不锈钢中夹杂物三维形貌及其热力学计算

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 不锈钢中夹杂物三维形貌及其热力学计算 张一民孙彦辉白雪峰卓超 Three-dimensional morphology and thermodynamic calculation of inclusions in stainless steel ZHANG Yi-min.SUN Yan-hui,BAI Xue-feng.ZHUO Chao 引用本文： 张一民，孙彦辉，白雪峰，卓超.不锈钢中夹杂物三维形貌及其热力学计算J.工程科学学报，2020,42(S):14-20.di: 10.13374j.issn2095-9389.2020.03.25.s13 ZHANG Yi-min,SUN Yan-hui,BAI Xue-feng,ZHUO Chao.Three-dimensional morphology and thermodynamic calculation of inclusions in stainless steel[].Chinese Journal of Engineering,2020,42(S):14-20.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.25.s13 在线阅读View online::https:/ldoi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.03.25.sl3 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 铝含量对TWIP钢中夹杂物特征及AIN析出行为的影响 Influence of Al content on the characteristics of non-metallic inclusions and precipitation behaviors of AlN inclusions in TWIP steel 工程科学学报.2017,39(7)：1008 https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.07.005 202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 Formation mechanism of non-metallic inclusions in 202 stainless steel 工程科学学报.2019.41(12：1567htps:doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.12.18.004 稀土-镁复合处理对GCr15轴承钢中夹杂物的影响 Effect of rare earth and magnesium complex treatment on inclusions in GCr15 bearing steel 工程科学学报.2019,41(6：763 https::/1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.06.008 F钢铸坯厚度方向夹杂物分布及洁净度评估 Evaluation of cleanliness and distribution of inclusions in the thickness direction of interstitial free(IF)steel slabs 工程科学学报.2020,42(2：194 https:ldoi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.03.22.004 高温浓硫酸中氟离子掺入对不锈钢耐蚀性能的影响 Effects of fluoride ions on corrosion resistance of stainless steel in high-temperature concentrated sulfuric acid 工程科学学报.2017,396)：882 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.06.010 玄武岩三维细观孔隙模型重构与直接拉伸数值试验 Three-dimensional microscopic model reconstruction of basalt and numerical direct tension tests 工程科学学报.2019,41(8：997htps:/doi.org/10.13374issn2095-9389.2019.08.005

不锈钢中夹杂物三维形貌及其热力学计算 张一民 孙彦辉 白雪峰 卓超 Three-dimensional morphology and thermodynamic calculation of inclusions in stainless steel ZHANG Yi-min, SUN Yan-hui, BAI Xue-feng, ZHUO Chao 引用本文: 张一民, 孙彦辉, 白雪峰, 卓超. 不锈钢中夹杂物三维形貌及其热力学计算[J]. 工程科学学报, 2020, 42(S): 14-20. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.25.s13 ZHANG Yi-min, SUN Yan-hui, BAI Xue-feng, ZHUO Chao. Three-dimensional morphology and thermodynamic calculation of inclusions in stainless steel[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(S): 14-20. