mns夹杂物对钢板性能的影响

mns夹杂物对钢板性能的影响

混合材料的性能通常对钢的性能有害，混合材料的形状控制变得越来越重要。不同类型的钢对混合材料的形状有不同的要求。MnS是钢中最常见的非金属塑性夹杂物之一,它的尺寸、形状和分布严重影响着钢的性能。MnS夹杂物常用于改善易切削钢的切削性能,同时还能够抑制晶粒长大及促进晶内铁素体的析出,此外通过提高w(Mn)/w(S)以使MnS固定硫,可以减少在奥氏体晶界FeS等低熔点化合物的生成,从而提高钢的高温塑性。但是由于MnS具有良好的变形能力,在轧制过程中沿轧制方向延展成为大尺寸长条状,使得钢材力学性能呈各向异性,明显降低材料的横向性能。并且这种长条状MnS夹杂物在厚板钢材使用过程中容易成为裂纹源及其扩展通道,降低材料的使用寿命。所以希望钢中MnS夹杂物为较小尺寸的球形或纺锤形(即长宽比L/W≤3),这种夹杂物在热加工时变形较小,并且钢材切削性能好,使钢的横向力学性能降低得也少。因此钢中MnS夹杂物尺寸、形态、数量及分布等方面的控制显得尤为重要,本文对前人在这些方面所做的工作,包括钢液成分控制、连铸和轧制工艺控制以及热处理等方面进行了综述,供广大冶金工作者参考。1硫含量对mns形貌的影响在20世纪80年代Ito等人对低碳钢中硫化物的形貌进行了分类:第I类(球形)、第II类(扇形或者链状)、第III类(多面体形)、第X类(不规则形状),如图1所示。同时发现第II类大多在枝晶间观察到并随着硫含量和冷却速度的增加而增加,而其它几类主要出现在树枝晶周围并随着冷速的增加而减小,同时受硫含量的影响较小。Oikawa等人对w(S)分别为0.3%和1.3%时MnS的形貌进行了研究,按形貌将MnS分为3类:第Ⅰ类,偏晶/球状MnS;第Ⅱ类,共晶/树枝状MnS;第Ⅲ类不规则共晶/多面体状MnS,如图2和图3所示,并认为第Ⅰ类硫化物是由亚稳态偏晶反应形成,第Ⅱ类硫化物是由稳定的共晶反应生成,第Ⅲ类硫化物则是由非稳态共晶(伪共晶)反应生成。2化学成分对mns混合物的影响2.1第iii类硫化vd影响硫化物形态最显著的因素是氧含量,当钢中氧活度高时,硫化物为第I类,而随着氧活度的降低硫化物逐渐从第I类向第III类转变。VanEeghem等定量说明了铝脱氧钢中氧含量与硫化物形态之间的关系:w(O)>0.012%时,形成第I类硫化物;w(O)=0.008%~0.012%时,形成第II类硫化物;w(O)<0.008%时,形成第III类硫化物。此外有研究表明,随着氧含量的增加,MnS夹杂物平均直径和面积分数增大,数量减少,长宽比减小。氧含量对硫化物形态的影响机理为:在高氧含量时,凝固初期形成了大量的MnO系低熔点液态氧化物,促进了MnS的形成方式从共晶向偏晶转变,形成第I类MnS;在低氧含量时,凝固初期形成的MnO系低熔点液态氧化物较少,大部分MnS是在凝固末期以共晶形式析出,形成第II类MnS。2.2硫含量对第iii类硫化的影响硫化物的形态还受到钢中硫含量的影响。Takada等人[10〗在研究硫含量对钢中硫化物形态的影响时得出了w(S)为0.004%和0.010%时,形成第I类硫化物;w(S)=0.050%时形成大量的第II类硫化物,并且随着硫含量的增加,第III类硫化物的数量也随之增多。并且在w(S)≤100×10-6时,随着硫含量的增加MnS析出温度也增加,如图4所示。