“氧化物&氮化钛”复合核心细化铁素体不锈钢凝固组织的基础研究

Ferritic stainless steel has been widely used for appliances，automobiles. But a series of problems in the process of production affected the development of ferritic stainless steel and the most important of which is ridging defect in the surface of stainless steel products. The main reason for ridging defect is the coarse solidification structure and low ratio of as-cast’s equiaxed grains. Therefore, refining the solidification structure is the precondition to eliminate the ridging defects. Studies have showed that an effective method for refining solidification structure is to form heterogeneous nuclei in the solidification front and TiN can be used as an effective nucleation core for the refinement of the structure. But there’s a big difficulty for the formation of TiN in the solidification front. However the formation of TiN is the key to refine the solidification structure. To solve this problem, , the applicant proposes to use “oxide & titanium nitride” complex nucleus to refine solidification structure refinement of ferritic stainless steel based on exploratory research results of applicant. Firstly, the oxide which is suitable as the nuclei of TiN should be formed. Then TiN is formed on the surface of oxide and a large number of “oxide & titanium nitride” complex nucleus can be rapidly formed in the prophase of solidification. Finally, the liquid metal can be nucleated taking the complex nucleus as the nucleation core, the goal of refining solidification structure and enhancing the ratio of as-cast’s equiaxed grains are achieved.

铁素体不锈钢目前已广泛用于汽车、家电等领域。然而，在生产过程中的一系列问题影响了其进一步的发展。其中最重要的一个问题就是不锈钢表面的“皱折”缺陷。产生“皱折”的主要原因是铸坯柱状晶发达、等轴晶率低所致。因此，凝固组织的细化是消除“皱褶”缺陷的前提条件。研究发现，细化凝固组织的一个有效方法是在凝固前沿生成大量新的异质核心，同时TiN可以作为有效的异质核心来细化组织。但是在凝固前期快速形成大量的TiN存在很大的困难，而TiN的形成则是细化凝固组织的关键。为解决这一问题，申请者基于前期的探索性研究结果，提出采用“氧化物&氮化钛”复合核心来细化凝固组织的新思路，即首先使钢液中提前形成某种适合TiN形核的氧化物，然后TiN再以此氧化物为形核核心大量形核，从而使不锈钢凝固前期快速形成大量氮化钛包裹氧化物的复合核心，然后液态金属再以此为形核核心大量形核，从而达到细化凝固组织、提高等轴晶率的目的。

为了减轻铁素体不锈钢变形过程中“皱折”的产生，必须提高等轴晶比例，细化凝固组织。为此，本文提出了采用复合形核剂细化凝固组织的新思路，并通过理论分析和实验研究确定了复核核心的种类及形成的关键参数。.项目按照任务书的要求，顺利完成了任务书所规定的任务。通过本项目的研究，发表（录用）了7篇学术论文，申请4项发明专利，授权1项。培养本科生9名，有5位研究生参与了本项目的工作；项目经费合理使用。具体研究结果如下。.（1）根据错配度理论，分别计算了不同氧化物、氮化物与δ铁素体、TiN之间的错配度，得出促进δ铁素体形核的效果从优到劣的次序为：MgO、TiN、Al2O3、Ti3O5、SiO2、MnO、Ti2O3，而促进TiN形核的效果从优到劣的次序为：MgO、Ti2O3、Ti3O5、Al2O3。.（2）通过向SUS430不锈钢中添加Mg、MgO、TiO2、Ti、TiN、Al2O3、Ti2O3、CeO2、Ti-Mg、ZrO2等不同的异质核心，观察其对凝固组织的细化效果，发现含Ti和Mg的夹杂物（析出物）作为异质核心时的细化效果最好，进一步证实了理论分析的可靠性。.（3）TiN能够作为δ铁素体形核的核心，从而可细化凝固组织。为了在较低的Ti含量下使TiN大量析出，本项目提出利用Ti2O3及Mg的氧化物为TiN析出的基底，形成TiN包裹氧化物的复合粒子，并利用这种复合粒子促进δ铁素体形核，达到细化430铁素体不锈钢凝固组织的目的。.（4）根据热力学及动力学分析，利用“Ti2O3+TiN”细化凝固组织时，将钛含量控制在0.1%~0.2%范围，氧含量控制10ppm~20ppm范围，氮含量控制在100ppm ~ 150ppm范围，铝含量小于33ppm时，可以得到等轴晶比例大于60%的铸锭。SEM/TEM观察发现，含钛复合核心确为TiN+ Ti2O3，且TiN以Ti2O3为核心，形成氮化钛包裹氧化钛的复合结构。.（5）利用Mg单独细化430铁素体不锈钢的凝固组织时效果较差，其主要原因是钢中很难形成独立存在的MgO粒子。采用Mg/Ti复合处理可明显细化430铁素体不锈钢的凝固组织。当加入的Mg含量控制为10ppm，Ti含量降至0.083%时，其等轴晶比例仍能大于70%。其主要原因是凝固过程形成了TiN包裹Al2O3•MgO的复合粒子，δ铁素体以此为核心大量形核，从而细化了凝固组织。