镁钛复合处理对不锈钢凝固组织的影响及机制

摘要：TiN是铁素体不锈钢有效的异质形核剂,但钢中大尺寸的TiN颗粒会对不锈钢板材表面质量带来不利影响。为此,提出依靠镁钛复合处理来细化TiN颗粒及控制宏观晶粒的方法。通过良好气氛保护的电阻炉试验,研究了添加Mg和Ti元素对于铁素体不锈钢宏观铸态组织和TiN颗粒细化效果的影响规律,并对其细化机理进行了详细分析。经研究得知,向铁素体不锈钢中添加了微量Mg和Ti元素后试样宏观等轴晶比例由37%提高至50%,TiN颗粒平均尺寸由处理前的5μm细化至2μm。镁钛复合处理后,钢液中形成的MgO和MgAl2O4与TiN之间的晶格错配度很低,分别为1.14和5.29,均属于有效形核范围,可以成为TiN异质形核核心,促进在晶内均匀析出更多的TiN。同时基于TiN与铁素体相之间的良好的晶格匹配关系,其进一步促进了δ-Fe形核,从而有效细化了铁素体宏观组织,这将有利于提高铁素体不锈钢力学性能和表面质量。     

镁处理对430铁素体不锈钢夹杂物形成和凝固组织的影响

试验研究了0.000 5%～0.001 2%Mg对60 kg真空感应炉熔炼的430铁素体不锈钢(/%:0.04C、0.25～0.32Si、0.28～0.38Mn、16.5～16.9Cr)夹杂物形成和凝固组织的影响。结果表明,430钢液中添加镁合金后,钢中形成平均粒径更小,数量密度更大的含MgO复合夹杂物;镁合金的加入可以改善430钢的凝固组织,且浇铸温度越低,改善效果越明显,在1 580℃浇铸时,等轴晶率由常规钢的30.8%提高至镁处理钢的88.5%,相应等轴晶尺寸由1 741.6μm降至945.3μm。含MgO夹杂物与δ相二维错配度极小,可作为430钢有效异质形核剂,促进等轴晶的形成,抑制柱状晶的生长,细化凝固组织。     

脉冲磁场对钛处理低碳钢凝固组织的影响

采用自行研制的脉冲磁场发生装置对含Ti低碳钢的凝固过程进行控制,利用金相显微镜、扫描电镜和能谱仪研究不同放电电压条件下的脉冲磁场对钢中夹杂物的析出行为及凝固组织的影响规律,分析不同凝固冷却速度对脉冲磁场细晶化效果的影响。结果表明:随着放电电压的升高,夹杂物的尺寸先减小后增大,晶内铁素体的数量逐渐增多,凝固组织变得更细小;降低凝固冷却速度,可延长脉冲磁场对钢液凝固过程的作用时间,晶粒的细化效果更明显;当放电电压为80 V,凝固冷却速度为60℃/min时,凝固组织几乎全部由细小的相互交错的针状铁素体组成。     

微量钛镁复合处理对低碳钢中夹杂物和组织的影响

对低碳钢进行钛镁复合处理,通过SEM-EDS和金相显微镜表征钢中夹杂物的特征(种类、尺寸、分布)和微观组织变化,探讨夹杂物诱导形核的可能机制。结果表明:钛镁复合处理后,钢中77%的夹杂物尺寸小于4μm,单位体积的夹杂物数量提高了48%;(Ti,Mg)Ox-MnS型复合杂物具有促进晶内铁素体形核的能力;贫Mn区是(Ti,Mg)Ox-MnS型复合夹杂物诱导晶内铁素体形核的可能机制。     

La、Ti处理对FeCrAl不锈钢凝固组织的影响

采用金相显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)对La、Ti处理的FeCrAl不锈钢铸锭凝固组织进行了分析研究,结果表明:未经La、Ti处理的纯铁素体不锈钢凝固组织中晶粒尺寸较大,纵向截面晶粒平均值为4.64mm,横向截面晶粒尺寸平均为4.71 mm;La处理不锈钢可以明显细化钢中凝固组织的晶粒尺寸;Ti在细化FeCrAl不锈钢晶粒的同时可以提高不锈钢的等轴晶率;加入La和Ti后形成的高熔点第二相粒子有利于细化晶粒,钢中析出的大量TiN可以提高凝固组织的等轴晶率.     

