·1448 工程科学学报，第43卷，第11期 a solid solution state in steel and promote the formation of ferrite in austenitic stainless steel or increase the ferrite fraction in duplex stainless steel with its strong ferrite forming ability,which is beneficial to the improvement of the mechanical properties of stainless steel casting. KEY WORDS stainless steel;inclusions;TiN;solidification structure;heterogeneous nuclei 不锈钢由于品种规格齐全，而且具有优良的 1含T不锈钢冶金物理化学基础 耐蚀性、成形性以及在很宽温度范围内的强韧性 1.1Ti-0热力学平衡 等一系列优点，被广泛的应用于石油、航天、核工 钢液中T元素和O元素的结合能力较强，而 业、交通运输等工业部门中，同时也大量应用于日 且氧化钛中Ti元素的化合价较多，常见包括TiO2、 常生活 Ti3O5、Ti,O3等.Cha等m研究了1600℃时铁液 T元素在不锈钢中应用广泛，主要作用包括 中Ti-0平衡关系，认为Ti元素质量分数小于0.36% 以下几点：(1)稳定化作用.稳定化元素T的加入 时，氧化钛是Ti0s:当质量分数大于0.5%时，氧 有效减少了不锈钢中铬的碳、氨化物在晶界上的 化钛是Ti,O3.但是Pak等认为铁液中Ti元素质 析出，显著改善不锈钢的耐蚀性能.Huang等)研 量分数在0.0012%~0.25%之间时，氧化钛是 究发现，随着稳定化元素Ti、Nb的添加，430铁素 Ti05,当质量分数在0.25%~4.75%之间时，氧化 体不锈钢发生晶间腐蚀的温度从700℃提高到 钛是Ti2O3.Yoshikawa等研究认为含钛l8Cr-8Ni 1050℃以上，且在品界上观察到TiC和NbC析出 奥氏体不锈钢中Ti元素质量分数小于0.238%时， 物.(2)钉扎作用.Janis等2-]研究Ti/Zr脱氧20Cr 氧化钛是Ti05,当质量分数大于0.238%时，氧化 超纯铁素体不锈钢晶粒长大行为发现，随N元素 钛是T2O3;而且发现Ti元素含量相同时，不锈钢 含量的提高，晶界上小尺寸TiN、ZN粒子增多，且 中溶解氧含量高于铁液中，即不锈钢中T脱氧比 在1200℃保温时晶粒长大变缓：主要是分布在晶 碳钢中困难 界上的小尺寸T(C,N)具有钉扎晶界的作用.(3)弥 1.2Ti-N热力学平衡 散强化作用.Ti元素在钢中能形成Ti(C,N)和金 钢液中Ti元素和N元素也有较强的结合能 属间相，提高奥氏体不锈钢的强度，包括高温强 力，常在含T不锈钢的冶炼及凝固过程中生成 度.Shinoda等认为奥氏体中析出的TiC及其诱 TiN类夹杂.Pak等io,以及Wada和Pehlkel四研究 导的弥散分布的Cr23C6是提高18Cr-8Ni奥氏体不 得到不锈钢中TN平衡曲线，发现不锈钢中Cr元 锈钢蠕变强度的主要原因.总结以上可知，T元素 素能够提高TN的平衡浓度积，主要通过减小钢 在铁素体不锈钢中主要发挥稳定化和钉扎作用， 液中N元素活度实现的：而元素增大钢液中 从而提高铁素体不锈钢的耐腐蚀性能和成形性： N和Ti元素的活度，从而减小不锈钢中TN平衡 而在奥氏体、双相及马氏体不锈钢中，T元素主要 浓度积，因此奥氏体不锈钢中比铁素体不锈钢中 通过钉扎和弥散强化机理，提高不锈钢的强韧性. 