摘要:汽車輕量化對低密度高錳高鋁鋼的需求日趨迫切,然而高錳高鋁鋼的大規�；�生產仍受制于純凈度控制技術與連續澆注工藝。首先基于高錳高鋁鋼的成分特點,闡述了高錳高鋁鋼的微觀組織特征,然后通過熱力學模擬了高錳高鋁鋼中夾雜物的形成與演變規律,分析了不同Al和Mn含量對夾雜物的類型和含量的影響規律,最后總結了近年來國內外學者關于高錳高鋁鋼中夾雜物形成理論和實驗研究,鋼中高鋁含量顯著影響Al2O3、AlN及AlON的競相析出以及影響MnS等夾雜的析出行為,進而從精煉渣、耐火材料和保護渣角度分析了高錳高鋁鋼冶煉特點并指出了其純凈度控制的關鍵方向。

　　關鍵詞:高錳高鋁鋼;夾雜物析出;純凈度控制;耐火材料;保護渣

　　汽車輕量化是降低汽車排放、提高燃燒效率以及新能源汽車續航增程的有效措施,也是汽車材料發展的重要方向之一[1]。汽車質量每減少10%,燃油效率提高7%,尾氣排放減少10%,制動距離減少5%,加速時間減少8%,輪胎壽命增加7%[2]。由于環保和節能的需要,汽車的輕量化已經成為世界汽車發展的重點方向。

　　據世界汽車工業協會預測,在未來20年,鋼鐵仍將是主導汽車“白車身”的結構材料,汽車制造將向材料高強化、低密度輕量化方向發展[3]。Fe-Mn-Al-C系低密度高強鋼是一類通過向含錳合金鋼中加入較高含量的輕量化元素Al,使其密度較目前已開發出的第3代先進汽車鋼(3G-AHSS)更低,同時具有更高的強塑積等特點的新型結構材料。

　　研究指出:鋼中每添加質量分數為1%的Al,密度下降0.101g/cm3,可減重約1.3%;每添加質量分數為1%的C,密度下降0.41g/cm3,可減重約5.2%;每添加質量分數為1%的Mn,密度下降0.0085g/cm3,可減重約0.1%[4]。Fe-Mn-Al-C系低密度高強鋼中加入高含量的Mn、Al等合金元素,對材料的組織調控和強韌化產生顯著影響,人們對這類材料強韌性機制的了解仍待進一步深入。同時,由于鋼中Mn和Al的合金比遠高于常規鋼種,因而在冶煉和澆鑄過程中這種高錳高鋁的鋼水與包襯(鋼包、中間包)耐火材料、與熔渣(連鑄保護渣、精煉渣、中間包覆蓋劑)之間的相互作用遠超過常規鋼種冶煉時產生的影響,因而大大提高了低密度高強鋼工業化生產的難度。

　　迄今為止,人們對高錳高鋁低密度鋼冶煉過程中耐火材料的損毀機制,冶金渣(特別是連鑄保護渣)成分大幅度變化導致性能惡化的機制,鋼中非氧化物夾雜液析規律及非金屬夾雜性質特點,乃至對冶煉過程的穩定順行和最終產品質量的影響規律等了解十分有限。本文首先簡述了Fe-Mn-Al-C系高錳高鋁鋼微觀組織特征,以及高錳高鋁鋼中有害元素與夾雜物,然后重點探討了高錳高鋁鋼中夾雜物的液析行為,進而從精煉渣、保護渣以及耐火材料角度分析了高錳高鋁鋼純凈度控制的關鍵技術,最后展望了未來重點研究方向,以期為低密度高錳高鋁鋼研究發展提供參考。

　　1高錳高鋁鋼的微觀組織

　　Fe-Mn-Al-C低密度鋼的合金成分設計主要是通過Mn、Al和C含量的調控,穩定基體奧氏體相,避免脆性金屬間化合物在晶界形成,以獲得較高的強度和高塑性[4-10]。通過合金添加和控制制備工藝來調控基體組織,促進納米碳化物的析出,進一步提高其強度,同時兼顧抗腐蝕、抗氫脆等應用性能[11-13]。Fe-Mn-Al-C低密度高強鋼大體可分為3類[8,14]:(1)鐵素體基低密度鋼,密度降低5%~10%,抗拉強度為400~800MPa,常溫塑性較差,但合金含量低,適合在現有工藝條件下生產[15-17];(2)鐵素體-奧氏體雙相或多相組織基低密度鋼,合金含量有所增加,密度降低可達17%,抗拉強度為400~1200MPa[18-22];(3)奧氏體基低密度鋼,密度下降最大可達20%,抗拉強度為1000~1500MPa,伸長率為30%~80%[4,23-25]。其中鐵素體-奧氏體雙相組織低密度鋼強韌化機制比較復雜,可以通過成分設計和組織調控獲得比較廣泛的強塑積,達到第3代先進汽車鋼的性能指標[8]。

