不同強(qiáng)度級(jí)別簾線鋼中Ti（CxN1－x）夾雜分析

余晨帆，薛正良

（武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081）

高碳簾線鋼盤條是生產(chǎn)輪胎子午線（俗稱鋼簾線）的原料。為避免盤條在拉拔和捻股過(guò)程中斷絲，要求簾線鋼在冶煉和凝固過(guò)程中盡量避免析出不變形的非金屬夾雜物。簾線鋼中常見(jiàn)的不變形非金屬夾雜物包括氧化物夾雜（Al2O3、SiO2以及高 Al2O3含量的鋁硅酸鹽）［1－2］和鈦夾雜（TiN 和 Ti（CxN1－x））［3－5］。目前已基本解決鋼中不變形氧化物夾雜的析出問(wèn)題［6－8］，但對(duì)鈦夾雜析出規(guī)律的認(rèn)識(shí)和生產(chǎn)控制還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。而鈦夾雜的熔點(diǎn)和硬度相對(duì)較高，其產(chǎn)生的危害遠(yuǎn)比氧化物夾雜大，如尺寸為6μm的TiN夾雜對(duì)鋼材性能的惡化作用相當(dāng)于25μm的氧化物夾雜［9］。由此可見(jiàn)，簾線鋼中鈦夾雜的析出控制十分重要。

近年來(lái)，為實(shí)現(xiàn)輪胎輕量化，生產(chǎn)輪胎子午線的高碳簾線鋼的強(qiáng)度級(jí)別不斷提高，鋼號(hào)已從21世紀(jì)初的72A級(jí)逐漸發(fā)展到目前的超高強(qiáng)度82A乃至92A級(jí)。國(guó)際著名鋼簾線生產(chǎn)商貝卡爾特鋼簾線有限公司提出82A級(jí)盤條中鈦夾雜尺寸應(yīng)不大于4μm的嚴(yán)苛要求。武漢鋼鐵集團(tuán)公司生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼中w（Ti）×w（N）≤200×10－12時(shí)，即可避免析出尺寸大于4μm的鈦夾雜。目前，各煉鋼廠在生產(chǎn)過(guò)共析簾線鋼時(shí)通過(guò)進(jìn)一步降低鋼水中Ti含量，特別是控制N含量來(lái)控制鈦夾雜的析出［10］。為此，本文研究不同強(qiáng)度級(jí)別的簾線鋼中鋼液凝固析出鈦夾雜尺寸和成分與鋼水碳含量之間的關(guān)系，以期為超高強(qiáng)度級(jí)別簾線鋼生產(chǎn)過(guò)程中鈦夾雜的控制提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

某鋼廠生產(chǎn)的72A連鑄坯化學(xué)成分如表1所示。由表1可知，連鑄坯中Ti、N含量很低，導(dǎo)致其金相試樣中沒(méi)有足夠多的鈦夾雜樣本用于尺寸分布統(tǒng)計(jì)。為此，本實(shí)驗(yàn)在鋼樣熔煉時(shí)加入一定量的Ti和N，以便能析出足夠數(shù)目的鈦夾雜。鋼樣熔煉以該72A鑄坯為原料，在25kg真空感應(yīng)爐中完成。過(guò)程中加定量的光譜石墨調(diào)整鋼液中的C含量，以達(dá)到82A（w（C）＝0.82%）、92A（w（C）＝0.92%）級(jí)簾線鋼的要求，加入 TiN顆粒增加鋼液中的T、N含量。TiN顆粒形貌如圖1所示，其顆粒尺寸為50～70μm，是由海綿鈦高溫氮化得到的金黃色海綿狀TiN細(xì)磨而成。實(shí)驗(yàn)共熔煉出12個(gè)小鋼錠，其中72A、82A、92A三個(gè)鋼種各4個(gè)。通過(guò)化學(xué)成分分析，從中挑選出Ti、N含量相近的三種鋼錠各1個(gè)進(jìn)行鈦夾雜檢測(cè)和尺寸分布統(tǒng)計(jì)分析，鋼樣編號(hào)為1＃（72A）、2＃（82A）、3＃（92A），其化學(xué)成分如表2所示。

表1 72A連鑄坯化學(xué)成分（wB／%）Table1 Chemical compositions of 72Acontinuous casting billet

