Effect of Cooling Rate and N Content on the Precipitation and Growth of AlN Inclusions in High Manganese Non-magnetic Steel

Yang Xinlong; Zhang Tao; Zhao Jian; Chen Yue; Cheng Guoguang; Chen Xingrun; Pan Jixiang

doi:10.20057/j.1003-8620.2025-00076

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Effect of Cooling Rate and N Content on the Precipitation and Growth of AlN Inclusions in High Manganese Non-magnetic Steel

Product Research and Development | 更新时间：2026-01-16

- Effect of Cooling Rate and N Content on the Precipitation and Growth of AlN Inclusions in High Manganese Non-magnetic Steel
- Special Steel Vol. 47, Issue 1, Pages: 12-21(2026)
- 作者机构：
  
  1.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083
  2.北京科技大学绿色低碳钢铁冶金全国重点实验室，北京 100083
  3.甘肃酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司，嘉峪关 735100
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.20057/j.1003-8620.2025-00076
  CLC： TG111
- Received：25 March 2025，
  
  Published：30 January 2026
- 稿件说明：
移动端阅览
杨新龙,张涛,赵健等.冷却速率和氮含量对高锰无磁钢中AlN夹杂物析出和长大行为的影响[J].特殊钢,2026,47(01):12-21.

Yang Xinlong,Zhang Tao,Zhao Jian,et al.Effect of Cooling Rate and N Content on the Precipitation and Growth of AlN Inclusions in High Manganese Non-magnetic Steel[J].Special Steel,2026,47(01):12-21.
杨新龙,张涛,赵健等.冷却速率和氮含量对高锰无磁钢中AlN夹杂物析出和长大行为的影响[J].特殊钢,2026,47(01):12-21. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2025-00076.

Yang Xinlong,Zhang Tao,Zhao Jian,et al.Effect of Cooling Rate and N Content on the Precipitation and Growth of AlN Inclusions in High Manganese Non-magnetic Steel[J].Special Steel,2026,47(01):12-21. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2025-00076.

摘要

研究了冷却速率和氮含量对Fe-23Mn-2Al-0.08V钢中AlN夹杂物析出和长大的影响。AlN形貌主要为六边形和针状。随着冷却速率从36.66 K/s降低到0.71 K/s，AlN的等效直径从7.56 μm增加到24.20 μm，AlN的数量密度从203.01 mm⁻²减少到60.00 mm⁻²。冷却速率与AlN数量密度的关系为

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=98045191&type=

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=98045203&type=

54.52533722

4.14866638

。元素的显微偏析分析表明，铝浓度在枝晶间区域较低，而在枝晶内较高，铝的偏析非常弱，几乎没有氮的偏析。热力学计算表明，当

［N］高于58×10

-6

时，AlN可以在凝固前析出。对AlN长大的预测结果可以很好地揭示其长大规律。当冷却速率为3.02、0.71 K/s时，

［N］≥58×10

-6

对AlN的尺寸影响可忽略不计，而冷却速率对AlN的尺寸有显著影响。

Abstract

The effect of cooling rate and N content on the precipitation and growth of AlN inclusions in Fe-23Mn-2Al-0.08V steel was investgated. The morphology of AlN was mainly hexagonal and needle-like shapes. With the cooling rate decreasing from 36.66 K/s to 0.71 K/s， the equivalent diameters of AlN increased from 7.56 μm to 24.20 μm， and the total amount decreased from 203.01 mm

-2

to 60.00 mm

-2

. The relationship between cooling rate and number density was：

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=98045207&type=

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=98045181&type=

54.52533722

4.14866638

. The element segregation analyzed by EPMA showed that Al concentration was low in inter-dendritic regions but high in dendrites. Al segregation was very weak， and there was almost no N segregation. Thermodynamic calculation showed that AlN could precipitate before solidification with the nitrogen content

higher than 58×10

-6

. The predicted results of AlN growth by kinetic analysis method could well reveal the growth trend. The nitrogen content （≥58×10

-6

） had a negligible effect on the size of AlN when the cooling rates were 3.02 K/s and 0.71 K/s， while the cooling rate had a significant effect on the size of AlN.

