微合金钢中夹杂物诱导晶内铁素体析出行为.pdf_大学文库

D0I:10.13374/1.issm100I103.2008.08.02I 第30卷第8期北京科技大学学报 Vol.30 No.8 2008年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2008 微合金钢中夹杂物诱导晶内铁素体析出行为尚德礼吕春风鞍钢股份有限公司技术中心，鞍山114009 摘要通过热力学计算及实验，研究了微合金钢加钛脱氧后钢液中夹杂物的形态、组成、尺寸和类型，分析了加钛前后钢的组织变化·结果表明：加钛后，钢的组织明显细化，钛的脱氧产物可成为TN夹杂的形核核心，还可以包覆在A2O3夹杂周围，此类夹杂物呈细小弥散析出：这些细小的夹杂物可以在奥氏体晶粒内部诱发晶内铁素体析出，从而产生细化组织的效果· 关键词微合金钢：氧化物冶金；夹杂物：晶内铁素体分类号TF703.5:TF762+.3 Precipitation behavior of inclusions-induced formation nucleation of intragranular ferrite in micro-alloyed steel SHANG Deli,LV Chunfeng Technical Center,Angang Steel Co.Ltd..Anshan 114009,China ABSTRACT The morphology.chemical composition.size and type of inclusions were investigated by experiment and thermodynam- ic calculation in a micro-alloyed steel deoxidized by Ti.and the structure of this steel was analyzed.The results show that grains are fine after adding Ti in the steel.the deoxidation product of Ti become the nucleus of TiN,or Al203 becomes the nucleus of the deoxi- dation product of Ti in solidification of liquid steel.After adding Ti,inclusions are finely distributed in the steel,and grains are fine by using the dispersion of fine inclusions as intragranular ferrite nucleated sites. KEY WORDS micro-alloyed steel:oxide metallurgy:inclusions:intragranular ferrite 1990年日本冶金界学者借鉴焊缝中氧化物夹质点可.在含Ti的钢中，常常以T的氧化物为核杂的作用提出了“氧化物冶金”技术思想山；即通过心形成取向杂乱，相互交叉连接的铁素体板条，称为在钢中形成超细的（颗粒直径<3）均匀分布的针状铁素体(acicular ferrite,AF)又称为晶内铁素成分可控的高熔点氧化物夹杂，以改变钢的组织和体，特别是在焊接热影响区(hot affect zone)中，这种晶粒度，使钢材具有良好的韧性、较高的强度及优针状铁素体组织能够提供高强度和高韧性相结合的良的可焊性，使钢中的夹杂物变害为利的技术，这细化组织7]. 一技术开创了一条提高钢材质量的新途径针状铁素体是一种热力学非平衡组织，是中温在已研究的Ti、AI和Zx等元素形成的氧化物转变产物，在高倍显微镜下它是一种非常细小而又中，Ti氧化物被认为可诱导晶内铁素体形核，因此 0 互相交织的板条状组织物，板条之间相互连锁，分布这些氧化钛颗粒能起到细化晶粒、提高钢材强韧性在原奥氏体晶粒内·针状铁素体板条轴比为3：1或的有益作用].一些学者通过实验证明了在各种 5:1,板条间为大角度晶界，惯习面为与[100]、[110] Ti氧化物如Ti0、Ti02、Ti203和Ti305中，Ti203是和[331]相关的晶面，一方面晶内铁素体能使钢的促进晶内铁素体形核最有效的非均质形核的氧化物晶粒细小化，另一方面晶内铁素体板条之间为大角收稿日期：2007-07-18修回日期.2007-12-05 作者简介：尚德礼(1973-)男，工程师，硕士，E-mail:sh-hero@163.com

