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(qiáng)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(jī)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(qiáng)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(dá)到減輕重量的效果［6］，同時(shí)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(jī)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(jī)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?！稗D(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(jìn)行Si-Mn脫氧，間隔一段時(shí)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(yùn)用修正的準(zhǔn)化學(xué)模型建立了一個(gè)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(yùn)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(shí)，脫氧1 s后Al2O3夾雜物尺寸較大，認(rèn)為脫氧1 s內(nèi)Al2O3夾雜物的生長是由氧的擴(kuò)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(jìn)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(shí)驗(yàn)和計(jì)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(dú)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(qiáng)脫氧元素，但當(dāng)鋼液中Al的化學(xué)當(dāng)量超過氧時(shí)，就會生成Al2O3和AlN；Si是較強(qiáng)脫氧元素，單獨(dú)用Si脫氧時(shí)，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(qiáng)Si和Al的脫氧能力，經(jīng)常與Si和Al一起使用進(jìn)行復(fù)合脫氧。倪冰等［17］用熱力學(xué)方法計(jì)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(dú)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(shí)，為單獨(dú)鋁脫氧。復(fù)合脫氧的效果比單獨(dú)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(shí)，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(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)絕大部分的夾雜物尺寸為1～3μm，加入Ti時(shí)氧化物數(shù)量最多，其次是加入Mn，加入Si時(shí)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(diǎn)→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(gè)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(dá)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(shí)脫氧劑加入順序?qū)︿撝腥鹾炕緵]有影響；先進(jìn)行Si-Mn脫氧時(shí)，鋼水中氮含量明顯低于先加入Al脫氧的鋼水。這是因?yàn)橄冗M(jìn)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(shí)，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(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)先進(jìn)行弱脫氧后進(jìn)行強(qiáng)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(shí)間變化曲線Fig.6 Curve of inclusion size with time

Ohta等［25］研究脫氧時(shí)間對夾雜物尺寸、數(shù)量的影響，發(fā)現(xiàn)隨著脫氧時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)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(jìn)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(gè)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(shí)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(shí)，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(shí)，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?yàn)锳lN在鋼液中是穩(wěn)定的，并通過熱力學(xué)計(jì)算驗(yàn)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室鑄錠中的AlN夾雜物主要呈團(tuán)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(gè)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(yàn)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)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(jī)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(shí)，發(fā)現(xiàn)在低鋁含量時(shí)，MgO·Al2O3沿MnO·Al2O3/Al2O3→MgO·Al2O3演變，在中鋁含量時(shí)，沿MgO→MgO·Al2O3演變，在高鋁含量時(shí)，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(shí)，對觀察到的夾雜物數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(jì)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(jì)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(shí)，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(shí)，夾雜物析出的順序?yàn)锳lN→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(jì)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行熱力學(xué)分析，確定了液態(tài)高M(jìn)n-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(jì)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(xiàn)［41，50-51］研究表明，AlN和MnS會惡化高錳高鋁鋼的熱延性。因?yàn)樵谲堉七^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(bào)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(shí)，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(shí)，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(jì)算和實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。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?yàn)镸nS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(rèn)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(diǎn)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(jìn)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(jì)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(shí)，鋼液中沒有AlN析出；當(dāng)Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%時(shí)，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(shí)，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(shí)，AlN可以成為Mn（Se）的形核點(diǎn)，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(jì)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(diǎn)。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(jì)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(qiáng)，先弱脫氧后強(qiáng)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(jī)制及其脫氧工藝對夾雜物的影響還需進(jìn)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(jìn)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(jìn)一步研究。