　　近年來,德國、日本和韓國等國家在開發高錳高鋁鋼的過程中,發現鋼性能不僅取決于基體相,還取決于析出的短程有序相(SRO)、κ型碳化物和DO3等第二相金屬間化合物[3,11,26-27](圖2)。馬普研究所[4]在研究高錳高鋁鋼時發現,通過冷軋、熱處理獲得的κ型碳化物顯著提高鋼的屈服強度和抗拉強度,同時大量研究表明其在提高鋼的強度時,也顯著降低了鋼的加工硬化率、斷裂伸長率和沖擊韌性[28-30]。但是Park等[31]研究表明κ型碳化物對屈服強度的影響不大,而是基體生成了有序相DO3升高了超位錯生核能,進而提高了強度。但是大量生成的DO3和B2等有序相也會導致合金脆化、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對材料性能的影響規律,研究結果表明隨著κ型碳化物的粗化及體積分數的增大,材料強度增加,同時其延展率明顯降低,即κ型碳化物對Fe-Mn-Al-C鋼力學性能的影響具有兩重性。高錳高鋁鋼中第二相粒子的析出嚴重影響其綜合性能,因此,對于高錳高鋁鋼中的基體相組織配比、有序相、碳化物等許多因素對動態變形過程中的耦合作用及韌脆轉變的機制有待進一步深入研究。

　　2高錳高鋁鋼中有害元素與夾雜物

　　鋼的純凈度通常由鋼中有害元素(O、N、S、P等)的含量以及夾雜物的數量、形態、尺寸來評價[32]。高錳高鋁鋼中含有大量的Mn和Al合金元素,易與鋼中有害元素生成MnS、Al2O3、AlN、AlON等夾雜物。Kang[33]、Tuling[34]、Steenken[35]等研究發現,AlN和MnS夾雜會惡化TWIP鋼(Fe-(2.5~18.3)Mn-(0~8)Al-C)的熱塑性,在嚴格控制N和S有害元素含量的同時控制夾雜物的形態對鋼的性能至關重要。對于高錳高鋁鋼,P的質量分數大于0.006%時,會顯著降低延展性和缺口韌性。Howell等發現,當P的質量分數從0.006%增加到0.043%時,高錳高鋁鋼的室溫夏比V型沖擊韌性(CVN)能量從73J/cm2降低到13.6J/cm2[36]。

　　Howell等[37]發現,P的質量分數從0.001%增加到0.07%時,顯著降低了固溶處理鋼的缺口韌性(從221J/cm2降低到32J/cm2),其斷裂模式從韌性斷裂轉變為脆性解離狀斷裂。此外,P還被證明會偏析到奧氏體晶界,促進脆性共晶磷化物和碳化物的析出,最終導致較低的韌性和脆性[37]。因此,為了使高錳高鋁鋼獲得優異的力學性能,應該盡量降低鋼中有害元素與夾雜物的含量。然而相對于常規鋼種,高錳高鋁鋼中引入大量的合金元素,如在其冶煉過程中加入大量的錳鐵會不可避免地帶入N、P、S等有害元素。

　　列舉了幾種常見高、中、低碳錳鐵的成分與雜質含量,利用其數據模擬了當生產不同Mn含量的高錳高鋁鋼時所引入有害元素的含量變化,當生產質量分數為25%的Mn的高錳高鋁鋼時,所需加入的高碳錳鐵引入的P、N和S的質量分數最高分別可達910×10-6、9×10-6和3×10-6;所需加入的低碳錳鐵引入的P、N和S的質量分數最高分別可達586×10-6、38×10-6和5×10-6。因此選擇純度更高的原料或者優化生產工藝,進而減少鋼中有害元素的含量勢在必行。

