20CrMnTiH齿轮钢凝固和冷却过程中非金属夹杂物的转变研究

非金属夹杂物的类型、数量、尺寸对齿轮钢的疲劳性能具有重要影响。为了明确20CrMnTiH齿轮钢在凝固和冷却过程中夹杂物的转变和析出行为,通过Aspex自动扫描电镜对齿轮钢连铸过程中非金属夹杂物的类型、数量、尺寸等进行系统分析。研究发现,中间包内钢液中氧化物夹杂的主要类型为Al_2O_3-CaO-MgO和Al_2O_3-CaO-CaS型,铸坯中氧化物夹杂的主要类型转变为Al_2O_3-MgO和Al_2O_3-CaS型。齿轮钢钢液在凝固和冷却过程氧化物夹杂中CaO向CaS转变,夹杂物的数密度降低,平均尺寸略有增加。通过热力学软件FactSage 7.1计算了中间包内钢液在凝固和冷却过程中夹杂物的形成和转变,对齿轮钢在凝固和冷却过程夹杂物的转变提供了理论依据。     

齿轮钢锻件关键区域氧化物和硫化物夹杂的分布特征

齿轮是机械传动的关键结构部件,为了改善齿轮的服役性能,提高疲劳寿命,需要清楚齿轮钢中的夹杂物类型、数量、尺寸、分布。采用夹杂物自动扫描仪、氧含量分析手段、扫描电镜对齿轮钢锻件不同位置进行夹杂物评估。结果表明:铸件中心位置TO质量分数较高,为10×10~(-6),对应小尺寸夹杂物数量较多,而大尺寸夹杂物在关键区域的分布较多。钢中氧化物夹杂主要为Al_2O_3、Al_2O_3复合类的尖晶石和钙铝酸盐复合夹杂物,且尺寸较大,分布不均匀,对齿轮钢关键区域的影响较大。钢中硫化物夹杂分布均匀,尺寸较小,热力学计算表明,该类夹杂在凝固过程中凝固率g0.44时,MnS开始析出,通过控制硫化物夹杂析出及分布有助于改善齿轮钢质量。     

齿轮钢锻件关键区域氧化物和硫化物夹杂的分布特征

摘要：齿轮是机械传动的关键结构部件，为了改善齿轮的服役性能，提高疲劳寿命，需要清楚齿轮钢中的夹杂物类型、数量、尺寸、分布。采用夹杂物自动扫描仪、氧含量分析手段、扫描电镜对齿轮钢锻件不同位置进行夹杂物评估。结果表明：铸件中心位置TO质量分数较高，为10×10-6，对应小尺寸夹杂物数量较多，而大尺寸夹杂物在关键区域的分布较多。钢中氧化物夹杂主要为Al2O3、Al2O3复合类的尖晶石和钙铝酸盐复合夹杂物，且尺寸较大，分布不均匀，对齿轮钢关键区域的影响较大。钢中硫化物夹杂分布均匀，尺寸较小，热力学计算表明，该类夹杂在凝固过程中凝固率g＞0.44时，MnS开始析出，通过控制硫化物夹杂析出及分布有助于改善齿轮钢质量。     

含铈IF钢中含钛夹杂物的析出行为

通过热力学计算研究了IF钢中含钛夹杂物的形成过程以及铈对钢液中Al2O3夹杂物的变质机理,并采用扫描电镜、能谱仪观察和分析了IF钢和含铈IF钢中的含钛夹杂物。热力学计算和扫描电镜观察结果表明:TiN不能在熔炼温度下形成;在IF钢液凝固的过程中TiN以异质形核的形式生成并长大,生成TiN-Al2O3夹杂物;在含铈IF钢中TiN-Al2O3夹杂物被稀土铈变质为TiN-CeAlO3夹杂物,稀土铈减小了含铈IF钢中含钛复合夹杂物的尺寸。     

SWRH 92A帘线钢中异相形核TiN复合夹杂析出机制

摘要：高碳帘线钢中析出的非金属夹杂物如钛夹杂,对钢材疲劳强度影响巨大。系统分析过共析帘线钢中钛夹杂的析出行为对控制夹杂物形成及产品质量提升尤为重要。结合形核理论以及热力学耦合模型,对SWRH 92A帘线钢盘条存在的Al2O3 TiN复合夹杂物的形成机制进行了研究。结果表明：TiN夹杂在钢液凝固进程凝固分数约为0.866(温度为1457K)时开始析出;凝固前期Ti、N偏析比基本相当,然而当凝固接近结束时Ti的偏析比明显大于N,分别为6.059和2.367×10-6。TiN夹杂物形成过程中,其异相形核功小于均相形核功,异相形核半径大于均相形核半径,并且形核功与形核半径变化曲线在1457K时均达峰值。呈球形形态的Al2O3夹杂在TiN析出之前就已经析出,并且尺寸较小的Al2O3将被推动至凝固前沿被TiN捕获并以此为核心析出长大最终形成Al2O3 TiN复合夹杂。     