圖1 氮化鈦顆粒形貌Fig.1 Morphologies of TiN particle

1.2 檢測(cè)分析

表2 簾線鋼鋼錠實(shí)際化學(xué)成分（wB／%）Table2 Actual chemical compositions of cord steel ingot

2 結(jié)果與分析

2.1 鈦夾雜形貌

2＃鋼樣金相試樣上觀察到的鈦夾雜的形貌如圖2所示，其經(jīng)電解萃取后觀察到的鈦夾雜形貌如圖3所示。1＃和3＃鋼樣中觀察到的鈦夾雜形貌與2＃鋼樣中觀察結(jié)果相似。

圖2 2＃鋼樣中的鈦夾雜形貌Fig.2 Morphologies of titanium inclusions in Sample 2＃

圖3 電解萃取2＃鋼樣中的鈦夾雜形貌Fig.3 Morphologies of titanium inclusions in Sample 2＃treated by electrolytic extraction

將圖2和圖3中觀察到的鈦夾雜形貌與圖1所示的TiN顆粒形貌進(jìn)行比較，可發(fā)現(xiàn)兩者存在本質(zhì)區(qū)別：2＃鋼樣中檢測(cè)到的鈦夾雜顆粒形狀規(guī)則，呈立方體、長(zhǎng)方體或?qū)\生體，表明它們是在鋼液凝固過(guò)程中經(jīng)形核—析出—長(zhǎng)大形成的。因此，可以認(rèn)為在真空感應(yīng)爐熔煉的過(guò)程中，加入鋼液中的TiN顆粒已完全溶解，即檢測(cè)到的鈦夾雜尺寸并不會(huì)受TiN顆粒尺寸的影響。

2.2 鈦夾雜物尺寸及其分布

金相顯微鏡下觀察到鈦夾雜顏色與鋼樣本身的成分有關(guān)：低碳鋼中鈦夾雜一般呈金黃色，主要組成為TiN；而在簾線鋼這樣的高碳鋼中鈦夾雜呈紅色，其中82A、92A過(guò)共析鋼中鈦夾雜大多呈磚紅色［3］。本研究觀察到鈦夾雜在金相顯微鏡下呈紅色，據(jù)此由圖像分析儀統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，1＃、2＃、3＃鋼樣中鈦夾雜數(shù)量分別為79、68和84個(gè)，尺寸分布結(jié)果如表3所示。由表3可見(jiàn)，隨著簾線鋼強(qiáng)度級(jí)別的提高，鈦夾雜的平均尺寸增大，鋼樣中尺寸大于4μm的鈦夾雜所占比例明顯增加；1＃鋼樣中未發(fā)現(xiàn)尺寸大于5μm的鈦夾雜，而2＃和3＃鋼樣中尺寸大于5μm的鈦夾雜所占比例分別達(dá)到4.92%和9.52%。

表3 不同強(qiáng)度級(jí)別簾線鋼樣中鈦夾雜尺寸分布Table3 Size distribution of titanium inclusions in cord steel with different strength grades

由此可見(jiàn)，在鋼水N、Ti含量基本相同的情況下，簾線鋼強(qiáng)度級(jí)別越高，鋼液凝固過(guò)程中析出的鈦夾雜尺寸越大，特別是超高強(qiáng)度過(guò)共析簾線鋼中會(huì)析出尺寸超過(guò)5μm以上的鈦夾雜。同樣，簾線鋼強(qiáng)度級(jí)別越高，凝固析出的大顆粒鈦夾雜數(shù)量也越多。因此，對(duì)超高強(qiáng)度過(guò)共析簾線鋼的生產(chǎn)，需要行使比亞共析簾線鋼生產(chǎn)更為嚴(yán)苛的生產(chǎn)工藝控制，比如精煉中進(jìn)一步降低鋼液中的鈦夾雜形成元素Ti和N的含量，連鑄過(guò)程中控制鋼水凝固速率等［10］。

3 討論

3.1 碳含量對(duì)簾線鋼凝固析出鈦夾雜過(guò)飽和度的影響

簾線鋼鋼液凝固開(kāi)始后進(jìn)入固液兩相區(qū)，隨著凝固比例的升高，鈦夾雜形成元素C、N和Ti在凝固前沿不斷偏析富集，鈦夾雜析出的過(guò)飽和度逐漸增大，當(dāng)局部過(guò)飽和度大于1.0時(shí)，將按如下反應(yīng)式（1）形核析出碳氮化鈦夾雜：

