高錳高鋁鋼脫氧及夾雜物控制研究進展

郭宇航，曹 磊，王國承

（遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

汽車輕量化已成為現(xiàn)代汽車工業(yè)的重要發(fā)展趨勢。高錳高鋁鋼具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其中最具代表性的為孿生誘發(fā)塑性（Twinning-induced plasticity，TWIP）鋼和相變誘導(dǎo)塑性（Transformation-induced plasticity，TRIP）鋼。TWIP和TRIP鋼都具有高強度、高塑性延伸率、高應(yīng)變硬化性、高能量吸收能力和良好的低溫性能［1-4］，是一種理想的抗沖擊結(jié)構(gòu)材料和吸能材料，可應(yīng)用于汽車、軍工、航空、石油開采、船舶、礦山及工程機械等領(lǐng)域［5］。

高鋁高錳鋼中一般鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5%、錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%，按其成分體系可分為Fe-Mn-Al-Si系以及Fe-Mn-Al-C系。高錳高鋁鋼是在高錳鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，高錳鋼在室溫?zé)o載荷的情況下具有穩(wěn)定的奧氏體組織，在高應(yīng)力、強沖擊的條件下具有良好的耐磨性能，以及特殊的硬度和磁學(xué)性能。向高錳鋼中加入鋁可以達到減輕重量的效果［6］，同時又可以保證其良好的性能。但是，高錳高鋁鋼中鋁含量過高會給煉鋼和連鑄過程帶來許多問題［7］，往往會造成鋼中非金屬夾雜物的種類、尺寸和形貌不同。鋼中較高的Mn和Al較易生成AlN、Al2O3、MnS等及其復(fù)合夾雜物。本文回顧近年來高錳高鋁鋼中夾雜物的發(fā)展歷程，綜述高鋁高錳鋼的脫氧機制、夾雜物的種類和演變過程、鋼中AlN夾雜物及其相關(guān)夾雜物形成機理。

1 高錳高鋁鋼脫氧熱力學(xué)及工藝

目前采用“電爐-模鑄或電渣重熔”工藝生產(chǎn)高錳高鋁鋼，但成本較高。“轉(zhuǎn)爐-爐外精煉-連鑄”已經(jīng)成為高錳高鋁鋼生產(chǎn)的發(fā)展方向。在生產(chǎn)高錳高鋁鋼的脫氧工藝中，一般先進行Si-Mn脫氧，間隔一段時間后加入Al，使鋼中的溶解氧含量大幅度降低，從而提高鋼的潔凈度。

1.1 Al脫氧

鋁在鋼液中對氧有很強的親和力，在煉鋼過程中，通常使用鋁來降低鋼液中溶解氧的含量而形成Al2O3夾雜物。大尺寸的夾雜物容易上浮被吸收到爐渣中，但一些小尺寸的Al2O3夾雜物很難通過上浮排出。瓦格納模型［8］只適用于低鋁濃度的體系，對于高鋁濃度體系的鋁脫氧平衡則需要更好的熱力學(xué)模型來解釋。

Peak等［9］通過三組不同的實驗研究鐵液中1 873 K到1 923 K范圍內(nèi)，鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.002 7%到100%的鋁脫氧平衡，運用修正的準(zhǔn)化學(xué)模型建立了一個新的熱力學(xué)模型［10］，鋁脫氧平衡曲線如圖1所示。將此模型運用到高錳高鋁體系中，預(yù)測Fe-Al-Mn-O體系中夾雜物穩(wěn)定性，如圖2所示，圖中大部分為Al2O3，說明在高錳高鋁鋼中脫氧形成的夾雜物大多數(shù)是Al2O3［11］。

圖1 Al在1 873 K鐵水中的脫氧平衡Fig.1 Deoxidation equilibrium of Al in liquid iron at 1 873 K

圖2 Fe-Mn-Al-O體系夾雜物穩(wěn)定性預(yù)測圖Fig.2 Stability prediction diagram of inclusions inFe-Mn-Al-O system

