Аналіз розподілу дефектів та неметалевих включень високоміцної TWIP-сталі Fe-25Mn-12Al-1,5C після електрошлакового переплаву
DOI:
https://doi.org/10.15407/steelcast2023.04.06Ключові слова:
TWIP-сталі, лиття, рафінування, електрошлаковий переплав, неметалеві включення, дефектиАнотація
TWIP-сталі відносяться до переліку найбільш інноваційних матеріалів сучасності завдяки поєднанню високого рівня механічних характеристик та низької густини. До найбільш високоміцних належать сплави, які містять близько 25—30 %мас. марганцю та біля 10 %мас. алюмінію. Одержання таких сталей ускладнюється особливостями їх хімічного складу. Через високий вміст марганцю та алюмінію вони схильні до ліквації компонентів за густиною, мають більшу кількість усадкових дефектів та підвищену кількість сульфідних, нітридних та оксидних неметалевих включень. Це обумовлює застосування ефективних способів рафінування, до яких відноситься електрошлаковий переплав (ЕШП).
В роботі показано порівняння структури, типу та кількості неметалевих включень литого сплаву Fe-25Mn-12Al-1,5C індукційної виплавки та після рафінуючого електрошлакового переплаву. Електронна мікроскопія зразків та локальний хімічний аналіз фаз показали наявність великої кількості неметалевих включень — сульфідів, фосфідів та оксинітридів. Після проведення рафінуючого переплаву було встановлено, що електрошлаковий переплав сприяє помітному зменшенню вмісту азоту і сірки в складі неметалевих включень, проте в цілому він виявився недостатньо ефективним способом рафінування досліджуваних матеріалів.
Серед недоліків способу ЕШП можна відзначити достатньо великі розміри самих неметалевих включень, слабку здатність до рафінування від фосфідних домішок та умови кристалізації, за яких формується направлено закристалізована структура. Також було встановлено, що в зонах наближених до дна і стінок кристалізатора, метал ЕШП рафінується гірше, ніж його центральні об’єми. Проблемною зоною можна назвати верхню частину злитка, усадкову та підусадкову зони, збагачені газоусадковими дефектами.
Загалом показано, що метод ЕШП не здатен необхідною мірою вирішити проблему рафінування високомарганцевих TWIP-сталей з високим вмістом алюмінію.
Посилання
Bai, S., Chen, Y., Liu, X., Lu, H., Bai, P., Li, D., Huang, Zh., Li, J. (2023). Research status and development prospect of Fe-Mn-C-Al system low-density steels. Journal of Materials Research and Technology, 25, 1537-1559. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.06.037
Ding, H., Liu, D., Cai, M., Zhang, Y. (2022). Austenite-based Fe-Mn-Al-C lightweight steels: research and prospective. Metals, 12(10), 1572. https://doi.org/10.3390/met12101572
Li, Zh., Tasan, C., Springer, H., Gault, B., Raabe, D. (2017). Interstitial atoms enable joint twinning and transformation induced plasticity in strong and ductile high-entropy alloys. Scientific Reports, 7, 40704. https://doi.org/10.1038/srep40704
Kim, Ch., Hong, H., Moon, J., Lee, B.H., Park, S.-J., Lee, Ch.-H. (2023). A new strengthening mechanism driven by disruptive shear and solute segregation during warm rolling in 1.4 GPa class 12.5 wt% Al added-FeMnC ultra-lightweight steel. Journal of Materials Science & Technology, 157, 174-188. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.01.047
Voron, M., Semenko, A., Shemet, V. (2023). Microstructure, mechanical and high temperature properties of cast high Mn low-density steels alloying by small Lanthanum additions. Materials Letters, 355, 135421. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2023.135421
Ren, X., Li, Y., Qi, Y., Wang, C. (2022). Effect of micro-alloyed/alloyed elements on microstructure and properties of Fe-Mn-Al-C lightweight steel. Metals, 12(4), 695. https://doi.org/10.3390/met12040695
