D0110.13374/i.issnl001053x.2010.05.018 第32卷第5期 北京科技大学学报 Vo132 No 5 2010年5月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing May 2010 个微合金钢中T脱氧夹杂物诱导晶内铁素体析出行 为 杜松林) 金友林”高振波)杨应东) 包燕平2) 1)马鞍山钢铁股份有限公司，马鞍山2430002)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 摘要通过热力学计算及热态实验，研究了T脱氧N微合金钢中，含T夹杂物析出行为及其诱导晶内铁素体析出行为. 结果发现，夹杂物与铁素体、珠光体之间的相对位置关系存在六种形式，通过赋予这些形式不同的诱导能力系数，定量比较夹 杂物类型、尺寸与诱导能力的关系.T的复合氧化物诱导能力最强，A,Q最弱.T的复合氧化物诱导最佳尺寸4~6：四其 他夹杂物最佳尺寸为2~4：四通过控制夹杂物种类、尺寸促进晶内铁素体析出，能够细化晶粒. 关键词微合金钢：晶内铁素体；夹杂物：脱氧：晶粒细化 分类号TG14233 Precipitation behavpr of inclusion induced intragranu lar ferrite in Tideoxided VN m icroalpyed steel DU Sang 1n)JN YaL lin.GAO Zhen bov.YANG Yng-dong).BA Yan ping 1)Maanshan Ion and SteelCo Ld.Maanstan243000 China 2)SchoolofMemgcal and Ecopgical Engneering Universit of Scence and Technopgy Be ijng Beijng 100083 Chna ABSTRACT Precpitaton behaviors of Ticon ainng nclusions and inc usion induced n tragranular ferrite were nvestgated by ther molynamic calculations and abortory expermen ts The resu lts show that here are six foms about position relatons of incusions p ferrite grains and pearlite grains The effects of incuspn types and size on the nclusion induc ng ability were analyzed quantificational ly by defn ng the index of inducing ability It is ind icaed that he ab ility ofTicontnng comp lex oxide inc uspns nducing ntragranu lar errite is the best but thatofAlO is the worst The optmal size ofTiconining complex oxdle nclusons is4 poum ad hat of other incuspns is2 p4u m Intragranu lar ferrite is induced p precpitte by con tollng the nclusion tpes and size eading p grain refiem ent KEY WORDS micpalpyed steel ntragranular ferrite incusions deoxd izatpn grain refinement 近年来，通过钢中形成的微细夹杂物或析出物 NCuS和AO以及多种氧硫复合氧化物1-都 作为异质形核的质点，诱导晶内铁素体析出，实现组 具有诱导晶内铁素体析出的作用.其中，研究最多、 织细化的方法备受治金工作者的关注1-.早在20 意见相对统一的是T的氧化物，如T○具有较强 世纪80年代，Barritt和Rich等从热力学角度推 的诱导作用.目前关于夹杂物诱导能力的评价都是 导分析，认为铁素体在夹杂物诱导作用下比均匀形 定性的，以个别的二维图片作为夹杂物诱导析出的 核更加容易，并进一步得出夹杂物尺寸对晶内铁素 例证不够准确.另外，以X射线衍射等方法确定夹 体诱导析出具有一定影响. 杂物与铁素体的位相关系来证明诱导作用，由于分 目前对夹杂物诱导铁素体晶内形核已有较多的 析的工作量大也只能对个别现象进行分析. 研究.认为T的氧化物16-0、MSS)、ZO、TN 本实验试图采用统计方法进行大量样本的定量 收稿日期：2009-09-04 基金项目：国家科技支撑计划资助项目(NQ2007BAE30DI) 作者简介：杜松林(1962-)，男，教授级高级工程师，Ema1mads@163m
第 32卷 第 5期 2010年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.5 May2010 VN微合金钢中 Ti脱氧夹杂物诱导晶内铁素体析出行 为 杜松林 1) 金友林 1) 高振波 1 ) 杨应东 1) 包燕平 2 ) 1) 马鞍山钢铁股份有限公司, 马鞍山 243000 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 摘 要 通过热力学计算及热态实验, 研究了 Ti脱氧 VN微合金钢中, 含 Ti夹杂物析出行为及其诱导晶内铁素体析出行为. 结果发现, 夹杂物与铁素体、珠光体之间的相对位置关系存在六种形式, 通过赋予这些形式不同的诱导能力系数, 定量比较夹 杂物类型、尺寸与诱导能力的关系.Ti的复合氧化物诱导能力最强, Al2O3 最弱.Ti的复合氧化物诱导最佳尺寸 4 ～ 6μm, 其 他夹杂物最佳尺寸为 2 ～ 4μm.通过控制夹杂物种类、尺寸促进晶内铁素体析出, 能够细化晶粒. 