关键词

Keywords

references

张福成，陈　晨，刘　帅，等 . 高锰钢研究进展：成分、组织和性能调控［J］. 钢铁， 2024 ， 59 （ 3 ）： 1 - 18+78 .

Jang J M ， Paek M K ， Pak J J . Thermodynamics of nitrogen solubility and AlN formation in multi-component high Mn steel melts ［J］. ISIJ International ， 2017 ， 57 （ 10 ）： 1821 - 1830 .

Paek M K ， Jang J M ， Do K H ， et al . Nitrogen solubility in high manganese-aluminum alloyed liquid steels ［J］. Metals and Materials International ， 2013 ， 19 （ 5 ）： 1077 - 1081 .

Tamamoto S ， Sasaki K ， Ichikawa H ， et al . The casting method in a non-oxidizing atmosphere ［J］. Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan ， 1976 ， 16 （ 7 ）： 351 - 358 .

Wang Y N ， Yang J ， Xin X L ， et al . The effect of cooling conditions on the evolution of non-metallic inclusions in high manganese TWIP steels ［J］. Metallurgical and Materials Transactions B ， 2016 ， 47 （ 2 ）： 1378 - 1389 .

Deng Z Q ， He Y ， Liu J H ， et al . Effect of cooling rate on AlN precipitation in FeCrAl stainless steel during solidification ［J］. Metals ， 2019 ， 9 （ 10 ）： 1091 .

Lu P C ， Li H B ， Feng H ， et al . Formation mechanism of AlN inclusion in high-nitrogen stainless bearing steels ［J］. Metallurgical and Materials Transactions B ， 2021 ， 52 （ 4 ）： 2210 - 2223 .

曹磊，郭宇航，王国承，等 . Fe-Mn-Al-C低密度钢中的脱氧合金化夹杂物［J/OL］. 中国冶金， 2023 ， 33 （ 10 ）： 42 - 49 .

Mintz B . Influence of nitrogen on hot ductility of steels and its relationship to problem of transverse cracking ［J］. Ironmaking & Steelmaking ， 2000 ， 27 （ 5 ）： 343 - 347 .

Jang J M ， Seo S H ， Kim Y D ， et al . Effect of carbon on nitrogen solubility and AlN formation in high Al alloyed liquid steels ［J］. ISIJ International ， 2014 ， 54 （ 7 ）： 1578 - 1583 .

杨飞飞，徐海卫，耿豪，等 . AlN和Zr微合金化对齿轮钢热塑性及渗碳处理晶粒度的影响［J/OL］. 特殊钢， 2023 ， 44 （ 4 ）： 94 - 101 .

Suzuki M ， Yamaguchi R ， Murakami K ， et al . Inclusion particle growth during solidification of stainless steel ［J］. ISIJ International ， 2001 ， 41 （ 3 ）： 247 - 256 .

Alba M ， Nabeel M ， Dogan N . Effect of nitrogen content on the formation of inclusions in Fe-5Mn-3Al steels ［J］. Crystals ， 2020 ， 10 （ 9 ）： 836 .

Gui L T ， Long M J ， Huang Y W ， et al . Effects of inclusion precipitation， partition coefficient， and phase transition on microsegregation for high-sulfur steel solidification ［J］. Metallurgical and Materials Transactions B ， 2018 ， 49 （ 6 ）： 3280 - 3292 .

Liu Z ， Wei J ， Cai K . A coupled mathematical model of microsegregation and inclusion precipitation during solidification of silicon steel ［J］. ISIJ International ， 2002 ， 42 （ 9 ）： 958 - 963 .