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.25.s13 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.25.s13 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 铝含量对TWIP钢中夹杂物特征及AlN析出行为的影响 Influence of Al content on the characteristics of non-metallic inclusions and precipitation behaviors of AlN inclusions in TWIP steel 工程科学学报. 2017, 39(7): 1008 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.005 202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 Formation mechanism of non-metallic inclusions in 202 stainless steel 工程科学学报. 2019, 41(12): 1567 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.18.004 稀土-镁复合处理对GCr15轴承钢中夹杂物的影响 Effect of rare earth and magnesium complex treatment on inclusions in GCr15 bearing steel 工程科学学报. 2019, 41(6): 763 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.008 IF钢铸坯厚度方向夹杂物分布及洁净度评估 Evaluation of cleanliness and distribution of inclusions in the thickness direction of interstitial free (IF) steel slabs 工程科学学报. 2020, 42(2): 194 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.22.004 高温浓硫酸中氟离子掺入对不锈钢耐蚀性能的影响 Effects of fluoride ions on corrosion resistance of stainless steel in high-temperature concentrated sulfuric acid 工程科学学报. 2017, 39(6): 882 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.010 玄武岩三维细观孔隙模型重构与直接拉伸数值试验 Three-dimensional microscopic model reconstruction of basalt and numerical direct tension tests 工程科学学报. 2019, 41(8): 997 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.005

工程科学学报.第42卷.增刊1：14-20.2020年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,Suppl.1:14-20,December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.25.s13;http://cje.ustb.edu.cn 不锈钢中夹杂物三维形貌及其热力学计算 张一民，孙彦辉四，白雪峰，卓超 北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心.北京100083 ☒通信作者，E-mail:ustb420@126.com 摘要采用无水电解法提取不锈钢中存在的典型夹杂物，通过扫描电子显微镜观察夹杂物三维形貌，并根据元素组成对夹 杂物进行分类和形貌分析，对具有相同化学成分但不同三维形貌的夹杂物进行了表征和归纳.利用FactSage7.0热力学软件， 对不同夹杂物的平衡状态进行了计算，研究了温度和钢液成分对于夹杂物平衡的影响，并得到相应的平衡相图.结果表明， 无水电解可以有效地将不锈钢中夹杂物完整地提取出来，避免了金相法带来的误差，可以更加清晰的观测夹杂物的三维形 貌：经扫描电子显微镜观察和测量，较大的氧化铝夹杂物表面较为容易出现钛元素的富集区域.且大部分夹杂物形貌主要为 球状和表面较为光滑的多面体状，直径一般不大于5m.