　　3高錳高鋁鋼純凈度控制

　　3.1Fe-Mn-Al-C體系熔體熱力學

　　Fe-Mn-Al-C系低密度高強鋼中Al的質量分數可在2%~12%之間變化,鋼液中高Al含量對溶解氧和氧化物夾雜析出的影響與常規鋼種明顯不同。平衡曲線和實驗數據點走向,隨Al含量增加,鋼液中的溶解氧將降到一個低谷,之后因可能形成所謂的“Al-O原子團”,溶解氧含量隨Al含量增加迅速回升。而溶解氧含量的增多必然會導致鋼中氧化物夾雜增多,同時鋼液中超高的Al、Mn含量也可能導致AlN和MnS等夾雜物析出行為的改變。

　　3.2高錳高鋁鋼中夾雜物析出規律

　　鋼中高含量的Mn、Al等元素勢必在冶煉和澆鑄過程中對AlN、Al2O3、MnO·Al2O3、MgO·Al2O3和MnS等夾雜的析出行為產生影響。近年來,一些冶金學者開展了高錳高鋁鋼熔體中的夾雜物析出行為的研究,通過實驗研究主要調查了Al、Mn含量變化對夾雜物析出種類、數量及形貌的影響規律。Alba[43]研究了Al含量對Fe-5Mn-xAl鋼中夾雜物形成和特征的影響,結果發現Al的質量分數從0.4%增加到5.7%,夾雜物總量增加了2.5倍,主要是AlN夾雜物數量的增加;隨著Al的質量分數從0.4%增加到3%,AlN-MnS復合夾雜的數量顯著增加;此外,在質量分數為5.7%的Al的鋼中出現了AlON夾雜物。

　　肖超等[44]研究了Al含量不同的3種典型的汽車用高強鋼中夾雜物的數量、種類、析出溫度的變化規律。結果表明,鋼中Al的質量分數從0.054%增加到1.35%,夾雜物數量從每平方毫米平均38.28個減少到28.12個,鋼中夾雜物的數量呈減少趨勢。隨著鋼中Al的質量分數的增加,鋼中氧化物夾雜的演變規律為Al2O3→MnO→MgO·Al2O3;鋁系夾雜物的演變規律為Al2O3→AlN;硫化物夾雜的演變規律為MnS→MgS。

　　Park等[45]研究發現Fe-(10~20)Mn-(1~6)Al系鋼中Al含量對夾雜物性質和數量有顯著影響,夾雜物主要有Al2O3、AlN、MnS、MgO·Al2O3以及由它們組成的復合夾雜物。當鋼中Al的質量分數從1%增加到3%的過程中,AlN-MnS復合夾雜物首先從16%增加到23%,隨著Al的質量分數進一步增加到6%,其質量分數反而減少到20%。此外,還觀察到隨著Al的質量分數從3%增加到6%,AlON夾雜物增加了2倍。當Mn的質量分數從10%增加到20%,AlN、MnO·Al2O3、MnSAlON和MnS-AlN夾雜物的數量明顯增加。高Mn含量會導致鋼中N的溶解度增加,進而會導致AlN夾雜物的增加。

　　4結論與展望

　　高錳高鋁鋼因具有低密度和強塑積等優異特點,在汽車輕量化新型用鋼方面具有極大的競爭優勢。高錳高鋁鋼的廣泛工業化生產有助于加快汽車輕量化,從而促進環保和節能的轉型升級。然而,高錳高鋁鋼由于其成分的特殊性,在純凈度控制方面與常規鋼種相比有所不同,尤其是高鋁含量導致夾雜物析出類型、大小及數量上更為復雜。

　　鋼鐵論文范例： 鋼鐵行業成本預算系統開發應用實踐

　　為了加快促進高錳高鋁鋼的大規�；�工業生產,未來研究應重點關注以下幾個方面:(1)高Al含量條件下FeMn-Al-C體系的高溫熔體熱力學研究,以及高錳高鋁鋼中夾雜物液析、凝固析出以及在熱加工過程中的轉變規律;(2)綜合考慮高鋁高錳鋼液-精煉渣-耐火材料整個體系來設計優化精煉渣和耐火材料成分,通過三者協同優化控制高錳高鋁鋼的純凈度;(3)高錳高鋁鋼的大規模生產瓶頸仍受制于是否能澆注順行,因此針對高鋁高錳高溫熔體的非反應性性保護渣的開發迫在眉睫,相關基礎研究勢在必行。

　　參考文獻:

　　[1]趙征志,陳偉健,高鵬飛,等.先進高強度汽車用鋼研究進展及展望[J].鋼鐵研究學報,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：宋生強1,2,劉東明1,2,王金龍1,2,井潤東1,2,薛正良1