Nb、Ti单稳定高纯铁素体不锈钢铸坯的凝固组织和夹杂物

D0L:10.13374M.issn1001-053x.2011.s1.003 第33卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.33 Suppl.1 2011年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2011 Nb、Tⅵ单稳定高纯铁素体不锈钢铸坯的凝固组织和夹 杂物 孙丽枫2凶王宏坡”刘春来)邹勇 1)东北大学材料与冶金学院，沈阳1108192)山西太钢不锈钢股份有限公司，太原030003 通信作者，E-mail:sunlf(@smm.neu.cdu.cn 摘要采用金相显微镜和扫描电镜，研究并讨论了铌、钛单稳定条件下，高纯铁素体不锈钢的凝固组织及夹杂物的状态.结 果表明：单钛稳定相对单铌稳定能显著提高铁素体不锈钢的等轴晶比例，铌更能起到细化晶粒的作用.铌、钛单稳定条件下铁 素体不锈钢中夹杂物的分布和类型存在较大的差异. 关键词铁素体不锈钢：铌：钛：夹杂物：凝固组织 分类号TG142.23 The solidified structure and inclusions of high-purity ferritic stainless steel stabi- lized with Ti or Nb SUN Li-feng,WANG Hongpo",LIU Chun-ai,ZOU Yong 1)College of Materials and Metallurgy,Northeastern University,Shenyang 110004,China 2)Shanxi Taigang Stainless Steel Cooperation Limited.Taiyuan 030003.China Corresponding author,E-mail:sunlf@smm.neu.edu.cn ABSTRACT The solidification structure and inclusions of high-purity ferritic stainless steel stabilized with Ti or Nb were investigated by the optical microscopy (OM)and scanning electron microscopy (SEM).The results showed that Ti could increase the isometric crystal ratio and Nb could refine crystal size in the high-purity ferritic stainless steel.The composition and status of inclusions were all significantly different in the high-purity ferritic stainless steel stabilized with Ti and Nb,respectively. KEY WORDS ferritic stainless steel:niobium;titanium;inclusions;solidification structure 铁素体不锈钢的凝固组织以及夹杂物的含量、镍和铜线等为原料，采用200kg真空感应炉冶炼，即 形态和分布直接影响后续的轧制、热处理等工艺的 将出钢时加入稳定化合金铌铁和钛铁，混匀，浇铸成 制定)，而且最终决定了铁素体不锈钢的产品质 约110kg的铸锭.试验钢的成分如表1所示. 量.目前，国内对铁素体不锈钢的研究主要集中在 为了避开缩孔的区域和保证成分的均匀性，在 最终产品性能上4]，而对铸锭的研究少见报道. 铸锭中部截取尺寸为80mm×20mm×20mm的长 铌、钛作为铁素体不锈钢中稳定C和N的合金元 方体试样，研究铸锭横截面的凝固组织.在平行于 素，对铸坯的影响是不可忽视的.因此，有必要对 铸锭轴线方向截取尺寸为20mm×20mm×20mm 铌、钛单稳定条件下，高纯铁素体不锈钢的凝固组织 的试样进行夹杂物研究.试样经砂纸打磨后用抛光 及夹杂物的状态进行系统的研究与分析. 机对其进行抛光，在腐蚀液中腐蚀后，采用金相显微 镜及扫描电镜进行分析. 1实验 试验钢以工业纯铁、硅铁、电解锰、金属铬、烧结 收稿日期：20110801 基金项目：中央高校基本科研业务费资助项目(N100302010)