通过热力学计算得到，钢中夹杂物的生成与钢中元素质量分数密切 相关，在1873K时，Mg、Ti、Si元素质量分数的不同会导致生成不同的夹杂物 关键词不锈钢：夹杂物：三维形貌：无水电解法：热力学 分类号TG115 Three-dimensional morphology and thermodynamic calculation of inclusions in stainless steel ZHANG Yi-min,SUN Yan-hu,BAI Xue-feng,ZHUO Chao Collaborative Innovation Center of Steel Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:ustb420@126.com ABSTRACT The typical inclusions in stainless steels were extracted by the anhydrous electrolysis method,the three-dimensional morphology of the inclusions was observed by scanning electron microscopy (SEM),the inclusions were classified and analyzed according to the element composition,and the inclusions with the same chemical composition but different three-dimensional morphology were characterized and summarized.The equilibrium states of the different inclusions were calculated by the thermodynamic software FactSage 7.0,the effects of temperature and molten steel composition on the equilibrium states of inclusions were studied,and the corresponding equilibrium phase diagrams were obtained.In the results,the inclusions in stainless steels can be extracted effectively by the anhydrous electrolysis method,avoiding the error caused by the metallographic method,and the three- dimensional morphology of inclusions can be observed more clearly;according to the SEM observation and measurement,the enrichment area of titanium is likely present at the larger alumina inclusion surface,and most of inclusions are spherical and polyhedral with smooth surface,whose diameters are generally no more than 5 um.According to the thermodynamic calculation,the inclusions in steels are closely related to the mass fraction of elements in steels;the different mass fractions of Mg,Ti,and Si elements may lead to the different inclusions at 1873 K. KEY WORDS stanless steel;inclusions;three-dimensional morphology;anhydrous electrolysis;thermodynamics 收稿日期：2020-03-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51574026)

不锈钢中夹杂物三维形貌及其热力学计算 张一民，孙彦辉苣，白雪峰，卓    超 北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京 100083 苣通信作者，E-mail：ustb420@126.com 摘    要    采用无水电解法提取不锈钢中存在的典型夹杂物，通过扫描电子显微镜观察夹杂物三维形貌，并根据元素组成对夹 杂物进行分类和形貌分析，对具有相同化学成分但不同三维形貌的夹杂物进行了表征和归纳. 利用 FactSage 7.0 热力学软件， 对不同夹杂物的平衡状态进行了计算，研究了温度和钢液成分对于夹杂物平衡的影响，并得到相应的平衡相图. 结果表明， 无水电解可以有效地将不锈钢中夹杂物完整地提取出来，避免了金相法带来的误差，可以更加清晰的观测夹杂物的三维形 貌；经扫描电子显微镜观察和测量，较大的氧化铝夹杂物表面较为容易出现钛元素的富集区域，且大部分夹杂物形貌主要为 球状和表面较为光滑的多面体状，直径一般不大于 5 μm. 通过热力学计算得到，钢中夹杂物的生成与钢中元素质量分数密切 相关，在 1873 K 时，Mg、Ti、Si 元素质量分数的不同会导致生成不同的夹杂物. 