关键词 微合金钢;晶内铁素体;夹杂物;脱氧;晶粒细化 分类号 TG142.33 Precipitationbehaviorofinclusion-inducedintra-granularferriteinTi-deoxided VNmicroalloyedsteel DUSong-lin1) , JINYou-lin1) , GAOZhen-bo1) , YANGYing-dong1) , BAOYan-ping2) 1) MaanshanIronandSteelCo.Ltd., Maanshan243000, China 2) SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China ABSTRACT PrecipitationbehaviorsofTi-containinginclusionsandinclusion-inducedintragranularferritewereinvestigatedbythermodynamiccalculationsandlaboratoryexperiments.Theresultsshowthattherearesixformsaboutpositionrelationsofinclusionsto ferritegrainsandpearlitegrains.Theeffectsofinclusiontypesandsizeontheinclusion-inducingabilitywereanalyzedquantificationallybydefiningtheindexofinducingability.ItisindicatedthattheabilityofTi-containingcomplexoxide-inclusionsinducingintragranularferriteisthebest, butthatofAl2O3 istheworst.TheoptimalsizeofTi-containingcomplexoxide-inclusionsis4 to6μmandthatof otherinclusionsis2 to4μm.Intra-granularferriteisinducedtoprecipitatebycontrollingtheinclusiontypesandsize, leadingtograin refinement. KEYWORDS microalloyedsteel;intragranularferrite;inclusions;deoxidization;grainrefinement 收稿日期:2009--09--04 基金项目:国家科技支撑计划资助项目 ( No.2007BAE30B01) 作者简介:杜松林 ( 1962— ), 男, 教授级高级工程师, E-mail:ah.masdsl@163.com 近年来, 通过钢中形成的微细夹杂物或析出物 作为异质形核的质点, 诱导晶内铁素体析出, 实现组 织细化的方法备受冶金工作者的关注 [ 1--4] .早在 20 世纪 80年代, Barritte和 Richs等 [ 5]从热力学角度推 导分析, 认为铁素体在夹杂物诱导作用下比均匀形 核更加容易, 并进一步得出夹杂物尺寸对晶内铁素 体诱导析出具有一定影响 . 目前对夹杂物诱导铁素体晶内形核已有较多的 研究, 认为 Ti的氧化物 [ 6--10] 、MnS、SiO2 、ZrO2 、TiN、 VN、CuS和 Al2O3 以及多种氧硫复合氧化物 [ 11--13] 都 具有诱导晶内铁素体析出的作用.其中, 研究最多、 意见相对统一的是 Ti的氧化物, 如 Ti2O3 具有较强 的诱导作用.目前关于夹杂物诱导能力的评价都是 定性的, 以个别的二维图片作为夹杂物诱导析出的 例证不够准确 .另外, 以 X射线衍射等方法确定夹 杂物与铁素体的位相关系来证明诱导作用, 由于分 析的工作量大也只能对个别现象进行分析. 本实验试图采用统计方法进行大量样本的定量 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.05.018
第5期 杜松林等：N微合金钢中T脱氧夹杂物诱导晶内铁素体析出行为 ·575 分析，研究夹杂物类型和尺寸对晶内铁素体诱导析 主要以TQ为主，但当氧活度4g高于50X106 出能力的影响，以确定控制夹杂物类型和尺寸的目 左右时.可能存在TQ和TQ的竞争析出.TQ 标，实现晶内铁素体诱导析出、细化铸态组织的 析出的可能性如图2所示.由图可见，钢中a9和 目的 q对TQ析出有很大影响，随着40，和q增 1实验条件和试样分析方法 加，TQ更容易析出. 本研究中热态实验在有氩气保护的硅钼棒炉中 0.250.10.030.010.0030.0010.00030.0001 进行，使用N微合金化的高强度废钢，放在MO 0.20 质坩埚中（中40mX100mm,然后整体放在石墨坩 0.15 、a 埚内在高温炉内加热，熔清后的补入合金，并进行 T脱氧工艺. 010t03 0.05 将上述试样加工、清洗、打磨和抛光制成金相 01.0152.0253.0354.0 Igoo 样，用配有能谱仪的扫描电子显微镜对夹杂物成分 图21873KT手Q析出可能性 和形貌及铸态组织进行统计分析. Fg2 Prec pitatin possibility ofTiO,at1873K 2T脱氧钢中夹杂物析出的热力学分析 2.2FCT-A上O系中T与A的氧化物选择析 2.1T氧化物析出分析 出 T脱氧钢中形成的T的氧化物主要有TQ 己有的研究成果表明，钢中A形成的AQ夹 T9、TQ和TO四种，各类T氧化物形成的△G 杂，是轧制过程中不变形脆性夹杂，从控制钢中夹杂 如图1所示.由图可见，T脱氧钢中形成的氧化物 物尺寸和诱导铁素体析出能力的角度来讲都是不希 120r 望出现的.因此应该控制T脱氧钢中Fe-Ti-AHO 100P 80 系的A!Q夹杂的析出及其在复合夹杂物中的比 例.钢中T和A选择性氧化热力学计算结果如 4 .G 20△G 图所示.由图可见，要促进钢中T的氧化，形成 0. -20 TQ夹杂物或夹杂物中含TQ成分含量高的复 102030.405060 合夹杂，就需要控制钢中的A含量，适当提高T含 /10- 量.控制TVA大于12有利于形成细小的TO类 图11873K钛氧化物形成的△G 夹杂物. Fg 1 AG of pmation of titanim oxides at1 873 K (a) 16( 14 7品 140 120 以 analnug-=2.5 =01 ,=0 100 n,=l.0 =1.0 180 8 D 60 6 40 4 05 20 2 an/a=10 B n808 C 4 2 0 6 0.005 0.010 0.0150.020 h/10 a 图31873K时Fe-Ti-AHO系钢中T和A选择性氧化关系.（两TiA和O关系：(T和A关系 Fg 3 Selective ox dlation ofTi and Al n he FeTiALO syskm at1873K (a relton ofTi Al ad ((b elation ofTi and Al 2.3FeTO-N系中TN和T氧化物的选择性 O-N系中TN和O活度的相互关系和该体系中 析出 T生成的可能性如图4和图5所示.由图可见， 钢中T是一种脆性较强的夹杂物，对钢的性 Tg的生成对T的析出起到抑制作用.因此，要 能危害较大.本实验的钢液中同时存在T和较高 使凝固过程中最大限度地形成TO而不生成Ty 含量的NQ可能生成TQ、TN1873K时Fe-Ti 必须控制钢中合适的溶解氧含量.本实验钢中的