Gui L T ， Long M J ， Zhang H H ， et al . Study on the precipitation and coarsening of TiN inclusions in Ti-microalloyed steel by a modified coupling model ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2020 ， 9 （ 3 ）： 5499 - 5514 .

Zhuang C L ， Liu J H ， Mi Z L ， et al . Non-metallic inclusions in TWIP steel ［J］. Steel Research International ， 2014 ， 85 （ 10 ）： 1432 - 1439 .

Wang Y ， Yang W ， Zhang L F . Effect of cooling rate on oxide inclusions during solidification of 304 stainless steel ［J］. Steel Research International ， 2019 ， 90 （ 7 ）： 1900027 .

Wilson F G ， Gladman T . Aluminium nitride in steel ［J］. International Materials Reviews ， 1988 ， 33 （ 1 ）： 221 - 286 .

Liu H ， Liu J ， Michelic S ， et al . Characteristics of AlN inclusions in low carbon Fe-Mn-Si-Al TWIP steel produced by AOD-ESR method ［J］. Ironmaking & Steelmaking ， 2016 ， 43 （ 3 ）： 171 - 179 .

Shen Y Z ， Liu J H ， Xu H ， et al . Micro-segregation study of directional solidified Fe-Mn-C-Al TWIP steels ［J］. Metallurgical and Materials Transactions B ， 2020 ， 51 （ 6 ）： 2963 - 2975 .

Kwon M H ， Kim J K ， Bian J ， et al . Solidification microsegregation and hot ductility of Fe-Mn-C-Al-xNb TWIP steels ［J］. Metallurgical and Materials Transactions A ， 2018 ， 49 （ 11 ）： 5509 - 5523 .

Liu H B ， Liu J H ， Wu B W ， et al . Effect of Mn and Al contents on hot ductility of high alloy Fe-xMn-C-yAl austenite TWIP steels ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2017 ， 708 ： 360 - 374 .

Zheng S G ， Davis C ， Strangwood M . Elemental segregation and subsequent precipitation during solidification of continuous cast Nb-V-Ti high-strength low-alloy steels ［J］. Materials Characterization ， 2014 ， 95 ： 94 - 104 .

Schaffnit P ， Stallybrass C ， Konrad J ， et al . A Scheil-Gulliver model dedicated to the solidification of steel ［J］. Calphad ， 2015 ， 48 ： 184 - 188 .

Ma Z T ， Janke D . Characteristics of oxide precipitation and growth during solidification of deoxidized steel ［J］. ISIJ International ， 1998 ， 38 （ 1 ）： 46 - 52 .

Li J Y ， Cheng G G ， Li L Y ， et al . The formation mechanism of Mn-Al-O inclusions in Fe-Cr-Mn stainless steel during continuous casting ［J］. Steel Research International ， 2018 ， 89 （ 5 ）： 1700461 .

ERICSSON O T ， LIONET M ， KARASEV A V ， et al . Changes in inclusion characteristics during sampling of liquid steel ［J］. Ironmaking & steelmaking ， 2012 ， 39 （ 1 ）： 67 - 75 .

KANG S E ， BANERJEE J R ， MINTZ B . Influence of S and AlN on hot ductility of high Al， TWIP steels ［J］. Materials Science and Technology ， 2012 ， 28 （ 5 ）： 589 - 596 .

Park J H ， Kim D J ， Min D J . Characterization of nonmetallic inclusions in high-manganese and aluminum-alloyed austenitic steels ［J］. Metallurgical and Materials Transactions A ， 2012 ， 43 （ 7 ）： 2316 - 2324 .

Choudhary S K ， Ghosh A . Mathematical model for prediction of composition of inclusions formed during solidification of liquid steel ［J］. ISIJ International ， 2009 ， 49 （ 12 ）： 1819 - 1827 .

You D L ， Bernhard C ， Wieser G ， et al . Microsegregation model with local equilibrium partition coefficients during solidification of steels ［J］. Steel Research International ， 2016 ， 87 （ 7 ）： 840 - 849 .

