复合强脱氧与钢合金成分对晶内铁素体组织形成的协同作用

On the purpose of satisfying the function of oxides metallurgy-formation of intragranular ferrite induced by active inclusions and grain boundary pinning by fine precipitates, this study is focused on the coordination effects of complex strong deoxidization and alloying elements on formation of intragranular ferrite in steel based on the research status and development trend of oxides metallurgy technology. By means of thermodynamics, kinetics, solidification theory and classical nucleation theory together with modern analysis methods such as laser confocal scanning microscope, automatic SEM-EDS, SEM, TEM, electron probe and Gleeble thermal simulator, et al., the characteristics of inclusions and precipitates in steel deoxidized by Ti-Mg-RE(Ca), the nucleation behavior of intragranular ferrite induced by the active inclusions, the formation conditions of active inclusions and fine precipitates in the steel, the suppression effect of fine precipitates on growth of the grain of heat affected zone, the interactions of alloying elements on the formation of intragranular ferrite induced by active inclusions, and the steel properties improved by formation of intragranular ferrite are investigated systematically. This study can clarify the mechanism of coordinate function of complex strong deoxidization and alloying elements on formation of intragranular ferrite in steel, achieve the objective of formation of intragranular ferrite and grain boundary pinning, and promote the development of oxide metallurgy technology in steelmaking industry.

本项目针对氧化物冶金技术国内外发展趋势和研究现状，以满足钢中夹杂物形核生成晶内铁素体（IGF）组织和析出相钉扎晶界的双重效应为背景，采用化学冶金和物理冶金相结合的方法，以冶金热力学、动力学和凝固形核理论为基础，借助高温激光共焦显微镜、钢中夹杂物大样原位分析系统、扫描透射电镜、电子探针、Gleeble热模拟机等现代分析检测手段，系统研究钢中Ti-Mg-RE(Ca)复合脱氧后夹杂物和析出相的属性，活性夹杂物诱导IGF形核规律及其机理，活性夹杂物与析出相控制所需的冶金学条件，析出相抑制焊接热影响区晶粒长大机理，合金元素对活性夹杂物形成IGF组织的交互影响规律及IGF组织获得对钢性能的改善。通过研究，掌握复合强脱氧与合金成分对IGF生成的协同作用机理，实现夹杂物形核生成晶内铁素体组织和析出相钉扎晶界的双重效应，为拓展氧化物冶金技术的应用领域，提升氧化物冶金技术的应用效果提供理论依据和技术支撑。

本项目系统研究了Ti处理C-Mn钢中复合添加Mg、Ca、RE等强脱氧元素后，钢中夹杂物的性态（成分、尺寸及分布等）及其演变规律，夹杂物、合金元素（Al、C、Mn）以及热处理条件对针状铁素体组织形成的影响，明确了复合处理条件下获得大量针状铁素体组织所需的冶金控制条件，探究了有效夹杂物诱导针状铁素体形核的机理，研究了不同热处理条件下奥氏体晶粒长大规律，明确了有效钉扎粒子的种类，考察了复合处理对钢焊接热影响区的组织及性能的影响。通过研究，掌握了微合金元素复合强脱氧与合金元素控制对钢中针状铁素体生成的协同作用规律，研究结果对Ti-Mg-RE(Ca)氧化物冶金技术在不同钢种中的应用提供了较明确的理论指导。主要研究结果如下：.（1）复合脱氧处理能获得大量诱导针状铁素体生成的有效夹杂物。脱氧元素合理加入顺序为先加Mg、后加Ca和RE，其合适含量分别为：Mg 0.0011%-0.0044%、Ca 0.0017%、RE 0.014%-0.024%。Al含量的提高不利于针状铁素体生成。.（2）钢中期望得到的有效夹杂物种类为以Mg-Ca-Al-O-(S)或Mg-RE-O-(S)为核心外包MnS组成的复合夹杂物，有效夹杂物最佳尺寸范围为1μm-4μm。夹杂物诱导针状铁素体生成由晶格错配度机理与贫锰区机理双重作用主导。.（3）复合脱氧处理能明显抑制奥氏体晶粒长大，起钉扎奥氏体晶粒作用的是亚微米级的Ce-O-S、Ce-S、CaS、CaO及Ti(C,N)粒子；RE、Ca含量为0.015%、0.0028%时钉扎效果最好。.（4）获得针状铁素体最佳的奥氏体晶粒尺寸为117μm-202μm，连续冷却条件下最佳的冷速区间为2-8oC/s，C、Mn含量过高将使针状铁素体生成的冷速区间变窄，其最佳含量为C 0.08%-0.16%、Mn 1.13%-1.76%。C、Mn含量过高时可通过合适的等温处理工艺获得针状铁素体组织。.（5）在焊接线能量50-150kJ/cm条件下，Ti-Mg-RE/Ca复合处理可生成晶内铁素体并细化钢的组织，有效提高焊接热影响区的韧性。