Wakoh等［12］用電子探針顯微分析儀和新開發(fā)的顆粒分析軟件測量鋼樣中Al2O3夾雜物的尺寸分布。當(dāng)氧含量較高時，脫氧1 s后Al2O3夾雜物尺寸較大，認為脫氧1 s內(nèi)Al2O3夾雜物的生長是由氧的擴散控制的。

1.2 Si-Mn復(fù)合脫氧

在Si-Mn復(fù)合脫氧中，脫氧產(chǎn)物主要是SiO2和MnO。與其他脫氧劑相比，硅錳脫氧在鋼中產(chǎn)生較低的殘余氧。這是由于添加錳而降低了SiO2的活性，可以避免在鋁脫氧過程中形成大量Al2O3有害夾雜物。Gamutan等［13］研究發(fā)現(xiàn)，硅錳脫氧鋼在固液平衡溫度等溫條件下，鋼中夾雜物發(fā)生了二次富含SiO2夾雜相的情況，通過控制合金中硅和錳的比例可以控制硅錳脫氧鋼中復(fù)合夾雜物的形成。

Dashevskii等［14］對含Mn和Si的Fe-Ni熔體中的氧進行熱力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)錳的脫氧能力和硅脫氧能力都隨著熔體中鎳含量的增加而增加，實驗和計算發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，硅和錳的脫氧能力都增加，如圖3所示。Si-Mn復(fù)合脫氧與硅或錳單獨脫氧相比，由于MnO和SiO2的活性降低，使鋼中氧濃度也降低。Kang等［15］發(fā)現(xiàn)，對于硅錳脫氧鋼，決定夾雜物液相線溫度和初生相的關(guān)鍵是夾雜物中的MnO/SiO2之比和Al2O3含量。

圖3 硅、錳脫氧能力隨溫度變化曲線Fig.3 Curves of deoxidization capacity of silicon and manganese with temperature

1.3 Si-Mn-Al復(fù)合脫氧

張立峰等［16］總結(jié)了脫氧過程中夾雜物的形成熱力學(xué)，Al是強脫氧元素，但當(dāng)鋼液中Al的化學(xué)當(dāng)量超過氧時，就會生成Al2O3和AlN；Si是較強脫氧元素，單獨用Si脫氧時，易生成SiO2夾雜物，其脫氧平衡曲線如圖4所示。此外，Mn還可以增強Si和Al的脫氧能力，經(jīng)常與Si和Al一起使用進行復(fù)合脫氧。倪冰等［17］用熱力學(xué)方法計算Al-Si-Mn復(fù)合脫氧的效果，發(fā)現(xiàn)不同硅錳比的復(fù)合脫氧比單獨鋁脫氧得到的終氧含量要低，如圖5所示。當(dāng)w（Mn）=0，w（Si）=0時，為單獨鋁脫氧。復(fù)合脫氧的效果比單獨鋁脫氧的效果好，而且在Al-Si-Mn復(fù)合脫氧中，Mn含量一定時，Si含量的增加也會使終氧含量降低。

圖4 硅脫氧平衡曲線Fig.4 Silicon deoxidation equilibrium curve

圖5 1 873 K鐵液中鋁含量對脫氧的影響Fig.5 Influence of aluminum content on deoxidation in liquid iron at 1 873 K

1.4 不同脫氧工藝對夾雜物的影響

李慧改等［18］研究Ti、Mn、Si、及Si-Mn復(fù)合元素的加入對夾雜物尺寸、形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)加入上述脫氧劑后，鋼中夾雜物形狀均為近球形。對夾雜物的尺寸和數(shù)量進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)絕大部分的夾雜物尺寸為1～3μm，加入Ti時氧化物數(shù)量最多，其次是加入Mn，加入Si時的氧化物數(shù)量最少。

