过共析帘线钢中钛夹杂析出热力学与形成机理

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帘线钢在凝固过程中析出的含钛夹杂严重影响钢丝的拉拔性能和疲劳强度,并且这种有害影响在过共析帘线钢中尤为突出。系统分析过共析帘线钢中钛夹杂的析出行为对钢中夹杂物控制及产品质量提升意义重大。本文以SWRH 92A过共析帘线钢为研究对象,在对文献报道的溶质凝固偏析模型分析的基础上,充分考虑夹杂物析出对凝固前沿夹杂物形成元素富集的影响因素,建立了更贴合实际的微观偏析耦合模型。通过建立的耦合模型进行了SWRH 92A凝固析出夹杂物的热力学计算,探讨了凝固析出复合夹杂的形核机理、原子错配度与形成复合夹杂之间的关系,并通过实验研究分析了过共析帘线钢中钛夹杂可能的析出机理。研究结果如下:(1)综合考虑传统微观偏析模型自身存在的局限性及钛夹杂析出热力学计算结果,Ohnaka模型和选用二次枝晶间距为L2的微观偏析模型组合更适用于过共析帘线钢中溶质元素偏析浓度的计算及钛夹杂的析出热力学分析。(2)Ti(CyN1-y)是由Ti N与Ti C夹杂均匀混合形成的无限固溶体,当冷却速率为0.1~10 K/s时,Ti(CyN1-y)中Ti C所占摩尔比介于0.1184~0.1420之间,Ti(CyN1-y)中Ti N含量达85%~88%,即帘线钢中Ti(CyN1-y)基本接近于单相Ti N,且冷却速率越大,Ti C所占摩尔比越小。通过夹杂析出热力学计算,发现过共析帘线钢中钛夹杂的析出顺序为:Ti(CyN1-y)优先析出,随后为Ti N,最后为Ti C。(3)考虑夹杂物析出对凝固前沿溶质浓度和温度影响下,建立的耦合模型计算所得Ti N的析出时间较传统Ohnaka模型有所提前,溶质元素最终偏析浓度有所降低;冷却速率越大,夹杂析出时间越早;Ti N析出之后,凝固前沿N浓度仍会增加,而Ti浓度逐渐变小。计算结果还表明,冷却速率在夹杂物析出之前对Ti浓度影响明显,冷却速率越大,Ti浓度越大;夹杂物析出之后,冷却速率则对N浓度影响更大,冷却速率越大,N浓度越小。(4)钢锭中钛夹杂既包含单相纯Ti N颗粒,也包含Al2O3-Ti N及TixOy-Ti N、Ti N-Mn S、TixOy-Ti N-Mn S等复合夹杂。通过文献调研及热力学计算发现,TixOy、Al2O3在钢液凝固之前就已经析出,随后Ti N以上述夹杂为核心析出进而形成TixOy-Ti N、Al2O3-Ti N等复合夹杂;随着凝固前沿温度的不断降低,由于强烈的元素偏析Mn S将会析出并且以先前析出的TixOy-Ti N或Ti N为核心进而形成TixOy-Ti N-Mn S复合夹杂。
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