关键词    不锈钢；夹杂物；三维形貌；无水电解法；热力学 分类号    TG115 Three-dimensional  morphology  and  thermodynamic  calculation  of  inclusions in stainless steel ZHANG Yi-min，SUN Yan-hui苣 ，BAI Xue-feng，ZHUO Chao Collaborative Innovation Center of Steel Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: ustb420@126.com ABSTRACT    The  typical  inclusions  in  stainless  steels  were  extracted  by  the  anhydrous  electrolysis  method,  the  three-dimensional morphology  of  the  inclusions  was  observed  by  scanning  electron  microscopy  (SEM),  the  inclusions  were  classified  and  analyzed according  to  the  element  composition,  and  the  inclusions  with  the  same  chemical  composition  but  different  three-dimensional morphology  were  characterized  and  summarized.  The  equilibrium  states  of  the  different  inclusions  were  calculated  by  the thermodynamic software FactSage 7.0, the effects of temperature and molten steel composition on the equilibrium states of inclusions were studied, and the corresponding equilibrium phase diagrams were obtained. In the results, the inclusions in stainless steels can be extracted  effectively  by  the  anhydrous  electrolysis  method,  avoiding  the  error  caused  by  the  metallographic  method,  and  the  three￾dimensional  morphology  of  inclusions  can  be  observed  more  clearly;  according  to  the  SEM  observation  and  measurement,  the enrichment area of titanium is likely present at the larger alumina inclusion surface, and most of inclusions are spherical and polyhedral with smooth surface, whose diameters are generally no more than 5 μm. According to the thermodynamic calculation, the inclusions in steels are closely related to the mass fraction of elements in steels; the different mass fractions of Mg, Ti, and Si elements may lead to the different inclusions at 1873 K. KEY WORDS    stanless steel；inclusions；three-dimensional morphology；anhydrous electrolysis；thermodynamics 收稿日期: 2020−03−25 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51574026） 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1：14−20，2020 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, Suppl. 1: 14−20, December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.25.s13; http://cje.ustb.edu.cn

张一民等：不锈钢中夹杂物三维形貌及其热力学计算 15 不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液或 学软件对钢中A1-O、A1-Ti、A1-Mg、A1-Si以及Ti-N 其他腐蚀介质中具有一定化学稳定性的钢，通常 平衡进行计算，得到相应的元素平衡相图，明确不 含有质量分数10%~30%的铬元素.在氧化性环 同元素质量分数对生成夹杂物的影响. 境中，不锈钢表面会形成一层氧化铬膜，这层氧化 1实验材料及方法 薄膜具有不溶解、能自行恢复和无气孔的特点，从 而使得不锈钢具备了良好的抗腐蚀性能.目前，不 1.1实验材料 锈钢的生产工艺主要为电弧炉炼钢(Electric arc 将实验原料AISI321不锈钢加工成5mm× furnace,.EAF)→氩氧脱碳(Argon oxygen decarburiza- 60mm的圆棒试样，其成分如表1所示 tion,AOD)(或VOD)LF精炼→中间包→连铸.