的质量分数进行了定量计算。

3、精选图表

4、结

论通过在实验室进行Fe-Mn-Al-C低密度钢的熔炼和脱氧合金化、夹杂物观察和理论计算，得到如下结论。1)Fe-Mn-Al-C低密度钢中主要包含6类夹杂物，分别为单颗粒的Al2O3、MnS和AlN以及复合的Al2O3-MnS、AlN-MnS和Al2O3-AlN-MnS。通过夹杂物自动分析系统发现，单颗粒的Al2O3、AlN和MnS夹杂物数量较多，夹杂物尺寸以小于5μm为主。2)Fe-Mn-Al-C低密度钢中Al2O3夹杂物在脱氧合金化时形成；AlN夹杂物在凝固过程的液-固两相区开始析出，固相分数为0.844，对应的析出温度为1730K；MnS夹杂物则是在完全凝固的固相钢(奥氏体)中析出的。Fe-Mn-Al-C低密度钢中夹杂物析出顺序为：Al2O3>AlN>MnS。3)二维错配度计算结果显示，MnS(110)/Al2O3(001)、AlN(001)/Al2O3(001)和MnS(100)/AlN(100)的错配度分别为8.41%、11.66%和8.94%，说明Al2O