【新刊速覽】曹磊：Fe-Mn-Al-C低密度鋼中AlN夾雜物的聚集與吞噬行為
中國(guó)冶金
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Fe-Mn-Al-C低密度鋼中AlN夾雜物的聚集與吞噬行為
曹磊
1
，郭宇航
1
，王國(guó)承
1,2
，魏建峰
3
，鹿超超
3
（1.遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院， 遼寧鞍山 114051； 2.遼寧省高校冶金工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧鞍山 114051；3.山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司， 山東萊蕪 271104）
Fe
-
Mn
-
Al
-
C
低密度鋼中聚集長(zhǎng)大的
AlN
夾雜物對(duì)鋼質(zhì)量有嚴(yán)重影響。通過(guò)高溫共聚焦激光掃描顯微鏡結(jié)合場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)
Fe
-
Mn
-
Al
-
C
低密度鋼液態(tài)及凝固過(guò)程中
AlN
夾雜物演變行為進(jìn)行原位觀察。發(fā)現(xiàn)
AlN
夾雜物在液態(tài)鋼中發(fā)生聚集現(xiàn)象，形成尺寸較大的多顆粒聚集型
AlN
夾雜物；在隨后的降溫凝固過(guò)程中聚集型
AlN
夾雜向液
-
固界面靠近并被液
-
固界面前沿推動(dòng)；隨著液相量的減少，聚集型
AlN
夾雜物最終被固相吞噬。為了明晰聚集機(jī)理，由于觀察的大部分單顆粒
AlN
半徑為
1
～
10
μ
m
，通過(guò)受力分析計(jì)算了鋼液中半徑為
1
～
10
μ
m
的
AlN
夾雜物的黏性阻力和夾雜物之間的腔橋力大小。發(fā)現(xiàn)腔橋力遠(yuǎn)大于黏性阻力，腔橋力是導(dǎo)致
AlN
夾雜物聚集的主要作用力?；谇粯蛄碚撨M(jìn)一步分析了腔橋形成的總自由能變化，以
2
個(gè)半徑均為
8
μ
m
的單顆粒
AlN
夾雜物為例，計(jì)算了腔橋形成的總自由能變化，發(fā)現(xiàn)
2
個(gè)
AlN
夾雜物之間形成穩(wěn)定腔橋的臨界距離
d
c
為
1.5
μ
m
；當(dāng)
2
個(gè)
AlN
夾雜物之間的距離
d
大于
d
c
時(shí)，
AlN
夾雜聚集過(guò)程的總自由能變化大于
0
，不會(huì)形成穩(wěn)定腔橋；當(dāng)
d
小于
d
c
時(shí)，聚集過(guò)程的總自由能變化小于
0
，
AlN
夾雜物之間可以形成穩(wěn)定的腔橋從而發(fā)生聚集。試驗(yàn)觀察和液
-
固界面處夾雜物受力平衡計(jì)算發(fā)現(xiàn)，范德瓦爾斯力對(duì)凝固過(guò)程中的
AlN
夾雜物運(yùn)動(dòng)起到關(guān)鍵的作用。
AlN
夾雜物先被液
-
固界面前沿推動(dòng)，隨著溫度降低和液相量減少，
AlN
夾雜物最終被固相捕捉并吞噬。
F
e
-
Mn
-
Al
-
C
低密度鋼；
AlN
夾雜物；
聚集；
腔橋；
自由能變化；
臨界距離
在全球“碳達(dá)峰”和“碳中和”的背景下，汽車的輕型化已成為世界汽車發(fā)展的關(guān)鍵方向。Fe-Mn-Al-C低密度鋼因具有良好的耐磨性、高強(qiáng)度、高塑性、較高的疲勞強(qiáng)度和較好的沖擊性能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、機(jī)械制造等領(lǐng)域。Fe-Mn-Al-C低密度鋼中每增加1%鋁（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），密度會(huì)降低1.3%，質(zhì)量減輕7%～18%。同時(shí)，鋼中含有中等水平的錳可以使鋼在冷卻過(guò)程中保持奧氏體，提高鋼材的變形能力。然而，夾雜物的存在對(duì)服役過(guò)程中的Fe-Mn-Al-C低密度鋼會(huì)產(chǎn)生致命的危害。AlN夾雜物作為Fe-Mn-Al-C低密度鋼中的典型夾雜物是在冶煉過(guò)程中鋁與氮元素發(fā)生反應(yīng)生成的。研究發(fā)現(xiàn)，即使將鋼中的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為0.001 0%以下，高鋁條件下仍無(wú)法避免AlN夾雜物的生成。AlN夾雜物屬于脆硬型夾雜物，大多數(shù)呈多邊形，其線膨脹系數(shù)低于鋼基體，導(dǎo)致AlN夾雜物角部應(yīng)力集中，嚴(yán)重影響Fe-Mn-Al-C鋼的力學(xué)性能。