微合金钢中夹杂物诱导晶内铁素体析出行为尚德礼吕春风鞍钢股份有限公司技术中心鞍山114009 摘要通过热力学计算及实验研究了微合金钢加钛脱氧后钢液中夹杂物的形态、组成、尺寸和类型分析了加钛前后钢的组织变化．结果表明：加钛后钢的组织明显细化钛的脱氧产物可成为 TiN 夹杂的形核核心还可以包覆在 Al2O3 夹杂周围此类夹杂物呈细小弥散析出；这些细小的夹杂物可以在奥氏体晶粒内部诱发晶内铁素体析出从而产生细化组织的效果．关键词微合金钢；氧化物冶金；夹杂物；晶内铁素体分类号 TF703∙5；TF762＋∙3 Precipitation behavior of inclusions-induced formation nucleation of intragranular ferrite in micro-alloyed steel SHA NG DeliLV Chunfeng Technical CenterAngang Steel Co．Ltd．Anshan114009China ABSTRACT T he morphologychemical compositionsize and type of inclusions were investigated by experiment and thermodynamic calculation in a micro-alloyed steel deoxidized by Tiand the structure of this steel was analyzed．T he results show that grains are fine after adding Ti in the steelthe deoxidation product of Ti become the nucleus of TiNor Al2O3becomes the nucleus of the deoxidation product of Ti in solidification of liquid steel．After adding Tiinclusions are finely distributed in the steeland grains are fine by using the dispersion of fine inclusions as intragranular ferrite nucleated sites． KEY WORDS micro-alloyed steel；oxide metallurgy；inclusions；intragranular ferrite 收稿日期：2007-07-18 修回日期：2007-12-05 作者简介：尚德礼（1973—）男工程师硕士E-mail：sh—hero＠163．com 1990年日本冶金界学者借鉴焊缝中氧化物夹杂的作用提出了“氧化物冶金”技术思想［1］；即通过在钢中形成超细的（颗粒直径＜3μm）均匀分布的成分可控的高熔点氧化物夹杂以改变钢的组织和晶粒度使钢材具有良好的韧性、较高的强度及优良的可焊性使钢中的夹杂物变害为利的技术．这一技术开创了一条提高钢材质量的新途径．在已研究的 Ti、Al 和 Zr 等元素形成的氧化物中Ti 氧化物被认为可诱导晶内铁素体形核因此这些氧化钛颗粒能起到细化晶粒、提高钢材强韧性的有益作用［1—3］．一些学者通过实验证明了在各种 Ti 氧化物如 TiO、TiO2、Ti2O3 和 Ti3O5 中Ti2O3 是促进晶内铁素体形核最有效的非均质形核的氧化物质点［4—6］．在含 Ti 的钢中常常以 Ti 的氧化物为核心形成取向杂乱相互交叉连接的铁素体板条称为针状铁素体（acicular ferriteAF）又称为晶内铁素体特别是在焊接热影响区（hot affect zone）中这种针状铁素体组织能够提供高强度和高韧性相结合的细化组织［7—8］．针状铁素体是一种热力学非平衡组织是中温转变产物在高倍显微镜下它是一种非常细小而又互相交织的板条状组织物板条之间相互连锁分布在原奥氏体晶粒内．针状铁素体板条轴比为3∶1或 5∶1板条间为大角度晶界惯习面为与［100］、［110］和［331］相关的晶面．一方面晶内铁素体能使钢的晶粒细小化另一方面晶内铁素体板条之间为大角第30卷第8期 2008年 8月北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．8 Aug．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．08．021

