亚快速凝固钢中超细复合夹杂物析出及对组织影响规律

亚快速凝固过程的冷速达(100-1000)K/s，一些新型的近终形坯件制备技术，如雾化喷射沉积成形以及薄带连铸等，均属于亚快速凝固的范畴。本项目选取薄带连铸生产10#钢为研究背景。考虑薄带中夹杂物尺寸细小，且数量很多。而有效利用细小夹杂物来改善钢材组织和性能是既经济有效又符合绿色环保理念的一种手段。因此，本项目旨在掌握控制夹杂物尺寸、种类和分布的技术，为合理控制夹杂物的析出进而有效利用夹杂物改善钢材的组织及性能奠定理论基础。???鉴于亚快速凝固过程是非平衡凝固，改变了夹杂物生成的热力学条件，本项目提出利用非平衡热力学，通过研究溶质在固、液两相以及固/液界面的分布规律，分析溶质在固/液界面的分配比，结合液态金属结构，确定夹杂物晶核的形成规律；结合高分辨透射电镜，三维原子探针等现代检测技术手段，确定钛氧化物与硫化物的复合析出机制以及复合夹杂物与基体的晶体学关系。

亚快速凝固过程溶质原子来不及长程扩散导致夹杂物非平衡析出，利于夹杂物细小弥散分布。利用细小夹杂物，尤其是钛氧化物与硫化物复合夹杂强化基体是增加钢材强韧性的有效方式。本项目研究目的是探明亚快速凝固条件下溶质原子分配规律：确定该条件下钛氧化物三维形貌、晶体结构及其与硫化物的复合机制；获得冶金成分、冷却条件对夹杂物析出的影响规律；确定夹杂物与基体微观组织作用关系。为利用夹杂物提高钢材质量提供理论基础。目前已经完成全部研究内容，所得主要研究成果列举如下：.亚快速凝固条件下Ti、O、Mn、S等元素的溶质分配系数研究显示此条件下溶质分配系数比平衡凝固条件下略高，分别高出，Ti：0%、O：2.27%、Mn：0.01%、S：0.6%；这会加速凝固过程溶质的成分过冷，促进夹杂物在凝固过程生成。凝固条件对夹杂物数量，尺寸和分布影响的研究显示，随凝固速率增加，微米夹杂数量逐渐减少；纳米夹杂数量显著增加。随氧含量增加，微米及纳米夹杂数量均增加；氧含量存在一个合理控制区间以减少大尺寸夹杂物生成。添加Al、Si-Mn、Ti脱氧元素对亚快速凝固钢中夹杂物影响的研究表明：夹杂物均尺寸细小且弥散分布。其中Al脱氧试样中各尺寸范围夹杂物数量均最大；Si-Mn脱氧试样夹杂物数量骤减；Ti脱氧试样中纳米夹杂数量显著增加。.钛氧化物的结构为TiO2及TinO2n-1（3≤n<9）型，其形貌多为饼型及近正多面体型。钛氧化物与硫化物的复合夹杂物为壳层结构：核心由多个百纳米TiO2小块聚集组成，外层由Fe/Mn/Al-Si-O等成分包裹，Fe-Si-O类型包裹膜的结构为Fe2SiO4，包裹膜外附着析出多个岛状MnS。热力学计算及实验结果均证明复合夹杂物中各相析出的先后顺序为TiO2-Fe2SiO4-MnS。从晶体学角度证明了TiO2之间晶格完全匹配；TiO2和Fe2SiO4的晶格之间是完美嵌套结构；Fe2SiO4和MnS之间的错配度为3.85%，小的错配度使得MnS容易在Fe2SiO4上形核析出。对微观组织的检测结果显示，添加Ti的样品中有大量针状铁素体，以钛氧化物为核心弥散分布，加Al及加SiMn样品中均未发现此类组织；同时，加Al后样品中普通铁素体晶粒平均尺寸大于加Ti后样品中普通铁素体晶粒尺寸，这是由于加Ti后样品中纳米夹杂数量远大于加Al后样品中纳米夹杂数量。