第 5期 杜松林等 :VN微合金钢中 Ti脱氧夹杂物诱导晶内铁素体析出行为 分析, 研究夹杂物类型和尺寸对晶内铁素体诱导析 出能力的影响, 以确定控制夹杂物类型和尺寸的目 标, 实现晶内铁素体诱导析出 、细化铸态组织的 目的. 1 实验条件和试样分析方法 本研究中热态实验在有氩气保护的硅钼棒炉中 进行, 使用 VN微合金化的高强度废钢, 放在 MgO 质坩埚中 ( 40 mm×100 mm), 然后整体放在石墨坩 埚内在高温炉内加热, 熔清后的补入合金, 并进行 Ti脱氧工艺 . 将上述试样加工 、清洗 、打磨和抛光制成金相 样, 用配有能谱仪的扫描电子显微镜对夹杂物成分 和形貌及铸态组织进行统计分析. 2 Ti脱氧钢中夹杂物析出的热力学分析 2.1 Ti氧化物析出分析 Ti脱氧钢中形成的 Ti的氧化物主要有 TiO、 TiO2 、Ti3 O5 和 Ti2O3 四种, 各类 Ti氧化物形成的 ΔG 如图 1所示 .由图可见, Ti脱氧钢中形成的氧化物 图 1 1 873K钛氧化物形成的 ΔG Fig.1 ΔGofformationoftitaniumoxidesat1 873K 主要以 Ti2O3 为主, 但当氧活度 a [ O] 高于 50 ×10 -6 左右时, 可能存在 Ti2O3 和 Ti3O5 的竞争析出.Ti3O5 析出的可能性如图 2所示.由图可见, 钢中 aTi2O3和 a [ O]对 Ti3 O5 析出有很大影响, 随着 aTi2O3和 a [ O] 增 加, Ti3O5 更容易析出. 图 2 1 873KTi3 O5 析出可能性 Fig.2 PrecipitationpossibilityofTi3O5 at1 873K 2.2 Fe--Ti--Al--O系中 Ti与 Al的氧化物选择析 出 已有的研究成果表明, 钢中 Al形成的 Al2 O3 夹 杂, 是轧制过程中不变形脆性夹杂, 从控制钢中夹杂 物尺寸和诱导铁素体析出能力的角度来讲都是不希 望出现的 .因此应该控制 Ti脱氧钢中 Fe--Ti--Al--O 系的 Al2O3 夹杂的析出及其在复合夹杂物中的比 例.钢中 Ti和 Al选择性氧化热力学计算结果如 图 3所示.由图可见, 要促进钢中 Ti的氧化, 形成 Ti2 O3 夹杂物或夹杂物中含 Ti2O3 成分含量高的复 合夹杂, 就需要控制钢中的 Al含量, 适当提高 Ti含 量.控制 Ti/Al大于 12, 有利于形成细小的 Ti2O3 类 夹杂物. 图 3 1 873K时 Fe-Ti--Al--O系钢中 Ti和 Al选择性氧化关系.( a) Ti、Al和 O关系;( b) Ti和 Al关系 Fig.3 SelectiveoxidationofTiandAlintheFe-Ti-Al-Osystemat1 873K:( a) relationofTi, AlandO;( b) relationofTiandAl 2.3 Fe--Ti--O--N系中 TiN和 Ti氧化物的选择性 析出 钢中 TiN是一种脆性较强的夹杂物, 对钢的性 能危害较大 .本实验的钢液中同时存在 Ti和较高 含量的 N、O, 可能生成 Ti2 O3 、TiN, 1 873 K时 Fe--Ti-- O--N系中 Ti、N和 O活度的相互关系和该体系中 TiN生成的可能性如图 4 和图 5所示 .由图可见, Ti2 O3 的生成对 TiN的析出起到抑制作用.因此, 要 使凝固过程中最大限度地形成 Ti2O3 而不生成 TiN, 必须控制钢中合适的溶解氧含量 .本实验钢中 N的 · 575·
。576 北京科技大学学报 第32卷 质量分数为(150~210)×10，要限制TN的过早 的显微组织进行统计分析，试样中铁素体与珠光体 析出，在形成之后必须采用合理控制氧含量的 的比例为31一41.不同类型夹杂物在铁素体和珠 工艺路线，才有利于促进T氧化物尽早析出.热力 光体中的分配比例不同，夹杂物绝大多数都处于铁 学计算结果表明，在1873K的条件下，N的质量分 素体或铁素体边界上，如T类夹杂出现在铁素体 数为200×10时，只要氧活度大于7.5×10，即 和珠光体中的比例为161而统计的1000个T氧 O/火于0038就不会有TN的析出. 化物夹杂都出现在铁素体或其边界上.通过统计分 析夹杂物与铁素体和珠光体之间的相对位置关系 =1 anan=0.5 an=l 将夹杂物诱导铁素体析出总结为三种类型六种 -05 140 形式 =0 4=0 120 (1)A类：夹杂物诱导析出系数定义为1.在此 100元 80 种类型关系中，夹杂物与钢基体组织相对位置关系 25 50 60 40 主要有两种形式：①在大片珠光体中，以夹杂物为 20 中心形成一个或多个铁素体晶粒，如图6所示；② 1505045403530252015105P w/106 在铁素体中夹杂物周围形成小的铁素体晶粒，可能 图41873KFeT-O-N系中TiNO活度相互关系 形成一个也可能形成多个，如图7所示.这两种形 Fg 4 Activity relat ions ofTi N andO in the FeTioN syswm at 式认为夹杂物对铁素体诱导析出起着关键作用，因 1873K 此定义这两种形式夹杂物的诱导析出系数为1 (2)B类：夹杂物诱导析出系数定义为05在 0.07 0.06 此种类型关系中，夹杂物与钢基体组织相对位置关 0.05 2N+Ti.0=30+2TiN) 1787K 系主要有三种形式：①夹杂物处于铁素体和珠光体 的边界上，如图8所示：②夹杂物处于铁素体晶粒 0.03 1873K 中，铁素体平均尺寸远大于夹杂物尺寸，如图9所 0.02 0.01 示；③夹杂物处于两个或多个铁素体的晶界上，铁 %12345678910 素体晶粒的当量直径远大于夹杂物尺寸，如图10 10 所示. 图5 Fe-Ti-O-N系TN生成可能性 对于此种类型的夹杂物和钢基体组织的位置关 Fg 5 Fomation possbility ofTN in the FeON system 系，夹杂物对铁素体的析出是否起到诱导促进作用， 3实验结果和分析 难以确定.对于夹杂物周围或一侧的铁素体晶粒， 其在夹杂物诱导作用下析出的可能性很大.因此定 3.1夹杂物诱导铁素体析出的特征及其诱导能力 义该类型下的三种形式夹杂物的诱导系数为05 3.1.1夹杂物诱导铁素体析出的特征 (3)C类：夹杂物诱导析出系数定义为0夹杂 通过热态实验，在不同实验工艺下，对所有试样 物处于珠光体中，夹杂物周围没有形成铁素体，如 10m 图6珠光体中夹杂物诱导析出铁素体品粒形貌特征.（号TA上SMmO-S类复合夹杂物：(bT:S:-M血O-S类复合夹杂物 Fig 6 Mophokgies of ncusin_induced intra granular ferrise in pearlitegm ins (a TiAlSiMnO-S complex inclusins (b TiSiMnO-S cm. plex nc lusims