目前，高溫共聚焦激光掃描顯微鏡（HT-CLSM，high temperature confocal
laser scanning microscope）已被廣泛應(yīng)用于鋼在高溫狀態(tài)下的觀察，如夾雜物在鋼液表面的聚集、液-固界面前沿夾雜物的推動(dòng)和吞噬行為、鋼凝固過(guò)程中的相變等。研究表明，聚集粒子的形成可能是通過(guò)靜電相互作用力、毛細(xì)管作用力、范德瓦爾斯力以及未潤(rùn)濕的表面之間自發(fā)形成的腔橋力的作用造成的。 SASAI K和作者的早期工作分別證明了Al
2
O
3
、MgAl
2
O
4
夾雜物在聚集過(guò)程中腔橋力遠(yuǎn)大于范德瓦爾斯力和毛細(xì)管作用力。 TIAN Q等研究發(fā)現(xiàn)，多顆粒聚集的TiN夾雜物的形成過(guò)程可分為單顆粒TiN夾雜物相互靠近形成腔橋力作用、局部活性角燒結(jié)和頸部區(qū)燒結(jié)3個(gè)階段。WANG W等認(rèn)為AlN夾雜物在腔橋力的作用下會(huì)發(fā)生聚集。YIN H等研究發(fā)現(xiàn)，由于夾雜物與鋼液的潤(rùn)濕性較差，當(dāng)夾雜物位于液-固界面前沿時(shí)，固相鋼可以將夾雜物吞噬。 KIMURA S等研究發(fā)現(xiàn)，液-固界面的前進(jìn)速度在接近夾雜物時(shí)首先增加，但在吞噬過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)停滯，之后再次增加。目前，夾雜物在鋼液表面的聚集和吞噬行為已有廣泛研究，但對(duì)Fe-Mn-Al-C低密度鋼中AlN夾雜物的聚集和吞噬行為的研究還很少。
本文通過(guò)HT-CLSM原位觀察了Fe-Mn-Al-C低密度鋼中AlN夾雜物的聚集和吞噬行為?；阡撘褐蠥lN夾雜物的受力分析計(jì)算和闡明了AlN夾雜物的聚集機(jī)理；基于腔橋力理論，通過(guò)計(jì)算聚集過(guò)程總自由能變化進(jìn)一步確定AlN夾雜物之間形成穩(wěn)定腔橋的臨界距離；最后，通過(guò)受力平衡分析了AlN夾雜物在液-固界面的運(yùn)動(dòng)行為。研究結(jié)果為明晰AlN夾雜物聚集機(jī)理和運(yùn)動(dòng)行為提供試驗(yàn)和理論參考。
1）采用HT-CLSM原位觀察了Fe-Mn-Al-C低密度鋼中AlN夾雜物聚集過(guò)程和吞噬過(guò)程，發(fā)現(xiàn)AlN夾雜物在液態(tài)鋼中會(huì)發(fā)生聚集現(xiàn)象，形成尺寸較大的多顆粒聚集型AlN夾雜物；在隨后的降溫凝固過(guò)程中聚集型AlN夾雜向液-固界面靠近并被液-固界面前沿推動(dòng)；隨著液相量的減少，聚集型AlN夾雜物最終被固相吞噬。
2）通過(guò)受力分析計(jì)算了鋼液中半徑為1～10 μm的AlN夾雜物黏性阻力和夾雜物之間的腔橋力大小。計(jì)算發(fā)現(xiàn)AlN夾雜物之間的腔橋力遠(yuǎn)大于黏性阻力，因此腔橋力可以誘導(dǎo)多顆粒AlN夾雜物發(fā)生聚集，形成尺寸較大的聚集型AlN夾雜物。
3）通過(guò)計(jì)算2個(gè)半徑均為8 μm的單顆粒AlN夾雜物形成腔橋的總自由能變化，發(fā)現(xiàn)dc等于1.5 μm為夾雜物之間形成穩(wěn)定腔橋的臨界距離。當(dāng)d 大于 dc時(shí)，聚集過(guò)程總自由能變化大于0，因此不會(huì)形成穩(wěn)定的腔橋，2個(gè)夾雜物很難聚集；當(dāng)d 小于 dc時(shí)，聚集過(guò)程總自由能小于0，可以形成穩(wěn)定的腔橋。
4）試驗(yàn)觀察和液-固界面處夾雜物的受力平衡計(jì)算發(fā)現(xiàn)，范德瓦爾斯力對(duì)凝固過(guò)程中AlN夾雜物的運(yùn)動(dòng)起到關(guān)鍵的作用。AlN夾雜物先被液-固界面推動(dòng)，隨著溫度的降低和液相量的減少，AlN夾雜物最終被固相捕捉并吞噬。
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