劉天泉等［19］利用ASPEX夾雜物自動分析儀對比分析鋁脫氧和硅脫氧工藝生產(chǎn)中，硅鋼從精煉終點→中包→熱板過程中的夾雜物數(shù)量密度、尺寸和類型變化，結(jié)果表明，從夾雜物的數(shù)量和大小來看，鋁脫氧工藝比硅脫氧工藝的效果好，在整個過程中夾雜物的數(shù)量和大小呈現(xiàn)出下降趨勢；從平均尺寸來看，硅脫氧工藝產(chǎn)生的夾雜物平均尺寸比鋁脫氧工藝小。

張波等［20］研究脫氧劑加入的順序?qū)A雜物的影響，發(fā)現(xiàn)先加Si-Mn再加Al更有利于Al2O3-MnO-SiO2復(fù)合夾雜物的去除，且更有利于對夾雜物尺寸和數(shù)量的控制。肖愛達等［21］通過兩種不同的脫氧方法研究脫氧劑加入順序?qū)G700鋼復(fù)合脫氧過程中夾雜物的影響，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐脫氧時脫氧劑加入順序?qū)︿撝腥鹾炕緵]有影響；先進行Si-Mn脫氧時，鋼水中氮含量明顯低于先加入Al脫氧的鋼水。這是因為先進行Si-Mn脫氧的鋼水中氧含量相對較高，可在一定程度上抑制鋼水吸 氮。李 陽 等［22］研 究SiCaBa、SiCaBaAl、Si-CaBaMg、SiCaBaAlSr四種復(fù)合脫氧劑對430不銹鋼中的全氧含量及脫氧產(chǎn)物的分布、尺寸和形貌的影響，發(fā)現(xiàn)使用SiCaBa復(fù)合脫氧時，鋼中的全氧含量及夾雜物的總數(shù)和平均直徑都最低，從夾雜物尺寸分布來看，尺寸小于5μm的夾雜物比例最高。

對于高鋁鋼，李豐功等［23］研究脫氧工藝對高鋁鋼中夾雜物的影響，改變脫氧劑的加入順序后取樣觀察，對夾雜物的尺寸進行統(tǒng)計，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)先進行弱脫氧后進行強脫氧對夾雜物的尺寸控制更有利。張佩燦［24］研究不同脫氧工藝條件下高鋁鋼中生成夾雜物的類型、尺寸、分布和形貌以及脫氧工藝對氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，發(fā)現(xiàn)分布加Al脫氧工藝能夠提高鋁的收得率，還可以減小鋼中夾雜物的尺寸，Ca處理和分布加Al脫氧工藝對鋼液中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響不大。

圖6 夾雜物尺寸隨時間變化曲線Fig.6 Curve of inclusion size with time

Ohta等［25］研究脫氧時間對夾雜物尺寸、數(shù)量的影響，發(fā)現(xiàn)隨著脫氧時間的增加，加入脫氧劑所生成夾雜物的平均尺寸增加，夾雜物的數(shù)量減少，如圖7和圖8所示。

圖7 夾雜物平均尺寸隨保溫時間的變化Fig.7 Variation of average inclusion size with holding time

圖8 夾雜物數(shù)量隨保溫時間的變化Fig.8 Variation of inclusion quantity with holding time

在鋁脫氧熱力學(xué)研究中，僅在低鋁條件下得到的實驗結(jié)果與理論計算有很好的一致性，而在高鋁條件下，差別較明顯。因此，對于高鋁條件下的鋁脫氧熱力學(xué)還需進一步研究，這對高錳高鋁鋼的脫氧工藝有一定的理論性指導(dǎo)。此外，還需繼續(xù)研究各種脫氧元素的加入量、順序以及保溫時間對高鋁高錳鋼中夾雜物的影響。

