在國家高度重視碳排放的新形勢下，熱軋H型鋼作為高效能、高性能的綠色建材，將在低能耗、低排放的鋼結(jié)構(gòu)建筑形式中發(fā)揮更廣泛的作用。作為市場需求空間不斷擴(kuò)大的高端型材產(chǎn)品，重型H型鋼的鋼種開發(fā)、生產(chǎn)工藝創(chuàng)新、核心裝備國產(chǎn)化成為近年來的研究重點。然而，H型鋼是異型斷面，為保證軋制時的金屬流動性，加熱溫度通常較高，導(dǎo)致坯料的奧氏體組織晶粒粗大。另外，由于國內(nèi)目前坯料尺寸受限和設(shè)備能力不足，在軋制重型H型鋼時，其大截面以及熱軋過程壓縮比小的客觀問題，易導(dǎo)致形成粗大的鐵素體和珠光體相變組織，而且成品厚向的顯微組織極其不均勻，這嚴(yán)重制約著重型H型鋼超大、超厚規(guī)格產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性和進(jìn)一步開發(fā)。

      氧化物冶金是一種通過添加脫氧元素，產(chǎn)生并充分利用氧化物，將鋼中的硫化物、碳化物等的分布及析出進(jìn)行全面調(diào)控，進(jìn)而提升鋼材綜合性能的有效方法。近些年來，研究者們通過氧化物冶金方式對鋼材的顯微組織細(xì)化和力學(xué)性能調(diào)控開展了大量工作，有力地推進(jìn)了高性能鋼材的成分設(shè)計及組織性能優(yōu)化。但整體上，關(guān)于通過氧化物冶金方式調(diào)控H型鋼組織性能的研究較少，尤其是單脫氧或復(fù)合脫氧方式對重型H型鋼中夾雜物成分和形態(tài)等特征的影響缺少系統(tǒng)的研究。

      本文以Q355級重型熱軋H型鋼為研究對象，采用Ti、Zr、Mg和Ce元素單脫氧的方式，系統(tǒng)地研究了不同脫氧元素、不同元素添加量對Q355B鋼中夾雜物形態(tài)、成分和分布的影響，可為重型H 型鋼的夾雜物調(diào)控提供合理的成分設(shè)計建議，并為復(fù)合脫氧調(diào)控重型H 型鋼顯微組織的工作奠定理論基礎(chǔ)。 

1、實驗材料與方法 

1.1 試樣制備

    熔煉所用原料為低合金高強鋼Q355B，成分見表1。分別使用純Ti (阿拉丁)、純Zr (99.8%)、Ni80-Mg20 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%，下同)合金和Fe90-Ce10合金添加目標(biāo)脫氧元素。采用WZG-2KG微型真空感應(yīng)熔煉爐熔化Q355B鋼后進(jìn)行精煉，制備不同脫氧元素含量的鑄錠，具體制備過程如下：當(dāng)鋼液溫度穩(wěn)定在1873K后，從加料倉向熔池中加入目標(biāo)脫氧元素/合金，并精煉2min；減小電爐功率，把鋼液溫度穩(wěn)定到1773K，然后澆注到預(yù)先放置于真空爐的MgO坩堝中鑄成Φ55mm×60mm的鑄錠。試樣中合金元素的實際含量如表2所示。

      針對每個成分，在熔煉過程中取樣兩次，分別為添加脫氧元素前的空白樣品（脫氧0min）、添加脫氧元素后2 min 的樣品，所取樣品尺寸約Φ8 mm×(30~60)mm。最終獲得的鑄錠質(zhì)量良好，無明顯缺陷。

1.2 分析檢測方法    

     使用Agilent 5110 光譜分析儀(ICP-OES)測量試驗鋼中脫氧元素的成分。對試樣進(jìn)行機(jī)械研磨和機(jī)械拋光，使其表面光亮無劃痕，利用ULTRA55 掃描電子顯微鏡(SEM)的二次電子像(SEI) 觀察試樣微觀組織，通過附帶的能譜分析儀(EDS)分析夾雜物成分。各試驗鋼，至少選擇50 個視場進(jìn)行觀察，使用SEM-EDS分析典型夾雜物的種類和元素分布情況后，再利用圖像分析儀分析各試驗鋼中夾雜物的數(shù)量和面積，繪制夾雜物尺寸分布特征曲線。