Moon, J., Park, S.J., Lee, C., Han, H.N., Lee, T.-H., Lee, C.-H. (2017). Microstructure evolution and age-hardening behavior of microalloyed austenitic Fe-30Mn-9Al-0.9C light-weight steels. Metall Mater Trans A, 48, 4500-4510. https://doi.org/10.1007/s11661-017-4265-9
Zhang, L., Thomas, B.G. (2006). State of the art in the control of inclusions during steel ingot casting. Metall Mater Trans B, 37, 733-761. https://doi.org/10.1007/s11663-006-0057-0
Shu, Q., Visuri, V.V., Alatarvas, T., Fabritius, T. (2020). Model for inclusion precipitation kinetics during solidification of steel applications in MnS and TiN inclusions. Metall Mater Trans B, 51, 2905-2916. https://doi.org/10.1007/s11663-020-01955-0
Zhao, D., Li, H., Bao, Ch., Yang, J. (2015). Inclusion evolution during modification of alumina inclusions by calcium in liquid steel and deformation during hot rolling process. ISIJ International, 55(10), 2115-2124. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2015-064
Medovar, L., Stovpchenko, G., Lisova, L., Jiang, Zh., Dong, Y., Kang, C. (2023). Features and restrictions of electroslag remelting with silica-bearing slags for lightweight high manganese steel. Steel research international, 94(11), 2300161. https://doi.org/10.1002/srin.202300161
Shi, C., Li, J., Yang, S. (2023). Evolution of oxide inclusions in Si-Mn-killed steel during ESR. Electroslag remelting towards clean steel, 169-182. https://doi.org/10.1007/978-981-99-3257-3_8
Burja, J., Tehovnik, F., Godec, M., Medved, J., Podgornik, B., Barbič, R. (2018). Effect of electroslag remelting on non-metallic inclusions in H11 tool steel. Journal of Mining and Metallurgy, Section B: Metallurgy, 54(1), 51-57. https://doi.org/10.2298/JMMB160623053B
Li, G., Lan, P., Zhang, J., Wu, G. (2020). Refinement of the solidification structure of austenitic Fe-Mn-C-Al TWIP steel. Metall Mater Trans B, 51, 452-466. https://doi.org/10.1007/s11663-020-01773-4
Dong, Y., Jiang, Z., Medovar, L., Stovpchenko, G., Zhang, X., Zang, X., Deng, X. (2013). Temperature distribution of electroslag casting with liquid metal using current conductive ring. Steel research international, 84(10), 1011-1017. https://doi.org/10.1002/srin.201300041
Ji, Y., Zhang, M.-X., Ren, H. (2018). Roles of lanthanum and cerium in grain refinement of steels during solidification. Metals, 8(11), 884. https://doi.org/10.3390/met8110884
Wen, T., Ren, Q., Zhang, L., Wang, J., Ren, Y., Zhang, J., Yang, W., Xu, A. (2021). Evolution of nonmetallic inclusions during the electroslag remelting process. Steel research international, 92(6), 2000629. https://doi.org/10.1002/srin.202000629
Mitchell, A. (2005). Solidification in remelting processes. Materials Science and Engineering: A, vols. 413-414, pp. 10-18. https://doi.org/10.1016/j.msea.2005.08.157
Zheng, D., Ma, G., Li, J., Cho, J.-W., Xiang, Zh., Liu, M., Zhu, J. (2023). Effect of cerium on the primary carbides and inclusions in electroslag remelted M35 high speed steel. Journal of Materials Research and Technology, 24, 8252-8266. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.05.044
Dong, Y., Jiang, Z., Yu, A. (2016). Dissolution behavior of alumina-based inclusions in CaF2-Al2O3-CaO-MgO-SiO2 slag used for the electroslag metallurgy process. Metals, 6(11), 273. https://doi.org/10.3390/met6110273
Mapelli, C. (2006). Control and engineering of non-metallic inclusions belonging to xSiO2-yCaO-zAl2O3 system in Ca-treated Al-killed and Al-Si-killed steel. Steel research international, 77(7), 462-471. https://doi.org/10.1002/srin.200606416