第8期尚德礼等：微合金钢中夹杂物诱导晶内铁素体析出行为 865. 度晶界，板条内的微裂纹解理跨越晶内铁素体时要发生偏转、扩展需消耗很高的能量.因此，针状铁素 1实验体具有很高的强度和韧性[910]. 1.1实验原料及设备目前关于晶内铁素体形核、长大机理的研究报 (1)MoSi2高温炉（具有氩气保护装置），刚玉道主要有应力应变能机理、最小错配度机理、局部坩埚(45mm×100mm),石墨坩埚(55mm× 成分变化机理和惰性界面能机理几种[3]，尽管 85mm),石英管(7mm)取样器等. 对夹杂物促进针状铁素体形成的机制存在多种解 (2)实验材料：待熔炼钢锭、脱氧合金和氩气释，但各机理之间还存在相互矛盾之处，目前对其作等用机理还不甚清楚，因此，本文针对微合金钢，通过 1.2实验钢种的目标成分钢中加钛脱氧，研究脱氧产物的析出行为和影响因按照16Mn类微合金钢的成分特点，设计了如素以及脱氧产物对钢组织的影响，为微合金钢中钛下的目标成分，见表1. 氧化物治金应用提供依据，表1微合金钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of the microalloyed steel % C Si Mn P Nb Ti 0 N 0.16 0.30 1.50 ≤0.015 ≤0.010 0.04 0.020 0.0020≤0.0050≤0.0044 1.3实验流程 2[Ti]+3[0]=(Ti203) (1) 为防止刚玉坩埚破裂污染炉管，实验前先把石墨坩埚放入炉内，然后将刚玉坩埚放入石墨坩埚内 am,@=56060-18.08[151 g 23 (2) aTiao T 将待熔化钢料放入刚玉坩埚后，升温至600℃，打开其中，a为活度，氩气瓶阀门，由炉底通入高纯氩气进行保护，以防钢然而，在钛脱氧钢中，尽管脱氧时没有加铝，但料被氧化，控制流量为1Lmin.升温至1600℃ 由于脱氧合金和耐火材料等都含铝，使得钢液中必时，改成自动恒温控制，此时炉料已经完全熔化，加然存在一定量的铝，铝是强脱氧元素，比钛更容易入脱氧合金(Si、Mn和Nb等)，稍加搅拌，用石英管与氧结合，因此不可避免的发生铝和氧的反应，取样，120s后加入Ti合金进行终脱氧，300s后用 2[A1]+3[0]=(Al203) (3) 石英管取样，取完试样后断电，停炉，继续通氩气，待炉温冷至1200℃时，取出坩埚空冷，得终样. a,0_64000-20.57] g 2 3 T (4) 将上述试样加工、清洗、打磨，抛光制成金相样， dAl do 用金相显微镜结合图像分析仪测定试样中的夹杂物如果钢中0[o为0.004%，ar,0,=1,am:= 颗粒尺寸及分布，用配有能谱仪的扫描电子显微镜 0.004,aL,0=1,a=0.004,钢液温度为1873K, (SEM)对夹杂物进行成分分析并观察形貌，运用化那么钢液中Ti和A!的活度与反应吉布斯能学分析方法测定原始料和试样中常规元素(C、Si、 △Gri,0,和△GAL,0,的关系式分别为： Mn、P、S、Nb、Ti、Al、O和N)的含量 △Gmi,0,=-167003-71724.6621gam: (5) 2钢液成分与夹杂物关系的热力学分析 △GA,0,=-229733-71724.6621ga1 (6) 通常在钢液凝固开始前，溶质元素达到平衡活根据函数关系式(5)和(6)可得到如图1所示的度，凝固开始后，由于溶质元素在固、液相溶解度的两条曲线，差异，使得凝固前沿富集了溶质元素，此时溶质元素结果表明，在相同的Ti、Al含量条件（假设为稀之间在温度与浓度条件具备的情况下迅速发生化学溶液，活度=浓度)下，T203的反应吉布斯能总是反应而形成非金属夹杂物，现已证实钛脱氧钢在凝大于A12O3的反应吉布斯能，所以钢液中优先析出固过程中只要钢液中氧质量分数0[O,大于的产物应为Al203,为了使钢中能够析出Ti203,必 0.0005%,在液相中生成的钛氧化物为Tiz0314. 须提高钢液中Ti含量，同时降低钢液中A!含量，因此本实验条件下生成的钛氧化物认为是Ti203, 假设△GT,0,=△G,0,可以计算出使钢中优先析反应及其热力学方程式分别为：出TizO3时Ti和A的最小临界值(a:/au)比为

度晶界板条内的微裂纹解理跨越晶内铁素体时要发生偏转、扩展需消耗很高的能量．因此针状铁素体具有很高的强度和韧性［9—10］．目前关于晶内铁素体形核、长大机理的研究报道主要有应力—应变能机理、最小错配度机理、局部成分变化机理和惰性界面能机理几种［11—13］．尽管对夹杂物促进针状铁素体形成的机制存在多种解释但各机理之间还存在相互矛盾之处目前对其作用机理还不甚清楚．因此本文针对微合金钢通过钢中加钛脱氧研究脱氧产物的析出行为和影响因素以及脱氧产物对钢组织的影响为微合金钢中钛氧化物冶金应用提供依据． 1 实验 1∙1 实验原料及设备（1） MoSi2 高温炉（具有氩气保护装置）刚玉坩埚（●45mm ×100mm ）石墨坩埚（●55mm× 85mm）石英管（●7mm）取样器等．（2）实验材料：待熔炼钢锭、脱氧合金和氩气等． 1∙2 实验钢种的目标成分按照16Mn 类微合金钢的成分特点设计了如下的目标成分见表1．表1 微合金钢的化学成分（质量分数） Table1 Chemical composition of the micro-alloyed steel ％ C Si Mn P S Nb Ti Al O N 0∙16 0∙30 1∙50 ≤0∙015 ≤0∙010 0∙04 0∙020 0∙0020 ≤0∙0050 ≤0∙0044 1∙3 实验流程为防止刚玉坩埚破裂污染炉管实验前先把石墨坩埚放入炉内然后将刚玉坩埚放入石墨坩埚内．