Ti（CxN1－x）是 TiN 和 TiC的連續(xù)固溶體，x為其中C或TiC所占比例，Ti（CxN1－x）析出的過(guò)飽和度h可表達(dá)為式（2）：

式中：w（C）、w（N）、w（Ti）分別為鋼液中C、N 和Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；分子部分表示固液兩相區(qū)C、N和Ti產(chǎn)生凝固偏析后的實(shí)際濃度積，分母部分表示反應(yīng)式（1）達(dá)到平衡時(shí)的平衡濃度積。

一般情況下，鈦夾雜析出的過(guò)飽和度h越大，其形核—析出—長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力越大，而鈦夾雜析出驅(qū)動(dòng)力主要取決于固液兩相區(qū)凝固前沿溫度：凝固前沿溫度越低，析出鈦夾雜所需的平衡濃度積越小，鈦夾雜析出的過(guò)飽和度h越大。凝固前沿溫度Ts－l可表示為式（3）［11］：

式中：T0為純鐵熔點(diǎn)，T0＝1538℃；Ts為固相線溫度，℃；Tl為液相線溫度，℃；g 為凝固比例，%。

其中，凝固前沿溫度Ts－l隨著凝固進(jìn)程的推進(jìn)逐漸下降，當(dāng)鋼水完全凝固（g＝1）時(shí)，凝固前沿溫度等于固相線溫度。對(duì)進(jìn)入澆鑄狀態(tài)的簾線鋼鋼液而言，鋼水經(jīng)過(guò)精煉使雜質(zhì)元素（P、S）和氣體元素（O、N、H）降至盡可能低的范圍。因此，對(duì)Ts和T1影響最大的元素是C。鋼液C含量每增加0.1%，Ts和Tl分別下降17.5℃和6.5℃［12］。由此可見(jiàn)，簾線鋼強(qiáng)度級(jí)別越高，鋼的碳含量越大，鈦夾雜析出時(shí)的凝固前沿溫度則越低［13］，鈦夾雜形核—析出—長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力越大，越利于其析出和長(zhǎng)大。

3.2 碳含量對(duì)簾線鋼Ti（CxN1－x）連續(xù)固溶體中TiC所占比例的影響

在碳含量由低到高增加的3種重熔鋼樣中，觀察到的鈦夾雜由金黃色向淺紅色和磚紅色轉(zhuǎn)變，預(yù)示著Ti（CxN1－x）連續(xù)固溶體中TiC所占比例逐漸增加，相應(yīng)地其硬度也隨TiC的增加而增大［14］。簾線鋼在凝固過(guò)程前期，Ti（CxN1－x）首先達(dá)到飽和并在凝固前沿析出并長(zhǎng)大［15］。熱力學(xué)計(jì)算表明，先析出的Ti（CxN1－x）夾雜中TiC摩爾數(shù)x隨著簾線鋼碳含量增加而升高［13］，72A、82A、92A簾線鋼中x分別為0.095、0.118、0.15，其中析出的鈦夾雜分別為Ti（C0.095N0.905）、Ti（C0.118N0.882）和 Ti（C0.15N0.85）。凝固后期 TiN達(dá)到飽和析出的熱力學(xué)條件，后析出的TiN以均相形核析出，或以先析出的Ti（CxN1－x）夾雜為核心而析出長(zhǎng)大［3］。

4 結(jié)論

（1）簾線鋼強(qiáng)度級(jí)別越高，鋼樣中尺寸大于4μm的鈦夾雜比例越大，其平均尺寸也越大；72A亞共析簾線鋼中未檢測(cè)到5μm以上的鈦夾雜，而82A、92A過(guò)共析簾線鋼中尺寸大于5μm的鈦夾雜所占比例分別達(dá)到4.92%和9.52%。

（2）簾線鋼在凝固過(guò)程中，固液兩相區(qū)溫度隨著鋼液碳含量的升高而降低，從而使Ti（CxN1－x）夾雜析出的過(guò)飽和度增大，有利于鈦夾雜在鋼液凝固過(guò)程中析出與長(zhǎng)大。

（3）鋼液凝固過(guò)程中析出 Ti（CxN1－x）夾雜中TiC所占比例隨簾線鋼強(qiáng)度級(jí)別增高而增大，其中72A、82A、92A簾線鋼中析出的鈦夾雜分別為Ti（C0.095N0.905）、Ti（C0.118N0.882）和Ti（C0.15N0.85）。

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