2、實驗結(jié)果與討論

2.1 Q355B鋼（未脫氧鋼）中的夾雜物分析    

     原始未脫氧Q355B鋼中夾雜物由球狀及細(xì)長條狀MnS組成，襯度為深灰色，如圖1(a)所示。這些夾雜物大多以聚集形式存在，尺寸為1~4μm。其EDS 測試結(jié)果如圖1(b)所示，Mn 和S 元素的原子分?jǐn)?shù)之比接近1:1。    

     同時，未脫氧鋼的基體中彌散分布著尺寸小于0.5μm的碳化物顆粒，其形貌和關(guān)鍵元素分布如圖1(c)、(d)所示。該碳化物在Q355B 鋼中普遍存在，襯度為黑色。EDS 分析表明碳化物周圍深灰色襯度區(qū)域存在Mn 和S 元素富集。這表明，部分碳化物與球狀MnS 共存，這些碳化物可能為MnS 夾雜的形成提供了形核質(zhì)點。

      聚集的夾雜物易引發(fā)應(yīng)力集中，嚴(yán)重影響鋼材的質(zhì)量和性能。尺寸細(xì)小、彌散分布，而且尺寸隨著添加量或脫氧時間等因素相對穩(wěn)定的夾雜物會起到較好的彌散和沉淀強化效果，對鋼材性能有利。因此，本文選擇了多種脫氧元素，采用不同的添加量對Q355B 鋼進(jìn)行脫氧，研究脫氧時間為2 min 時，鋼中夾雜物的形貌、成分及尺寸分布特征，以期為不同脫氧時間、復(fù)合脫氧等方法調(diào)控鋼材組織性能的成分設(shè)計提供一定基礎(chǔ)。

2.2 不同脫氧元素對Q355B鋼中夾雜物的影響   

     0.005 wt.%-Ti 脫氧2min時，實驗鋼中典型的夾雜物形貌及相關(guān)元素分布如圖2所示。與原始未脫氧鋼相似，此時鋼中仍存在聚集分布的MnS夾雜，形態(tài)以球狀或紡錘狀為主，且較未脫氧鋼中的MnS夾雜物尺寸有所增加，如圖2(a)、(a1)所示，這些MnS 夾雜內(nèi)部未檢測到Ti 元素。鋼中出現(xiàn)的少量復(fù)合夾雜如圖2(b)、(b1)所示，復(fù)合夾雜物左右側(cè)襯度差別比較明顯，其尺寸相比于單獨存在的MnS 夾雜物出現(xiàn)了明顯的細(xì)化。根據(jù)元素分布可以判斷，該夾雜物左側(cè)為MnS+TiN復(fù)合夾雜，右側(cè)為MnS 夾雜。另外，在脫氧鋼中還可觀察到球形Ti-O夾雜，這些含Ti夾雜物尺寸較小，約為0.5~0.8μm，如圖2(c)、(c1)所示。

      由于Ti元素添加量較少，且脫氧時間僅為2min，含Ti夾雜物的尺寸仍較小。一部分含Ti氧化物單獨存在，另一部分含Ti夾雜物與MnS夾雜依附存在。在Q355B鋼的精煉過程中，0.005 wt.%-Ti 短時間脫氧所產(chǎn)生的含Ti夾雜物即會影響MnS 的分布和形態(tài)，對MnS 的細(xì)化表現(xiàn)出一定的積極作用。

     隨著Ti元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加（由0.0083 wt.%增加至0.0136 wt.%），除上述夾雜物，鋼中還出現(xiàn)了Ti-O化合物（以TiO2為主）與Al-Si-O化合物（硅酸鹽類）或MnS、MnS/MnO+TiN 的復(fù)合夾雜，如圖3 所示。可以看出，Al-Si的氧化物與Ti 的氧化物形成的復(fù)合夾雜尺寸一般可超過2μm。而含Mn 夾雜物與Ti的氧化物形成的復(fù)合夾雜尺寸較小，直徑約0.5~1μm，且隨著Ti元素添加量的增加，其尺寸保持穩(wěn)定。可見，適當(dāng)提高Ti 元素的添加量，可充分發(fā)揮Ti的脫氧作用，其產(chǎn)物對于MnS、MnS/MnO+TiN夾雜有明顯的細(xì)化和穩(wěn)定作用。

