飛納鋼鐵夾雜物系統(tǒng)助力高錳鋼性能分析:從微觀洞察到工藝優(yōu)化的全鏈條賦能
高錳鋼(High Manganese Steel)是一種以錳(11%-14%)和碳(1.0%-1.4%)為主要合金元素的高強(qiáng)度合金鋼,,因其加工硬化特性(受沖擊或壓力后表面硬化,,內(nèi)部保持韌性)和優(yōu)異的耐磨性,、抗沖擊性,,被廣泛應(yīng)用于多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域,。
隨著全球汽車行業(yè)對節(jié)能減排和輕量化需求的急劇攀升,,根據(jù)國際能源署(IEA)數(shù)據(jù),,交通運(yùn)輸領(lǐng)域的碳排放占全球總量的 24%,,而汽車輕量化是降低能耗的核心路徑之一,。每減輕 10% 的車身重量,可降低 6%-8% 的燃油消耗,,因此,,在汽車的鋼材方面,高錳鋼因其優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性,,成為替代傳統(tǒng)鋼材的理想選擇,。這個(gè)具有百年歷史鋼種的應(yīng)用領(lǐng)域從最初的耐磨鋼領(lǐng)域,逐漸拓展到無磁鋼,、汽車鋼,、腐蝕及低溫環(huán)境用鋼,甚至功能材料領(lǐng)域,,形成了多個(gè)關(guān)鍵鋼鐵材料品種,,成為特種鋼領(lǐng)域最典型,、應(yīng)用領(lǐng)域廣的鋼種系列,極大地豐富了鋼鐵材料世界,。
高錳鋼的密度較高,,且生產(chǎn)過程中易因錳元素氧化造成成分波動(dòng),影響性能穩(wěn)定性,。因此,,如何在保證性能的同時(shí)進(jìn)一步降低材料密度、優(yōu)化生產(chǎn)工藝,,成為現(xiàn)階段能實(shí)現(xiàn)材料大范圍應(yīng)用的亟待解決的問題之一,。
鋁元素的加入為這一問題提供了雙重解決方案:一方面,鋁可降低鋼材密度(每添加 1wt% 鋁,,密度降低約 1.3%),;另一方面,鋁能提高層錯(cuò)能(SFE),,抑制延遲斷裂,,同時(shí)優(yōu)化鋼與熔渣的反應(yīng)過程。然而,,非金屬夾雜物(如 AlN,、MnS 等)的尺寸、類型及分布直接影響其熱延展性與服役性能,。傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡僅能評估夾雜物形貌,,無法實(shí)現(xiàn)成分精準(zhǔn)分類與納米級定量統(tǒng)計(jì),制約工藝優(yōu)化效率,。
//PART02//鋁元素對高錳鋼性能的影響
01鋁替代錳:減少錳損失,,優(yōu)化成分穩(wěn)定性
當(dāng)鋁含量從 0.035wt% 提升至 2wt% 時(shí),鋁逐漸取代錳成為熔渣中 SiO 的主要還原劑,,顯著抑制錳的氧化損失,。實(shí)驗(yàn)表明,鋁含量為 0.035wt% 時(shí),,鋼中錳含量降至 9.62%,,而鋁含量升至 0.5wt% 后,錳含量穩(wěn)定在 10% 以上,,由此可見加入鋁可以有效降低原材料成本,,減少貴金屬的損失,。
02成分演變:硅含量提升,,熔渣 Al?O? 富集
鋁與熔渣中的SiO反應(yīng)生成 Al?O? 和 Si,導(dǎo)致鋼中硅的含量增加,,而熔渣中的 SiO? 含量降低,,Al?O? 的含量提升,。硅含量的提升可進(jìn)一步強(qiáng)化鋼的強(qiáng)度,而 Al?O? 的富集則有助于提高熔渣的脫硫能力,,優(yōu)化精煉效率,。
03夾雜物演變:從 MnO 到復(fù)合氧化物
鋁含量對夾雜物類型和形貌的影響尤為顯著,高錳 TWIP 鋼因其高強(qiáng)度,、高韌性成為汽車輕量化核心材料,,但非金屬夾雜物(如 AlN、MnS 等)的尺寸,、類型及分布直接影響其熱延展性與服役性能,。
北京科技大學(xué)團(tuán)隊(duì) 采用了 Explorer 4 夾雜物自動(dòng)分析系統(tǒng)檢測鋼中夾雜物,分析夾雜物的成型機(jī)理及規(guī)律,。傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡(OM)僅能評估夾雜物形貌,,無法實(shí)現(xiàn)成分精準(zhǔn)分類與統(tǒng)計(jì),制約工藝優(yōu)化效率,;而夾雜物自動(dòng)分析系統(tǒng)以掃描電鏡和能譜儀為硬件基礎(chǔ),,可以全自動(dòng)對鋼中非金屬夾雜物進(jìn)行快速識別、分析和分類統(tǒng)計(jì),,為客戶的研發(fā)及生產(chǎn)提供快速,、準(zhǔn)確和可靠的定量數(shù)據(jù)支持。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):
低鋁(0.035wt%):當(dāng) Al 含量為 0.035% 時(shí),,主要為球狀 MnO 夾雜(圖1),。
(圖1)
中鋁(0.5wt%-1wt%):當(dāng) Al≥0.5% 時(shí),Al 還原渣或坩堝中的 MgO,,生成 MgO–Al?O? 尖晶石,,夾雜物類型轉(zhuǎn)變?yōu)橐?MnO–Al?O?–MgO 為主,中心為 MgO,,外圍為 MnO–MgO–Al?O? 復(fù)合相,,形狀不規(guī)則(圖2)。
(圖2)
Al 進(jìn)一步增加時(shí),,Mg 還原量增加,,MgO 成為夾雜主體,以 MgO 為主(圖3a),,部分含少量 MnO(圖3b),,形狀呈多面體。