将待熔化钢料放入刚玉坩埚后升温至600℃打开氩气瓶阀门由炉底通入高纯氩气进行保护以防钢料被氧化控制流量为1L·min —1．升温至1600℃ 时改成自动恒温控制．此时炉料已经完全熔化加入脱氧合金（Si、Mn 和 Nb 等）稍加搅拌用石英管取样．120s 后加入 Ti 合金进行终脱氧300s 后用石英管取样．取完试样后断电停炉继续通氩气．待炉温冷至1200℃时取出坩埚空冷得终样．将上述试样加工、清洗、打磨抛光制成金相样用金相显微镜结合图像分析仪测定试样中的夹杂物颗粒尺寸及分布用配有能谱仪的扫描电子显微镜（SEM）对夹杂物进行成分分析并观察形貌运用化学分析方法测定原始料和试样中常规元素（C、Si、 Mn、P、S、Nb、Ti 、Al、O 和 N）的含量． 2 钢液成分与夹杂物关系的热力学分析通常在钢液凝固开始前溶质元素达到平衡活度凝固开始后由于溶质元素在固、液相溶解度的差异使得凝固前沿富集了溶质元素此时溶质元素之间在温度与浓度条件具备的情况下迅速发生化学反应而形成非金属夹杂物．现已证实钛脱氧钢在凝固过程中只要钢液中氧质量分数 w ［O］大于 0∙0005％在液相中生成的钛氧化物为 Ti2O3 ［14］．因此本实验条件下生成的钛氧化物认为是 Ti2O3 反应及其热力学方程式分别为： 2［Ti］＋3［O］（Ti2O3）（1） lg aTi2 O3 a 2 Ti a 3 O ＝ 56060 T —18∙08［15］（2）其中a 为活度．然而在钛脱氧钢中尽管脱氧时没有加铝但由于脱氧合金和耐火材料等都含铝使得钢液中必然存在一定量的铝．铝是强脱氧元素比钛更容易与氧结合因此不可避免的发生铝和氧的反应 2［Al］＋3［O］（Al2O3）（3） lg aAl2 O3 a 2 Al a 3 O ＝ 64000 T —20∙57［15］（4）如果钢中 w ［O］为 0∙004％aTi2 O3 ＝1aTi ＝ 0∙004aAl2 O3＝1aAl＝0∙004钢液温度为1873K 那么钢液中 Ti 和 Al 的活度与反应吉布斯能 ΔGTi2 O3和ΔGAl2 O3的关系式分别为： ΔGTi2 O3＝—167003—71724∙662lg aTi （5） ΔGAl2 O3＝—229733—71724∙662lg aAl （6）根据函数关系式（5）和（6）可得到如图1所示的两条曲线．结果表明在相同的 Ti、Al 含量条件（假设为稀溶液活度＝浓度）下Ti2O3 的反应吉布斯能总是大于 Al2O3 的反应吉布斯能所以钢液中优先析出的产物应为 Al2O3．为了使钢中能够析出 Ti2O3必须提高钢液中 Ti 含量同时降低钢液中 Al 含量．假设 ΔGTi2 O3＝ΔGAl2 O3可以计算出使钢中优先析出 Ti2O3 时 Ti 和 Al 的最小临界值（ aT／i aAl）比为第8期尚德礼等：微合金钢中夹杂物诱导晶内铁素体析出行为 ·865·

,866 北京科技大学学报第30卷 100 50 -50 -100 150 2T门+3[0]-(Ti,0) -200 2[A]+3[O]=(Al,0,) -250 2 um -300 0.1 0.20.30.40.5 an,a 图2钛处理前硅酸盐夹杂物形貌(SEM) Fig-2 Morphology of silicate inclusions before adding Ti 图11873K时铝，钛含量与自由能的关系 Fig.1 Relations between the free energy of reaction and the con- 2000 tents of Al and Ti at 1873K 1600-0 Mn 7.50.当ar/a41大于7.50时，钢液中可形成 1200 Ti203:当a:/au小于7.50时，钢液中可形成 800 Al203,因此为了使钢液中能够生成大量的Ti203, 400 必须保证钢液中ar:/au大于7.50.在本实验条件 Ca 下，ar:/au的比值大于7.50，因此能保证钢液中生 3 45 6 10 成大量的T203并诱导针状铁素体的析出，由于在 E/keV 冶金生产过程中，绝对的钢液与夹杂物之间的平衡图3钛处理前硅酸盐夹杂物成分是很难达到的，因此尽管根据热力学计算可证明 Fig.3 Composition of silicate inclusions before adding Ti ar/au大于7.50时，钢液中析出的氧化物应为 Ti、Al的成分，另外还含有少量的Mn、Si和S等成 Ti203,但实际钢液中还是会有少量的Al203析出分，最显著的变化是在Ti、A1复合夹杂物的周围呈钢液中少量的Al203析出究竟会不会对T203的冶放射状或部分放射状的针状体素体组织，这种以金效果造成影响，也是本次实验要考察的任务之一， Ti、A1夹杂物为核心呈放射状分布的铁素体组织一 3实验结果与分析般都在原奥氏体晶粒内部，由于针状体素体的析出，将奥氏体晶粒细化，并且消除了结晶取向，经能谱对钛处理前后用石英管吸取的试样，进行磨抛、分析，发现该类夹杂物的核心部分主要有0和A1 腐蚀后，利用扫描电镜(SEM)与能谱仪(EDS),对试两种元素，而这种夹杂物的边缘部分主要有0和T 样中的夹杂物进行形貌和组成分析，两种元素，由热力学分析可知这种夹杂物的核心为 3.1钛处理前夹杂物成分与组织关系 A1203,周围附着的物质是Ti203,其形貌及成分见钛处理前，钢中夹杂物基本为锰的硅酸盐，大多图4和图5.