2 高鋁鋼中夾雜物種類及演變

2.1 夾雜物種類

Gigacher等［26］利用SEM/EDX分析Fe-（15%～25%）Mn-3%Al-3%Si TWIP鋼中的內(nèi)生夾雜物，觀察 到MnO-Al2O3-AlN、MnO-Al2O3-MnS、MnOAl2O3-AlN-MnS和AlN夾雜物。劉洪波等［27］研究鋁含量對Fe-Mn-C-Al系TWIP鋼中非金屬夾雜物成分、形貌、數(shù)量的影響時，將觀察到的夾雜物分為8種類型：MnO、AlN或AlON、Al2O3、MgO-Al2O3復(fù)合夾雜物、MnS或MnS（Se）、以Al2O3為核心MnS（Se）包裹的MnS（Se）-Al2O3復(fù)合夾雜物、MnS（Se）-Al2O3-AlN復(fù)合夾雜物、MnS（Se）在AlN表面局部或包裹析出形成的MnS（Se）-AlN復(fù)合夾雜物。

Wang等［28-29］發(fā)現(xiàn)不同鋁含量高錳TWIP鋼中形成的夾雜物可分為9類：AlN、MgO、CaS、MgAl2O4、AlN+MgO、MgO+MgS、MgO+MgS+CaS、MgO+CaS、MgAl2O4+MgS，其典型夾雜物形貌如圖9所示。

圖9 高錳高鋁鋼中典型夾雜物形貌圖Fig.9 Morphologies of typical inclusions in high-manganese and high-aluminum steels

Park等［30］研究Al和Mn含量對Fe-xMn-yAl（x=10%、20%，y=1%、3%、6%）鋼中形成的夾雜物的尺寸、成分和三維形貌的影響時，將觀察到的夾雜物分為7種類型：Al2O3、AlN或AlON、MnAl2O4、Mn（S，Se）、Al2O3（-AlON）、單個的Mn（S，Se）、以Mn（S，Se）為核心Al2O3（-AlON）包裹的復(fù)合夾雜物，典型夾雜物三維形貌如圖10所示。并且發(fā)現(xiàn)隨著錳含量的增加，MnS（Se）夾雜物的比例逐漸增加；隨著熔化時間的增加，Al2O3（-AlON）夾雜物顯著增加；當(dāng)鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，鋼中夾雜物的體積分?jǐn)?shù)最大。

圖10 高錳高鋁鋼中典型夾雜物三維形貌圖Fig.10 Three-dimensional morphologies of typical inclusions in high-manganese and high-aluminum steels

這些研究都發(fā)現(xiàn)，隨著錳含量和鋁含量的增加，均會導(dǎo)致AlN、Al2O3、Al2O3-AlON和Mn（S，Se）的數(shù)量增加。Nabeel等［31］研究Al、N含量和冷卻速率對TWIP鋼中Al2O3-MnS、AlN-MnS、AlONMnS這三種復(fù)合MnS夾雜物特征的影響，發(fā)現(xiàn)隨著Al含量的增加，Al2O3-MnS、AlN-MnS、AlONMnS夾雜物的數(shù)量增加，而隨著N含量的增加，Al2O3-MnS、AlN-MnS、AlON-MnS夾雜物的數(shù)量減少。

Alba等［32-33］研究不同鋁含量（0.5%、1%、3%、6%）和不同錳含量（2%、5%、20%）分別對高錳高鋁鋼中夾雜物的影響，將觀察到的夾雜物分為Al2O3（純）、Al2O3-MnS、AlN（純）、AlN-MnS、AlONMnS、AlON和MnS。發(fā)現(xiàn)隨著鋼中錳含量的增加，Al2O3-MnS和AlN-MnS夾雜物增加；隨著鋁含量的增加，AlN-MnS夾雜物也增加。Alba等［34］研究不同氮含量對Fe-5Mn-3Al鋼中夾雜物形成的影響，當(dāng)?shù)|(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.000 1%時，AlN-MnS是主要的夾雜物類型，在凝固過程中形成；隨著氮含量增加，AlN（純）成為主要的夾雜物類型，因為AlN在鋼液中是穩(wěn)定的，并通過熱力學(xué)計算驗證了這些現(xiàn)象。并在冷卻速度較慢的樣品中觀察到較多的AlN-MnS夾雜物。王偉勝等［35］研究發(fā)現(xiàn)Fe-23Mn-xAl-0.7C低密度鋼中非金屬夾雜物隨著鋁含量的變化，其種類、數(shù)量及尺寸也在發(fā)生變化；當(dāng)w（Al）為0.87%時，鋼中主要夾雜物為MnS、MnO、Al2O3和Al2O3-MnS，夾雜物數(shù)量較少，大尺寸夾雜物較多，平均尺寸為3.45μm；w（Al）為3.28%時，主要夾雜物為AlN、Al2O3、MnS以及AlNMnS、AlN-Al2O3-MnS復(fù)合夾雜物，小尺寸夾雜物居多，平均尺寸為2.63μm；w（Al）為6.76%時，鋼中夾雜物以AlN或AlN-MnS為主，夾雜物平均尺寸為2.93μm。