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 质量分数为 ( 150 ～ 210) ×10 -6 , 要限制 TiN的过早 析出, 在形成 VN之后必须采用合理控制氧含量的 工艺路线, 才有利于促进 Ti氧化物尽早析出.热力 学计算结果表明, 在 1 873 K的条件下, N的质量分 数为 200 ×10 -6时, 只要氧活度大于 7.5 ×10 -6 , 即 O/N大于 0.038, 就不会有 TiN的析出. 图 4 1 873KFe-Ti--O-N系中 Ti、N、O活度相互关系 Fig.4 ActivityrelationsofTi, NandOintheFe-Ti-O-Nsystemat 1 873K 图 5 Fe--Ti--O-N系 TiN生成可能性 Fig.5 FormationpossibilityofTiNintheFe-O-Nsystem 图 6 珠光体中夹杂物诱导析出铁素体晶粒形貌特征.( a) Ti--Al-Si--Mn--O-S类复合夹杂物;( b) Ti--Si-Mn-O--S类复合夹杂物 Fig.6 Morphologiesofinclusion-inducedintra-granularferriteinpearlitegrains:( a) Ti-Al-Si-Mn-O-Scomplexinclusions;(b) Ti-Si-Mn-O-Scomplexinclusions 3 实验结果和分析 3.1 夹杂物诱导铁素体析出的特征及其诱导能力 3.1.1 夹杂物诱导铁素体析出的特征 通过热态实验, 在不同实验工艺下, 对所有试样 的显微组织进行统计分析, 试样中铁素体与珠光体 的比例为 3∶1 ～ 4∶1.不同类型夹杂物在铁素体和珠 光体中的分配比例不同, 夹杂物绝大多数都处于铁 素体或铁素体边界上, 如 TiN类夹杂出现在铁素体 和珠光体中的比例为 16∶1, 而统计的 1 000个 Ti氧 化物夹杂都出现在铁素体或其边界上.通过统计分 析夹杂物与铁素体和珠光体之间的相对位置关系, 将夹杂物诱导铁素体析出总结为三种类型六种 形式 . ( 1) A类:夹杂物诱导析出系数定义为 1.在此 种类型关系中, 夹杂物与钢基体组织相对位置关系 主要有两种形式 :① 在大片珠光体中, 以夹杂物为 中心形成一个或多个铁素体晶粒, 如图 6所示 ;② 在铁素体中夹杂物周围形成小的铁素体晶粒, 可能 形成一个也可能形成多个, 如图 7所示 .这两种形 式认为夹杂物对铁素体诱导析出起着关键作用, 因 此定义这两种形式夹杂物的诱导析出系数为 1. ( 2) B类 :夹杂物诱导析出系数定义为 0.5.在 此种类型关系中, 夹杂物与钢基体组织相对位置关 系主要有三种形式 :①夹杂物处于铁素体和珠光体 的边界上, 如图 8所示 ;②夹杂物处于铁素体晶粒 中, 铁素体平均尺寸远大于夹杂物尺寸, 如图 9 所 示;③夹杂物处于两个或多个铁素体的晶界上, 铁 素体晶粒的当量直径远大于夹杂物尺寸, 如图 10 所示 . 对于此种类型的夹杂物和钢基体组织的位置关 系, 夹杂物对铁素体的析出是否起到诱导促进作用, 难以确定 .对于夹杂物周围或一侧的铁素体晶粒, 其在夹杂物诱导作用下析出的可能性很大 .因此定 义该类型下的三种形式夹杂物的诱导系数为 0.5. ( 3) C类 :夹杂物诱导析出系数定义为 0.夹杂 物处于珠光体中, 夹杂物周围没有形成铁素体, 如 · 576·
第5期 杜松林等：N微合金钢中T脱氧夹杂物诱导晶内铁素体析出行为 577 10 um 图7铁素体中夹杂物诱导析出小晶粒的铁素体形貌特征.（号MS夹杂物：(Mn-STN夹杂物 Fg7 Morphopgiesof ncusin_nduced intmgmmular femrite of fne grains in ferrite grans (a MnS inc lusins (b MnSTiN inclusins 201 5 um 图10A上CLT-O度合夹杂物处于两个铁素体品界上的形貌特 图8T:Mm-SN类复合夹杂物处于铁素体和珠光体边界上的 形貌特征 Fg 10 Morphokgy of ALCaTiO complex nclusions on the bound Fg 8 Mopholcgy ofTiMnSN copkex incusins on the bounda ary of two ferrite grans ries of ferrite grains and pear lite gmins ● 5 um 图11TN夹杂物处于珠光体上形貌特征 Fg11 Morthokgy ofTN ncusins in pearlite grains 图9TFA上S+M-O-S类复合夹杂物处于铁素体品粒中形貌 特征 3.1.2夹杂物诱导铁素体析出能力 Fg 9 Mophokgy ofTiALSiMnOS compkex inc uusians in femite 通过对热态实验的试样夹杂物诱导铁素体行为 gra ins 特征进行大量统计分析，试图从统计学角度定量分 图1所示.认为这种类型夹杂物没有诱导铁素体 析夹杂物诱导能力的大小.在确定夹杂物诱导系数 晶粒，因此定义其诱导系数为Q 的基础上，定义夹杂物诱导铁素体析出的能力指数 图12是夹杂物诱导晶内铁素体析出的六种形 ZZ值由下式计算，Z值大小反应夹杂物诱导铁素 式的比例.由图可见，夹杂物诱导晶内铁素体析出 体能力的强弱 主要以A类和B类为主，其中夹杂物诱导形式最多 Z=∑N,+Q5N-N 的是B类中第一种形式，夹杂物从珠光体边界上诱 导铁素体 式中，Z为夹杂物诱导能力指数，为A类诱导铁
