锆夹杂物对钢中铜元素非均质形核作用的理论分析

为了研究钢中铜元素非均质形核析出从而减轻钢中铜元素晶界偏聚的问题,选取钢中锆夹杂物作为形核质点,对试验钢中Zr O2、Zr C、Zr N析出学条件进行了热力学计算,通过点阵错配度理论和经验电子理论对钢中铜元素与锆夹杂物之间的非均质形核能力的大小进行了理论计算。结果表明,铜与Zr O2、Zr C、Zr N的点阵错配度分别为1.17%、9.53%、11.71%,经验电子理论特征参量分别为1.906、1.124 5、1.070。形核相和形核质点之间错配度越小,特征参量越大,非均质形核能力越强,经验电子理论计算结果与点阵错配度计算结果一致,Zr O2为最有效非均质形核质点,Zr C和Zr N为中等有效非均质形核质点,两种方法计算结果说明钢中锆的夹杂物可以作为铜元素的形核质点。     

钢液非均质形核触媒效用的点阵错配度理论

对钢液凝固温度下各种化合物基底与钢液凝固形核相(δ-Fe和γ-Fe)的二维错配度进行了计算,并对点阵错配度与钢液非均质形核触媒效用的关系进行了分析和讨论.结果表明:基底与形核相的错配度δ越小,越有利于非均质形核.凝固过冷度的对数与基底和形核相的二维错配度近似呈线性关系.基底与形核相的错配度δ<8%,非均质形核效用显著.     

锆、铝脱氧对钢中硫化物生成行为的影响

通过真空感应炉试验研究了锆、铝脱氧对含硫易切削非调质钢中硫化物生成行为的影响,研究结果表明,在铝脱氧钢中硫化物大多呈沿晶群聚状分布(大多呈扇形或链状分布),是典型的Ⅱ类硫化物,单位面积硫化物的数量较多,尺寸较小,小于2.5 μm的数量较多,大颗粒夹杂数量较少;在锆脱氧钢中硫化物主要也是沿晶的Ⅱ类硫化物,同时也有一些晶内分布的Ⅲ类硫化物,其分布与铝脱氧钢相比有较大改善,单位面积硫化物的数量减少,尺寸增大,大于5μm的数量增多;根据非均质形核理论,(001)MnS//(001)ZrO2的点阵错配度为3.0,而(111)MnS//(0001)Al2O3的点阵错配度为26.9,凝固过程中ZrO2作为硫化物形核核心的效率明显要高于Al2O3,向钢中加入锆,非均质形核的MnS数量增多,使得一部分MnS在较高的温度下分离析出,硫化物的总数减少、尺寸增大、分布从扇形向链形转变,改善了硫化物分布.     

添加Nd元素对Ti-6Al-4V-2Cr合金组织细化的影响

采用冷等静压–真空烧结法制备Ti-6Al-4V-2Cr-1Nd合金,然后进行固溶及时效热处理,通过实验与最小错配度理论计算,研究Nd元素对该合金组织细化的影响,并分析细化机理。结果表明,添加1%(质量分数)的稀土元素Nd后,析出相Nd2O3能有效促进晶粒细化。二维错配度的计算结果证明析出相Nd2O3是有效的形核剂,可促进非均匀形核,增加形核率,从而使晶粒细化。通过对合金试样薄区进行高分辨率观察,发现另一种絮状的、非常细小的、弥散分布的Nd2Ti4O11相,由于其界面错配度较低,也可作为非均匀形核的核心,促进形核,起到细化晶粒的作用。     