第 33 卷 增刊 1 2011 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 Suppl． 1 Dec． 2011 Nb、Ti 单稳定高纯铁素体不锈钢铸坯的凝固组织和夹 杂物 孙丽枫1，2) 王宏坡1) 刘春来2) 邹 勇2) 1) 东北大学材料与冶金学院，沈阳 110819 2) 山西太钢不锈钢股份有限公司，太原 030003 通信作者，E-mail: sunlf@ smm． neu． edu． cn 摘 要 采用金相显微镜和扫描电镜，研究并讨论了铌、钛单稳定条件下，高纯铁素体不锈钢的凝固组织及夹杂物的状态． 结 果表明: 单钛稳定相对单铌稳定能显著提高铁素体不锈钢的等轴晶比例，铌更能起到细化晶粒的作用． 铌、钛单稳定条件下铁 素体不锈钢中夹杂物的分布和类型存在较大的差异． 关键词 铁素体不锈钢; 铌; 钛; 夹杂物; 凝固组织 分类号 TG142. 23 The solidified structure and inclusions of high-purity ferritic stainless steel stabi￾lized with Ti or Nb SUN Li-feng1，2) ，WANG Hong-po 1) ，LIU Chun-lai 2) ，ZOU Yong2) 1) College of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China 2) Shanxi Taigang Stainless Steel Cooperation Limited，Taiyuan 030003，China Corresponding author，E-mail: sunlf@ smm． neu． edu． cn ABSTRACT The solidification structure and inclusions of high-purity ferritic stainless steel stabilized with Ti or Nb were investigated by the optical microscopy ( OM) and scanning electron microscopy ( SEM) ． The results showed that Ti could increase the isometric crystal ratio and Nb could refine crystal size in the high-purity ferritic stainless steel． The composition and status of inclusions were all significantly different in the high-purity ferritic stainless steel stabilized with Ti and Nb，respectively． KEY WORDS ferritic stainless steel; niobium; titanium; inclusions; solidification structure 收稿日期: 2011--08--01 基金项目: 中央高校基本科研业务费资助项目( N100302010) 铁素体不锈钢的凝固组织以及夹杂物的含量、 形态和分布直接影响后续的轧制、热处理等工艺的 制定［1--3］，而且最终决定了铁素体不锈钢的产品质 量． 目前，国内对铁素体不锈钢的研究主要集中在 最终产品性能上［4--5］，而对铸锭的研究少见报道． 铌、钛作为铁素体不锈钢中稳定 C 和 N 的合金元 素，对铸坯的影响是不可忽视的． 因此，有必要对 铌、钛单稳定条件下，高纯铁素体不锈钢的凝固组织 及夹杂物的状态进行系统的研究与分析． 1 实验 试验钢以工业纯铁、硅铁、电解锰、金属铬、烧结 镍和铜线等为原料，采用 200 kg 真空感应炉冶炼，即 将出钢时加入稳定化合金铌铁和钛铁，混匀，浇铸成 约 110 kg 的铸锭． 试验钢的成分如表 1 所示． 为了避开缩孔的区域和保证成分的均匀性，在 铸锭中部截取尺寸为 80 mm × 20 mm × 20 mm 的长 方体试样，研究铸锭横截面的凝固组织． 在平行于 铸锭轴线方向截取尺寸为 20 mm × 20 mm × 20 mm 的试样进行夹杂物研究． 试样经砂纸打磨后用抛光 机对其进行抛光，在腐蚀液中腐蚀后，采用金相显微 镜及扫描电镜进行分析． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.s1.003

158 北京科技大学学报 第33卷 表1试验钢的成分（质量分数） Table 1 The chemical composition of steel 0 试验钢 C Si Mn P Cr Cu Ti Nb Al Ti+Nb 18 0.0120.45 0.170.0060.00421.230.330.400.01100.39 <0.010.026 0.39 2 0.010 0.45 0.160.0070.004 21.210.32 0.400.0082<0.010.280.010 0.28 2结果与讨论 样的等轴晶比例和晶粒尺寸.由图可知，单钛稳 定条件下(Ti0.39%),钢样等轴晶比例为 2.1高纯铁素体不锈钢的凝固组织分析 50.78%,等轴晶平均晶粒直径为2094μm,柱状 图1为铌钛单稳定条件下1·与2"钢样的凝 晶平均晶粒直径为860um.单铌稳定条件下(Nb 固组织照片.从图中可以看到单钛稳定相对单铌 0.28%),钢样等轴晶比例为42.10%，等轴晶平 稳定的铁素体不锈钢等轴晶比例更高，晶粒尺寸 均晶粒直径为1475μm,柱状晶平均晶粒直径 更大.