409L鐵素體不銹鋼凝固組織的細(xì)晶均勻化及其機制研究.pdf

1、連鑄過程中，寬厚的鋼坯由于內(nèi)部的冷卻速度慢，將主要以柱狀晶的方式生長，導(dǎo)致晶粒粗大、中心偏析等缺陷，在后續(xù)熱軋時容易產(chǎn)生邊部裂紋。解決這一問題的關(guān)鍵是擴大鑄坯等軸晶區(qū)比例，細(xì)化晶粒尺寸。研究表明當(dāng)鋼液凝固前沿存在有效的異質(zhì)形核核心時，大量細(xì)小的等軸晶晶粒可以在熔體中形成，從而可以取代固有的柱狀晶組織，在減少中心偏析等缺陷的同時提高鋼坯熱延展性和抗熱裂性能。近年來，人們已經(jīng)認(rèn)識并重視第二相顆粒在改善鋼坯凝固微觀組織結(jié)構(gòu)中起到的重要作用。目

2、前，盡管目前存在多種鐵素體異質(zhì)形核機制，但是不同理論假說分歧嚴(yán)重，且與實驗現(xiàn)象存在矛盾。同時，市場上并沒有用于鋼的晶粒細(xì)化劑，相反對于鑄鐵和鎂鋁合金行業(yè)，已經(jīng)廣泛的使用晶粒細(xì)化劑用于對凝固微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化。因此，對鐵素體異質(zhì)形核機制的完善以及研制鋼的晶粒細(xì)化劑將具有重要的實用價值和理論意義。
　　 本論文通過計算機模擬技術(shù)采用第一性原理方法以及從頭算分子動力學(xué)方法從原子尺度揭示了TiN的表面性質(zhì)以及Fe原子在TiN表面通過吸

3、附堆垛規(guī)律的科學(xué)問題，為δ-Fe異質(zhì)形核行為的實驗現(xiàn)象提供了理論解釋。闡明了δ-Fe在 TiN、TiC及ZrN上異質(zhì)形核能力的差異，為δ-Fe最佳異質(zhì)形核核心的選擇提供了理論依據(jù)。同時，提出409L鐵素體不銹鋼晶粒細(xì)化劑的制備工藝。采用Fe-Ti合金熔體與氮氣原位反應(yīng)制備出含有彌散分布 TiN顆粒的Fe-Ti-N中間合金，并對制備Fe-Ti-N中間合金的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以及對其細(xì)化效果進(jìn)行了檢驗。
　　 取得以下主要研究結(jié)果：<

4、br>　　 對4種 TiN低指數(shù)表面的第一性原理計算表明，(001)，(110)，Ti終止以及N終止(111)面分別在具有5，11，13，以及11層原子結(jié)構(gòu)時收斂即表面構(gòu)型內(nèi)部具有體相特征；(001)面在絕大部分N化學(xué)勢區(qū)間內(nèi)表面能最低穩(wěn)定性最好。
　　 通過對3種Fe原子在 TiN(001)表面吸附初始構(gòu)型進(jìn)行分子動力學(xué)模擬，研究表明高溫下，F(xiàn)e原子在 TiN(001)面上的最佳吸附位置在N原子上方。研究發(fā)現(xiàn)3種δ-Fe/T

5、iN初始界面構(gòu)型經(jīng)過充分結(jié)構(gòu)弛豫后，F(xiàn)e-Ti型以及Fe-bridge型的δ-Fe/TiN界面經(jīng)過結(jié)構(gòu)弛豫后均轉(zhuǎn)變?yōu)镕e-N型δ-Fe/TiN界面構(gòu)型，說明Fe-N型δ-Fe/TiN界面結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。
　　 借助從頭算分子動力學(xué)方法從能量的角度對Fe原子在 TiN，TiC以及ZrN表面吸附以及δ-Fe在TiN，TiC以及ZrN表面異質(zhì)形核的難易程度進(jìn)行研究。計算結(jié)果表明Fe原子在 TiN(001)，TiC(001)以及ZrN(00

6、1)面上的吸附能分別為-3.15eV/atom，-3.12eV/atom以及-1.68eV/atom，同時計算得到δ-Fe/TiN、δ-Fe/TiC、δ-Fe/ZrN三個界面的界面能分別為1.08J/m2，1.09J/m2，1.14J/m2。通過對比上述吸附能及界面能可以得出如下結(jié)論：TiN促進(jìn)δ-Fe形核能力最強，TiC次之，ZrN最弱。
　　 通過對包括初始鈦含量、氮氣分壓、反應(yīng)時間以及冷卻方式在內(nèi)制備Fe-Ti-N中間合金

7、的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得一組最佳制備工藝參數(shù)：反應(yīng)溫度為1600℃，初始鈦含量為5wt.％，爐內(nèi)氮氣分壓為0.06MPa，剛玉管所通氮氣氣體流量為400ml/min，原位反應(yīng)總時間為10min，冷卻方式為隨爐冷卻。
　　 應(yīng)用Fe-Ti-N中間合金細(xì)化工業(yè)純鐵凝固組織的實驗結(jié)果表明，向工業(yè)純鐵中添加2wt.％含量的Fe-Ti-N中間合金后細(xì)化效果明顯，細(xì)化前后工業(yè)純鐵凝固組織中等軸晶區(qū)比例由30％提高至50％，等軸晶區(qū)平均晶粒尺

8、寸由700μm減小至400μm。
　　 研究Fe-Ti-N中間合金添加量、添加Fe-Ti-N中間合金時熔體的溫度以及添加Fe-Ti-N中間合后的保溫靜置時間等3個工藝參數(shù)對409L鐵素體不銹鋼凝固組織細(xì)化效果的影響。借助熱力學(xué)以及動力學(xué)計算對細(xì)化實驗結(jié)果進(jìn)行分析，研究表明提高Fe-Ti-N中間合金的添加量，降低添加Fe-Ti-N中間合金時的鋼液溫度以及縮短添加Fe-Ti-N中間合后的保溫靜置時間有利于提高409L鐵素體不銹鋼凝固