第 5期 杜松林等 :VN微合金钢中 Ti脱氧夹杂物诱导晶内铁素体析出行为 图 7 铁素体中夹杂物诱导析出小晶粒的铁素体形貌特征.( a) MnS夹杂物;( b) Mn-S-Ti-N夹杂物 Fig.7 Morphologiesofinclusion-inducedintra-granularferriteoffinegrainsinferritegrains:( a) MnSinclusions;( b) Mn-S-Ti-Ninclusions 图 8 Ti-Mn--S--N类复合夹杂物处于铁素体和珠光体边界上的 形貌特征 Fig.8 MorphologyofTi-Mn-S-Ncomplexinclusionsontheboundariesofferritegrainsandpearlitegrains 图 9 Ti-Al--Si-Mn--O-S类复合夹杂物处于铁素体晶粒中形貌 特征 Fig.9 MorphologyofTi-Al-Si-Mn-O-Scomplexinclusionsinferrite grains 图 11所示 .认为这种类型夹杂物没有诱导铁素体 晶粒, 因此定义其诱导系数为 0. 图 12是夹杂物诱导晶内铁素体析出的六种形 式的比例.由图可见, 夹杂物诱导晶内铁素体析出 主要以 A类和 B类为主, 其中夹杂物诱导形式最多 的是 B类中第一种形式, 夹杂物从珠光体边界上诱 导铁素体. 图 10 Al-Ca-Ti--O复合夹杂物处于两个铁素体晶界上的形貌特 征 Fig.10 MorphologyofAl-Ca-Ti-Ocomplexinclusionsontheboundaryoftwoferritegrains 图 11 TiN夹杂物处于珠光体上形貌特征 Fig.11 MorphologyofTiNinclusionsinpearlitegrains 3.1.2 夹杂物诱导铁素体析出能力 通过对热态实验的试样夹杂物诱导铁素体行为 特征进行大量统计分析, 试图从统计学角度定量分 析夹杂物诱导能力的大小.在确定夹杂物诱导系数 的基础上, 定义夹杂物诱导铁素体析出的能力指数 Z, Z值由下式计算, Z值大小反应夹杂物诱导铁素 体能力的强弱 . Z=∑ iNai +0.5Nb -Nc N 式中, Z为夹杂物诱导能力指数, Nai为 A类诱导铁 · 577·
·578 北京科技大学学报 第32卷 70 按照上述的统计计算标准，采用扫描电镜 % 2.44 (SM统计分析夹杂物的尺寸、类型及对铁素体诱 50 圆A类第1种形式 24.23 导析出的情况，统计了六炉组织完全为铁素体珠 A类第2种形式 40 田B类第1种形式 光体的炉次和两炉含有部分粒状贝氏体组织炉次的 30 回B类第2种形式 20.54 ☑B类第3种形式 试样中夹杂物的诱导能力.统计分析结果如表1所 20 C类第】种形式 示，表中统计了六类夹杂物诱导铁素体析出的能力 10 17.11 34.23 2.44 指数.由表可见，所有的夹杂物均有诱导铁素体析 C 出的能力，诱导析出的现象在试样中普遍存在，并不 类型 是只有某一种特定的夹杂物才具有这种现象.但 图2夹杂物诱导品内铁素体析出的六种形式的比例 Fg 12 Proporion of six foms of incusin_induced intrgranlar 是，不同类型夹杂物诱导铁素体析出的能力有明显 ferrite 的差异，其中，TO-AQ-MOMS类夹杂诱导 素体个数为的夹杂物的个数，N为B类诱导的夹 能力最强，AQ最弱.冷却条件由炉冷变为空冷 杂物个数，N为C类诱导的夹杂物个数，N为统计 时，各类型夹杂物的诱导能力指数有所增加，但这个 的夹杂物总数 差异远没有夹杂物类型带来的差异大 表1不同类型夹杂物诱导品内铁素体析出能力指数 Table 1 Ability index of diffe rent tpes of inc lusons nducing intragrnular femite 诱导能力指数 冷却方式 A03 TN-MnS AJO-MnS TN MnS TiQ-A]0 -MnO-MnS 炉冷 0.位 074 0.80 079 095 1.41 空冷 0.68 086 0.83 0.89 1.01 形成针状铁素体组织 3.2夹杂物诱导铁素体析出机理探讨 物尺寸与其诱导铁素体析出能力指数的关系，如 夹杂物诱导铁素体析出的现象己由很多治金工 图1所示.由图可见，对于MnS AJO、A!O°MS 作者研究和证实，但是关于其诱导析出机理，目前没 TN和TNMS夹杂，随尺寸的增加，诱导能力总体 有统一的解释，争议颇多.对夹杂物诱导铁素体现 上变化不大，尺寸为2~4μm和大于6μ时诱导能 象的解释有多种理论，如应力应变理论、贫M区 力指数较大.由于夹杂物尺寸增大，其危害性增加 理论、惰性界面理论和形核匹配理论【.本文通 因此认为这类夹杂物的尺寸为2~4μ时最合适. 过实验研究发现，单一的理论难以解释所有的诱导 TA-Mm-O的诱导能力指数与其尺寸大小关系 现象，分析认为诱导现象的形成机理应该是多种因 很大，随着尺寸增大，诱导能力显著增加，明显高于 素综合作用的结果 其他类型的夹杂物，尺寸为4~6μ时诱导能力达到 根据实验的统计分析结果，所有的夹杂物都有 峰值.在本实验条件下，Ti-AHMn-OS复合夹杂物 诱导现象，即使不含任何的M口S等元素，这显然是 是诱导铁素体析出最有效的夹杂物，控制其尺寸为 贫M区理论所不能够解释的，但这可以从应力应 4~6μ四能够充分发挥其诱导晶内铁素体析出的 变理论进行解释，在夹杂物与钢基体间相邻区域中 作用. 存在着剪应力，促进了晶内铁素体析出.统计分析 得出TQ-A!Q-MrO-MnS类夹杂物具有最强 2.0r -MnS 的诱导能力，这不仅由于有应力、惰性界面能的作 1.6 -AL,D·MnS 用，还具有贫锰区的形成能力.综上所述，夹杂物诱 A10, 1.2 ￥TiN-MnS 导晶内铁素体析出应该是多种因素综合作用的 结果 0.4 +TiN 3.3夹杂物诱导铁素体析出的最佳尺寸 ◆Ti-Al-Mn-0-S 夹杂物诱导铁素体析出的最佳尺寸，不同研究 0-21 (2-41 46 (6-301 夹杂物尺寸m 者得出的结论不同，且存在较大的差距.本实验通 图13不同种类的夹杂物尺寸与其诱导能力指数关系 过对不同类型夹杂物的统计分析，得出了六类夹杂 Fgl3Reht知s of nc usins siz深pe and their induced abili