图2给出了铌钛单稳定条件下1与2钢 742μm. 10mm 10 mm 图1铌钛单稳定条件下钢样凝固组织照片.(a)单钛稳定的1*钢(Ti0.39%):(b)单铌稳定的1*钢(Nb0.28%) Fig.1 The solidified structure of steel stabilized with Ti and Nb,respectively 2400 2.2高纯铁素体不锈钢中夹杂物的分析 ☐等轴的尺寸 60 2094 50.78% 柱状晶尺寸 图3为金相显微镜和扫描电镜下单钛稳定的 2000 等轴品比例 50 42.10% 1钢中夹杂物.由图可知，单钛稳定条件下钢中夹 ⊥60 1475 40 杂物分布较为均匀，形状多为立方状或四方状，尺寸 1200 30 屋土吉 较大，通常在5μm左右.通过扫描电镜发现单钛稳 860 80n 742 定的1钢中既有单一的TN夹杂（如图4），也有 Al、Ti、N系复合夹杂物（如图5）.这是因为加入的 400 10 合金中含有少量氧化铝且氧化铝的析出温度比氮化 钛高，在凝固过程中氧化铝优先形核，T的碳氨化 并钛稳的倒 单记稳定的2钢 钢样标号 物以氧化铝为核心开始析出 图2铌钛单稳定条件下钢样等轴品比例及品粒尺寸 图6为金相显微镜下单铌稳定的2"钢中的 Fig.2 The isometric crystal ratio and size of steel stabilized with Ti 夹杂物.由图可以看到，钢中夹杂物数量较多，分 and Nb,respectively 布比较均匀，为较小球形夹杂，尺寸大约为2~3 1004m 10 jm 图3金相显微镜和扫描电镜下1“钢中的夹杂物形貌 Fig.3 The morphology of inclusions in steel 1*

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 表 1 试验钢的成分( 质量分数) Table 1 The chemical composition of steel % 试验钢 C Si Mn P S Cr Ni Cu N Ti Nb Al Ti + Nb 1# 0. 012 0. 45 0. 17 0. 006 0. 004 21. 23 0. 33 0. 40 0. 011 0 0. 39 ＜ 0. 01 0. 026 0. 39 2# 0. 010 0. 45 0. 16 0. 007 0. 004 21. 21 0. 32 0. 40 0. 008 2 ＜ 0. 01 0. 28 0. 010 0. 28 2 结果与讨论 2. 1 高纯铁素体不锈钢的凝固组织分析 图 1 为铌钛单稳定条件下 1 # 与 2 # 钢样的凝 固组织照片． 从图中可以看到单钛稳定相对单铌 稳定的铁素体不锈钢等轴晶比例更高，晶粒尺寸 更大． 图 2 给出了铌钛单稳定条件下 1 # 与 2 # 钢 样的等轴晶比例和晶粒尺寸． 由图可知，单钛稳 定 条 件 下 ( Ti 0. 39% ) ，钢 样 等 轴 晶 比 例 为 50. 78% ，等轴晶平均晶粒直径为 2 094 μm，柱状 晶平均晶粒直径为 860 μm． 单铌稳定条件下( Nb 0. 28% ) ，钢样等轴晶比例为 42. 10% ，等轴晶平 均晶粒直 径 为 1 475 μm，柱 状 晶 平 均 晶 粒 直 径 742 μm． 图 1 铌钛单稳定条件下钢样凝固组织照片． ( a) 单钛稳定的 1# 钢 ( Ti 0. 39% ) ; ( b) 单铌稳定的 1# 钢 ( Nb 0. 28% ) Fig． 1 The solidified structure of steel stabilized with Ti and Nb，respectively 图 3 金相显微镜和扫描电镜下 1# 钢中的夹杂物形貌 Fig． 3 The morphology of inclusions in steel 1# 图 2 铌钛单稳定条件下钢样等轴晶比例及晶粒尺寸 Fig． 2 The isometric crystal ratio and size of steel stabilized with Ti and Nb，respectively 2. 2 高纯铁素体不锈钢中夹杂物的分析 图 3 为金相显微镜和扫描电镜下单钛稳定的 1# 钢中夹杂物． 由图可知，单钛稳定条件下钢中夹 杂物分布较为均匀，形状多为立方状或四方状，尺寸 较大，通常在 5 μm 左右． 通过扫描电镜发现单钛稳 定的 1# 钢中既有单一的 TiN 夹杂( 如图 4) ，也有 Al、Ti、N 系复合夹杂物( 如图 5) ． 这是因为加入的 合金中含有少量氧化铝且氧化铝的析出温度比氮化 钛高，在凝固过程中氧化铝优先形核，Ti 的碳氮化 物以氧化铝为核心开始析出． 图 6 为金相显微镜下单铌稳定的 2 # 钢中的 夹杂物． 由图可以看到，钢中夹杂物数量较多，分 布比较均匀，为较小球形夹杂，尺寸大约为 2 ～ 3 ·158·

