【摘 要】
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含钛耐磨钢是一种增强型低合金耐磨钢,其耐磨机理主要是通过在钢的生产过程中析出一些耐磨粒子来增强钢的耐磨性。但该钢种由于合金元素[Ti]的添加在其生产过程中容易产生夹杂物,对钢的浇铸工艺和性能会产生一些影响。为获得促进耐磨钢性能提高的钢水成分控制条件,同时为含钛耐磨钢夹杂物控制提供理论依据和思路,本文以国内某钢厂生产的耐磨钢成分为基础,向钢中添加适量Ti元素,建立夹杂物析出耦合计算模型进行夹杂物析出
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含钛耐磨钢是一种增强型低合金耐磨钢,其耐磨机理主要是通过在钢的生产过程中析出一些耐磨粒子来增强钢的耐磨性。但该钢种由于合金元素[Ti]的添加在其生产过程中容易产生夹杂物,对钢的浇铸工艺和性能会产生一些影响。为获得促进耐磨钢性能提高的钢水成分控制条件,同时为含钛耐磨钢夹杂物控制提供理论依据和思路,本文以国内某钢厂生产的耐磨钢成分为基础,向钢中添加适量Ti元素,建立夹杂物析出耦合计算模型进行夹杂物析出理论计算、利用高温共聚焦显微镜镜对钢液凝固过程进行原位观察、开展钢液变冷速凝固实验室研究并结合相关材料检测手段对夹杂物析出情况进行表征,主要研究结果如下:（1）在综合考虑了夹杂物析出热力学、动力学条件、溶质元素偏析的基础上,结合Factsage热力学计算软件,建立了钢液凝固过程夹杂物析出耦合计算模型。此模型包括凝固过程夹杂物析出计算模块和夹杂物析出长大尺寸计算模块,利用Macro processing宏命令进行串联,可以对凝固过程中析出的夹杂物的种类、数量及析出长大尺寸进行计算预测,同时通过与已有实验数据结果的对比,验证此模型计算结果准确性较高。（2）基于溶质平衡分配系数的热力学计算基本原理,计算讨论了钢液在凝固过程中平衡分配系数ki受温度、相组成、成分的影响规律,并根据确定钢液成分的凝固过程拟合了ki与温度T的关系式。计算结果表明凝固过程中溶质平衡分配系数ki不是一个定值,而应该根据具体钢种成分的变化来进行针对性的计算,并通过与常用的定值ki值的对比,也证明了计算所得的ki值的合理性且更具针对性。同时通过计算与实验验证,证明在采用计算所得ki值进行夹杂物析出计算时,结果更符合实际夹杂物析出情况。（3）应用夹杂物析出耦合模型对含钛耐磨钢连铸过程夹杂物析出进行计算,结果表明连铸过程中析出的夹杂物主要有Ti N、Ti C、Ti4S2C2、Ti2O3和Al2O3。其中Ti N析出于凝固初期或凝固开始前,这取决于钢中[Ti]、[N]含量;Ti4S2C2、Ti C一般析出于凝固后期,且Ti4S2C2析出要早于Ti C;Ti2O3和Al2O3的析出量很小,仅几个ppm,且氧化物夹杂的析出类型在钢中[O]含量一定的情况下,会随着钢中[Ti]含量的增加,析出类型从析出Al2O3向析出Ti2O3变化。所以为避免钢液在凝固之前析出大尺寸的Ti N夹杂,在钢水条件[C]=0.17 wt%的情况下,当[Ti]≥0.4 wt%时应控制钢中[N]含量低于30 ppm,为了减少Ti4S2C2在凝固过程中的析出,根据实际生产水平钢中[S]应控制在20 ppm以下,此时Ti4S2C2析出量较低,少于80 ppm。同时为减少凝固过程中Al2O3夹杂的析出并保证一定量的Ti C析出,钢中[Ti]应不小于0.5wt%,此时不再生成Al2O3夹杂,实际生产控制应尽可能保障这些目标条件。凝固后夹杂物析出主要以Ti C为主,且动力学计算结果表明Ti C更易在界面处形核析出,同时随着温度的降低Ti C临界形核尺寸和临界形核功减小、形核率增加、粗化速率减小,所以为获得更多细小Ti C粒子,后续热处理过程中温度不宜过高。（4）实验结果表明在论文所研究的含钛耐磨钢钢种成分范围内,析出的夹杂物主要是Ti N、Ti C、Ti4S2C2、Ti2O3和Al2O3,以及以Al2O3或Ti2O3为核心形成的Ti N、Ti C、Ti（C,N）复合型夹杂物,同时EDS面扫结果表明Ti（C,N）的析出一般发生于Ti、C含量较高的位置,易出现于Ti C析出位置附近。当钢中[Ti]＞0.3 wt%时,Ti C会在凝固后期晶界附近析出,并在后续的温降过程中,部分Ti C会跨过晶界进入晶内继续生长。对比不同冷却速率条件下钢中夹杂物析出规律表明,随着钢液凝固冷却速率的增加,钢中析出夹杂物的数量密度增加,夹杂物尺寸减小,此规律符合夹杂物析出耦合计算模型计算结果,所以为实现耐磨钢增强效果,在保证析出微米级Ti C夹杂物数量多的同时减小其他含钛夹杂物的析出尺寸,根据模型计算结果,应使Ti C析出阶段冷却速率不高于10 K/s且不低于0.5 K/s。以上实验结果也符合夹杂物析出耦合计算模型计算结果,进一步说明了论文中模型及计算方法的准确性。
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