在 表1AISI321不锈钢化学成分（质量分数） 不锈钢的生产过程中，铝是极强的脱氧元素，常常 Table 1 Chemical composition of AIS1321 stainless steels 用作终脱氧剂-习铝脱氧后的钢中容易出现氧化 C Si Mn P S Cr Ni Ti Al N 铝夹杂，大尺寸的氧化铝夹杂容易导致水口堵塞， 0.030.371.130.0390.00219.148.760.3070.0260.02 影响钢铁生产的顺行问.通过合金以及耐材进入钢 液中的镁元素也会和铝氧生成熔点较高的镁铝尖 1.2实验方法及表征 晶石，对产品质量造成严重影响6-]目前，一般会 在电解前，将试样表面磨光，通过声波清洗器 通过加钙来处理这些有害的氧化铝夹杂物和镁铝 将试样表面清洗干净，保证没有铁锈和油污的存 尖晶石类夹杂物，使其改性为熔点较低的钙铝酸 在.为了保证试验表面的洁净，在声波清洗之后不 盐0-山.钛元素的加入可以诱导晶体内铁素体形核， 能用手直接触碰试样表面，而是用镊子夹起试样 有细化组织、提高钢材强度和韧性的效果2- 悬吊于电解液中进行电解.实验所用电解液为 不锈钢中夹杂物会对钢材质量产生很大的影 10%AA电解液(10%乙酰丙酮+1%四甲基氯化 响，获得夹杂物的形态、数量以及尺寸等信息在不 铵+甲醇，质量分数).采用直流恒压恒流电源，试 锈钢研究中至关重要，目前较为完善的夹杂物三 样接电源正极，铂电极接电源负极.电解过程中， 维形貌获取方法为电解法.根据不同的电解液，电 电解电流与试样浸入电解液的面积有关，电流密 解法可以分为水溶性电解法和非水溶性电解法 度控制在40~70mAcm2,电解时间为4~6h,电 (无水电解法)水溶性电解法在分离钢中夹杂 解温度控制在0℃左右.电解完毕后，使用滤膜孔 物时容易损坏和破坏一些易溶于水或酸的碱金属 径为O.2um的Sartorius PTFE-FILTER过滤膜进行 夹杂物，非水溶性电解法（无水电解法）可将钢中 电解溶液的真空抽滤.抽滤完毕后，将滤膜平整地 夹杂物完整地分离提取出来.许多学者对不同钢 铺在30mm×50mm地铝锭上，并通过导电胶固 种、不同夹杂物进行了电解萃取实验6”，证明了 定.使用JS-1600喷金仪对粘有滤膜的铝锭进行表 无水电解法可以有效地将夹杂物从钢中分离出 面喷金，之后使用ZEISS-SUPRA55场发射扫描电 来.Bai等l6通过无水电解萃取方法在连铸坯中 子显微观察，分析提取出的夹杂物的三维形貌 提取出了CaS夹杂.李明等7通过电解法无损地 利用FactSage7.0热力学软件，对不同夹杂物 展现出夹杂物和析出相的三维形貌，氨化物和硫 的平衡状态进行计算，研究温度和钢液成分对于 化物的复合夹杂物主要是由AI-C-Ti-M-N-S 夹杂物平衡的影响，并得到相应的平衡相图 组成，呈现锯齿状的不规则形状及花瓣状，硫化物 2不锈钢中典型夹杂物三维形貌 主要是Mn-Cu-Ti-S,呈现矩形和圆片状，同时还 有少量四边形Al2O3和多边形TN.刘赫莉等1图对 2.1氧化铝夹杂 超纯铁素体不锈钢中含Ti和Nb夹杂物进行了非 不锈钢的生产主要是通过加入铝来对钢液进 水电解分离的研究，证明了T-Nb双稳定化铁素 行脱氧，在脱氧反应中会产生许多氧化铝夹杂，单 体不锈钢中夹杂物核心由钛氧化物与氮化钛复合 纯的氧化铝夹杂物熔点较高，易对钢的性能产生 而成，棱角上包裹碳氮化铌 影响 本文通过对AISI321不锈钢进行无水电解实 图1为电解得到的钢中氧化铝夹杂的三维形 验，提取钢中夹杂物，通过扫描电子显微镜(Scanning 貌，这些夹杂物表现为球状、多面体状、板状、簇 electron microscope,.SEM)观察不同夹杂物的三维 状和聚合状.图1(a)为典型的球状氧化铝夹杂，这 形貌，并对夹杂物进行分类.利用Factsage7.0热力 种夹杂物在钢中最常见，尺寸为1~2um;图1(b)

不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液或 其他腐蚀介质中具有一定化学稳定性的钢，通常 含有质量分数 10%～30% 的铬元素. 在氧化性环 境中，不锈钢表面会形成一层氧化铬膜，这层氧化 薄膜具有不溶解、能自行恢复和无气孔的特点，从 而使得不锈钢具备了良好的抗腐蚀性能. 目前，不 锈钢的生产工艺主要为电弧炉炼钢（Electric arc furnace，EAF）→氩氧脱碳（Argon oxygen decarburiza￾tion，AOD）（或 VOD）→LF 精炼→中间包→连铸. 在 不锈钢的生产过程中，铝是极强的脱氧元素，常常 用作终脱氧剂[1−2] . 铝脱氧后的钢中容易出现氧化 铝夹杂，大尺寸的氧化铝夹杂容易导致水口堵塞[3−4] ， 影响钢铁生产的顺行[5] . 通过合金以及耐材进入钢 液中的镁元素也会和铝氧生成熔点较高的镁铝尖 晶石，对产品质量造成严重影响[6−9] . 目前，一般会 通过加钙来处理这些有害的氧化铝夹杂物和镁铝 尖晶石类夹杂物，使其改性为熔点较低的钙铝酸 盐[10−11] . 钛元素的加入可以诱导晶体内铁素体形核， 有细化组织、提高钢材强度和韧性的效果[12−14] . 不锈钢中夹杂物会对钢材质量产生很大的影 响，获得夹杂物的形态、数量以及尺寸等信息在不 锈钢研究中至关重要，目前较为完善的夹杂物三 维形貌获取方法为电解法. 根据不同的电解液，电 解法可以分为水溶性电解法和非水溶性电解法 （无水电解法）[15] . 水溶性电解法在分离钢中夹杂 物时容易损坏和破坏一些易溶于水或酸的碱金属 夹杂物，非水溶性电解法（无水电解法）可将钢中 夹杂物完整地分离提取出来. 许多学者对不同钢 种、不同夹杂物进行了电解萃取实验[16−22] ，证明了 无水电解法可以有效地将夹杂物从钢中分离出 来. Bai 等[16] 通过无水电解萃取方法在连铸坯中 提取出了 CaS 夹杂. 