Zhuang等［36］研究Fe-25Mn-3Si-3Al TWIP鋼在實驗室鋼錠、AOD煉鋼后結(jié)晶器鑄造和電渣重熔過程中形成的內(nèi)生夾雜物，發(fā)現(xiàn)AlN和Al2O3是主要的夾雜物，其中大部分是AlN，并且在不同冶金過程中夾雜物的數(shù)量、分布、大小和形狀有著很大差異。實驗室鑄錠中的AlN夾雜物主要呈團簇狀，尺寸較大，但經(jīng)過AOD或電渣重熔處理后，大部分AlN夾雜物分布均勻，如圖11所示。Liu等［37］分析從AOD和電渣重熔工藝后的鋼中獲得的Fe-25%Mn-3%Al-2.6%Si TWIP鋼樣中的夾雜物，發(fā)現(xiàn)了單個AlON、MnS（Se）和Al2O3的存在及其復(fù)合夾雜物；在AOD鑄錠樣品中（w（N）=0.002 4%），AlON夾雜物的比列超過65%，然而在電渣重熔鑄錠樣品中（w（N）=0.000 6%），AlON夾雜物比列顯著減少。這是由于AlON夾雜物的溶解速率大于其在電渣重熔工藝條件下的生長速率，其生長和溶解TTT（Temperature time transformation）圖如圖12所示。

圖11 AlN夾雜物形貌圖Fig.11 Morphologies of AlN inclusions

圖12 AOD和電渣重熔錠中AlN夾雜物生長和溶解的TTT圖Fig.12 TTT diagram of growth and dissolution of AlN inclusions in AOD and ESR ingots

2.2 夾雜物演變過程

Kong等［38］通過工業(yè)試驗和實驗室實驗研究中錳鋼二次精煉過程中非金屬夾雜物的形成和演變機理，發(fā)現(xiàn)隨著鋼液中鎂和鈣的含量增加，中錳鋼中的夾雜物將沿著Al2O3→MgO·Al2O3→（Mn/Mg）·Al2O3→CaO-MgO-MnO-Al2O3的路徑演變。YU等［39］研究用鎂處理不同鋁含量錳鋼中夾雜物演變行為時，發(fā)現(xiàn)在低鋁含量時，MgO·Al2O3沿MnO·Al2O3/Al2O3→MgO·Al2O3演變，在中鋁含量時，沿MgO→MgO·Al2O3演變，在高鋁含量時，沿［Mg］+2［Al］+4［O］→MgO·Al2O3演變。