另外,w(Mn)/w(S)还对钢中硫化物的形态和数量产生影响,如图5所示,随着w(Mn)/w(S)的增大,钢中夹杂物的纺锤率增大,同时夹杂物数量减小。2.3钛对mns形貌的影响图6为不同碳、硅、铝、钛含量下MnS形貌变化。w(S)=0.3%时(图6a),随着碳和硅含量的增加,MnS由偏晶转变为共晶再转变为不规则共晶(伪共晶),而随着铝和钛含量(氮气氛条件下)的增加,其形貌由偏晶变为共晶,而在氩气氛下加钛并不会改变MnS形貌。w(S)=1.3%时(图6b),随着硅、铝、钛含量(氮气氛条件下)的增加,MnS形貌由球形变为枝晶状再转变为不规则形貌,加碳虽然也能使其形貌转变为枝晶状,但没有不规则形貌形成,而在氩气氛下同样加钛并不会使MnS形貌发生转变。Sims和VanEeghem通过大量的实验室试验研究了不同碳和铝含量下硫化物的形态转变过程,如图7所示,随着碳和铝含量的增加,硫化物形态由第I类向第III类转变。日本的一些学者研究了钛、铝与锰复合脱氧的情况下对硫化物形态的影响,钛、锰与氧结合形成了低熔点的氧化物,成为硫化物的形核核心,促进球形硫化物的形成,并能显著降低球形硫化物的尺寸,如图8所示。2.4金纳米血权材料wca/ws与硫元素结合生成硫化物的强弱顺序为:Ca>Sr≈Ba≈La≈Ce>Nd>Th>U>Mg>Zr>Ti>Mn>F,因此钙等元素常用来作为MnS的改质剂。有试验表明,向钢中加入钙合金可以促使硫化物由长条状向纺锤状转变,当硫化物中的w(Ca)>0.7%时,硫化物的长宽比小于3,转变为纺锤形。如图9所示,钢中w(Ca)/w(S)也对夹杂物形状和尺寸影响很大,w(Ca)/w(S)>0.2时硫化物转变为纺锤形,且随着w(Ca)/w(S)的增大夹杂物平均尺寸减小。钙对MnS的变性机理是通过钢中的钙与硫、锰形成尺寸较小且变形能力更弱的(Mn、Ca)S夹杂,并且经常在氧化物表面附着生成,从而避免了大尺寸纯MnS的生成,如图10所示。钛作为MnS改质元素时也有类似的效果。2.5mtns产品的制备不同的脱氧剂条件下MnS的析出比也会有不同,如图11所示,当钢中w(S)<100×10-6时,采用铝脱氧时MnS的析出比最小,Mn-Ti次之,Mn-Si最大。采用Mn-Ti脱氧和铝脱氧时MnS夹杂物的数量和平均尺寸对比分别见图12、图13。随着硫含量的增加MnS夹杂的数量和尺寸都呈增加趋势,采用Mn-Ti脱氧时MnS大部分都是以氧化物为核心析出,而采用铝脱氧时析出的纯MnS数量显著增加(图12)。随着氧化物数量的增加MnS平均尺寸减小(图13)。2.6改善钢结构在研究S-Re系易切削钢时,有人发现把稀土加入到含硫钢液中,除了能净化钢液外,还能改变钢中夹杂物的成分、形状、尺寸、数量、分布和结构,从而改善钢的韧性和塑性。理论上,当稀土加入到钢液后先生成稀土氧化物,然后生成稀土氧硫化物,最后生成稀土硫化物,因此在加入稀土前必须保证钢中较低的氧含量,才能达到变性硫化物的目的。3连通设备对mns的影响3.1提高冷却速率有人研究了冷却速率对MnS夹杂的影响,如图14所示,随着冷却速率的增加MnS的平均尺寸减小,而当冷速大于100℃/min时,冷速对MnS尺寸影响不大,因此在较低冷速时可以适当提高冷却速度来减少MnS的生长。Ito等人的研究表明,随着冷却速率的增加,聚集型硫化物增多,非聚集型硫化物数量减少。同时也有研究表明缓慢冷却有利于形成第III类或第I类硫化物,当冷却速率较快时生成第II类硫化物。