增刊1 孙丽枫等：Nb、T单稳定高纯铁素体不锈钢铸还的凝固组织和夹杂物 ·159· um.图7为2钢的夹杂物的扫描电镜图及能谱 出温度相对于T的碳氨化物要低，且析出类型不 图.由扫描电镜图可知，单Nb稳定条件下8"钢 定.另一方面，由凝固组织的结果可知，单Nb稳 样中单颗粒的TN夹杂物很少，此时大部分夹杂 定时，等轴晶比例较小，也说明凝固过程中高熔 物为含Nb、Ti、Al、Ca、Si等元素的复合夹杂物，说 点的夹杂物较少，为均匀形核提供的核心相对 明钢中没有特意加入合金元素T时，夹杂物的析 较少. 400 300 200 罩 100 Ti Mag-500KX BT=2000w 人 204m4 DetestorSE De15My2911 0102030405060708090100 能量eV 图41钢中的TN夹杂物 Fig.4 The morphology of TiN inclusions in steel 1* 300 200 h 、100 N 04 600 400 200 06 204m 入 0102030405060708090100 能量keV 图51钢中的复合夹杂物 Fig.5 The morphology of compound inclusions in steel 1 合相关文献，认为钢中可能存在少量的C3C,由此 认为单铌稳定条件下，2.8%铌不足以稳定2钢样 中的碳、氨 结合凝固组织分析可知，单钛稳定相对单铌稳 定能显著提高等轴品比例.这是由于TiN和TiC颗 粒十分稳定，熔点很高，凝固开始前，它们最先形成， 可以作为非均匀形核凝固的核心，促进等轴晶的增 10m 长.与钛相比，铌更能起到细化晶粒大小的效果，这 是固溶的铌对晶界的拖曳作用和Nb(C,N)的钉扎 图6单铌稳定的2*钢中的夹杂物 作用结果.1"钢样中加入了钛，形成较粗大的TN、 Fig.6 The morphology of inclusions in steel 2 TC颗粒，而较粗大的棒状TC对晶界移动的阻力 能谱对碳元素很不敏感，只能分析出氨化物夹 远低于细小的Nb(C,N)颗粒，因此1·钢的晶粒比2 杂，但从能谱图中发现该处的C含量明显偏高，结 钢粗大

增刊 1 孙丽枫等: Nb、Ti 单稳定高纯铁素体不锈钢铸坯的凝固组织和夹杂物 μm． 图 7 为 2 # 钢的夹杂物的扫描电镜图及能谱 图． 由扫描电镜图可知，单 Nb 稳定条件下 8 # 钢 样中单颗粒的 TiN 夹杂物很少，此时大部分夹杂 物为含 Nb、Ti、Al、Ca、Si 等元素的复合夹杂物，说 明钢中没有特意加入合金元素 Ti 时，夹杂物的析 出温度相对于 Ti 的碳氮化物要低，且析出类型不 定． 另一方面，由凝固组织的结果可知，单 Nb 稳 定时，等轴晶比例较小，也说明凝固过程中高熔 点的夹杂物较少，为均匀形核提 供 的 核 心 相 对 较少． 图 4 1# 钢中的 TiN 夹杂物 Fig． 4 The morphology of TiN inclusions in steel 1# 图 5 1# 钢中的复合夹杂物 Fig． 5 The morphology of compound inclusions in steel 1# 图 6 单铌稳定的 2# 钢中的夹杂物 Fig． 6 The morphology of inclusions in steel 2# 能谱对碳元素很不敏感，只能分析出氮化物夹 杂，但从能谱图中发现该处的 Cr 含量明显偏高，结 合相关文献，认为钢中可能存在少量的 Cr23C6，由此 认为单铌稳定条件下，2. 8% 铌不足以稳定 2# 钢样 中的碳、氮． 结合凝固组织分析可知，单钛稳定相对单铌稳 定能显著提高等轴晶比例． 这是由于 TiN 和 TiC 颗 粒十分稳定，熔点很高，凝固开始前，它们最先形成， 可以作为非均匀形核凝固的核心，促进等轴晶的增 长． 与钛相比，铌更能起到细化晶粒大小的效果，这 是固溶的铌对晶界的拖曳作用和 Nb( C，N) 的钉扎 作用结果． 1# 钢样中加入了钛，形成较粗大的 TiN、 TiC 颗粒，而较粗大的棒状 TiC 对晶界移动的阻力 远低于细小的 Nb( C，N) 颗粒，因此1# 钢的晶粒比2# 钢粗大． ·159·

◆160· 北京科技大学学报 第33卷 Ti 600 400 200 Cr Fe 人 204m 0102030405060708090100 能量keV 图7单铌稳定的2*钢中的夹杂物 Fig.7 The morphology of inclusions in steel 2* tempering heat treatment.Mater Sci Eng A,2008,489:38-43 3结论 [2]Weng G J.Effect of heat treatment process on microstructure and properties of ferrite stainless steel.Chin J Rare Met,2006,30 (1)单钛稳定相对单铌稳定能显著提高铁素体 (Suppl2):152154 不锈钢的等轴品比例，但铌更能起到细化晶粒大小 (温国军.热处理对铁素体不锈钢组织和性能的影响.稀有金 的效果 属，2006,30（增刊2）：152-154) (2)单钛稳定的铁素体不锈钢中夹杂物分布较 [3]Zhang X,Sun QS.Du W.The study on structure and property of 为均匀，形状多为立方状或四方状，尺寸为5μm左 ultra-pure 430 ferritic stainless steel//7th Proceedings of China Iron&Steel Annual Meeting in 2009.Beijing.2009:330-336 右.