(圖3)
高鋁(2wt%):Al=2% 時(shí),,Ca 被還原進(jìn)入鋼液,,導(dǎo)致夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)楹?CaO 的復(fù)合相,夾雜物出現(xiàn) Ca 成分,,主要為 MnO–CaO–Al?O?–MgO 及 MnO–CaO–MgO 型,,形狀恢復(fù)球形,。
(圖4)
夾雜物平均成分的變化中,隨初始 Al 增加,,MnO 含量下降,,MgO 與 Al?O? 占比變化顯著。當(dāng) Al=1% 時(shí),,MgO 含量達(dá)峰值,;Al=2% 時(shí),CaO 含量顯著上升,。
夾雜物尺寸分布的變化中,,1–2 μm 占比最大,但2–3 μm 與 3–4 μm 比例在 2,、3 號樣中增加,,4 號樣則減小。平均尺寸呈先增后減趨勢,,與 MgO 含量變化一致,。
夾雜物形貌演變:球形→不規(guī)則→多面體→球形。不規(guī)則夾雜物尺寸較大,。
因此,,通過調(diào)控鋁含量,企業(yè)可精準(zhǔn)設(shè)計(jì)夾雜物類型,,避免大尺寸硬質(zhì)夾雜對材料韌性的損害,,同時(shí)利用球形夾雜改善加工性能。
04鋁對于高錳鋼的耐腐蝕性影響
G. M. Barona-Osorio等人對于鋁元素對于高錳鋼的耐腐蝕性能的影響做了相關(guān)的研究,。研究發(fā)現(xiàn),,圖 3 顯示了這種腐蝕形式的掃描電鏡顯微照片。對于參考合金未添加鋁元素的情況下,,在晶界處看到高度腐蝕的區(qū)域,,表明發(fā)生了晶間腐蝕。這是由于在晶間位置會(huì)形成 MnS 夾雜物,,高含量的 Mn 不利于耐腐蝕性,,而 MnS 夾雜物是局部腐蝕的潛在部位,如點(diǎn)蝕和晶間侵蝕,,再加上缺乏足夠的保護(hù)性氧化物形成,。而添加了不同含量的鋁元素后的兩種合金表面只出現(xiàn)了一些凹坑和區(qū)域,沒有腐蝕侵蝕,。所有合金都可能遭受局部腐蝕,,但較高的 Al 含量與 Cr 相結(jié)合可以提高氧化層的穩(wěn)定性和均勻性,從而有助于減少點(diǎn)蝕的大小。
//PART03//ParticleX 全自動(dòng)夾雜物分析
多維解析夾雜物全生命周期
01納米級成像:捕捉夾雜物“基因密碼”
SEM 可結(jié)合二次電子(SE)與背散射電子(BSE)信號,,清晰區(qū)分不同夾雜物與基體的形貌差異,揭示夾雜物演變機(jī)制,。
轉(zhuǎn)爐初煉鋼和鋁鎮(zhèn)靜鋼中典型夾雜物形貌
02能譜分析(EDS):成分鑒定的“火眼金睛”
SEM-EDS 聯(lián)用可快速鑒別夾雜物化學(xué)成分,。例如可以通過 SEM 圖像與 EDS 元素分布情況來分析單一相或是復(fù)合相非金屬夾雜物的分布及形成機(jī)理,從而改善工藝來調(diào)控夾雜物的尺寸等,。
MgO 與 CaS 復(fù)合夾雜物 SEM-EDS 圖像
03原位統(tǒng)計(jì)與自動(dòng)化:數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工藝革命
ParticleX 全自動(dòng)夾雜物分析系統(tǒng)可對大尺寸樣品進(jìn)行原位統(tǒng)計(jì),,輸出夾雜物數(shù)量、尺寸分布,、體積分?jǐn)?shù)及三元相圖成分分布等結(jié)果,。相比手動(dòng)分析,效率提升 10 倍以上,,且支持一鍵定位異常夾雜物進(jìn)行深度分析,。
參考文獻(xiàn)
[1] Huixiang Yu, Dexin Yang, Jiaming Zhang, Guangyuan Qiu, and Ni Zhang, Effect of Al content on the reaction between Fe?10Mn?xAl (x = 0.035wt%, 0.5wt%, 1wt%, and 2wt%) steel and CaO?SiO2?Al2O3?MgO slag, Int. J. Miner. Metall. Mater., 29(2022), No. 2, pp.256-262.
[2] Wang, YN., Yang, J., Wang, RZ. et al. Effects of Non-metallic Inclusions on Hot Ductility of High Manganese TWIP Steels Containing Different Aluminum Contents. Metall Mater Trans B 47, 1697–1712 (2016).
[3] S.H. Mousavi Anijdan, M. Sabzi, H. Najafi, M. Jafari, A.R. Eivani, N. Park, H.R. Jafarian,
The influence of aluminum on microstructure, mechanical properties and wear performance of Fe–14%Mn–1.05%C manganese steel,Journal of Materials Research and Technology,Volume 15,2021,Pages 4768-4780,ISSN 2238-7854
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