硼铬微合金钢的脆性断裂失效分析

为了研究硼铬微合金钢的脆性断裂失效机理，以工厂履带拖拉机支重轮的中心轴脆性断裂为研究背景，通过对中心轴断口的观察以及不同位置的组织和晶粒度的对比，得出了硼铬微合金钢的断裂失效机理。利用FactSage和Thermo- Calc软件对TiN夹杂物的析出机理和控制进行理论计算。结果表明，钛合金的不完全溶解和钛、氮元素质量分数的不合理控制，导致大量的大尺寸硬质TiN夹杂物在凝固过程中析出，使得钛元素的加入没有起到很好地细化晶粒的效果，中心区域的铁素体＋奥氏体组织的晶粒度过于粗大。大尺寸TiN夹杂物作为裂纹源和心部粗大的晶粒导致了硼铬微合金钢的脆性断裂失效。热力学计算表明，TiN夹杂物在凝固过程中形成，低钛低氮和钛、氮质量分数的合理搭配可以有效推迟TiN夹杂物的析出，降低其尺寸。较小的夹杂物尺寸和细小的晶粒均可以有效增强材料抵抗裂纹扩展的能力。     

IF钢中含Ti夹杂物的衍变规律

系统研究了Ti-IF钢冶炼过程和铸坯中含Ti夹杂物的组成、分布与微观形貌,揭示了含Ti夹杂物的衍变规律.热力学分析和实验结果表明:在IF钢冶炼过程中无TiN生成,含Ti夹杂物的存在形式是以TiO₂为主的钛氧化物结合其他氧化物的复合夹杂:而在连铸凝固过程中,由于钢液温度降低和元素的偏析作用,TiN夹杂以异质形核的方式生成.IF钢铸坯中非金属夹杂物主要是大尺寸Al₂O₃颗粒和存在中间过渡层的TiN—Al₂TiO₅-Al₂O₃复合夹杂物,其形核长大过程是[Al]、[Ti]和[O]先在细小的Al₂O₃颗粒上反应生成一层Al₂TiO₅,然后TiN在Al₂TiO₅表面形核长大.根据连铸过程和铸坯中含钛夹杂物的研究得出,Ti-IF钢铸坯中TiN夹杂难以去除,但是可以使其变性以实现对钢中含钛夹杂物的控制.      

含钛齿轮钢中CaO-Al2O3-TiOx+TiN系夹杂物形成机理

 为了研究20CrMnTi齿轮钢中特殊夹杂物(CaO-Al₂O₃-TiO_x包裹TiN的复合夹杂物)的形成机理,结合工业试验和实验室合金化试验,借助热力学计算推断了TiN直接生成的可能性。研究发现,钛铁合金的洁净度较差,合金中含有较多的Al₂O₃和TiN夹杂物。在炼钢温度条件下,钢中的溶解钛与氮反应生成TiN在热力学上是不可能的。复合夹杂物的TiN核不可能是由钢中的溶解钛和氮直接反应生成,而应该是由合金带入的。当CaO-Al₂O₃-TiO_x系夹杂物与未溶解完全的TiN碰撞到一起后,液态的夹杂物将TiN包裹,从而形成较大尺寸的CaO-Al₂O₃-TiO_x包裹TiN的夹杂物。要控制这类夹杂物,需采用氮质量分数更低的钛铁合金。     

钙处理钛合金化钢中TiN析出行为

采用扫描电镜/能谱仪表征高强度结构钢中夹杂物的特征,考察了钛合金化及钙处理对钢中夹杂物组成的影响,探讨了氧化物对TiN析出行为及其对微观组织的影响。结果表明,钛合金化后钢中的夹杂物多为球形或多边形的Al-Ti-Mg-O系,钙处理能有效球化钢中的夹杂物和还原夹杂物中的TiOx,还原的Ti逐渐向夹杂物表层扩散积聚,促进了TiN在复合氧化物表面局部析出。钢中细小氧化物及氮化物的数量随Ti含量增加而增加,因此,钙处理较高Ti含量钢有助于促进细小的复合氧化物+TiN夹杂物的形成,并延迟凝固过程中TiN均质形核时间,细化TiN颗粒的尺寸。2~3μm的TiN不仅能诱导多边形铁素体析出,也能诱导针状铁素体析出。TiN及MnS在复合氧化物表面局部析出有助于互锁的针状铁素体诱导析出。     