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 12 夹杂物诱导晶内铁素体析出的六种形式的比例 Fig.12 Proportionofsixformsofinclusion-inducedintra-granular ferrite 素体个数为 i的夹杂物的个数, Nb为 B类诱导的夹 杂物个数, Nc为 C类诱导的夹杂物个数, N为统计 的夹杂物总数. 按照上述的统计计算标准, 采用扫描电镜 ( SEM)统计分析夹杂物的尺寸、类型及对铁素体诱 导析出的情况, 统计了六炉组织完全为铁素体 +珠 光体的炉次和两炉含有部分粒状贝氏体组织炉次的 试样中夹杂物的诱导能力.统计分析结果如表 1所 示, 表中统计了六类夹杂物诱导铁素体析出的能力 指数 .由表可见, 所有的夹杂物均有诱导铁素体析 出的能力, 诱导析出的现象在试样中普遍存在, 并不 是只有某一种特定的夹杂物才具有这种现象.但 是, 不同类型夹杂物诱导铁素体析出的能力有明显 的差异, 其中, Ti2O3 --Al2 O3 --MnO--MnS类夹杂诱导 能力最强, Al2 O3 最弱 .冷却条件由炉冷变为空冷 时, 各类型夹杂物的诱导能力指数有所增加, 但这个 差异远没有夹杂物类型带来的差异大. 表 1 不同类型夹杂物诱导晶内铁素体析出能力指数 Table1 Abilityindexofdifferenttypesofinclusionsinducingintra-granularferrite 冷却方式 诱导能力指数 Al2O3 TiN--MnS Al2 O3 -MnS TiN MnS Ti2 O3 --Al2 O3 -MnO-MnS 炉冷 0.62 0.74 0.80 0.79 0.95 1.41 空冷 0.68 0.86 0.83 0.89 1.01 形成针状铁素体组织 3.2 夹杂物诱导铁素体析出机理探讨 夹杂物诱导铁素体析出的现象已由很多冶金工 作者研究和证实, 但是关于其诱导析出机理, 目前没 有统一的解释, 争议颇多.对夹杂物诱导铁素体现 象的解释有多种理论, 如应力 --应变理论 、贫 Mn区 理论、惰性界面理论和形核匹配理论 [ 14--15] .本文通 过实验研究发现, 单一的理论难以解释所有的诱导 现象, 分析认为诱导现象的形成机理应该是多种因 素综合作用的结果. 根据实验的统计分析结果, 所有的夹杂物都有 诱导现象, 即使不含任何的 Mn、S等元素, 这显然是 贫 Mn区理论所不能够解释的, 但这可以从应力 --应 变理论进行解释, 在夹杂物与钢基体间相邻区域中 存在着剪应力, 促进了晶内铁素体析出.统计分析 得出 Ti2 O3 --Al2 O3 --MnO--MnS类夹杂物具有最强 的诱导能力, 这不仅由于有应力 、惰性界面能的作 用, 还具有贫锰区的形成能力.综上所述, 夹杂物诱 导晶内铁素体析出应该是多种因素综合作用的 结果. 3.3 夹杂物诱导铁素体析出的最佳尺寸 夹杂物诱导铁素体析出的最佳尺寸, 不同研究 者得出的结论不同, 且存在较大的差距.本实验通 过对不同类型夹杂物的统计分析, 得出了六类夹杂 物尺寸与其诱导铁素体析出能力指数的关系, 如 图 13所示.由图可见, 对于 MnS、Al2 O3 、Al2O3·MnS、 TiN和 TiN·MnS夹杂, 随尺寸的增加, 诱导能力总体 上变化不大, 尺寸为 2 ～ 4 μm和大于 6μm时诱导能 力指数较大.由于夹杂物尺寸增大, 其危害性增加, 因此认为这类夹杂物的尺寸为 2 ～ 4 μm时最合适. Ti--Al--Mn--O--S的诱导能力指数与其尺寸大小关系 很大, 随着尺寸增大, 诱导能力显著增加, 明显高于 其他类型的夹杂物, 尺寸为4 ～ 6 μm时诱导能力达到 峰值 .在本实验条件下, Ti--Al--Mn--O--S复合夹杂物 是诱导铁素体析出最有效的夹杂物, 控制其尺寸为 4 ～ 6 μm, 能够充分发挥其诱导晶内铁素体析出的 作用 . 图 13 不同种类的夹杂物尺寸与其诱导能力指数关系 Fig.13 Relationsofinclusionssize, typeandtheirinducedability · 578·
第5期 杜松林等：N微合金钢中T脱氧夹杂物诱导晶内铁素体析出行为 579 3.4夹杂物诱导针状铁素体组织 图14（所示：另一种是在高C(质量分数为 由热态实验的试样显微组织统计分析结果得 0.028%)条件下，在大片珠光体上诱导析出铁素 出，有两种情况出现了看似针状铁素体组织：一是采 体，其形状类似于针状，如图14(b所示. 用T脱氧的水冷条件下，形成针状铁素体组织，如 10 um 10m 图14夹杂物诱导针状铁素体组织形貌.（西T脱氧：(C质量分数为0028% F 14 MoPhobges of ncusioninduced needke ferrite (a)Ti decilatiop (b hemass fractin of carban iso.28 3.5夹杂物诱导能力与铸态晶粒度关系 到明显细化 通过对试样进行统计分析，认为夹杂物诱导铁 1.2 素体析出能够细化组织晶粒.对试样中完全具有铁 104 素体十珠光体组织的炉次进行了晶粒度评级，图15 0.6 是夹杂物诱导能力指数和试样铸态晶粒度的关系. s0.4 由图可见，随着诱导能力指数Z的增大，试样的晶 02 粒度评级随之增大，铸态组织得到细化. 4 6 10 品粒度级别 图16是不同夹杂物诱导能力下的铸态组织特 图15夹杂物诱导能力指数与晶粒度评级的关系 征.由图可见，夹杂物诱导指数大的炉次，铸态组织 Fg 15 Relations of the index of inducing abilit and the gmde of 中会出现较大数量的细小铁素体晶粒，组织晶粒得 grain size 50 gm 50m 图16不同夹杂物诱导能力下的显微组织.（两夹杂物诱导能力指数06（夹杂物诱导能力指数13 Fig 16 Micostucuresof incuson induced ntragmnuar ferrteatdiferentinduc ingabilities the indexof induc ingability 06(b then dex of induc ing ability is 1.3 要氧的质量分数控制在7.5×10以上，就能有效 4结论 抑制T析出. (1)热力学计算表明，对于T脱氧钢中形成的 (2)钢中夹杂物统计分析发现，夹杂物大部分 主要夹杂物TQ,控制TVA火于12有利于形成 都处于铁素体或铁素体边界上，诱导能力强的夹杂 细小的TQ类夹杂，能够抑制A)Q夹杂形成：控 物不会出现在珠光体中.实验中对1000个T氧化 制钢中合适的O/N能促进TQ形成而抑制TN 物夹杂物的统计结果表明，其全部处于铁素体或其 析出，在1873时，N的质量分数为200×106，只 边界上