中高碳铝镇静钢形成MnS塑性夹杂的工艺开发与实践

 为提高中高碳钢产品的抗疲劳性能,利用中高碳钢的成分特点,研究开发了中高碳铝镇静钢中MnS以Al₂O₃为形核质点的非均质形核工艺,将钢中Al₂O₃脆性夹杂用塑性MnS包裹,解决了疲劳应力钢因脆性非金属夹杂引起的疲劳断裂问题。通过对微细、弥散Al₂O₃夹杂生成条件、MnS非均质形核析出热力学条件的研究,开展了钢中关键元素的成分设计、精炼及连铸集成工艺的设计与开发。工业实践表明,低活度氧条件下进行铝终脱氧可以形成3～5 μm微细弥散的Al₂O₃夹杂,并作为非均质形核的核心在二次枝晶晶间的凝固末端析出弥散、细小的粒状MnS;通过梯度脱氧、真空碳脱氧以及保护浇铸等操作可以有效稳定控制钢中全氧含量,提高钢水洁净度,成品T[O]质量分数平均为0.000 618%,较原工艺的0.000 739%降低了16%;成品的夹杂物中MnS及MnS包裹Al₂O₃夹杂所占比例大于96%,与世界领先产品的夹杂物控制水平相当,考虑到产品使用过程中Al₂O₃夹杂外部的MnS包裹层必须足够厚,塑性夹杂才能起作用,建立了MnS “有效包裹率” 的概念,当硬相夹杂物被MnS包裹且硬相夹杂物的最大半径不大于MnS包裹部位半径的1/2时,认为MnS对硬相夹杂物实现了“有效包裹”;MnS塑性夹杂工艺可明显提高材料的疲劳性能,成品的平均断裂韧性为83.47 MPa·m1/2,较原工艺的67.31 MPa·m1/2提高了24%。     

非均质形核细化16Mn钢凝固组织

通过感应炉对比实验,考察了基于不同非均质形核理论计算所得的三类有效形核质点Ce₂O₃、ZrO₂和MgO对细化16Mn钢凝固组织的影响.结果表明:只符合点阵错配度理论判据的MgO形核质点将铸锭等轴晶率从32%提高至37%;只符合静电作用理论判据的ZrO₂形核质点将等轴晶率提高至40%;同时满足点阵错配度理论和静电作用理论判据的Ce₂O₃非均质形核质点将等轴晶率提高至44%.在上述三个非均相成核的粒子中,Ce₂O₃能最大程度细化16Mn钢凝固组织.钢中形成以上三类形核核心后,钢的原始奥氏体晶粒尺寸以及显微组织均得到不同程度细化.     

Al对含钛430不锈钢夹杂物的影响

在实验室条件下考查了Al含量对含钛430不锈钢的Ti/Al夹杂物的影响,发现随着Al含量增加,夹杂物尺寸增加,并且从含Al高的钢样中观察到了Ti2O3与Al2O3固溶体;通过计算Ti2O3与Al2O3之间的错配度,证明了Ti2O3很容易依附于Al2O3形核,为了防止大颗粒夹杂物的生成,从热力学角度分析了Al对含钛氧化物...     

稀土对H13钢中夹杂物的影响

通过对不同Ce含量的H13钢锻材中夹杂物的解剖,研究了Ce与H13钢中夹杂物的相互作用关系,并结合SEM+EDS和Factsage热力学软件对于Ce的改质过程和改质机理进行了研究和理论计算。结果表明,未加入稀土时,H13钢锻材中夹杂物以Mg Al2O4和Mg Al2O4外包覆富Ti相最外层包覆富Nb相的三层复合结构为主;当锻材中稀土含量为0.004%时,锻材中夹杂物的类型主要以Mg-Al-O与Ce Al O3的混合共生相和共生相外面包覆富Ti相的双层复合结构为主;当锻材中稀土含量为0.034%时,锻材中夹杂物的类型变为Ce2O3、Ce2O2S和富Ti相富Nb相的混合共生相。Ce先将Mg Al2O4改质为Ce Al O3,然后改质为Ce2O3或Ce2O2S。Mg Al2O4和Ce Al O3都能作为富Ti相的异质形核核心,Ce2O3和Ce2O2S对于富Ti相的异质形核具有很好的抑制效果。Ce可以与痕量元素As进行有效的结合,夹杂物存在形式有两种:一种为RE-As-O/S夹杂物;另一种为Ce-As夹杂物在Ce-O或Ce-O-S外表面包裹析出。Factsage对于Ce改质Mg-Al-O系夹杂物的理论计算结果与实验观察结果基本一致。     