图4中黑色的核心为Al203,周围浅灰数呈球状，这类夹杂物的粒径较大，部分夹杂物的粒色的为Ti203 径已大于5m,夹杂物的形貌及成分见图2和图3，另外还有少数的硫化锰夹杂和少量的单个氧化铝夹杂.在研究过程中，没发现上述这些夹杂物具有诱导针状铁素体在其周围生长的能力，夹杂物周围的组织基本没有变化， 3,2钛处理后夹杂物成分与组织关系 3.2.1Ti、A复合夹杂物与组织关系利用扫描电镜(SEM)与能谱仪(EDS),对 24m 1600℃时所取的石英管试样中夹杂物进行形貌和组成分析，从分析结果中可以看出，钛处理后，夹杂图4钛处理后复合氧化物的形貌(SEM) Fig-4 Morphology of complex oxide after adding Ti 物和组织均发生了明显的变化，夹杂物几乎都含有

图1 1873K 时铝、钛含量与自由能的关系 Fig．1 Relations between the free energy of reaction and the contents of Al and Ti at 1873K 7∙50．当 aT／i aAl 大于 7∙50 时钢液中可形成 Ti2O3；当 aT／i aAl 小于 7∙50 时钢液中可形成 Al2O3．因此为了使钢液中能够生成大量的 Ti2O3 必须保证钢液中 aT／i aAl大于7∙50．在本实验条件下aT／i aAl的比值大于7∙50因此能保证钢液中生成大量的 Ti2O3 并诱导针状铁素体的析出．由于在冶金生产过程中绝对的钢液与夹杂物之间的平衡是很难达到的因此尽管根据热力学计算可证明 aT／i aAl 大于7∙50时钢液中析出的氧化物应为 Ti2O3但实际钢液中还是会有少量的 Al2O3 析出．钢液中少量的 Al2O3 析出究竟会不会对 Ti2O3 的冶金效果造成影响也是本次实验要考察的任务之一． 3 实验结果与分析对钛处理前后用石英管吸取的试样进行磨抛、腐蚀后利用扫描电镜（SEM）与能谱仪（EDS）对试样中的夹杂物进行形貌和组成分析． 3∙1 钛处理前夹杂物成分与组织关系钛处理前钢中夹杂物基本为锰的硅酸盐大多数呈球状这类夹杂物的粒径较大部分夹杂物的粒径已大于5μm夹杂物的形貌及成分见图2和图3 另外还有少数的硫化锰夹杂和少量的单个氧化铝夹杂．在研究过程中没发现上述这些夹杂物具有诱导针状铁素体在其周围生长的能力夹杂物周围的组织基本没有变化． 3∙2 钛处理后夹杂物成分与组织关系 3∙2∙1 Ti、Al 复合夹杂物与组织关系利用扫描电镜（SEM ）与能谱仪（EDS ）对 1600℃时所取的石英管试样中夹杂物进行形貌和组成分析．从分析结果中可以看出钛处理后夹杂物和组织均发生了明显的变化夹杂物几乎都含有图2 钛处理前硅酸盐夹杂物形貌（SEM） Fig．2 Morphology of silicate inclusions before adding Ti 图3 钛处理前硅酸盐夹杂物成分 Fig．3 Composition of silicate inclusions before adding Ti Ti、Al 的成分另外还含有少量的 Mn、Si 和 S 等成分．最显著的变化是在 Ti、Al 复合夹杂物的周围呈放射状或部分放射状的针状体素体组织这种以 Ti、Al 夹杂物为核心呈放射状分布的铁素体组织一般都在原奥氏体晶粒内部由于针状体素体的析出将奥氏体晶粒细化并且消除了结晶取向．经能谱分析发现该类夹杂物的核心部分主要有 O 和 Al 两种元素而这种夹杂物的边缘部分主要有 O 和 Ti 两种元素．由热力学分析可知这种夹杂物的核心为 Al2O3周围附着的物质是 Ti2O3其形貌及成分见图4和图5．图4中黑色的核心为 Al2O3周围浅灰色的为 Ti2O3．图4 钛处理后复合氧化物的形貌（SEM） Fig．4 Morphology of complex oxide after adding Ti ·866· 北京科技大学学报第30卷

