高锰高铝钢纯净度控制关键技术研究进展

　　摘要:汽车轻量化对低密度高锰高铝钢的需求日趋迫切,然而高锰高铝钢的大规模化生产仍受制于纯净度控制技术与连续浇注工艺。首先基于高锰高铝钢的成分特点,阐述了高锰高铝钢的微观组织特征,然后通过热力学模拟了高锰高铝钢中夹杂物的形成与演变规律,分析了不同Al和Mn含量对夹杂物的类型和含量的影响规律,最后总结了近年来国内外学者关于高锰高铝钢中夹杂物形成理论和实验研究,钢中高铝含量显著影响Al2O3、AlN及AlON的竞相析出以及影响MnS等夹杂的析出行为,进而从精炼渣、耐火材料和保护渣角度分析了高锰高铝钢冶炼特点并指出了其纯净度控制的关键方向。

　　关键词:高锰高铝钢;夹杂物析出;纯净度控制;耐火材料;保护渣

　　汽车轻量化是降低汽车排放、提高燃烧效率以及新能源汽车续航增程的有效措施,也是汽车材料发展的重要方向之一[1]。汽车质量每减少10%,燃油效率提高7%,尾气排放减少10%,制动距离减少5%,加速时间减少8%,轮胎寿命增加7%[2]。由于环保和节能的需要,汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的重点方向。

　　据世界汽车工业协会预测,在未来20年,钢铁仍将是主导汽车“白车身”的结构材料,汽车制造将向材料高强化、低密度轻量化方向发展[3]。Fe-Mn-Al-C系低密度高强钢是一类通过向含锰合金钢中加入较高含量的轻量化元素Al,使其密度较目前已开发出的第3代先进汽车钢(3G-AHSS)更低,同时具有更高的强塑积等特点的新型结构材料。

　　研究指出:钢中每添加质量分数为1%的Al,密度下降0.101g/cm3,可减重约1.3%;每添加质量分数为1%的C,密度下降0.41g/cm3,可减重约5.2%;每添加质量分数为1%的Mn,密度下降0.0085g/cm3,可减重约0.1%[4]。Fe-Mn-Al-C系低密度高强钢中加入高含量的Mn、Al等合金元素,对材料的组织调控和强韧化产生显著影响,人们对这类材料强韧性机制的了解仍待进一步深入。同时,由于钢中Mn和Al的合金比远高于常规钢种,因而在冶炼和浇铸过程中这种高锰高铝的钢水与包衬(钢包、中间包)耐火材料、与熔渣(连铸保护渣、精炼渣、中间包覆盖剂)之间的相互作用远超过常规钢种冶炼时产生的影响,因而大大提高了低密度高强钢工业化生产的难度。

　　迄今为止,人们对高锰高铝低密度钢冶炼过程中耐火材料的损毁机制,冶金渣(特别是连铸保护渣)成分大幅度变化导致性能恶化的机制,钢中非氧化物夹杂液析规律及非金属夹杂性质特点,乃至对冶炼过程的稳定顺行和最终产品质量的影响规律等了解十分有限。本文首先简述了Fe-Mn-Al-C系高锰高铝钢微观组织特征,以及高锰高铝钢中有害元素与夹杂物,然后重点探讨了高锰高铝钢中夹杂物的液析行为,进而从精炼渣、保护渣以及耐火材料角度分析了高锰高铝钢纯净度控制的关键技术,最后展望了未来重点研究方向,以期为低密度高锰高铝钢研究发展提供参考。

　　1高锰高铝钢的微观组织

　　Fe-Mn-Al-C低密度钢的合金成分设计主要是通过Mn、Al和C含量的调控,稳定基体奥氏体相,避免脆性金属间化合物在晶界形成,以获得较高的强度和高塑性[4-10]。通过合金添加和控制制备工艺来调控基体组织,促进纳米碳化物的析出,进一步提高其强度,同时兼顾抗腐蚀、抗氢脆等应用性能[11-13]。Fe-Mn-Al-C低密度高强钢大体可分为3类[8,14]:(1)铁素体基低密度钢,密度降低5%~10%,抗拉强度为400~800MPa,常温塑性较差,但合金含量低,适合在现有工艺条件下生产[15-17];(2)铁素体-奥氏体双相或多相组织基低密度钢,合金含量有所增加,密度降低可达17%,抗拉强度为400~1200MPa[18-22];(3)奥氏体基低密度钢,密度下降最大可达20%,抗拉强度为1000~1500MPa,伸长率为30%~80%[4,23-25]。其中铁素体-奥氏体双相组织低密度钢强韧化机制比较复杂,可以通过成分设计和组织调控获得比较广泛的强塑积,达到第3代先进汽车钢的性能指标[8]。