李明等[17] 通过电解法无损地 展现出夹杂物和析出相的三维形貌，氮化物和硫 化物的复合夹杂物主要是由 Al−Cu−Ti−Mn−N−S 组成，呈现锯齿状的不规则形状及花瓣状，硫化物 主要是 Mn−Cu−Ti−S，呈现矩形和圆片状，同时还 有少量四边形 Al2O3 和多边形 TiN. 刘赫莉等[18] 对 超纯铁素体不锈钢中含 Ti 和 Nb 夹杂物进行了非 水电解分离的研究，证明了 Ti−Nb 双稳定化铁素 体不锈钢中夹杂物核心由钛氧化物与氮化钛复合 而成，棱角上包裹碳氮化铌. 本文通过对 AISI321 不锈钢进行无水电解实 验，提取钢中夹杂物，通过扫描电子显微镜（Scanning electron microscope，SEM）观察不同夹杂物的三维 形貌，并对夹杂物进行分类. 利用 Factsage7.0 热力 学软件对钢中Al−O、Al−Ti、Al−Mg、Al−Si 以及Ti−N 平衡进行计算，得到相应的元素平衡相图，明确不 同元素质量分数对生成夹杂物的影响. 1    实验材料及方法 1.1    实验材料 将实验原料 AISI321 不锈钢加工成 ϕ5 mm × 60 mm 的圆棒试样，其成分如表 1 所示. 1.2    实验方法及表征 在电解前，将试样表面磨光，通过声波清洗器 将试样表面清洗干净，保证没有铁锈和油污的存 在. 为了保证试验表面的洁净，在声波清洗之后不 能用手直接触碰试样表面，而是用镊子夹起试样 悬吊于电解液中进行电解. 实验所用电解液为 10%AA 电解液 （ 10% 乙酰丙酮 +1% 四甲基氯化 铵+甲醇，质量分数）. 采用直流恒压恒流电源，试 样接电源正极，铂电极接电源负极. 电解过程中， 电解电流与试样浸入电解液的面积有关，电流密 度控制在 40～70 mA·cm‒2，电解时间为 4～6 h，电 解温度控制在 0 ℃ 左右. 电解完毕后，使用滤膜孔 径为 0.2 μm 的 Sartorius PTFE-FILTER 过滤膜进行 电解溶液的真空抽滤. 抽滤完毕后，将滤膜平整地 铺在 30 mm × 50 mm 地铝锭上，并通过导电胶固 定. 使用 JS-1600 喷金仪对粘有滤膜的铝锭进行表 面喷金，之后使用 ZEISS-SUPRA 55 场发射扫描电 子显微观察，分析提取出的夹杂物的三维形貌 利用 FactSage 7.0 热力学软件，对不同夹杂物 的平衡状态进行计算，研究温度和钢液成分对于 夹杂物平衡的影响，并得到相应的平衡相图. 2    不锈钢中典型夹杂物三维形貌 2.1    氧化铝夹杂 不锈钢的生产主要是通过加入铝来对钢液进 行脱氧，在脱氧反应中会产生许多氧化铝夹杂，单 纯的氧化铝夹杂物熔点较高，易对钢的性能产生 影响. 图 1 为电解得到的钢中氧化铝夹杂的三维形 貌，这些夹杂物表现为球状、多面体状、板状、簇 状和聚合状. 图 1（a）为典型的球状氧化铝夹杂，这 种夹杂物在钢中最常见，尺寸为 1～2 μm；图 1（b） 表 1    AISI321 不锈钢化学成分（质量分数） Table 1    Chemical composition of AISI321 stainless steels % C Si Mn P S Cr Ni Ti Al N 0.03 0.37 1.13 0.039 0.002 19.14 8.76 0.307 0.026 0.02 张一民等： 不锈钢中夹杂物三维形貌及其热力学计算 · 15 ·

16 工程科学学报.第42卷，增刊1 (a) (b) (c) μm 1 um 2 um (d) (① 2μm 20m 2μm 图1不绣钢中氧化铝夹杂三维形貌 Fig.I Three-dimensional morphology of the alumina inclusions in stainless steels 为多面体状氧化铝夹杂，这类夹杂物在表面都具 N元素反应，生成TN夹杂 有刻面状，且尺寸多为3~5m:图1(d)中聚合状 图2展示了在氨含量较高处形成的氨化钛夹 的夹杂物是由多个小型的多面体或者球状夹杂物 杂物，这类型夹杂物多为有着尖锐棱角的方形立 碰撞聚合而成，尺寸在5~10m左右，从图中还 体结构，从图中可以看出，它们有时以单一个体存 可以看到各个部分聚合之前形貌，在聚合后发生 在，有时两个单体相互碰撞融合，有时以团簇状簇 烧损，逐渐变成一个整体.电解过程中还发现了一 拥形式存在 些尺寸较大的夹杂物（图1(e),这类夹杂物相貌 图3展示了在不锈钢电解过程中发现的钛铝 类似于珊瑚状或簇状，生长方向杂乱无序，尺寸往 夹杂物.从图3(a)中可以看到，这类夹杂物是通过 往大于50m;图1(f)为图1(e)的局部放大图，从 单个、富钛夹杂物与钢液之前脱氧形成的氧化铝 图中可以看到，在簇状氧化铝夹杂内部还存在着 夹杂物碰撞的形式产生的，钛元素富集区域清晰 一些多面体或球状的小型氧化铝夹杂 可见：图3(b)中的钛元素均匀分布在钛铝氧夹杂 2.2钛铝夹杂 物中.图3(a)和图3(c)~图3(e)展示了加入钛元 钛作为合金元素加人到钢中之后，会和铝脱 素之后，原有氧化铝表面上会出现一些钛元素的 氧产生的氧化铝夹杂物反应生成部分钛铝夹杂 富集区域，而尺寸较大的氧化铝夹杂物表面较为 物，但由于钢中含有N元素，加入的钛合金也会和 容易出现钛元素的富集区域 (a) (b) (c) 2 um 1μm 2 um (d) (e) (0 2 um m 图2不锈钢中氨化钛夹杂三维形貌 Fig.2 Three-dimensional morphology of the titanium nitride inclusions in stainless steels