第8期尚德礼等：微合金钢中夹杂物诱导晶内铁素体析出行为 .867. 379 (a)AI 275m (b) 303 220 Al 227 165 151 《光光)有票 10 0 0 5 55 Fe 0 345678910 01 2345678910 E/keV E/keV 图5图4中A点(a)和B点(b)的成分 Fig.5 Compositions at Points A (a)and B (b)in Fig.4 3.2.2Ti、A1和N复合夹杂物与组织关系经扫描电镜分析，钢基体中除了上述类型夹杂物外，还有另一类夹杂物，它们也可以诱导针状铁素体在其周围析出，起到细化奥氏体晶粒的作用.该类夹杂物的显著特点是以A1203和Ti203夹杂物为核心，在其周围分布着不连续状TN夹杂物，即 TN夹杂并没有将氧化物全部包围，其形貌及成分见图6和图7.图6中黑色的核心为Al203与Ti203 1 um 的复合夹杂物，周围浅颜色部分为TN.在夹杂物周围呈半放射状分布的为针状体素体组织，图6钛处理后Ti、AI、N复合夹杂物形貌(SEM) Fig-6 Morphology of Ti.Al,N complex inclusion after adding Ti 1300 1000 (a) (b)Al 1000 800 800 500 《牛)我瓶 600 400 0 300 NO 200 Fe 4 56 910 4 5 8910 E/keV E/keV 图7图6中A点(a)和B点(b)的成分 Fig.7 Compositions at Points A (a)and B (b)in Fig.6 3.3夹杂物粒径分析 60 将熔炼得到的试样抛光后制成金相样，用金相图钛处理前 50 48.1 窗钛处理后显微镜结合图像分析软件测定试样中的夹杂物颗粒尺寸及分布，结果见图8所示 0 从分布图可以看出：在钛处理前，钢中夹杂物粒 30128.6 31.6 26.3 径较大，大于2.5m的夹杂物占10.4%，小于 20.9 1.0m的夹杂物仅占28.6%；在钛处理后，大于 13.6 13.8 104 2.5m的夹杂物仅占2.4%，小于1.0m夹杂物的 24 数量明显增多，占夹杂物总数48.1%，研究中还发 2.5 现，钛处理后，在凝固过程有利于针状铁素体形成的夹杂物粒径μm 夹杂物颗粒一般小于2“m·由此可见，通过加钛处图8钛处理前后夹杂物粒径分布理能够细化钢中的夹杂物尺寸，而这些大量弥散分 Fig-8 Size distribution of inclusions before and after adding Ti

第8期尚德礼等：微合金钢中夹杂物诱导晶内铁素体析出行为 .869. 钛处理前与钛处理后所表现的这种差异，主要 and Steel Congress.Nagoya.1990:612 是钛处理前，钢中发生的奥氏体向铁素体转变时，虽 [3]Mizoguehi S,Takamura J I.Control of oxides as inoculants/ Proceedings of the Sixth International Iron and Steel Congress. 然晶内铁素体的形核温度稍高，但晶界更容易形成 Nagoya,1990:598 魏德曼铁素体（魏氏组织），这种铁素体组织会恶化 [4]Byun JS,Shim J H.Cho Y W.Non metallic inclusion and intra- 钢的性能.钛处理后由于Ti203可诱发针状铁素体 granular nucleation of ferrite in Ti-killed C-Mn steel.Acta 的转变，使奥氏体优先完成向针状铁素体转变，避免 Mater,2003,51:1593 了沿晶形成魏德曼铁素体，同时氧化钛核心较多且 [5]Homma H.Ohkita S.Matsuda S,et al.Improvement of HAZ 分布弥散，以其为核心生长的铁素体晶粒相互牵制 toughness in HSLA steel by introducing finely dispersed Tioxide. Weld J,1987,66:301 阻碍，不易长大，故形成较细小的等轴晶粒 [6]Yamamoto K.HasegawaT,Takamura J.Effect of boron on in- 4结论 tra granular ferrite formation in Ti-oxide bearing steels.ISIInt, 1996,36,80 (1)实验结果表明，控制较低的铝含量、一定的 [7]Lee J L.Evaluation of the nucleation potential of intragranular 氧含量可以获得较多细小、弥散分布的氧化钛，证 acicular ferrite in steel weldments.Acta Metall,1994.42:3219 [8]Tomita Y,Saito N.Tstzuki T,et al.Improvement in HAZ 明了TiN以Ti203十Al203为基底的复合生长方式 toughness of steel by TiN-MnS addition.ISIJ Int,1994.34: 的夹杂物(TN并没有全部包围氧化物的夹杂物)可 829 