IF钢中Al_2O_3-TiN复合夹杂生成机理研究

通过形核理论解释了IF钢中Al2O3-Ti N的形成机理。RH中加TiFe合金化后由于局部wTi.wN浓度积有很大的过饱和度,满足异质形核条件,Ti N会以钢液中Al2O3为核心生成Al2O3-Ti N复合夹杂,但此时的Ti N并不稳定会随着钢液中wTi浓度的均匀而发生分解,在凝固过程中由于温度的降低和wTi的偏析会在凝固前沿Ti N再次析出。     

铝酸钙夹杂物的生成机制研究

运用异质形核理论解释了钢中钙对夹杂物变性的机制过程,计算得出1 873 K下w[Al]s为0.03%时,均质形核生成Al2O3钢中溶解氧的质量分数需达到39.2×10-6,而当反应达到平衡后钢中溶解氧的质量分数为3.3×10-6。脱氧后加入钙靠均质形核很难生成CaO,钙、氧原子主要以Al2O3质点为核心在其表面上生成,生成反应为:[Ca]+(x+1/3)Al2O3=CaO.xAl2O3+2/3[Al],生成过程为Al2O3→CA6→CA2→CA→CxAy液相,并通过SEM/EDS验证了夹杂物变性的机制过程。     

非钙处理铝脱氧车轮钢夹杂物形成及变形行为

 通过采用扫描电镜对BOF-LF-RH-CC非钙处理工艺生产车轮钢系统取样样品中夹杂物的形貌、尺寸及组成的分析,研究了精炼和凝固过程氧化物夹杂的形成、上浮去除和析出过程,以及轧制过程夹杂物的变形行为。研究发现,在非钙处理条件下,LF精炼过程会形成大量MgO-Al2O3夹杂和CaO-Al2O3夹杂,并且在RH精炼过程中存在MgO-Al2O3夹杂向CaO-Al2O3夹杂的转变过程,最终导致铸坯中出现低变性CaO-Al2O3夹杂;在软吹和镇静过程中,炉渣或空气对钢液的二次氧化与钢液中夹杂物上浮去除存在动态平衡;在钢液凝固过程中,固液界面的Al2O3等氧化物夹杂为MnS的析出提供了异质形核点,形成半包裹状的Al2O3-MnS类复合夹杂物;在轧制过程中,团簇状Al2O3夹杂容易被轧碎在板卷中形成点链状,高熔点半包裹的Al2O3-MnS类复合夹杂物被轧制成小尾巴状,而低熔点的CaO-Al2O3-MnS的复合夹杂形成连续的条状。     

The effect of carbide and nitride additions on the heterogeneous nucleation behavior of liquid iron

A systematic study of carbide and nitride additions on the heterogeneous nucleation behavior of supercooled liquid iron was undertaken. It was found that titanium nitride and titanium carbide were very effective in promoting heterogeneous nucleation. These compounds were followed by silicon carbide, zirconium nitride, zirconium carbide, and tungsten carbide in decreasing order of effectiveness. The degree of potency of the nucleation catalysts is explained on the basis of the disregistry between the lattice parameters of the substrate and the nucleating phase. Through the inclusion of planar terms the Turnbull-Vonnegut “linear” disregistry equation was modified to more accurately describe the crystallographic relationship at the interface during heterogeneous nucleation.     

大线能量焊接用海工钢的夹杂物与组织

 海洋工程领域对可大线能量焊接且低温韧性优良的厚钢板需求迫切。宝钢通过微合金化技术及调质工艺,开发出了满足大线能量焊接的E550级海洋工程用钢。通过冶炼、轧制、调质试验、焊接热模拟试验、电镜观察统计及金相观察,研究了大线能量焊接用海工钢H1夹杂物、显微组织及力学性能,并与宝钢现有海工钢E550进行了对比。研究结果表明,H1中夹杂物为Al2O3、MnS、Al2O3 Ti3O5、Al2O3 MnS、TiN MnS、Al2O3 Ti3O5 MnS;E550中夹杂物为Al2O3、CaO·xAl2O3(CAx)、CaO CaS、CAx CaS、CAx CaS TiN。H1力学性能满足E550级海工钢要求,且满足50和100 kJ/cm线能量焊接要求。其HAZ韧性改善的机理为,低硅低铝质量分数有利于减少局部脆性区;钛质量分数的降低,有利于抑制TiC脆化,提高HAZ韧性。     