为多面体状氧化铝夹杂，这类夹杂物在表面都具 有刻面状，且尺寸多为 3～5 μm；图 1（d）中聚合状 的夹杂物是由多个小型的多面体或者球状夹杂物 碰撞聚合而成，尺寸在 5～10 μm 左右，从图中还 可以看到各个部分聚合之前形貌，在聚合后发生 烧损，逐渐变成一个整体. 电解过程中还发现了一 些尺寸较大的夹杂物（图 1（e）），这类夹杂物相貌 类似于珊瑚状或簇状，生长方向杂乱无序，尺寸往 往大于 50 μm；图 1（f）为图 1（e）的局部放大图，从 图中可以看到，在簇状氧化铝夹杂内部还存在着 一些多面体或球状的小型氧化铝夹杂. 2.2    钛铝夹杂 钛作为合金元素加入到钢中之后，会和铝脱 氧产生的氧化铝夹杂物反应生成部分钛铝夹杂 物，但由于钢中含有 N 元素，加入的钛合金也会和 N 元素反应，生成 TiN 夹杂. 图 2 展示了在氮含量较高处形成的氮化钛夹 杂物，这类型夹杂物多为有着尖锐棱角的方形立 体结构，从图中可以看出，它们有时以单一个体存 在，有时两个单体相互碰撞融合，有时以团簇状簇 拥形式存在. 图 3 展示了在不锈钢电解过程中发现的钛铝 夹杂物. 从图 3（a）中可以看到，这类夹杂物是通过 单个、富钛夹杂物与钢液之前脱氧形成的氧化铝 夹杂物碰撞的形式产生的，钛元素富集区域清晰 可见；图 3（b）中的钛元素均匀分布在钛铝氧夹杂 物中. 图 3（a）和图 3（c）～图 3（e）展示了加入钛元 素之后，原有氧化铝表面上会出现一些钛元素的 富集区域，而尺寸较大的氧化铝夹杂物表面较为 容易出现钛元素的富集区域. (a) 1 μm (d) 2 μm (b) 1 μm (e) 20 μm (c) 2 μm (f) 2 μm 图 1    不锈钢中氧化铝夹杂三维形貌 Fig.1    Three-dimensional morphology of the alumina inclusions in stainless steels (a) 2 μm (b) 1 μm (c) 2 μm (d) 2 μm (e) 1 μm (f) 2 μm 图 2    不锈钢中氮化钛夹杂三维形貌 Fig.2    Three-dimensional morphology of the titanium nitride inclusions in stainless steels · 16 · 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1

张一民等：不锈钢中夹杂物三维形貌及其热力学计算 17 (a) Rich-Ti area (b) (c) Rich-Ti area 2μm 2 um 1μm (d) (e) Rich-Ti area Rich-Ti area 3 um 2μm 图3不锈钢中钛铝夹杂三维形貌 Fig.3 Three-dimensional morphology of the titanium and aluminum inclusions in stainless steels 与图3相比，图4中钛铝夹杂物以氮化钛+氧 氮化钛夹杂物尺寸都比较小，一般不超过1m 化铝的形式存在，其高倍三维形貌具有了明显的 2.3硅铝夹杂 棱角形态，这种类型的夹杂物被认为是氨化钛在 图5为电解得到的钢中硅铝夹杂物，这类型夹 氧化铝夹杂物表面析出和长大，但是这些析出的 杂物多为球状夹杂物，尺寸多在1~2m之间. (a) TiN (b) 300nm 1m (c) (d) TiN TiN I um 1μm 图4不锈钢中钛铝夹杂（氨化钛+氧化铝）三维形貌高倍图 Fig.4 Three-dimensional morphology of the titanium and aluminum inclusions(titanium nitride alumina)in stainless steels at high magnification (a) (b) 图5不锈钢中硅铝夹杂三维形貌 Fig.5 Three-dimensional morphology of the silicon-aluminum inclusions in stainless steels

与图 3 相比，图 4 中钛铝夹杂物以氮化钛+氧 化铝的形式存在，其高倍三维形貌具有了明显的 棱角形态，这种类型的夹杂物被认为是氮化钛在 氧化铝夹杂物表面析出和长大，但是这些析出的 氮化钛夹杂物尺寸都比较小，一般不超过 1 μm. 2.3    硅铝夹杂 图 5 为电解得到的钢中硅铝夹杂物，这类型夹 杂物多为球状夹杂物，尺寸多在 1～2 μm 之间. (b) 2 μm (a) 2 μm Rich-Ti area (c) 1 μm Rich-Ti area 2 μm (e) Rich-Ti area (d) 3 μm Rich-Ti area 图 3    不锈钢中钛铝夹杂三维形貌 Fig.3    Three-dimensional morphology of the titanium and aluminum inclusions in stainless steels (a) (b) 300 nm 1 μm 1 μm 1 μm TiN TiN (c) (d) TiN TiN 图 4    不锈钢中钛铝夹杂（氮化钛+氧化铝）三维形貌高倍图 Fig.4    Three-dimensional morphology of the titanium and aluminum inclusions (titanium nitride + alumina) in stainless steels at high magnification (a) (b) 1 μm 1 μm 图 5    不锈钢中硅铝夹杂三维形貌 Fig.5    Three-dimensional morphology of the silicon-aluminum inclusions in stainless steels 张一民等： 不锈钢中夹杂物三维形貌及其热力学计算 · 17 ·