409L鐵素體不銹鋼凝固組織的細晶均勻化及其機制研究.pdf

1、連鑄過程中，寬厚的鋼坯由于內部的冷卻速度慢，將主要以柱狀晶的方式生長，導致晶粒粗大、中心偏析等缺陷，在后續(xù)熱軋時容易產生邊部裂紋。解決這一問題的關鍵是擴大鑄坯等軸晶區(qū)比例，細化晶粒尺寸。研究表明當鋼液凝固前沿存在有效的異質形核核心時，大量細小的等軸晶晶?？梢栽谌垠w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，人們已經認識并重視第二相顆粒在改善鋼坯凝固微觀組織結構中起到的重要作用。目

2、前，盡管目前存在多種鐵素體異質形核機制，但是不同理論假說分歧嚴重，且與實驗現象存在矛盾。同時，市場上并沒有用于鋼的晶粒細化劑，相反對于鑄鐵和鎂鋁合金行業(yè)，已經廣泛的使用晶粒細化劑用于對凝固微觀組織結構進行細化。因此，對鐵素體異質形核機制的完善以及研制鋼的晶粒細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采用第一性原理方法以及從頭算分子動力學方法從原子尺度揭示了TiN的表面性質以及Fe原子在TiN表面通過吸

3、附堆垛規(guī)律的科學問題，為δ-Fe異質形核行為的實驗現象提供了理論解釋。闡明了δ-Fe在 TiN、TiC及ZrN上異質形核能力的差異，為δ-Fe最佳異質形核核心的選擇提供了理論依據。同時，提出409L鐵素體不銹鋼晶粒細化劑的制備工藝。采用Fe-Ti合金熔體與氮氣原位反應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進行優(yōu)化以及對其細化效果進行了檢驗。
　　 取得以下主要研究結果：<

4、br>　　 對4種 TiN低指數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層原子結構時收斂即表面構型內部具有體相特征；(001)面在絕大部分N化學勢區(qū)間內表面能最低穩(wěn)定性最好。
　　 通過對3種Fe原子在 TiN(001)表面吸附初始構型進行分子動力學模擬，研究表明高溫下，Fe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3種δ-Fe/T

5、iN初始界面構型經過充分結構弛豫后，Fe-Ti型以及Fe-bridge型的δ-Fe/TiN界面經過結構弛豫后均轉變?yōu)镕e-N型δ-Fe/TiN界面構型，說明Fe-N型δ-Fe/TiN界面結構最穩(wěn)定。
　　 借助從頭算分子動力學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表面異質形核的難易程度進行研究。計算結果表明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論：TiN促進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、反應時間以及冷卻方式在內制備Fe-Ti-N中間合金

7、的工藝參數進行優(yōu)化，獲得一組最佳制備工藝參數：反應溫度為1600℃，初始鈦含量為5wt.％，爐內氮氣分壓為0.06MPa，剛玉管所通氮氣氣體流量為400ml/min，原位反應總時間為10min，冷卻方式為隨爐冷卻。
　　 應用Fe-Ti-N中間合金細化工業(yè)純鐵凝固組織的實驗結果表明，向工業(yè)純鐵中添加2wt.％含量的Fe-Ti-N中間合金后細化效果明顯，細化前后工業(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個工藝參數對409L鐵素體不銹鋼凝固組織細化效果的影響。借助熱力學以及動力學計算對細化實驗結果進行分析，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