　　近年来,德国、日本和韩国等国家在开发高锰高铝钢的过程中,发现钢性能不仅取决于基体相,还取决于析出的短程有序相(SRO)、κ型碳化物和DO3等第二相金属间化合物[3,11,26-27](图2)。马普研究所[4]在研究高锰高铝钢时发现,通过冷轧、热处理获得的κ型碳化物显著提高钢的屈服强度和抗拉强度,同时大量研究表明其在提高钢的强度时,也显著降低了钢的加工硬化率、断裂伸长率和冲击韧性[28-30]。但是Park等[31]研究表明κ型碳化物对屈服强度的影响不大,而是基体生成了有序相DO3升高了超位错生核能,进而提高了强度。但是大量生成的DO3和B2等有序相也会导致合金脆化、延展性低的缺陷。

　　Sutou等[10]和Moon等[12]研究了κ型碳化物等第二相粒子对材料性能的影响规律,研究结果表明随着κ型碳化物的粗化及体积分数的增大,材料强度增加,同时其延展率明显降低,即κ型碳化物对Fe-Mn-Al-C钢力学性能的影响具有两重性。高锰高铝钢中第二相粒子的析出严重影响其综合性能,因此,对于高锰高铝钢中的基体相组织配比、有序相、碳化物等许多因素对动态变形过程中的耦合作用及韧脆转变的机制有待进一步深入研究。

　　2高锰高铝钢中有害元素与夹杂物

　　钢的纯净度通常由钢中有害元素(O、N、S、P等)的含量以及夹杂物的数量、形态、尺寸来评价[32]。高锰高铝钢中含有大量的Mn和Al合金元素,易与钢中有害元素生成MnS、Al2O3、AlN、AlON等夹杂物。Kang[33]、Tuling[34]、Steenken[35]等研究发现,AlN和MnS夹杂会恶化TWIP钢(Fe-(2.5~18.3)Mn-(0~8)Al-C)的热塑性,在严格控制N和S有害元素含量的同时控制夹杂物的形态对钢的性能至关重要。对于高锰高铝钢,P的质量分数大于0.006%时,会显著降低延展性和缺口韧性。Howell等发现,当P的质量分数从0.006%增加到0.043%时,高锰高铝钢的室温夏比V型冲击韧性(CVN)能量从73J/cm2降低到13.6J/cm2[36]。

　　Howell等[37]发现,P的质量分数从0.001%增加到0.07%时,显著降低了固溶处理钢的缺口韧性(从221J/cm2降低到32J/cm2),其断裂模式从韧性断裂转变为脆性解离状断裂。此外,P还被证明会偏析到奥氏体晶界,促进脆性共晶磷化物和碳化物的析出,最终导致较低的韧性和脆性[37]。因此,为了使高锰高铝钢获得优异的力学性能,应该尽量降低钢中有害元素与夹杂物的含量。然而相对于常规钢种,高锰高铝钢中引入大量的合金元素,如在其冶炼过程中加入大量的锰铁会不可避免地带入N、P、S等有害元素。

　　列举了几种常见高、中、低碳锰铁的成分与杂质含量,利用其数据模拟了当生产不同Mn含量的高锰高铝钢时所引入有害元素的含量变化,当生产质量分数为25%的Mn的高锰高铝钢时,所需加入的高碳锰铁引入的P、N和S的质量分数最高分别可达910×10-6、9×10-6和3×10-6;所需加入的低碳锰铁引入的P、N和S的质量分数最高分别可达586×10-6、38×10-6和5×10-6。因此选择纯度更高的原料或者优化生产工艺,进而减少钢中有害元素的含量势在必行。

　　3高锰高铝钢纯净度控制

　　3.1Fe-Mn-Al-C体系熔体热力学

　　Fe-Mn-Al-C系低密度高强钢中Al的质量分数可在2%~12%之间变化,钢液中高Al含量对溶解氧和氧化物夹杂析出的影响与常规钢种明显不同。平衡曲线和实验数据点走向,随Al含量增加,钢液中的溶解氧将降到一个低谷,之后因可能形成所谓的“Al-O原子团”,溶解氧含量随Al含量增加迅速回升。而溶解氧含量的增多必然会导致钢中氧化物夹杂增多,同时钢液中超高的Al、Mn含量也可能导致AlN和MnS等夹杂物析出行为的改变。

