含硫非调质钢凝固过程硫化物析出行为研究

摘要

针对国内含硫非调质钢(F40MnVS)中硫化物控制水平较低的现状，对铸态和锻后钢中硫化物析出机理及控制方法进行了系统的研究。在热力学和动力学计算分析的基础上，利用Thermo-Calc和JMatPro软件分析了MnS的析出规律、MnS+Al2O3复合夹杂物析出条件以及硫化物对晶内铁素体的影响；借助光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)等技术方法，观察并分析了不同锰硫比(Mn/S)和冷却速率对钢中硫化物夹杂的形貌、数量及分布等特征的影响。研究结果表明： (1) 通过热力学计算可知，该钢中MnS在1431℃时，即在凝固末端开始大量析出。此时析出的MnS占总析出量的88.5%，剩余小部分在奥氏体中形成，占总量的11.5%，而铁素体中不析出MnS。 (2) 动力学分析表明:在钢液凝固过程中，MnS以均质形核和晶界形核为主；增加冷却速率，可以减小MnS临界析出半径，降低其尺寸；通过调整钢中w[Mn]和w[S]及冷却速率，可以控制MnS析出形貌、尺寸，提高钢材的综合性能。 (3) 随着温度的降低，Al2O3最先在钢中析出，而MnS在1431℃开始析出，有助于生成MnS+Al2O3复合型夹杂物；通过推动-捕获临界速率与Al2O3尺寸关系分析计算，得知小尺寸Al2O3等氧化物夹杂容易被推到凝固前沿的液相捕获，成为MnS的异质形核核心，形成MnS+Al2O3复合夹杂。 (4) 研究了三组不同Mn/S(28，33，37)对非调质钢中硫化物形貌、尺寸、分布的影响。研究结果表明:Mn/S为37的铸态钢中，硫化物夹杂数量较少，平均尺寸较小，分布弥散，钢中MnS+Al2O3复合夹杂比例达11.2%。锻后钢中MnS夹杂物长宽小，大多呈纺锤形，纺锤率最高(67%)。适当的提高Mn/S，有利于改善钢中铸态和锻材中硫化物形貌、尺寸大小及分布。 (5) 研究了炉冷和空冷对非调质钢中硫化物形貌、尺寸、分布的影响。研究结果表明:相比于炉冷，空冷钢中MnS夹杂物的数量较少，尺寸小，分布也更加弥散化；随着冷却速率的降低，MnS在Al2O3的平均析出率由5.5%提高到10.4%。增加冷却速率，MnS在Al2O3上的析出率将降低；适当的控制冷却速率，有利于改善锻后钢中硫化物形貌，增大纺锤率，减小其对钢材性能的危害。 (6) Mn/S和冷却速率会影响凝固过程硫化物的析出，从而影响钢的组织。研究发现，晶内铁素体在硫化物上形核长大。认为是由于惰性界面能机制和贫Mn 区机制相互作用，单一的MnS、MnS+Al2O3及MnS-V(C，N)等复合夹杂物对晶内铁素体有诱导作用，促进晶内铁素体在其上形核析出，从而细化组织，提升钢材的性能。

目录

第一个书签之前

摘 要

Abstract

目 录

第一章 文献综述

1.1 非调质钢的发展及国内外研究现状

1.1.1 非调质钢的概述

1.1.2 国内外非调质钢发展概况

1.1.3 非调质钢在工业中的应用

1.1.4 国内非调质钢生产现状及发展方向

1.2 非调质钢中硫化物行为研究

1.2.1 非调质钢中硫化物概述

1.2.2 非调质钢中硫化物形成机理研究

1.3 影响非调质钢中硫化物形态的主要因素

1.3.1 钢的成分对硫化物形态的影响

1.3.2 凝固冷却速率对硫化物形态的影响

1.4 非调质钢中硫化物控制存在的主要问题

1.5研究目的和内容

1.5.1研究目的

1.5.2研究内容

第二章 实验材料 、设备及研究方法

2.1 实验材料

2.1.1 试验钢冶炼

2.1.2 锻造

2.2 实验设备及分析方法

2.2.1 GJL-150/500高温井式炉

2.2.2金相试样的制备与观察

2.2.3扫描电镜(SEM)及能谱分析(EDS)

2.2.4 Image Pro-plus软件

2.2.5 JMatPro软件

第三章 含硫非调质钢中MnS析出热力学及动力学研究

3.1 凝固过程MnS夹杂物析出热力学计算

3.1.1钢种及热力学参数

3.1.2 F40MnVS钢的Schiel凝固模拟

3.1.3 MnS析出温度热力学计算

3.2 平衡凝固过程MnS析出热力学分析

3.2.1 合金元素对MnS析出的影响

3.2.2 平衡析出相图分析

3.2.3 凝固过程MnS析出

3.3 凝固过程MnS夹杂物析出动力学分析

3.3.1 凝固过程MnS夹杂物形核模型

3.3.2 凝固过程MnS夹杂物长大

3.4 MnS+Al2O3复合夹杂物的析出

3.4.1 MnS+Al2O3复合夹杂物的生成机理

3.4.2 MnS+Al2O3复合夹杂物热力学计算

3.5 MnS析出对晶内铁素体的影响

第四章 含硫非调质钢F40MnVS凝固过程硫化物生成行为

4.1 试验材料和方法

4.2 锰硫比对非调质钢中硫化物生成行为的影响

4.2.1 铸态钢中硫化物形貌、尺寸分布、数量

4.2.2 铸态钢中硫化物分布及对组织的影响

4.2.3 锻后钢中硫化物形貌、尺寸分布、数量

4.2.4 锻后钢中硫化物对组织的影响

4.3 冷速对非调质钢中硫化物生成行为的影响

4.3.1 铸态钢中硫化物形貌、尺寸分布、数量

4.3.2 铸态钢中硫化物分布及对组织的影响

4.3.3 锻后钢中硫化物形貌、尺寸分布、数量

4.3.4 锻后钢中硫化物对组织的影响

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读研究生期间发表的论文