残余元素Sn、As、Sb在钢中异质形核与析出行为的基础研究

本项目以解决废钢循环过程中残余元素富集并危害钢性能为背景，以冶金热力学、动力学、晶体学和形核理论为基础，利用化学冶金和物理冶金相结合手段以及扫描电镜、透射电镜、高温激光共焦显微镜、俄歇谱仪、X射线光电子能谱仪等现代分析测试手段，系统研究钢中残余元素Sn、As、Sb异质形核质点的效用，钢中有效形核质点获得的冶金学条件，Sn、As、Sb在铁液和钢中的析出规律，析出相的特性以及对钢性能的影响。通过本项目研究，掌握钢中残余元素Sn、As、Sb异质形核、弥散析出的综合冶金条件以及析出相特性和对钢性能的影响规律，揭示钢中残余元素异质形核、弥散析出的科学理论。在此基础上，提出一种利用有效形核核心促进钢中残余元素Sn、As、Sb异质形核并弥散分布，从而消除其对钢性能危害的废钢循环利用新技术。

本项目系统研究了残余元素Sn、Sb和As在钢中的析出规律，Sn、Sb异质形核析出和稀土Ce变质处理砷所需的冶金条件，Sn、Sb、As对钢热塑性、高温氧化性和力学性能的影响规律以及Sn、Sb弥散析出和稀土变质处理As对改善Sn、Sb、As危害钢性能的综合效果。研究结果对通过改变它们在钢中的析出行为从而改善其对钢性能的危害有重要指导意义。主要研究成果如下：（1）Fe-0.5wt%Sn(Sb)、Fe-1.5wt%Sn(Sb)和Fe-0.5wt%As合金中Sn、Sb、As主要偏聚于晶界。在Fe-5.0wt%Sn(Sb)合金中有含Sn(Sb)相存在，透射电镜确定含Sn、Sb相分别为FeSn2和ε-FeSb。Fe-4wt%（10wt%）As合金中砷以Fe2As相分布于α-Fe晶间。（2）二维错配度理论预报MnS夹杂可作为Sn、Sb异质析出的形核质点，并从实验得到证实。钢中添加0.03wt%Ti可显著提高MnS夹杂物上含Sn(Sb)相的形核率。（3）Ce变质处理含砷钢后，随着Ce含量增加，Ce与As相互作用会生成不同种类的含砷稀土夹杂物。Ce-As类夹杂物为面心立方的CeAs相。含砷稀土夹杂物生成后，晶界上的砷含量降至基体含量水平。（4）锡、锑对C-Mn钢热塑性、冲击性能的影响及MnS的变质处理实验结果表明，随着锡、锑含量的增加，C-Mn钢的热塑性逐渐恶化；向含Sn(Sb)的C-Mn钢中添加0.02wt%S和0.03wt% Ti后，钢的热塑性明显改善。同时，冲击韧性也得到改善。（5）砷和Ce添加对C-Mn钢热塑性、高温氧化性和冲击性能影响的结果表明，无论是砷单独存在还是铜砷共同存在，随砷含量增加，C-Mn钢的热塑性逐渐恶化。1050℃时砷/铜砷的氧化富集程度最大，同时热裂也最为严重。添加0.016wt%~0.035wt%Ce可以明显改善含砷C-Mn钢的热塑性并完全消除1050℃下含砷钢的热裂。砷明显恶化C-Mn钢的冲击韧性，尤其低温冲击韧性，添加0.016wt%Ce可以较好地改善冲击韧性。