　　3.2高锰高铝钢中夹杂物析出规律

　　钢中高含量的Mn、Al等元素势必在冶炼和浇铸过程中对AlN、Al2O3、MnO·Al2O3、MgO·Al2O3和MnS等夹杂的析出行为产生影响。近年来,一些冶金学者开展了高锰高铝钢熔体中的夹杂物析出行为的研究,通过实验研究主要调查了Al、Mn含量变化对夹杂物析出种类、数量及形貌的影响规律。Alba[43]研究了Al含量对Fe-5Mn-xAl钢中夹杂物形成和特征的影响,结果发现Al的质量分数从0.4%增加到5.7%,夹杂物总量增加了2.5倍,主要是AlN夹杂物数量的增加;随着Al的质量分数从0.4%增加到3%,AlN-MnS复合夹杂的数量显著增加;此外,在质量分数为5.7%的Al的钢中出现了AlON夹杂物。

　　肖超等[44]研究了Al含量不同的3种典型的汽车用高强钢中夹杂物的数量、种类、析出温度的变化规律。结果表明,钢中Al的质量分数从0.054%增加到1.35%,夹杂物数量从每平方毫米平均38.28个减少到28.12个,钢中夹杂物的数量呈减少趋势。随着钢中Al的质量分数的增加,钢中氧化物夹杂的演变规律为Al2O3→MnO→MgO·Al2O3;铝系夹杂物的演变规律为Al2O3→AlN;硫化物夹杂的演变规律为MnS→MgS。

　　Park等[45]研究发现Fe-(10~20)Mn-(1~6)Al系钢中Al含量对夹杂物性质和数量有显著影响,夹杂物主要有Al2O3、AlN、MnS、MgO·Al2O3以及由它们组成的复合夹杂物。当钢中Al的质量分数从1%增加到3%的过程中,AlN-MnS复合夹杂物首先从16%增加到23%,随着Al的质量分数进一步增加到6%,其质量分数反而减少到20%。此外,还观察到随着Al的质量分数从3%增加到6%,AlON夹杂物增加了2倍。当Mn的质量分数从10%增加到20%,AlN、MnO·Al2O3、MnSAlON和MnS-AlN夹杂物的数量明显增加。高Mn含量会导致钢中N的溶解度增加,进而会导致AlN夹杂物的增加。

　　4结论与展望

　　高锰高铝钢因具有低密度和强塑积等优异特点,在汽车轻量化新型用钢方面具有极大的竞争优势。高锰高铝钢的广泛工业化生产有助于加快汽车轻量化,从而促进环保和节能的转型升级。然而,高锰高铝钢由于其成分的特殊性,在纯净度控制方面与常规钢种相比有所不同,尤其是高铝含量导致夹杂物析出类型、大小及数量上更为复杂。

　　钢铁论文范例： 钢铁行业成本预算系统开发应用实践

　　为了加快促进高锰高铝钢的大规模化工业生产,未来研究应重点关注以下几个方面:(1)高Al含量条件下FeMn-Al-C体系的高温熔体热力学研究,以及高锰高铝钢中夹杂物液析、凝固析出以及在热加工过程中的转变规律;(2)综合考虑高铝高锰钢液-精炼渣-耐火材料整个体系来设计优化精炼渣和耐火材料成分,通过三者协同优化控制高锰高铝钢的纯净度;(3)高锰高铝钢的大规模生产瓶颈仍受制于是否能浇注顺行,因此针对高铝高锰高温熔体的非反应性性保护渣的开发迫在眉睫,相关基础研究势在必行。

　　参考文献:

　　[1]赵征志,陈伟健,高鹏飞,等.先进高强度汽车用钢研究进展及展望[J].钢铁研究学报,2020,32(12):43.(ZhaoZZ,ChenWJ,GaoPF,etal.Progressandperspectiveofadvancedhighstrengthautomotivesteel[J].JournalofIronandSteelResearch,2020,32(12):43.)

　　[2]HamadaAS,KarjalainenLP,SomaniMC.Theinfluenceofaluminumonhotdeformationbehaviorandtensilepropertiesofhigh-MnTWIPsteels[J].MaterialsScienceandEngineering,2007,467A(1/2):114.

　　[3]ZuazoI,HallstedtB,LindahlB,etal.Low-densitysteels:Complexmetallurgyforautomotiveapplications[J].JOM,2014,66(9):1747.

　　作者：宋生强1,2,刘东明1,2,王金龙1,2,井润东1,2,薛正良1