     使用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Zr元素對Q355B鋼脫氧2min時，鋼中夾雜物以球形、棒狀MnS 夾雜為主，同時還可以觀察到大量MnS 與ZrO2的復(fù)合夾雜，如圖4 所示。由能譜測試結(jié)果可知，ZrO2 位于復(fù)合夾雜物心部，其形態(tài)通常為方塊狀，襯度為淺灰色，ZrO2 周圍包裹著襯度為深灰色的MnS。可以發(fā)現(xiàn)，隨著Zr 元素的添加量由0.003 wt.%逐漸提高至0.0088 wt.%，MnS+ZrO2夾雜物的整體尺寸有所增加。其中ZrO2（尺寸比較穩(wěn)定，始終低于0.5μm。但從圖4(c)中可以觀察到，當(dāng)Zr元素含量為0.0088wt.%時，ZrO2夾雜出現(xiàn)聚集，這導(dǎo)致復(fù)合夾雜物尺寸迅速增大。保持合理的Zr元素添加量，才能有效控制MnS夾雜的尺寸，對于Q355B鋼來說，Zr元素的添加量要低于0.0088wt.%。

     當(dāng)使用0.0032wt.%-Mg元素脫氧時，可在部分塊狀MnS夾雜物內(nèi)部觀察到O、Si、Al和Mg元素的偏聚，但未觀察到氧化物顆粒與MnS的襯度區(qū)別，如圖5(a)、(a1)所示。在一些棒狀夾雜物中，可觀察到兩種明顯的襯度，如圖5(b)所示。此夾雜物長軸方向尺寸約為4μm，短軸方向為1.5μm。其左下方為MnS，該區(qū)域僅存在Mn和S元素的聚集，而在右上部深灰色襯度區(qū)域，可以觀察到O、Al和Mg元素的聚集，如圖5(b1)所示。可以判斷，此夾雜為鎂鋁尖晶石與MnS 的復(fù)合夾雜。    

    當(dāng)Mg元素添加量增加至0.005~0.0134wt.%時，鋼中出現(xiàn)較多尺寸較大的MgO+SiO2+MnO夾雜，如圖5(c)所示。該夾雜內(nèi)部Mg、Si、Mn和O元素均勻分布，其中，Mn元素含量較少，原子分?jǐn)?shù)僅為5.25%，Mg和Si元素分別為18.52%和10.56%。按照能譜測試結(jié)果，判斷該夾雜物以MgO+SiO2 為主，如圖5(c1)所示。

    可見，Mg元素添加量為0.0032wt.%時，脫氧鋼中含Mg氧化物可影響MnS的分布和形態(tài)，但隨著Mg元素添加量的提高，鋼中更容易出現(xiàn)MgO與SiO2、MnO的復(fù)合夾雜物，此時，Mg元素對于MnS夾雜物尺寸的控制作用有限，而且所產(chǎn)生的MgO+SiO2/MnO夾雜物尺寸非常粗大。    

     當(dāng)使用0.0005wt.%的Ce元素脫氧2min時，夾雜物以球形MnS+SiO2為主，尺寸為2~3μm，鋼中幾乎檢測不到Ce元素的存在。隨著Ce元素的添加量增加至0.0045wt.%，大多數(shù)夾雜物仍為球形，尺寸低于2μm，如圖6(a)所示。根據(jù)能譜測試結(jié)果可以判斷，該夾雜以MnS 夾雜為主，Mn和S元素的原子分?jǐn)?shù)分別為22.53%和22.91%。另外，檢測到Ce元素原子分?jǐn)?shù)為4.16%，O元素原子分?jǐn)?shù)為7.49%。因此，判斷該夾雜物為MnS+Ce2O3 復(fù)合夾雜，但夾雜物內(nèi)部無明顯襯度差異。     

     隨著Ce元素的添加量進(jìn)一步增加至0.0071~0.0088wt.%，脫氧鋼中的復(fù)合夾雜物尺寸比較穩(wěn)定，以1μm為主。由圖6（b-b2）可知，此夾雜物的心部為Ce2O3和少量SiO2，外面包裹著MnS，其中Ce2O3的襯度清晰，呈現(xiàn)為淺灰色。可見，Ce2O3對于MnS的尺寸有較好的穩(wěn)定作用，應(yīng)控制Ce元素的添加量達(dá)到0.0071wt.%。