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。     

Ti-Mg复合脱氧和硫含量对钢中夹杂物特征及MnS析出行为的影响

采用扫描电镜/能谱仪表征了管线钢中夹杂物的形貌、尺寸、成分及数量,考察了不同Ti/Mg比的钢中夹杂物特征、硫含量及脱氧产物数量对MnS析出行为的影响,并进行了热力学计算.结果表明：Ti-Mg脱氧钢中夹杂物以MgO-Al₂O₃-Ti₂O₃、MgO-Ti₂O₃或MgO为核心,表面包裹或局部析出MnS,粒径小于1.3μm,数量为300~450 mm^-2,形貌为圆形、多边形和方形;夹杂物中Ti/Mg原子数比为0.05~0.2时,夹杂物细小且近圆形;随硫含量减少,凝固过程中MnS析出倾向减小,MnS在夹杂物表面由包裹析出向局部析出转变,提高氧化物夹杂数量,有利于细小MnS的包裹或局部异质形核;Ti-Mg复合脱氧产物细小、弥散,可作为MnS异质形核核心,可同时降低MnS及氧化物的危害.     

镁对H13钢液析碳化物及组织的影响

摘要：为了研究镁对H13热作模具钢夹杂物、碳化物及组织性能的影响,采用蔡司金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪、非水溶液电解、显微硬度仪等试验仪器,分析了经高温电阻炉冶炼的不同镁质量分数的H13钢。结果表明：由于镁较高的蒸气压,镁的平均收得率仅为2.12%;随镁质量分数的增加,钢中的氧化物夹杂由Ca-Al-O、Al2O3向MgAl2O4、MgO转变,硫化物夹杂由MnS向Mg-Mn-S转变;MgAl2O4、MgO与γ-Fe、M(CN)、M6(CN)的错配度和聚集长大能力相较于Al2O3更小,能够为钢中的液析碳化物提供更多的形核位置,减小析出碳化物的尺寸;微量镁可显著细化铸态树枝晶,减小二次枝晶间距,镁的加入,提高H13钢基体硬度、降低偏聚区硬度,H13钢整体硬度的均匀性得到改善。     

Discussion of RE Inclusions as Heterogeneous Nuclei of Primary Austenite in Hardfacing Metals of Medium-High Carbon Steels

Duringthewelding0fl0wcarb0nsteels,theinclusions0fRE0xidesandREsulphidesaddedintothec0atingofelectrodescanactasthenu-cleiofprimaryfetritephase(8phase).Thelat-ticemisfittheoryhasbeenappliedt0calculatetheeffectivenessofinclusionsasthenucleiinlowcarbonsteelandprovedbyexperiments["'].InFe-Cequilibriumphasediagram,theprimaryphaseisaustenite(Yphase)insteadoffenite(6phase)whenthecarboncontentislargerthan0-53%.Forthehardfacing0fmedium-highcar-bonsteels,theprimaryphaseisYphaseduet0theirhighcarboncont…     

Ti-IF钢非金属夹杂物形核热力学和演变机理

通过热力学计算与SEM-EDS检测对酒钢BOFLFRHCSP工艺Ti-IF钢夹杂物形核的热力学进行了研究。结果表明,在Ti-IF钢中夹杂物形核主要是非均匀形核,最易形成TiN,其次为CaO,然后为Al_2O_3。温度升高有利于Al_2O_3、CaO的形成;TiN的形成受温度影响较小。Ti-IF钢中w([Als])控制为0.027%~0.055%时,w([Mg])只需大于0.000 015%,就会有镁铝尖晶石MgO·Al_2O_3(MA)析出。Ti-IF钢中夹杂物演变主要有3种途径,分别为尖晶石与硅酸钙的复合夹杂Al_2O_3→MA→MgAlCaSi、低熔点的铝酸钙夹杂Al_2O_3→CaO·6Al_2O_3(CA_6)→CaO·2Al_2O_3(CA_2)→CaO·Al_2O_3(CA)→3CaO·Al_2O_3(C_3A)/12CaO·7Al_2O_3(C_(12)A_7)以及钛的复合物或钛的化合物Al_2O_3→TiOx→Al_2O_3·TiOx和Ti→TiN/Ti(C,N)。