添加镁对低碳钢的凝固组织影响

为了提高低碳钢方坯内部质量,通过一些试验,采用小尺寸钢锭研究了添加镁对碳含量为0．1％的低碳钢凝固组织影响。同时也用FE-SEM观察钢锭中形成的夹杂物,完成了有关氧化物和氮化物的几种热力学分析。向钢中添加镁可增加等轴晶的比例,特别是在钛含量为0．2％～0．25％的低碳钢中有明显影响,其可导致TiN的结晶直至凝固结束。假定在不含钛钢中添加镁促进等轴晶结晶的影响主要归因于MgO或MgO·A12O3形核的作用,然而,与含钛钢相比,其增加等轴晶的比例较少。显然,对于TiN结晶来说,MgO也能有效作为反应试剂导致促进8-Fe和等轴结晶的异相形核。通过向低碳含钛钢中添加镁证实了MgO和TiN的共同作用。通过添加钙,当向钢中添加镁时,假定由于镁的加入导致的促进作用减少了液态氧化物并且降低了全氧,因此,固态MgO或固态MgO·Al2O3的结晶数量减少。证明了平面错合度是评价相对异相形核能力的有用指数。     

脉冲电流对奥氏体不锈钢凝固组织的影响

采用储能电容为 15 0 μF的脉冲电源 ,在 5 2 1V和 2 6 4 7V两种充电电压下 ,对奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti进行电脉冲处理。结果表明 :脉冲电流能够细化奥氏体不锈钢的凝固组织 ,使奥氏体一次枝晶长度明显缩短 ,二次枝晶间距也有所减小。脉冲电流参数不同 ,其作用机理和效果不同。     

钛-镁处理对低碳钢夹杂物和组织的影响

通过实验室对低碳钢进行钛-镁处理研究,利用BX51M金相显微镜观察钢的微观组织,以JSM-6510LV扫描电镜为平台,利用SEM-EDS研究钢中夹杂物的形貌、成分,探讨MnS的析出与贫锰区机制之间的内在关联性,澄清MnS在诱导形核现象中的作用。结果表明:经过钛-镁处理后,钢的晶粒得到明显细化; Ti-Mg-Al复合夹杂物能够通过诱导晶内铁素体形核细化晶粒; MnS的存在与晶内铁素体的形成之间没有直接联系。     

含钛不锈钢水平连铸坯凝固组织的研究

本文讨论了1Cr18Ni9Ti钢的铸坯显微凝固组织和宏观的柱状晶“穿晶”凝固结构,并介绍了δ铁素体在水平连铸坯的分布情况。     

铁素体不锈钢凝固组织的影响因素

 铁素体不锈钢凝固过程中形成的柱状晶会影响钢的成形性,减少甚至避免铸坯柱状晶的形成,促进等轴晶的形成,对铁素体不锈钢来说尤为重要。采用连铸和模铸的试验方法浇铸了铁素体不锈钢430,以分析影响其凝固结构的因素。结果表明,电磁搅拌对430不锈钢连铸坯等轴晶的形成作用显著。无论模铸试验还是连铸试验,冷却强度对430铸坯柱状晶的形成都有明显的影响。在模铸试验条件下,碳、氮含量越高,越有利于其凝固时等轴晶的形成;在连铸试验条件下,由于温度梯度大,碳、氮含量对凝固组织的影响被削弱,但如果对钢液进行搅拌,碳、氮含量的变化对凝固组织仍然有明显的影响。     