在同样冷却速度下,树枝状硫化物的平均尺寸小于I类。随着基体冷却速度增大,硫化物的数量增多。3.2连铸坯控制措施铸坯中心偏析严重时在铸坯中心部位存在高浓度的锰和硫,在凝固过程中很容易生成大量尺寸很大的MnS夹杂,在随后的轧制过程中被轧成大尺寸长条状,造成探伤不合格缺陷并严重损害产品质量。图15为检测得到的MnS夹杂沿轧板厚度的分布,可见由于严重的中心偏析造成轧板中心MnS夹杂尺寸明显增大。因此要改善MnS夹杂超标问题必须减轻铸坯的中心偏析。常用的方法包括低温浇铸、结晶器电磁搅拌、二冷配水控制、凝固末端电磁搅拌以及动态轻压下技术等。连铸坯宏观偏析控制措施整体可归纳为以下3个方面:1)冶金凝固方面,降低有害元素含量,控制凝固条件如过热度、比水量等;2)连铸机设备方面,采用分节辊、小间距足辊等;3)外加控制技术,如电磁搅拌(EMS)、轻压下技术等。大多数情况下,以上3个方面需要互相配合使用,才能达到最佳的效果。低过热度浇铸技术:从凝固理论的角度来看,浇铸温度尽量接近液相线温度,可以获得较大的等轴晶比例,从而减轻铸坯的中心偏析和内部缺陷,改善铸坯质量。凝固末端压下技术:如果在连铸坯凝固末端施加均匀外力,形成一定的压下量,消除密闭区域或鼓肚,让枝晶间富集溶质的剩余液相仍保留在其原来的位置,而不流到最后凝固的中心部位,就可以大大减轻甚至消除中心偏折和疏松。电磁搅拌技术:电磁搅拌是以电磁力带动钢水运动,进行搅拌的一种工艺,其作用主要表现在降低中心偏析和中心疏松方面,而根据电磁搅拌位置不同,发挥作用不同,目前电磁搅拌的位置可分为结晶器内电磁搅拌、二冷段电磁搅拌、凝固末端电磁搅拌。高温扩散退火技术:高温扩散退火,是在连铸之后的一种热处理工艺,即在高温下让钢中的元素进一步扩散使之均匀化,其主要目的是为了消除铸坯中粗大的枝晶偏析和网状碳化物。4研磨工艺对mns混合材料的影响4.1试样配比及材料参数不同压缩比对硫化物数量与形态所产生的影响如图16所示,其中直径为7mm的试样压缩比为51∶1。可见随着压缩比的增加,长条状硫化物的长度和宽度都减小,同时夹杂物的数量明显增加,说明在大的压缩比下,可能发生硫化物的大量断裂。4.2mns残余物的相对塑性娄德春等人通过模拟轧制的方法研究了轧制温度对MnS夹杂相对塑性的影响,结果如图17所示,MnS的相对塑性在变形温度为900℃时最高,1000℃时最低,在1150℃时其相对塑性较低,因此控制MnS夹杂物在1000~1050℃时发生变形,对减小MnS的长宽比,进而改善钢的横向性能有利。5工艺对mns的影响近几年通过热处理方式来对钢中MnS夹杂物进行控制的研究已越来越多,并取得一定的成效。5.1同时间030h钢的mns形态变化图18为轧制后的试样在925℃下保温不同时间(0~30h)钢中MnS夹杂形态的变化,可以看到随着保温时间的增加,长条状MnS逐渐碎化成许多球状。5.2冷却温度的测定图19所示为不同保温温度对YF45MnV钢中大于5μm的MnS的影响,其中各试样在保温2h后采用冰水冷却。可见在900~1300℃恒温2h热处理后,钢中大于5μm的MnS数量显著降低,然而当温度达到1360℃后大于5μm的MnS数量大幅增加,因此,为控制MnS尺寸,热处理温度宜选择在900~1300℃。5.3温速率对mns分裂的影响不同升温速率下MnS夹杂物长宽比及数量变化如图20所示