2.3 單脫氧Q355B鋼中夾雜物的分布情況   

      為了進(jìn)一步分析不同種類、不同添加量的脫氧元素對Q355B鋼中夾雜物的影響，對上述脫氧鋼中的夾雜物尺寸（直徑）和數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計，如圖7所示。

    由圖7(a)可知，在Ti元素添加量為0.005wt.%的實驗鋼中，尺寸為0.4~1μm的夾雜物占比超過60%，僅有3.3%的夾雜物尺寸為2.8~3.2μm。隨著Ti元素添加量增至0.0083wt.%，尺寸大于1μm的夾雜物占比明顯增加，其中，尺寸大于3μm的夾雜物占比超過5%。相對來說，當(dāng)Ti 的添加量超過0.010wt.%時，夾雜物比較細(xì)小，大部分夾雜物尺寸分布于0.8~1.6μm。結(jié)合2.2節(jié)關(guān)于夾雜物形貌及成分的分析可知，應(yīng)控制Ti元素的添加量高于0.010wt.%，增加鋼中含Ti氧化物的含量，進(jìn)而獲得分布均勻、尺寸細(xì)小、穩(wěn)定的MnS或含Ti的MnS 復(fù)合夾雜。  

     由圖7(b)可知， Zr 添加量為0.003~0.009 wt.%時，脫氧鋼中夾雜物的尺寸相對于Ti 元素脫氧時的尺寸有所增加，且同樣表現(xiàn)出隨著脫氧元素添加量增加夾雜物尺寸減小的趨勢。整體來說，夾雜物尺寸的穩(wěn)定性較高，尤其當(dāng)Zr元素添加量達(dá)到0.0052wt.%時，超過65%的夾雜物尺寸分布于0.8~1.6μm。

    如圖7(c)所示，當(dāng)使用0.0032wt.%的Mg元素脫氧2min時，夾雜物比較細(xì)小，尺寸為0.4~1 μm 的夾雜物占比超過50%。隨著Mg元素添加量的增加，夾雜物尺寸呈增大趨勢，但當(dāng)Mg元素的添加量為0.007wt.%時，尺寸分布于0.6~1.2 μm 的夾雜物占比接近70%。     

    如圖7(d)所示，Ce添加量為0.0005~0.009 wt.%的脫氧鋼中夾雜物尺寸相對較大，而且隨著添加量的增加，夾雜物呈輕微長大的趨勢。當(dāng)Ce 含量為0.0005 wt.%時，超過75%的夾雜物尺寸為0.8~1.4 μm，當(dāng)Ce 含量為0.0045 wt.%和0.0071 wt.%時，尺寸為1~1.8 μm 的夾雜物占比分別為64.7%和68.9%。當(dāng)Ce添加量達(dá)到0.0088 wt.%時，夾雜物尺寸出現(xiàn)明顯細(xì)化，大部分夾雜物尺寸低于1 μm。

     對于夾雜物形貌、成分及尺寸分布的分析，可為后續(xù)復(fù)合脫氧鋼的成分設(shè)計工作提供較好的依據(jù)。     

     其中，關(guān)于Q355B鋼脫氧元素的添加量可參考如下范圍：Ti元素添加量高于0.010wt.%；Zr元素添加量高于0.0052wt.%，低于0.0088wt.%；Mg元素添加量可選擇0.0032wt.%；Ce元素添加量可選擇0.0071~0.0088 wt.%。為了進(jìn)一步提高脫氧元素對鋼中夾雜物的細(xì)化和穩(wěn)定化效果，在后續(xù)工作中，可以在上述工作基礎(chǔ)上，充分對比多元素復(fù)合脫氧對鋼中夾雜物形態(tài)及成分的影響，以進(jìn)一步細(xì)化顯微組織，優(yōu)化鋼材性能。