Wang等［28］研究夾雜物對不同鋁含量的高錳TWIP鋼熱塑性的影響時，對觀察到的夾雜物數(shù)量進行統(tǒng)計，如圖13所示，發(fā)現(xiàn)從低鋁含量到高鋁含量，TWIP鋼中夾雜物沿MnO/（MnO+MnS）→MnS/（Al2O3+MnS）→AlN/（Al2O3+MnS）/（MgAl2O4+MnS）→AlN路徑演變。隨著鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.54%增加到2.41%，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.006 3%降低到0.004 3%，AlN夾雜物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從20%增加到80%。還利用FactSage計算凝固過程中不同冷速對高錳TWIP鋼夾雜物演變的行為［29］。王偉勝等［35］也利用FactSage計算Fe-23Mn-xAl-0.7C低密度鋼中非金屬夾雜物的析出過程，發(fā)現(xiàn)隨著鋼中鋁含量的增大，其固液相線溫度都會降低，兩相區(qū)之間的距離變窄；當(dāng)鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.87%或3.28%時，其夾雜物析出的順序都為Al2O3→AlN→MnS；當(dāng)鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.76%時，夾雜物析出的順序為AlN→Al2O3→MnS。Xin等［40］發(fā)現(xiàn)，隨著鋼中鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.002%增加到2.1%，主要的穩(wěn)定夾雜物沿MnO→Al2O3/MnS→MnS→AlN路徑演變；主要氧化物夾雜物的演變?yōu)镸nO→Al2O3→MgAl2O4→MgO；主要硫化物夾雜物由MnS演變?yōu)镸gS，如圖14所示。

圖13 不同鋁含量下TWIP鋼中觀察到的夾雜物數(shù)量Fig.13 Inclusion quantities observed in TWIP steel with different aluminum contents

圖14 根據(jù)FactSage計算的凝固過程中不同鋁含量的鋼中夾雜物的演變行為Fig.14 Inclusion evolution calculated by FactSage during solidification of steels with different Al contents

對高鋁鋼錳鋼中夾雜物種類以及演變過程的研究都發(fā)現(xiàn)夾雜物大部分為AlN，并且隨著鋁含量和錳含量的增加，AlN及其復(fù)合夾雜物的數(shù)量也會增加。因此，AlN是高鋁高錳鋼中的一種典型夾雜物，如何控制AlN夾雜物的析出是一個較大的難題。

3 AlN及其復(fù)合夾雜物

3.1 AlN夾雜物

AlN夾雜物的形成取決于鋼中N含量，即AlN夾雜物可以是低氮鋼的凝固產(chǎn)物［41］，也可以在高氮鋼的精煉過程中形成［41-42］。Vedani等［43］通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，AlN或AlN和Nb（CN）的復(fù)合物會影響鋼的熱延性，對鋼的性能有害。

Shin等［44］通過實驗方法研究N在高錳鋼熔體中的溶解度，溫度和錳含量對鐵錳合金熔體中N溶解度的影響如圖15所示，即在低錳合金中，N溶解度隨溫度的升高而增加；在高錳合金中，N溶解度隨溫度的升高而降低。

圖15 溫度和Mn含量對鐵錳合金熔體中N溶解度的影響Fig.15 Influence of temperature and Mn content on N solubility in Fe-Mn alloy melt

Peak等［45］采用氣液平衡技術(shù)測定液態(tài)Fe-Mn和Fe-Mn-Al合金中N的溶解度，通過取樣和N含量的原位分析測定N溶解度隨Mn含量的變化，發(fā)現(xiàn)Mn顯著增加了N在液態(tài)Fe-Mn和Fe-Mn-Al合金中的溶解度，降低了其凝固溫度；利用瓦格納相互作用參數(shù)公式對實驗結(jié)果進行熱力學(xué)分析，確定了液態(tài)高Mn-Al合金鋼中（w（Mn）≤26%，w（Al）≤0.4%，1 773～1 873 K）Mn和Al對N的一階和二階相互作用系數(shù)。

Kim等［46］測定Si在1 823 K到1 923 K溫度范圍內(nèi)對液態(tài)Fe-Si-Al-N合金中AlN溶解度的影響，以及Si對鐵液中N溶解度的影響，如圖16所示，發(fā)現(xiàn)Si線性降低了N在Fe-Si熔體中的溶解度。

圖16 N2分壓、溫度和Si含量對鐵錳合金熔體中N溶解度的影響Fig.16 Effects of N2 partial pressure，temperature，and Si content on N solubility in Fe-Mn alloy melt