更容易形成TN夹杂.同时，随着温度的降低，钢 但是由于Ti元素与钢液中O、S、N、C等元素 液中TN平衡浓度积逐渐减小，从而在钢液降温 具有较强的结合能力，含T不锈钢冶炼过程中会 和凝固过程中析出TN夹杂，如图1所示2 生成种类繁多的夹杂物，而且其中大多数是有害 1.3含Ti不锈钢渣钢平衡 的，给不锈钢的冶炼和质量带来不利的影响，包括 含T不锈钢精炼过程中，经常出现持续性的 连铸水口堵塞阿，分层缺陷导致不锈钢无缝管超声 钛合金的烧损.Hou等l)和Jiang等研究了电 探伤不合，不锈钢板材表面线鳞缺陷等.然而， 渣重熔过程中1Cr21Ni5Ti不锈钢及GH8825合金 含T不锈钢凝固过程中析出的小尺寸夹杂物又是 与炉渣之间的平衡反应，发现炉渣中CaO的含量 非常有益的，是提高连铸坯等轴晶率、细化凝固组 对钢液中T元素含量的稳定控制具有重要意义 织、改善不锈钢表面质量的重要手段.因此，长期 Park等l研究认为渣中SiO2在渣钢界面上分解 以来含Tⅰ不锈钢治金工艺和技术一直是不锈钢冶 为S和O元素，提高了钢液中溶解氧含量，从而 炼的热点研究课题.本文主要从含T不锈钢冶金 导致钢液中Al和Ti元素的不断烧损.Kishi等ls 物理化学基础、夹杂物的形成与控制工艺和凝固 对Fe-20Cr钢液与CaO-SiO2-TiO,渣系进行了平 组织控制等方面论述其进展 衡实验，发现随着A1含量的增加，Ti元素在钢渣a solid solution state in steel and promote the formation of ferrite in austenitic stainless steel or increase the ferrite fraction in duplex stainless steel with its strong ferrite forming ability, which is beneficial to the improvement of the mechanical properties of stainless steel casting. KEY WORDS    stainless steel；inclusions；TiN；solidification structure；heterogeneous nuclei 不锈钢由于品种规格齐全，而且具有优良的 耐蚀性、成形性以及在很宽温度范围内的强韧性 等一系列优点，被广泛的应用于石油、航天、核工 业、交通运输等工业部门中，同时也大量应用于日 常生活. Ti 元素在不锈钢中应用广泛，主要作用包括 以下几点：（1）稳定化作用. 稳定化元素 Ti 的加入 有效减少了不锈钢中铬的碳、氮化物在晶界上的 析出，显著改善不锈钢的耐蚀性能. Huang 等[1] 研 究发现，随着稳定化元素 Ti、Nb 的添加，430 铁素 体不锈钢发生晶间腐蚀的温度从 700 ℃ 提高到 1050 ℃ 以上，且在晶界上观察到 TiC 和 NbC 析出 物. （2）钉扎作用. Janis 等[2−3] 研究 Ti/Zr 脱氧 20Cr 超纯铁素体不锈钢晶粒长大行为发现，随 N 元素 含量的提高，晶界上小尺寸 TiN、ZrN 粒子增多，且 在 1200 ℃ 保温时晶粒长大变缓；主要是分布在晶 界上的小尺寸 Ti(C, N) 具有钉扎晶界的作用. （3）弥 散强化作用. Ti 元素在钢中能形成 Ti(C, N) 和金 属间相，提高奥氏体不锈钢的强度，包括高温强 度. Shinoda 等[4] 认为奥氏体中析出的 TiC 及其诱 导的弥散分布的 Cr23C6 是提高 18Cr−8Ni 奥氏体不 锈钢蠕变强度的主要原因. 