作为针状铁素体的异质形核核心，Ti203和Al203复 [9]Zhang Z Y,Farrar R A.Role of non metallic inclusions in forma- 合生长方式的夹杂物也可作为针状铁素体的异质形 tion of acicular ferrite in low alloy weld metals.Mater Sci Tech 核核心 mol,1996,12(3):260 [10]Han S C.Physical metallurgy of acicular ferrite.Dev Appl (2)由于钢液中少量析出的Al203与T203所 Maer,1995,10(5):2 形成的复合夹杂物可作为针状铁素体的异质形核核 [11]Shim J H.Cho Y W.Nucleation of intragranular ferrite at 心，因此钢液中少量A1203析出不会对氧化钛的冶 Ti2O3 particle in low carbon steel.Acta Mater.1999,47(9): 金效果造成影响， 2751 (3)钛处理后，钢中粒径小于1m的夹杂物数 [12]Oh Y J,Lee S Y,Byun JS,et al.Non metallic inclusions and 目较多，粒径大于2.5m的夹杂物很少，粒径范围 acicular ferrite in low carbon steel.Mater Trans JIM,2000. 41(12):1663 基本都在2m以内，夹杂物呈细小弥散分布. [13]Andres G D C,Capdevila C.Martin D S,et al.Effect of the (4)钛处理后钢的凝固组织中大部分是细小的 microalloying elements on nucleation of allotriomorphic ferrite in 针状铁素体结构，针状片条彼此咬合，互相交错分 medium carbon manganese steels.J Mater Sci Lett,2001. 布，组织得到明显细化， 20(12):1135 [14]Yang Y,Wang F M,Song B,et al.Metallurgical behavior of 参考文献 titanium oxides in non-quenched and tempered steel./Univ Sci [1]Jin T,Shozo M.Roles of oxides in steel performance//Proceed- Technol Beijing.2005.27(5):541 (杨颖，王福明，宋波，等.非调质钢中钛氧化物治金行为·北京 ings of the Sixth International Iron and Steel Congress.Nagoya- 科技大学学报，2005,27(5)：541) 1990,591 [2]OgibayashiS.Yamaguchi K.Hirai M.The features of oxides in [15]Ma Z T,Dieter J.Characteristics of oxide precipitation and Ti-deoxidizes steel//Proceedings of the Sixth International Iron growth during solidification of deoxidized steel.ISt 1998. 38(1):46

钛处理前与钛处理后所表现的这种差异主要是钛处理前钢中发生的奥氏体向铁素体转变时虽然晶内铁素体的形核温度稍高但晶界更容易形成魏德曼铁素体（魏氏组织）这种铁素体组织会恶化钢的性能．钛处理后由于 Ti2O3 可诱发针状铁素体的转变使奥氏体优先完成向针状铁素体转变避免了沿晶形成魏德曼铁素体．同时氧化钛核心较多且分布弥散以其为核心生长的铁素体晶粒相互牵制阻碍不易长大故形成较细小的等轴晶粒． 4 结论（1）实验结果表明控制较低的铝含量、一定的氧含量可以获得较多细小、弥散分布的氧化钛．证明了 TiN 以 Ti2O3＋Al2O3 为基底的复合生长方式的夹杂物（TiN 并没有全部包围氧化物的夹杂物）可作为针状铁素体的异质形核核心Ti2O3 和 Al2O3 复合生长方式的夹杂物也可作为针状铁素体的异质形核核心．（2）由于钢液中少量析出的 Al2O3 与 Ti2O3 所形成的复合夹杂物可作为针状铁素体的异质形核核心因此钢液中少量 Al2O3 析出不会对氧化钛的冶金效果造成影响．（3）钛处理后钢中粒径小于1μm 的夹杂物数目较多粒径大于2∙5μm 的夹杂物很少粒径范围基本都在2μm 以内夹杂物呈细小弥散分布．（4）钛处理后钢的凝固组织中大部分是细小的针状铁素体结构针状片条彼此咬合互相交错分布组织得到明显细化．参考文献［1］ Jin TShozo M．