2.4 不同脫氧元素對Q355B鋼顯微組織的影響   

      結(jié)合上述分析可知，不同種類和含量的脫氧元素會對實驗鋼中脫氧產(chǎn)物的種類、數(shù)量及分布產(chǎn)生較大的影響，從而明顯影響鋼材的顯微組織和力學(xué)性能。Sung等研究表明，隨著鋼中夾雜物數(shù)量的增加，針狀鐵素體（Intragranular Acicular Ferrite，IAF）的體積分?jǐn)?shù)增加，這有利于提高鋼材的沖擊韌性，使材料的斷裂模式由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。由圖8 可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過不同脫氧元素脫氧的Q355B鋼中均存在夾雜物誘導(dǎo)針狀鐵素體形成的現(xiàn)象，但整體上，不同種類脫氧元素、不同添加量下Q355B鋼的顯微組織差異較大。     

     圖8(a1-a3)為不同含量Ti元素脫氧10min時Q355B鋼的顯微組織。當(dāng)Ti 含量為0.005 wt.%時，組織主要由仿晶界鐵素體、塊狀鐵素體、針狀鐵素體及貝氏體組成；隨Ti 元素含量提高，仿晶界鐵素體含量逐漸減少；當(dāng)Ti 含量達(dá)到0.0106 wt.%時，仿晶界鐵素體完全消失，且針狀鐵素體含量逐漸增加，有利于提升沖擊韌性。圖8(b1-b3)為不同含量Zr 元素脫氧10 min 時Q355B 鋼的顯微組織。當(dāng)Zr 含量為0.003wt.%時，組織主要由塊狀鐵素體、針狀鐵素體及貝氏體組成，無明顯邊界；Zr含量提高至0.007wt.%時，組織稍細(xì)化，物相構(gòu)成及含量變化不大；Zr含量為0.0088wt.%時，組織明顯細(xì)化且貝氏體含量顯著增加，而針狀鐵素體含量顯著下降，且組織均勻性變差，進(jìn)而導(dǎo)致沖擊韌性惡化。圖8(c1-c3)為不同含量Mg 元素脫氧10min 時Q355B 鋼的顯微組織。當(dāng)Mg含量為0.0032 wt.%時，組織主要由多邊形鐵素體、針狀鐵素體及貝氏體組成，其中貝氏體含量約20 wt.%；當(dāng)Mg含量為0.007 wt.%時，組織均勻性較差，且貝氏體含量顯著增加；當(dāng)Mg含量為0.0134 wt.%時，組織重新變得均勻。因此，為了有效細(xì)化組織，得到較多的針狀鐵素體并且降低成本，Mg添加量以不超過0.007wt.%為宜。圖8(d1-d3)為不同含量Ce元素脫氧10 min 時Q355B 鋼的顯微組織。組織均主要由針狀鐵素體及貝氏體組成，無先共析鐵素體及魏氏鐵素體；Ce含量為0.0071 wt.%時的組織最細(xì)小，這有助于改善拉伸性能及沖擊韌性。

3、結(jié)論 

      (1) 在Q355B鋼中分別添加微量合金元素Ti、Zr、Mg和Ce進(jìn)行單脫氧后，鋼中夾雜物（以MnS為主）的形態(tài)、成分和分布會受到顯著影響。MnS以復(fù)合夾雜物的形式存在，Ti脫氧鋼中會形成MnS+TiN或Ti-O（以TiO2為主）或Al-Si-O氧化物（硅酸鹽類）復(fù)合夾雜，Zr脫氧鋼中會形成MnS+ZrO2復(fù)合夾雜，Mg脫氧鋼中會形成MnS+Al-Mg氧化物，Ce脫氧鋼中會形成MnS+Ce2O3復(fù)合夾雜。

     (2) Ti和Ce脫氧鋼中，Ti或Ce的氧化物對于MnS夾雜物的細(xì)化效果尤為顯著；Zr脫氧鋼中的ZrO2夾雜物也可細(xì)化MnS，但添加過多的Zr會引起ZrO2的聚集，從而使MnS+ZrO2復(fù)合夾雜變得粗大；Mg脫氧鋼中易形成粗大的MgO+SiO2+MnO復(fù)合夾雜物，尺寸一般為3~5μm。

     (3) 脫氧元素的不同添加量對夾雜物的特征會產(chǎn)生不同程度的影響。Ti元素添加量高于0.010wt.%、Zr元素添加量為0.0052~0.0088wt.%、Mg元素添加量為0.0032 wt.%、Ce元素添加量為0.0071~0.0088 wt.%更有利于Q355B鋼中夾雜物尺寸的穩(wěn)定和顯微組織的細(xì)化、均勻化。