第 5期 杜松林等 :VN微合金钢中 Ti脱氧夹杂物诱导晶内铁素体析出行为 3.4 夹杂物诱导针状铁素体组织 由热态实验的试样显微组织统计分析结果得 出, 有两种情况出现了看似针状铁素体组织:一是采 用 Ti脱氧的水冷条件下, 形成针状铁素体组织, 如 图 14 ( a) 所示 ;另 一种是 在高 C( 质量分 数为 0.028%)条件下, 在大片珠光体上诱导析出铁素 体, 其形状类似于针状, 如图 14( b)所示. 图 14 夹杂物诱导针状铁素体组织形貌.(a) Ti脱氧;( b) C质量分数为 0.028% Fig.14 Morphologiesofinclusion-inducedneedle-ferrite:(a) Tideoxidation;( b) themassfractionofcarbonis0.028% 3.5 夹杂物诱导能力与铸态晶粒度关系 通过对试样进行统计分析, 认为夹杂物诱导铁 素体析出能够细化组织晶粒 .对试样中完全具有铁 素体 +珠光体组织的炉次进行了晶粒度评级, 图 15 是夹杂物诱导能力指数和试样铸态晶粒度的关系 . 由图可见, 随着诱导能力指数 Z的增大, 试样的晶 粒度评级随之增大, 铸态组织得到细化. 图 16是不同夹杂物诱导能力下的铸态组织特 征 .由图可见, 夹杂物诱导指数大的炉次, 铸态组织 中会出现较大数量的细小铁素体晶粒, 组织晶粒得 到明显细化. 图 15 夹杂物诱导能力指数与晶粒度评级的关系 Fig.15 Relationsoftheindexofinducingabilityandthegradeof grainsize 图 16 不同夹杂物诱导能力下的显微组织.(a) 夹杂物诱导能力指数 0.6;( b) 夹杂物诱导能力指数 1.3 Fig.16 Microstructuresofinclusion-inducedintragranularferriteatdifferentinducingabilities:( a) theindexofinducingabilityis0.6;( b) theindexofinducingabilityis1.3 4 结论 ( 1) 热力学计算表明, 对于 Ti脱氧钢中形成的 主要夹杂物 Ti2 O3, 控制 Ti/Al大于 12, 有利于形成 细小的 Ti2 O3 类夹杂, 能够抑制 Al2 O3 夹杂形成 ;控 制钢中合适的 O/N, 能促进 Ti2 O3 形成而抑制 TiN 析出, 在 1 873 K时, N的质量分数为 200 ×10 -6 , 只 要氧的质量分数控制在 7.5 ×10 -6以上, 就能有效 抑制 TiN析出 . ( 2) 钢中夹杂物统计分析发现, 夹杂物大部分 都处于铁素体或铁素体边界上, 诱导能力强的夹杂 物不会出现在珠光体中 .实验中对 1 000个 Ti氧化 物夹杂物的统计结果表明, 其全部处于铁素体或其 边界上. · 579·
。580 北京科技大学学报 第32卷 (3)不同类型夹杂物诱导铁素体析出的能力有 2001.492115 明显的差距，诱导铁素体析出能力指数为062~ [7 Byun J$Shm JH 9h JY et al Inoculaed acicular ferrite m icrostructure andm echanical Poperties Ma ter SciEngA 2001 1.41其中TQ-Ay9-MO-MS类夹杂诱导能 319321:326 力最强，AQ最弱. 8]Shmn JH CHoY W Chung SH Nuckeation of intra granulr fer (4)夹杂物尺寸对夹杂物诱导晶内铁素体诱导 rite at TiO panicle i bw carban stee]Acm Mater 1999 47 析出能力有一定影响.对于MSAQ、 (9):2751 A!O·MnS TN TN MnS夹杂，诱导铁素体析出最 [9 Byun J$Shi JH ChoYW.et al Naumetallic ncluson and intragranular nucleation of femise n Tikilled CMn steel Acta 佳尺寸为2~4u四对于Ti-A-Mn-OS复合夹杂 Maer2003511593 物，其尺寸对诱导能力影响很大，诱导铁素体析出最 [10 ShangD I,LvCE Prec Pitation behavior of nc usins induced 佳尺寸为4~64四 om ation nucleaton of n tragranu lr ferrite inm icroa lkyed steel (5)夹杂物诱导铁素体析出能力与铸态组织晶 JUniv Sci Technol Beijing 2008 30(8):864 粒度评级呈正相关，夹杂物诱导能力越强，基体铸态 (尚德礼，吕春分.微合金钢中夹杂物诱导品内铁素体析出 行为.北京科技大学学报，200830(8)：864 组织越细化. [11]Ishkawa F TakahashiT OchiT Inta granular ferrite nuclea tion in medim catbon vanadim stee ls Meta ll Ma ter Trans A 参考文献 199425929 【刂Ger®JM BhadeshaH KDH SoliSt e nucleation ofaciculr 【l)Madariagn】Gutierez】Role of the partic kmatrix iterface an ferrite an mnenls added to molten steel Acm Mater 1997 45 the nuc keatin of acicular femite n amedium carbonm ic oa lbyed (2):739 steel Acm Mater 1999 47(3):951 【2】Zhang HatoriN EnonopM et al Femite nuc kation at ce [13 LiZ J Yu SE LeiY et al Effectof beneficial incjusins in rmic/austenite interfaces ISIJ Int 1996 36(10):1301 CGHAZofox desmeta lurgy skeel TransChinaWel Inst 2007 [3 Lee JI.Evakatin of he nuc kea tion porential of intragmnular ac 28(6:57 culr ferrite in steelwekments AcmMater 1994 42(10):3291 (李占杰，余圣甫，雷毅，等.氧化物治金钢CGHA仲有益夹 [4 Enonop M Nuckeation of phase tmansomations at intmgmanukr 杂物的作用.焊接学报，2007,28(6：57) nclusions in stel MetMater nt 1998 4(2):115 [14 YangY YangZB W ag FM etal Effectofinc uson an for [5]RiksRA Howell PR BarritteGS The nauure of aciculr fer mation of acicular ferrise n Tibearing no quenched and tem rite inHSA steelwel mels JMater So 1982 17(3):732 Pered stee ls Iron Stee 2005 40(SuPP):244 [6 Shm JH Oh Y J Suh JY et a]Ferrite nucleation porncy of [15 HaheriK FA Particle stmulated nucleatin of errite in heavy nonmetallic incusins i medim carbon steel Acta Mater stee l section SIJ Int 2006 46(8):1233