帘线钢中氮含量对TiN析出的影响

 研究了攀钢新钢钒公司生产帘线钢72A过程中钢中氮含量变化对钢中TiN夹杂析出的影响。研究发现,随着钢中氮含量的升高,钢中析出的TiN夹杂数量变多,尺寸变大。热力学研究表明,在帘线钢中TiN一般只能在固相区形成,考虑元素偏析对凝固前沿元素富集的影响,凝固过程中TiN能在固液两相区析出。在帘线钢生产过程中,为了控制钢中TiN的析出,除了控制钛含量,控制钢中氮含量及氮偏析更加重要。理论计算结果表明,当钢中钛的质量分数控制在0.0003%~0.0005%区间时,将钢中氮的质量分数控制在0.0017%~0.0029%区间内能显著降低乃至杜绝帘线钢中TiN的析出。攀钢将帘线钢中钛、氮的质量分数分别控制在0.0005%以下和0.002%以下,显著减少了钢中TiN的析出,个别炉次中没有发现尺寸大于2μm的TiN夹杂。     

耐蚀合金中TiN析出机制

摘要：TiN颗粒尺寸及其分布对耐蚀合金性能有明显的影响，因此有必要对TiN在铸坯中的分布及其析出行为进行研究。采用扫描电镜(SEM)、金相显微镜（OM）观察了TiN夹杂物在铸坯中的分布、尺寸及其形貌；基于热力学和动力学理论分析了耐蚀合金铸坯中TiN夹杂物的析出时机及其尺寸，结合试验结果和理论计算明确了TiN夹杂物在凝固后铸坯中的位置和尺寸与析出时机的关系，为控制TiN夹杂物提供理论指导。结果表明，冶炼过程中析出的TiN夹杂物尺寸较大，在凝固过程中被枝晶吞没，位于铸坯枝晶内和等轴晶内；微观偏析计算结果表明，在凝固分数为0.55时，TiN开始析出，最开始析出TiN夹杂物的逐渐长大，长大后的TiN易于被二次枝晶吞没，最终位于铸坯中的枝晶间和等轴晶内，后期析出的TiN则在枝晶间和等轴晶间。固相中析出的TiN夹杂物长大较慢，尺寸细小，最终位于奥氏体晶界。     

20CrMnTi齿轮钢中TiN析出相对淬透性的影响

 为了研究20CrMnTi齿轮钢中TiN析出相对淬透性的影响,以实际生产中两种具有不同淬透性特性的20CrMnTi端淬试样为基础,对试样的外围硬度进行测试,用金相显微镜观察室温组织和原奥氏体晶粒组织,用扫描电镜观察分析钢中TiN颗粒的特征,以及利用Thermo-Calc软件分析TiN的析出过程。研究结果表明,奥氏体晶粒度对淬透性有明显影响,晶粒越大,组织中马氏体的体积分数越高,硬度越高,晶粒尺寸的均匀细小化使得试样外围硬度最大差距由9.1HRC降低至3.3HRC;在固相中尽可能多地析出细小的TiN对获得细小和均匀的奥氏体晶粒有重要作用,淬透性更好的试样中TiN实际凝固析出量更小,固相析出量更大,促进晶粒细化和均匀化,获得了更均匀的外围硬度。在实际生产中,在特定的钛质量分数条件下,如何有效地抑制TiN在凝固过程中的析出是20CrMnTi齿轮钢获得窄淬透性带宽的关键。     

Solidification Structure Refining of 430 Ferrite Stainless Steel With TiN Nucleation

The thermodynamics of TiN precipitation in liquid steel of 430 ferrite stainless steel has been calculated to find out the condition of TiN precipitation during the initial solidification stage. The difference in the solidification structure of 430 ferrite stainless steel has been discussed through comparative tests of vacuum induction furnace melting with different contents of Ti. It has been found that the equiaxed grain proportion can be increased from 20% to 69% as the content of Ti from 0.1% up to 0. 4%. The size of the TiN particles precipitated is 1-3 μm and the number of TiN particles is about （200- 300）/μm^2. It is found that the effect of using TiN to refine the solidification structure has been confirmed under the strict process condition used for 430 ferrite stainless steel.     

