钢中不同形态MnS的形成机理与转变机制研究

The MnS has various precipitation morphology, such as globular or droplet-like, dendritic or rod-like, sheet, angular or polyhedral-like and irregular-like,the distribution, number and size of different morphologic MnS are also different, that have geat effect on the processing and service properties of steels.Due to the restrictions of research methods and experiment measures, the formation and transformation mechanism of different morphologic MnS in steels are still unclear. In this project, the combined method of varying alloy composition and solidification kinetics is adopted to investigated the formation and transformation mechanism of different morphologic MnS, which is different with the traditional methods. Based on molybdenum-wound furnace experiment, the effects of alloy elements in the Fe-Mn-S ternary system on MnS are studied to find out the influence of each element on the formation and transformation process of different morphologic MnS, and on the basis of unidirectional solidification experiment, we emphasize particularly on the influence of solidification kinetics factors(such as solid-liquid interface characteristics of solidification front and solidification velocity during solidification process) on the formation and transformation process of different morphologic MnS, then the formation mechanism of different morphologic MnS is verifyed by the observation of high temperature confocal laser scanning microscopy and unidirectional solidification equipment. Based on the studies above, the formation and transformation mechanism of different morphologic MnS are clarfied, which provide a scientific evidence for fulfilling the control of MnS and improving the processing and service properties of steels.

钢中MnS有多种析出形态，如球形或液滴形、树枝状或棒状、片状、角状或多面体状以及不规则状，并且其分布、数量及尺寸也不相同，对钢的加工和使用性能有着重要影响。受研究方法和实验手段的限制，钢中不同形态MnS的形成机理与转变机制尚不明确，与传统研究方法不同，本项目采取变化合金成分与凝固动力学相结合的方法来研究不同形态MnS的形成机理与转变机制，以Fe-Mn-S三元体系为基础通过钼丝炉实验系统研究合金元素对MnS的影响，找出合金元素对不同形态MnS形成过程及其转变产生影响的规律，并通过定向凝固实验重点研究凝固动力学因素（凝固过程中凝固前沿固-液界面特征、生长速度）对不同形态MnS的形成与转变的影响，之后通过高温共聚焦扫描电镜观察与定向凝固实验验证不同形态MnS的形成机理，以达到弄清不同形态MnS的形成机理与转变机制，为实现对钢中MnS的控制，改善钢的加工和使用性能提供科学依据。

钢中MnS 有多种析出形态，如球形或液滴形、树枝状或棒状、片状、角状或多面体状以及不规则状，不同形态MnS的分布状况也不相同，对钢的加工和使用性能有着重要影响。受研究方法和实验手段的限制，钢中不同形态MnS 的形成机理与转变机制尚不明确，本项目首先调研了国内外含硫钢中MnS的控制现状，之后以Fe-Mn-S 三元体系为基础通过钼丝炉实验系统研究合金元素C、Si、Al、Zr等对MnS 形态的影响，并通过定向凝固实验重点研究凝固动力学因素对不同形态MnS 的形成与转变的影响，最后通过高温共聚焦扫描电镜观察与定向凝固实验验证不同形态MnS 的形成机理，研究发现：国外含硫易切削非调质钢中MnS可能主要为第Ⅲ类，呈弥散状分布，形态趋于纺锤形，而国内主要为第Ⅱ类MnS，分布不均匀，形态趋于细长形；随着锰、硫含量的增加，MnS形态从球型第Ⅰ类逐渐向长条状第Ⅱ类转变；随着碳含量的增加，MnS逐渐由条状第Ⅱ类向第Ⅲ类以及不规则类转变；氧含量的变化对MnS的形成过程产生很大影响，当氧硫比高于约0.05左右时，在凝固初期形成大量的MnO系低熔点液态氧化物，促进了MnS的形成方式从共晶形式向偏晶形式转变，形成Ⅰ类MnS；向钢中加入锆促进了MnS从Ⅱ类向Ⅲ类转变，随着钢中酸溶铝含量的增加，MnS从Ⅱ类向Ⅲ类转变，当酸溶铝含量为0.038%及以上时，MnS完全为第Ⅲ类；第Ⅰ类MnS是由分离偏晶反应形成的，即两相单独变化，没有直接的溶质交换；第Ⅱ类MnS（包括ⅡR、ⅡS、ⅡF）是由共晶反应所形成的，其不同形态是由共晶反应中MnS体积分数不同所导致的；第Ⅲ、Ⅳ类以及不规则MnS都是由分离共晶反应所形成的，其形成过程受C、Si、Al等元素以及冷却速率的影响；分离共晶所产生的MnS，其形态的不同是受MnS过饱和度所影响的，在特别高的过饱和度下形成树枝状第Ⅳ类MnS；在低饱和度下形成第Ⅲ类MnS；过饱和度处于两者之间则形成中间型不规则MnS。通过本项目的研究揭示了不同形态MnS 的形成机理与转变机制，为实现对钢中MnS 的控制，改善钢的加工和使用性能提供了科学依据。