張碩等［47］利用SEM-EDS分析不同Al含量和不同N含量條件對AlN尺寸、形貌、數(shù)量變化的影響，發(fā)現(xiàn)在相同N含量的情況下，隨著Al含量的增大，AlN的尺寸和數(shù)量均會增大；N含量過低，AlN則很難生成。

Croft等［48］證明鋁鎮(zhèn)靜鋼中的AlN析出發(fā)生在凝固末端。Shi等［49］對高鋁鋼中AlN夾雜物在電渣重熔過程中的熱力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，AlN夾雜物不能在液相中析出，而是在凝固過程中，由于Al和N在鋼液中的顯微偏析，AlN夾雜物可以在凝固前沿析出。Zhuang等［36］通過熱力學(xué)數(shù)據(jù)計算表明，與大多數(shù)高鋁鋼或鋁鎮(zhèn)靜鋼不同，F(xiàn)e-25Mn-3Si-3Al鋼中的AlN夾雜物在液相中析出，如圖17所示。Liu等［42］使用共焦掃描激光顯微鏡，在大約1 392℃（大于液相線溫度）的鋼樣中觀察到AlN，進一步證明AlN夾雜物可以在鋼液中析出。

圖17 TWIP鋼中AlN析出的熱力學(xué)Fig.17 Thermodynamics of AlN precipitation in TWIP steel

對AlN夾雜物的熱力學(xué)研究都發(fā)現(xiàn)錳含量的增加會增大氮的溶解度，從而會促進AlN的形成，然而由于現(xiàn)階段鋁和錳的相互作用參數(shù)以及AlN的平衡常數(shù)已經(jīng)不適用于更高鋁、錳含量的鋼，因此，建議在AlN析出熱力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)方面加強研究。

3.2 AlN-MnS夾雜物

AlN和MnS夾雜物對鋼的性能都是有害的。文獻［41，50-51］研究表明，AlN和MnS會惡化高錳高鋁鋼的熱延性。因為在軋制過程中，AlN和MnS夾雜物會使鋼材變形，其中MnS夾雜物降低了鋼的韌性［52］，而AlN夾雜物會導(dǎo)致鋼的熱塑性變差［53-54］。Kang等［55］發(fā)現(xiàn)，在18（～22）Mn-1.5Al TWIP鋼連鑄過程中，在TWIP鋼的斷裂表面的晶界處發(fā)現(xiàn)了AlN薄膜和粗大的AlN顆粒，如圖18所示。因此，為了避免由于熱延展性惡化而導(dǎo)致橫向開裂，AlN和MnS夾雜物的數(shù)量和體積應(yīng)保持在最小，減少鋼液中N和S的含量可以減少夾雜物的數(shù)量和體積。

圖18 斷裂表面晶界處的AlNFig.18 AlN at grain boundary on fracture surface

Chen等［56］發(fā)現(xiàn)，在低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼中，AlN和MnS的析出主要發(fā)生在卷取后緩慢空冷階段。Lückl等［57］報道了低碳鋼中奧氏體區(qū)AlN和MnS的共析出，利用透射電鏡（TEM）發(fā)現(xiàn)，AlN析出在MnS表面，并模擬研究了共析出物的成核與生長行為。

Kang等［50］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MnS很少時，棒狀A(yù)lN夾雜物不會在熔體中析出，但是當(dāng)S含量增加，有足夠的MnS夾雜物析出時，AlN首先以六方板的形式析出，然后以樹枝狀或棒狀的形式析出。Nabeel等［58］通過熱力學(xué)計算和實驗觀察表明，AlN夾雜物在液相中析出并具有板狀形貌，而AlN-MnS夾雜物在接近MnS析出溫度的較低溫度下析出，并具有規(guī)則或多面形狀。此外，還發(fā)現(xiàn)AlN夾雜物可以作為MnS析出的成核點。這些研究都說明MnS的析出會影響AlN的形狀。