过共析帘线钢中Ti夹杂的析出热力学与形成机制

过共析帘线钢中析出的含Ti夹杂对钢丝拉拔性能产生有害影响,研究钢中Ti夹杂的析出行为对夹杂物性质控制以及钢材质量提高具有重要意义.考虑夹杂物析出对凝固前沿溶质浓度和温度影响下,基于传统Ohnaka模型建立了相应的耦合模型并以此计算了92级过共析帘线钢中TiN夹杂的析出热力学.结果表明,耦合模型条件下TiN夹杂的析出时间...     

Genetic Analysis for Large TiN Inclusions in Wire Rod for Tire Cord Steel of SWRH82A

The law of element segregation of Ti, N, Mn and S, and the sequence of selective precipitation of TiN and MnS inclusions during solidification of molten steel of SWRH82A are studied on the basis of thermodynamics. The origin of large TiN inclusions which affect the titanium inclusions point penalty in SWRH82A wire rod is analyzed based on the research on the distribution characteristics of MnS and large size of TiN inclusions observed on metallographic specimen of SWRH82A steel wire rod. The solidification segregation ratio of Ti is far more than that of N, and the solidification segregation ratio of S is far more than that of Mn. In the range of cooling rate of the continuous casting production, the cooling rate of solidification has little effect on the segregation ratios of Ti, N, Mn and S. MnS inclusions will precipitate earlier than TiN inclusions during solidification of the molten steel of SWRH82A. The large TiN inclusion which is wrapped by MnS in the SWRH82A wire rod may be foreign inclusions and it is not precipitated product during solidification in the molten steel of SWRH82A.     

广义帕累托分布在轴承钢夹杂物评价方面的应用

通过ASPEX试验检测技术与广义帕累托分布(GPD)模型,分析了中国和日本4批超洁净GCr15轴承钢中的TiN夹杂、氧化物夹杂与硫氧复合夹杂3种类型夹杂物的数据。发现所有钢中TiN夹杂物均可通过GPD模型计算出最大夹杂物极限尺寸,但氧化物夹杂、硫氧复合夹杂则在某些情况下由于数据中存在少量远大于平均值的极端值而无法得到极限尺寸;这是由于氧化物夹杂在产生后上浮的过程中可能由于偶然的碰撞、聚集长大至很大尺寸,硫化物容易包裹氧化物形成较大的硫氧复合夹杂物,而微米级的TiN多是在钢水凝固过程中析出的,聚集长大可能性小。另外,GPD模型计算结果表明,转炉工艺对于氧化物夹杂的尺寸控制较电炉工艺为优;但硫氧复合夹杂物的尺寸与冶炼工艺的关系更为复杂,无明显规律。     

50 t EAF-AOD-LF-10 t铸锭流程AISI 321不锈钢含钛夹杂物演变行为

研究了模铸工艺生产的AISI 321不锈钢含钛夹杂物的演变。工业试验表明,LF喂钛线后,发生钛的氧化行为,随着冶炼过程的进行,Ti₂O₃在夹杂物平均成分中的比例逐渐升高,TiN主要以均质氮化钛和含芯氮化钛为主,含芯TiN核心成分为MgO及MgO·Al₂O₃,也有少量的TiO_x-MgO-Al₂O₃核心。通过热力学软件Factsage计算了钢水中Ti-Al-O、Ti-N稳定相图以及凝固过程TiN的析出行为。     

钢中氮含量对含硫齿轮钢硫化物影响的试验

某钢厂齿轮钢20CrMnTi(质量分数/%:0.17~0.23C,0.17~0.37Si,0.80~1.00Mn,0.025~0.035S,0.004~0.08Ti,1.10~1.25Cr)的生产工艺流程为90 t LD-LF-RH-CCM-150 mm×150 mm方坯连铸。通过热力学计算得到钢中的MnS和TiN均在液相线和固相线之间析出。试验研究钢中含不同氮含量情况下,钢中硫化物和氮化钛具有相互结合的变性效果。试验结果表明,当钢中氮质量分数约为0.005 5%时,TiN优先于MnS析出,钢中更多的硫化物夹杂以氮化钛为形核核心,形成硫化锰和氮化钛复合夹杂物,从而改善A类夹杂物尺寸和形貌,A类夹杂物呈短小、均匀分散分布态势,按GB/T 10561评定达到1.5级。