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 ( 3) 不同类型夹杂物诱导铁素体析出的能力有 明显的差距, 诱导铁素体析出能力指数为 0.62 ～ 1.41, 其中 Ti2O3 --Al2 O3 --MnO--MnS类夹杂诱导能 力最强, Al2 O3 最弱. ( 4) 夹杂物尺寸对夹杂物诱导晶内铁素体诱导 析 出 能 力 有 一 定 影 响.对 于 MnS、 Al2 O3 、 Al2O3·MnS、TiN、TiN·MnS夹杂, 诱导铁素体析出最 佳尺寸为 2 ～ 4 μm, 对于 Ti--Al--Mn--O--S复合夹杂 物, 其尺寸对诱导能力影响很大, 诱导铁素体析出最 佳尺寸为 4 ～ 6μm. ( 5) 夹杂物诱导铁素体析出能力与铸态组织晶 粒度评级呈正相关, 夹杂物诱导能力越强, 基体铸态 组织越细化 . 参 考 文 献 [ 1] GerggJM, BhadeshiaHKDH.Solid-Statenucleationofacicular ferriteonmineralsaddedtomoltensteel.ActaMater, 1997, 45 ( 2) :739 [ 2] ZhangS, HattoriN, EnomotoM, etal.Ferritenucleationatceramic/austeniteinterfaces.ISIJInt, 1996, 36 ( 10) :1301 [ 3] LeeJL.Evaluationofthenucleationpotentialofintragranularacicularferriteinsteelweldments.ActaMater, 1994, 42 ( 10 ):3291 [ 4] EnomotoM.Nucleationofphasetransformationsatintragranular inclusionsinsteel.MetMaterInt, 1998, 4( 2 ):115 [ 5] RicksRA, HowellPR, BarritteGS.ThenatureofacicularferriteinHSLAsteelweldmetals.JMaterSci, 1982, 17( 3 ):732 [ 6] ShimJH, OhYJ, SuhJY, etal.Ferritenucleationpotencyof non-metallicinclusionsinmedium carbonsteel.ActaMater, 2001, 49:2115 [ 7] ByunJS, ShimJH, SuhJY, etal.Inoculatedacicularferrite microstructureandmechanicalproperties.MaterSciEngA, 2001, 319 /321:326 [ 8] ShimJH, ChoYW, ChungSH.Nucleationofintra-granularferriteatTi2O3 particleinlowcarbonsteel.ActaMater, 1999, 47 ( 9 ) :2751 [ 9] ByunJS, ShimJH, ChoYW, etal.Non-metallicinclusionand intra-granularnucleationofferriteinTi-killedC-Mnsteel.Acta Mater, 2003, 51:1593 [ 10] ShangDL, LvCF.Precipitationbehaviorofinclusions-induced formationnucleationofintragranularferriteinmicro-alloyedsteel. JUnivSciTechnolBeijing, 2008, 30( 8) :864 (尚德礼, 吕春分.微合金钢中夹杂物诱导晶内铁素体析出 行为.北京科技大学学报, 2008, 30( 8) :864) [ 11] IshikawaF, TakahashiT, OchiT.Intra-granularferritenucleationinmedium-carbonvanadiumsteels.MetallMaterTransA, 1994, 25:929 [ 12] MadariagaI, GutierrezI.Roleoftheparticle-matrixinterfaceon thenucleationofacicularferriteinamediumcarbonmicroalloyed steel.ActaMater, 1999, 47( 3) :951 [ 13] LiZJ, YuSF, LeiY, etal.Effectsofbeneficialinclusionsin CGHAZofoxidesmetallurgysteel.TransChinaWeldInst, 2007, 28 ( 6) :57 (李占杰, 余圣甫, 雷毅, 等.氧化物冶金钢 CGHAZ中有益夹 杂物的作用.焊接学报, 2007, 28( 6 ):57 ) [ 14] YangY, YangZB, WangFM, etal.EffectofinclusiononformationofacicularferriteinTi-bearingnon-quenchedandtemperedsteels.IronSteel, 2005, 40 (Suppl) :244 [ 15] HaheriKFA.Particle-stimulatednucleationofferriteinheavy steelsection.ISIJInt, 2006, 46 ( 8) :1233 · 580·