总结以上可知，Ti 元素 在铁素体不锈钢中主要发挥稳定化和钉扎作用， 从而提高铁素体不锈钢的耐腐蚀性能和成形性； 而在奥氏体、双相及马氏体不锈钢中，Ti 元素主要 通过钉扎和弥散强化机理，提高不锈钢的强韧性. 但是由于 Ti 元素与钢液中 O、S、N、C 等元素 具有较强的结合能力，含 Ti 不锈钢冶炼过程中会 生成种类繁多的夹杂物，而且其中大多数是有害 的，给不锈钢的冶炼和质量带来不利的影响，包括 连铸水口堵塞[5] ，分层缺陷导致不锈钢无缝管超声 探伤不合，不锈钢板材表面线鳞缺陷[6] 等. 然而， 含 Ti 不锈钢凝固过程中析出的小尺寸夹杂物又是 非常有益的，是提高连铸坯等轴晶率、细化凝固组 织、改善不锈钢表面质量的重要手段. 因此，长期 以来含 Ti 不锈钢冶金工艺和技术一直是不锈钢冶 炼的热点研究课题. 本文主要从含 Ti 不锈钢冶金 物理化学基础、夹杂物的形成与控制工艺和凝固 组织控制等方面论述其进展. 1    含 Ti 不锈钢冶金物理化学基础 1.1    Ti−O 热力学平衡 钢液中 Ti 元素和 O 元素的结合能力较强，而 且氧化钛中 Ti 元素的化合价较多，常见包括 TiO2、 Ti3O5、Ti2O3 等. Cha 等 [7] 研究了 1600 ℃ 时铁液 中 Ti−O 平衡关系，认为 Ti 元素质量分数小于 0.36% 时，氧化钛是 Ti3O5；当质量分数大于 0.5% 时，氧 化钛是 Ti2O3 . 但是 Pak 等[8] 认为铁液中 Ti 元素质 量 分 数 在 0.0012%～ 0.25% 之 间 时 ， 氧 化 钛 是 Ti3O5，当质量分数在 0.25%～4.75% 之间时，氧化 钛是 Ti2O3 . Yoshikawa 等[9] 研究认为含钛 18Cr−8Ni 奥氏体不锈钢中 Ti 元素质量分数小于 0.238% 时， 氧化钛是 Ti3O5，当质量分数大于 0.238% 时，氧化 钛是 Ti2O3；而且发现 Ti 元素含量相同时，不锈钢 中溶解氧含量高于铁液中，即不锈钢中 Ti 脱氧比 碳钢中困难. 1.2    Ti−N 热力学平衡 钢液中 Ti 元素和 N 元素也有较强的结合能 力，常在含 Ti 不锈钢的冶炼及凝固过程中生成 TiN 类夹杂. Pak 等[10] ，以及 Wada 和 Pehlke[11] 研究 得到不锈钢中 TiN 平衡曲线，发现不锈钢中 Cr 元 素能够提高 TiN 的平衡浓度积，主要通过减小钢 液中 N 元素活度实现的；而 Ni 元素增大钢液中 N 和 Ti 元素的活度，从而减小不锈钢中 TiN 平衡 浓度积，因此奥氏体不锈钢中比铁素体不锈钢中 更容易形成 TiN 夹杂. 同时，随着温度的降低，钢 液中 TiN 平衡浓度积逐渐减小，从而在钢液降温 和凝固过程中析出 TiN 夹杂，如图 1 所示[12] . 1.3    含 Ti 不锈钢渣钢平衡 含 Ti 不锈钢精炼过程中，经常出现持续性的 钛合金的烧损. Hou 等[13] 和 Jiang 等[14] 研究了电 渣重熔过程中 1Cr21Ni5Ti 不锈钢及 GH8825 合金 与炉渣之间的平衡反应，发现炉渣中 CaO 的含量 对钢液中 Ti 元素含量的稳定控制具有重要意义. Park 等[15] 研究认为渣中 SiO2 在渣钢界面上分解 为 Si 和 O 元素，提高了钢液中溶解氧含量，从而 导致钢液中 Al 和 Ti 元素的不断烧损. Kishi 等[16] 对 Fe−20Cr 钢液与 CaO−SiO2−TiOx 渣系进行了平 衡实验，发现随着 Al 含量的增加，Ti 元素在钢渣 · 1448 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期