Roles of oxides in steel performance∥ Proceedings of the Sixth International Iron and Steel Congress．Nagoya 1990：591 ［2］ Ogibayashi SYamaguchi KHirai M．The features of oxides in T-i deoxidizes steel∥ Proceedings of the Sixth International Iron and Steel Congress．Nagoya1990：612 ［3］ Mizoguehi STakamura J I．Control of oxides as inoculants∥ Proceedings of the Sixth International Iron and Steel Congress． Nagoya1990：598 ［4］ Byun J SShim J HCho Y W．Non-metallic inclusion and intragranular nucleation of ferrite in T-i killed C-Mn steel． Acta Mater200351：1593 ［5］ Homma HOhkita SMatsuda Set al．Improvement of HAZ toughness in HSLA steel by introducing finely dispersed T-i oxide． Weld J198766：301 ［6］ Yamamoto KHasegawa TTakamura J．Effect of boron on intra-granular ferrite formation in T-i oxide bearing steels．ISIJ Int 199636：80 ［7］ Lee J L．Evaluation of the nucleation potential of intragranular acicular ferrite in steel weldments．Acta Metall199442：3219 ［8］ Tomita YSaito NTsuzuki Tet al．Improvement in HAZ toughness of steel by TiN-MnS addition．ISIJ Int199434： 829 ［9］ Zhang Z YFarrar R A．Role of non-metallic inclusions in formation of acicular ferrite in low alloy weld metals．Mater Sci Technol199612（3）：260 ［10］ Han S C．Physical metallurgy of acicular ferrite． Dev Appl Mater199510（5）：2 ［11］ Shim J HCho Y W．Nucleation of intragranular ferrite at Ti2O3particle in low carbon steel．Acta Mater199947（9）： 2751 ［12］ Oh Y JLee S YByun J Set al．Non-metallic inclusions and acicular ferrite in low carbon steel． Mater T rans JIM2000 41（12）：1663 ［13］ Andres G D CCapdevila CMartin D Set al．Effect of the microalloying elements on nucleation of allotriomorphic ferrite in medium carbon-manganese steels． J Mater Sci Lett2001 20（12）：1135 ［14］ Yang YWang F MSong Bet al．Metallurgical behavior of titanium oxides in non-quenched and tempered steel．J Univ Sci Technol Beijing200527（5）：541 （杨颖王福明宋波等．非调质钢中钛氧化物冶金行为．北京科技大学学报200527（5）：541）［15］ Ma Z TDieter J．Characteristics of oxide precipitation and growth during solidification of deoxidized steel．ISIJ Int1998 38（1）：46 第8期尚德礼等：微合金钢中夹杂物诱导晶内铁素体析出行为 ·869·