夹杂物类型有单一的TN夹杂和以氧化铝为核 (张鑫，孙全社，杜伟.超纯430铁素体不锈钢组织和性能的研 心包裹TiN的复合夹杂物. 究/2009年第七届中国钢铁年会论文集.北京，2009：330- (3)单铌稳定的铁素体不锈钢中夹杂物数量较 336) 多，分布比较均匀，均为细小的球形夹杂，尺寸为2~ [4]Yan H T.Bi H Y.Li X,et al.Influence of Nb on microstructure 3um左右.夹杂物多为Nb、Ti、Al、Ca、Si氧化物的 and mechanical properties of OCrlI ferritic stainless steel.Iron Seel,2009,44(1):5962 复合夹杂 (颜海涛.毕洪运，李鑫，等.Nb对0C11铁素体不锈钢组织和 性能的影响.钢铁，2009.44(1)：5962) 参考文献 [5]Du W.Jiang LZ,Sun QS,et al.Effect of micro-alloying Nb and [1]Sung J H.Kong J H.Yoo D K.et al.Phase changes of the AISI Ti on solidification structure in 430 ferritic stainless steel.Baosteel 430 ferritic stainless steels after high temperature gas nitriding and Tech Res.2008:3-8

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 7 单铌稳定的 2# 钢中的夹杂物 Fig． 7 The morphology of inclusions in steel 2# 3 结论 ( 1) 单钛稳定相对单铌稳定能显著提高铁素体 不锈钢的等轴晶比例，但铌更能起到细化晶粒大小 的效果． ( 2) 单钛稳定的铁素体不锈钢中夹杂物分布较 为均匀，形状多为立方状或四方状，尺寸为 5 μm 左 右． 夹杂物类型有单一的 TiN 夹杂和以氧化铝为核 心包裹 TiN 的复合夹杂物． ( 3) 单铌稳定的铁素体不锈钢中夹杂物数量较 多，分布比较均匀，均为细小的球形夹杂，尺寸为2 ～ 3 μm 左右． 夹杂物多为 Nb、Ti、Al、Ca、Si 氧化物的 复合夹杂． 参 考 文 献 ［1］ Sung J H，Kong J H，Yoo D K，et al． Phase changes of the AISI 430 ferritic stainless steels after high temperature gas nitriding and tempering heat treatment． Mater Sci Eng A，2008，489: 38-43 ［2］ Weng G J． Effect of heat treatment process on microstructure and properties of ferrite stainless steel． Chin J Rare Met，2006，30 ( Suppl 2) : 152-154 ( 温国军． 热处理对铁素体不锈钢组织和性能的影响． 稀有金 属，2006，30( 增刊 2) : 152--154) ［3］ Zhang X，Sun Q S，Du W． The study on structure and property of ultra-pure 430 ferritic stainless steel / /7th Proceedings of China Iron ＆ Steel Annual Meeting in 2009． Beijing，2009: 330-336 ( 张鑫，孙全社，杜伟． 超纯430 铁素体不锈钢组织和性能的研 究/ /2009 年第七届中国钢铁年会论文集． 北京，2009: 330-- 336) ［4］ Yan H T，Bi H Y，Li X，et al． Influence of Nb on microstructure and mechanical properties of 0Cr11 ferritic stainless steel． Iron Steel，2009，44( 1) : 59-62 ( 颜海涛，毕洪运，李鑫，等． Nb 对 0Cr11 铁素体不锈钢组织和 性能的影响． 钢铁，2009，44( 1) : 59--62) ［5］ Du W，Jiang L Z，Sun Q S，et al． Effect of micro-alloying Nb and Ti on solidification structure in 430 ferritic stainless steel． Baosteel Tech Res，2008: 3-8 ·160·