镁处理对低碳微合金钢中夹杂物和凝固组织的影响

以低碳微合金钢HR60为研究对象,探讨了镁处理对钢中夹杂物变性以及凝固组织的改善作用。研究得到如下结论:镁处理对车轮钢中Al_2O_3具有显著的变质作用,当钢中Mg质量分数为0.002 6%时,夹杂物变质充分,基准钢中Al_2O_3+Mn S夹杂物变质为Mg O·Al_2O_3+Mn S或Mg O·Al_2O_3+Mn S+(Ti,Nb)(C,N)夹杂物;镁处理后钢中夹杂物平均粒径减小,数量显著增多,尺寸小于2μm的夹杂物数量占60%以上,细小夹杂物在钢中呈弥散分布;试验钢经过镁处理后,铸态组织由"多边形铁素体+珠光体"演变为"多边形铁素体+珠光体+针状铁素体"混合组织,针状组织在一定程度上细化了凝固组织;理论计算表明,降低钢液与夹杂物之间的界面能,减小夹杂物与钢液之间的润湿角(θ),是镁处理钢中夹杂物细化的重要原因。     

表面活性元素对不锈钢钢锭最初凝固组织的影响

使用水冷铜结晶器以10mm/s的速度浇注有表面活性元素Bi、Sn和Te的18—8不锈钢钢锭,并对靠近钢锭表面的横向和纵向显微组织进行了观察。随着表面活性元素量的增加,凝固显微组织变细,快冷的作用增加。在距离未加活性元素的钢锭表面50μm处,一次枝晶臂间距为10μm。冷却速度分别为1×10~2K/s     

脉冲磁场强度对钛处理低碳钢凝固过程的影响

采用自发研制的脉冲磁场发生装置将脉冲磁场非接触式地施加到钛处理低碳钢的凝固过程中,利用金相显微镜、扫描电镜和能谱仪研究了不同强度的脉冲磁场对试样的宏观形貌、枝晶和组织的影响。结果表明,随着脉冲磁场强度的增加,试样的宏观表面逐渐变得平整;枝晶和组织随着脉冲磁场强度的增加逐渐细化,但达到一定强度后,继续增加又出现了相反的结论。由此可以推断,脉冲磁场强度对枝晶和组织的影响存在一个最佳值。     

微观组织参数及工艺条件对430不锈钢凝固显微结构的影响

在多元合金CAFE模型的基础上,分析了微观组织参数（形核密度、高斯分解参数、Gibbs-Thomson系数等）与430不锈钢凝固过程中晶粒形貌的复杂关系,以及过热度与冷却强度等工艺参数对凝固组织的影响.研究发现,晶粒尺寸和柱状晶向等轴晶转变不仅与体最大形核过冷度有关,也受体形核密度的影响.高斯分解参数和Gibbs-Thomson系数增大时,一次枝晶间距减小,等轴晶范围增大;但当它们增加至一定范围后,其对显微结构的影响逐渐变得不明显.过热度或冷却强度增大时,等轴晶范围减小,但一次枝晶间距的变化不明显.     

稀土对铁素体不锈钢凝固组织的改善

报道了稀土对1C r17(430)铁素体不锈钢凝固组织的影响,如稀土细化柱状晶,扩大了中心等轴晶区域,并且初步分析了稀土元素改善凝固组织的作用机理。     

钛硅黄铜中Si含量对凝固组织及力学性能的影响

通过熔体反应法制备了不同Si含量的钛硅黄铜,采用X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对钛硅黄铜中硬质相的物相组成及三维形貌演变规律进行表征,分析Si含量对钛硅黄铜凝固组织的影响,并结合硬度及拉伸性能检测研究钛硅黄铜中微观组织与力学性能之间的关联性机制。结果表明,随着Si含量的增加,钛硅黄铜中合成硬质相的种类由片状枝晶状AlCu2Ti与六棱柱状Ti5Si3向多面体状Ti5Si4演变,硬质相的体积分数呈现先增加后趋于稳定的趋势;当Si添加量为1.5%（质量分数）时,大量未反应的Si元素促进了γ相基体的出现,合金基体由单一β相转变为β+γ相。Si含量在0.25%~1.5%（质量分数）变化时,钛硅黄铜的抗拉强度和硬度均随着Si含量的增加而持续增加,断后伸长率呈现先升高后降低的趋势,研究认为γ相的出现是合金断后延伸率下降的主要原因;在Si含量为1.0%（质量分数）时,钛硅黄铜的强塑性出现最佳配合,抗拉强度为（551±21） MPa,屈服强度为（276±16） MPa,断后伸长率为6.8%±0.3%。     