Tuling等［41］研究發(fā)現(xiàn)，在含1%鋁的鋼中，AlN在MnS之前沉淀出來，然后在奧氏體中析出；在含1.5%鋁的鋼中，析出順序是MnS、AlN和奧氏體。因為MnS的晶格參數(shù)類似于AlN，所以它可以在MnS表面析出，之后以正常的hcp形式（六方密堆積結(jié)構(gòu)）生長。這些研究都認為，AlN會在MnS析出之前在熔體中先析出，但AlN的成核也有可能會延遲，直到MnS成核點存在。

Steenken等［51］發(fā)現(xiàn)，如果Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于3%，則MnS在較高溫度下析出，并可能通過降低AlN析出所需的界面能量而作為核心；隨著Al含量的進一步增加，AlN在高溫下析出，并可能反過來作為MnS的核心。劉洪波等［27］通過熱力學(xué)計算表明，在相同N含量的情況下，Al含量會影響AlN的析出行為；Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.002%時，鋼液中沒有AlN析出；當(dāng)Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%時，鋼液中的AlN會在Mn（Se）-Al2O3表面析出，生成Mn（Se）-Al2O3-AlN夾雜物；當(dāng)Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.07%時，AlN在Mn（Se）表面析出，生成Mn（Se）-AlN夾雜物；當(dāng)Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.59%時，AlN可以成為Mn（Se）的形核點，在AlN表面析出，生成Mn（Se）-AlN夾雜物；生成的夾雜物形貌如圖19所示。這些研究都說明AlN和MnS的析出順序與鋁含量有關(guān)。

圖19 不同鋁含量下Mn（Se）-AlN夾雜物形貌圖Fig.19 Morphologies of Mn（Se）-AlN inclusions with different Al contents

Alba等［32］通過熱力學(xué)計算表明，含AlN的夾雜物是在鋼的凝固過程中形成的；此外，AlN和Al2O3夾雜物都可以作為MnS析出異質(zhì)形核的場所，MnS夾雜物也可以作為AlN析出的形核位點。Alba等［33］還發(fā)現(xiàn)，AlN可以在Al2O3上析出形成AlN-Al2O3夾雜物。Nabeel等［31］計算MnS分別在空冷和爐冷條件下在Al2O3、AlN、AlON的析出率，如圖20和圖21所示，發(fā)現(xiàn)在空冷條件下，MnS在AlON上的析出率最低，在AlN上的析出率最高，而在爐冷條件下，在Al2O3析出率最高，在AlON上的析出率增加了兩倍，在AlN上的析出率減小了。

圖20 空冷條件下在不同類型夾雜物上的MnS析出率比較Fig.20 Comparison of MnS precipitation rates on different types of inclusions under air-cooling condition

圖21 爐冷條件下在不同類型夾雜物上的MnS析出率比較Fig.21 Comparison of MnS precipitation rates on different types of inclusions under furnace cooling condition

4 結(jié)論

（1）通過對各種脫氧劑的脫氧能力、脫氧工藝對夾雜物的影響的研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合脫氧的能力比單一脫氧的能力強，先弱脫氧后強脫氧可以得到較低的全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)。而對高錳高鋁鋼的脫氧機制及其脫氧工藝對夾雜物的影響還需進一步研究。

（2）通過對高錳高鋁鋼中夾雜物的研究發(fā)現(xiàn)，在不同工藝中鋼中夾雜物主要是AlN、Al2O3、MnS以及它們的復(fù)合夾雜物。

（3）高鋁高錳鋼中，AlN在低氮含量下和高氮含量下都可以生成。不同學(xué)者的熱力學(xué)研究表明，AlN可以在液相或固液兩相中析出。對于現(xiàn)階段的研究，鋁和錳的相互作用參數(shù)以及AlN的平衡常數(shù)已經(jīng)不適用于更高鋁、錳含量的鋼，因此，在熱力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)方面還需進一步研究。

（4）AlN-MnS的析出研究表明，AlN和MnS的析出順序尚不能確定，有待進一步研究。