Li B ， Shi X ， Guo H J ， et al . Study on precipitation and growth of TiN in GCr15 bearing steel during solidification ［J］. Materials ， 2019 ， 12 （ 9 ）： 1463 .

Won Y M ， Thomas B G . Simple model of microsegregation during solidification of steels ［J］. Metallurgical and Materials Transactions A ， 2001 ， 32 （ 7 ）： 1755 - 1767 .

Diederichs R ， Bleck W . Modelling of manganese sulphide formation during solidification， part I： Description of MnS formation parameters ［J］. Steel Research International ， 2006 ， 77 （ 3 ）： 202 - 209 .

Nabeel M ， Alba M ， Karasev A ， et al . Characterization of inclusions in 3rd generation advanced high-strength steels ［J］. Metallurgical and Materials Transactions B ， 2019 ， 50 （ 4 ）： 1674 - 1685 .

Kang S E ， Tuling A ， Banerjee J R ， et al . Hot ductility of TWIP steels ［J］. Materials Science and Technology ， 2011 ， 27 （ 1 ）： 95 - 100 .

Tuling A ， Mintz B . Crystallographic and morphological aspects of AlN precipitation in high Al， TRIP steels ［J］. Materials Science and Technology ， 2016 ， 32 （ 6 ）： 568 - 575 .

Wang Y N ， Yang J ， Wang R Z ， et al . Effects of non-metallic inclusions on hot ductility of high manganese TWIP steels containing different aluminum contents ［J］. Metallurgical and Materials Transactions B ， 2016 ， 47 （ 3 ）： 1697 - 1712 .

Goto H ， Miyazawa K I ， Yamada W ， et al . Effect of cooling rate on composition of oxides precipitated during solidification of steels ［J］. ISIJ International ， 1995 ， 35 （ 6 ）： 708 - 714 .

Kim W Y ， Kang J G ， Park C H ， et al . Thermodynamics of aluminum， nitrogen and AlN formation in liquid iron ［J］. ISIJ International ， 2007 ， 47 （ 7 ）： 945 - 954 .

Yoshioka T ， Ideguchi T ， Karasev A ， et al . The effect of a high Al content on the variation of the total oxygen content in the steel melt during a secondary refining process ［J］. Steel Research International ， 2018 ， 89 （ 2 ）： 1700287 .

Gao X Z ， Yang S F ， Li J S ， et al . Numerical simulation on optimization of center segregation for 50CrMo structural alloy steel ［J］. High Temperature Materials and Processes ， 2016 ， 35 （ 6 ）： 583 - 589 .

Li J M ， Jiang M F ， Ning J X ， et al . Effect of casting speed on dendrite arm spacing of Mn13 steel continuous casting slab ［J］. Journal of Iron and Steel Research International ， 2020 ， 27 （ 6 ）： 665 - 672 .

Views

下载量

CSCD

CNKI被引量

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Effect of Forging Process on Microstructure and Properties of Fe10Cr10Co Soft Magnetic Alloy

Effect of Solution Heat Treatment Temperature and Cooling Mode on Microstructure and Mechanical Property of Ni-Cr-Mo-Co Alloy

Influence Factors on σ-Phase Precipitation of FeCr16 Corrosion-resistant Soft Magnetic Alloy

Study on Continuous Cooling Phase Transition of 12Cr1MoV Pearlite Heat-resistant Steel

Related Author

Yang Xinlong

Cheng Guoguang

Han Zhongjian

Liu Jie

Wang Yanmou

Ma Jing

Li Zhu

Wang Dapeng

Related Institution

Xi'an Gangyan Special Alloy Co.，Ltd

China First Heavy Industries

Tianjin Heavy Industries Research & Development Co.， Ltd.

State Key Laboratory of Metastable Material Science and Technology， Yanshan University

School of Materials Science and Engineering，Shanghai University

⁰