Ti处理FeCrAl不锈钢的凝固组织和夹杂物

采用Thermo-calc软件对不同Ti含量的FeCrAl不锈钢铸锭Scheil凝固过程中TiN和AlN在凝固前沿液相的析出规律进行计算,结果表明铸锭中Ti含量应控制在0.08%附近。铸锭的凝固组织分析表明中心等轴晶率随着Ti含量的提高先升高后降低,Ti含量为0.088%时纵截面和横截面中心等轴晶率均达到最大值,分别为39.5%和16%。高温拉伸试验结果表明,Ti的加入对铸锭的高温力学性能没有明显改善作用。扫描电镜分析表明铸锭中主要有纯TiN、TiN-AlN复合夹杂、TiN-Al_2O_3复合夹杂、纯TiS夹杂以及TiS-氧化物复合夹杂这五种含Ti夹杂物,前三种夹杂物占据主要地位,后两种夹杂物则非常少。     

MgO-Al_2O_3-SiO_2复合夹杂物对430不锈钢凝固组织的影响

通过真空感应炉试验,研究不同Mg含量处理所获得的不同MgO-Al2O3-SiO2复合夹杂物对凝固组织的影响。试验结果表明,随着钢中Mg含量的增加,铸锭等轴晶率呈现先升高后下降的趋势,而等轴晶尺寸和柱状晶宽度呈现先降低后升高趋势,存在一个最佳的Mg的质量分数范围(5~13)×10-6,铸锭的等轴晶率在70%以上。夹杂物观测并结合热力学计算发现,随着钢中Mg含量的增加,MgO-Al2O3-SiO2复合夹杂物外层逐步析出MgO·Al2O3相;然而,Mg的质量分数高于13×10-6时,夹杂物外层开始析出2MgO·SiO2相。晶面错配度计算表明,MgO·Al2O3与δ-Fe的错配度为1.2%,2MgO·SiO2与δ-Fe的错配度为13%。可以判断,MgO·Al2O3相可促进等轴晶形成,抑制晶粒长大,2MgO·SiO2相则起不到促进形核作用。从而解释了铸锭等轴晶率、晶粒尺寸随Mg含量的变化规律。     

钛稀土复合处理对C-Mn钢粗晶热影响区组织及韧性的影响

利用Gleeble-1500D热模拟机进行焊接热影响区热循环模拟实验,研究了在焊接热输入为65 kJ·cm^-1时稀土单独处理和钛稀土复合处理对C-Mn钢粗晶热影响区组织及冲击韧性的影响,并利用扫描电镜观察和分析了实验钢中的夹杂物和冲击断口形貌,利用光镜观察了热循环模拟后实验钢中的微观组织.实验结果表明:稀土单独处理和钛稀土复合处理的试样微观组织分别主要是晶界铁素体+块状铁素体+针状铁素体和晶界铁素体+晶内针状铁素体.经稀土单独处理的试样中夹杂物为La₂O₂S+锰铝硅酸盐+MnS复合夹杂;钛稀土复合处理的试样中的夹杂主要是La₂O₂S+TiO_x+锰铝硅酸盐+MnS复合夹杂.钛稀土复合处理钢中的复合夹杂更细小,有利于形成细小的晶内针状铁素体.钛稀土复合处理极大地改善了实验钢的焊接热影响区低温冲击韧性,比稀土单独处理对试样的冲击性能提升效果更好.     

初始凝固组织对Cr17铁素体不锈钢组织、织构及成形性的影响

 研究了初始凝固组织对Cr17铁素体不锈钢组织、织构、成形性的影响。分别对柱状晶、等轴晶铸坯进行热轧、退火、冷轧、退火实验。结果表明,等轴晶铸坯热轧试样在退火过程中的再结晶率高于柱状晶铸坯热轧试样。再经相同的冷轧退火工艺后,与柱状晶铸坯冷轧退火试样相比,等轴晶铸坯冷轧退火试样的{001}∥ND织构较弱,{111}∥ND γ织构较强,而且rm值较高。