【摘要】： 非金屬夾雜物往往造成鋼材表面和內(nèi)部缺陷,但是目前生產(chǎn)工藝無法將鋼中夾雜物完全去除。研究表明:當(dāng)夾雜物小于3μm、種類適當(dāng)且分布均勻時能夠改善鋼的強(qiáng)韌性能。以鈦氧化物為主復(fù)合了硫化錳和氮化鈦的細(xì)小夾雜物容易誘發(fā)晶內(nèi)鐵素體(IGF),細(xì)化晶粒,提高鋼材強(qiáng)韌性。因此控制鋼液中鈦氧化物的析出以使其尺寸小于3μm,并且在鋼中彌散分布成為重點研究課題。由于在鋼液凝固過程中析出的夾雜物尺寸相對比較細(xì)小,本論文系統(tǒng)研究了鋼液凝固過程中超細(xì)鈦氧化物的析出規(guī)律,并通過理論計算和定向凝固實驗驗證了凝固過程中可以析出超細(xì)、彌散分布的鈦氧化物夾雜。 本文首先從通過熱力學(xué)計算分析了控制鈦的氧化物在凝固過程中析出所需要的熱力學(xué)條件以及生成的鈦氧化物的類型。鈦的氧化物易于成為IGF核心,為了使鋼中析出鈦的氧化物,必須控制鋼液中的鋁鈦比。在凝固溫度范圍內(nèi),Ti的氧化物中Ti_3O_5是最穩(wěn)定的。當(dāng)鋼液溫度為1873K,鋼液中Ti含量為0.02%時,鋁濃度要小于34ppm。凝固前氧含量不同時,鋼液中的[Mn]會影響鈦的氧化物夾雜的類型。平衡氧含量為30ppm時,夾雜物的類型為錳鈦復(fù)合氧化物;平衡氧含量在20ppm時,凝固前期生成鈦的氧化物,后期生成錳鈦復(fù)合氧化物;氧含量在10ppm時只生成鈦的氧化物。 鑒于鈦的氧化物中Ti_3O_5熱力學(xué)最穩(wěn)定,本文利用數(shù)學(xué)模型理論計算了凝固過程中不同氧含量及不同冷速下析出Ti_3O_5的含量及直徑。在鋼液凝固過程中,由于液相和固相中存在溶解度差異會發(fā)生溶質(zhì)元素的微觀偏析,凝固過程中溫度的降低,在凝固前沿富集大量溶質(zhì),提高了[Ti]和[O]的濃度積,[Ti]、[O]反應(yīng)生成Ti_3O_5夾雜。計算采用了有限差分法來完成,計算區(qū)域為二次枝晶臂間距的一半,溶質(zhì)的質(zhì)量傳輸僅由擴(kuò)散控制。模型在計算溶質(zhì)元素的微觀偏析的同時考慮了Ti_3O_5的析出對溶質(zhì)濃度的消耗,使溶質(zhì)的微觀偏析程度和Ti_3O_5析出量的計算更加合理。通過數(shù)值模擬表明:凝固前鋼液中氧含量越高,生成的Ti_3O_5直徑越大:冷速越大,Ti_3O_5直徑越小。當(dāng)冷速為10K/min時,對應(yīng)于實際生產(chǎn)情況,相當(dāng)于模鑄的冷速,凝固過程中析出的Ti_3O_5尺寸約為2.5μm。在冷速為1000K/min時(薄板坯連鑄的冷速),Ti_3O_5的尺寸為0.7μm,非常細(xì)小。從理論上證明凝固過程可以形成超細(xì)的鈦氧化物。 理論分析的基礎(chǔ)上,本文采用定向凝固實驗研究了氧位、冷卻速率對凝固過程中析出的夾雜物的數(shù)量、種類和尺寸的影響。定向凝固實驗中溶質(zhì)元素沿凝固方向一維擴(kuò)散,在凝固前沿的富集造成夾雜物在凝固前沿液相的析出。實驗時分別加入錳鐵、硅鐵、鈦鐵或者錳鐵/硅鐵、錳鐵/鈦鐵的混合物研究不同氧化物在凝固過程中的析出規(guī)律。實驗結(jié)果表明,分別添加錳、硅及硅-錳元素時,凝固過程中生成的夾雜物尺寸為1.3μm、1.2μm、1.1μm。添加錳時,夾雜物數(shù)量最多,添加硅時數(shù)量最少,分別為1.1×10~5/mm~3和5.8×10~4/mm~3。添加錳、鈦元素后生成的夾雜物類型受凝固前氧含量的影響,在10ppm平衡氧含量時,凝固過程中析出的均為鈦的氧化物;20ppm氧含量時生成的夾雜物為鈦的氧化物和錳鈦復(fù)合氧化物;30ppm氧含量時生成的夾雜物為錳鈦復(fù)合氧化物。鈦氧化物尺寸受冷速的影響較大。冷速越大,其平均尺寸越小。當(dāng)冷速為9K/min,89K/min以及143K/min時,其平均直徑分別為2.0μm,1.2μm以及1.0μm。從實驗證明凝固過程能夠形成超細(xì)夾雜物。 針對目前存在的夾雜物檢測方法,本文提出了檢測超細(xì)夾雜物的方法,提取了定向凝固實驗得到的試樣中的超細(xì)鈦氧化物。即,酸溶分離;超細(xì)孔徑的聚碳酸脂膜過濾提取夾雜物;掃描電鏡和高分辨透射電鏡檢測。獲得了超細(xì)夾雜物的三維形貌、尺寸、化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)等大量有價值信息。這為進(jìn)一步分析其晶體長大習(xí)性,從而為控制這些夾雜物在鋼中的形態(tài)打下了基礎(chǔ)。通過對鋼中夾雜物的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),鋼中不含錳的鈦氧化物的類型為Ti_3O_5:而當(dāng)鋼中含錳時,凝固過程中首先析出Ti_3O_5,然后Ti_3O_5與鋼中的[Mn]發(fā)生作用生成Ti_2O_3與MnO的超細(xì)復(fù)合氧化物,為MnS復(fù)合和貧錳區(qū)形成創(chuàng)造有利條件,而Ti_2O_3周圍形成貧錳區(qū)有利于IGF的形核。完善了IOF的形成機(jī)制。
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號】：TG142.15
【圖文】：

山本等[23l指出Ti一。鋼的高溫穩(wěn)定性比圖一3)，在熔融鋼凝固過程中析出。.T，N呂一.閃.入的呀.

本文編號：2764409