Utilization of Ti-containing microparticles on improved steel properties – Basic studies on inclusions control and interfacial phenomena

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Holappa, Lauri, Prof. Emeritus, Aalto University, Finland
dc.contributor.author Kiviö, Miia
dc.date.accessioned 2020-05-20T09:00:18Z
dc.date.available 2020-05-20T09:00:18Z
dc.date.issued 2020
dc.identifier.isbn 978-952-60-3901-5 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-3900-8 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/44212
dc.description The public defense on 12th June 2020 at 12:00 will be available via remote technology. Link: https://aalto.zoom.us/j/62968943922 Zoom Quick Guide: https://www.aalto.fi/en/services/zoom-quick-guide Electronic online display version of the doctoral thesis is available by email by request from aaltodoc-diss@aalto.fi
dc.description.abstract Inclusions in steel are mostly regarded as harmful. However, if the size and chemistry of the inclusions are controlled, they can act as functional particles in improving the mechanical properties of the steel. Titanium as oxides or carbides can be used to control the microstructure and mechanical properties of steel. The composition, shape and size of the inclusions can vary depending on the conditions. Reactions and wetting between titanium inclusions and steel with different alloying elements are key phenomena in developing steel production processes. In this thesis the interfacial phenomena between liquid steel and titanium-containing inclusions were studied. The aim was to determine the inclusion types after additions of titanium and TiO2, the effect and role of aluminium and manganese on the inclusions, the wetting between titanium carbide and steel and the effect of chromium, nickel and molybdenum on wetting and interfacial reactions. The experiments in a vacuum furnace consisted of adding Ti and TiO2 into liquid steel before and during casting. The inclusions formed after the additions of Ti/TiO2 were comprehensively studied by scanning electron microscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS) and electron backscatter diffraction (EBSD), focusing on titanium oxide inclusions. The study examined inclusion types, and the composition and size of the inclusions existing in the cast ingots. Another experimental method used was wetting experiments between TiO2/TiC and steel or iron alloys. The wetting experiments were performed using two different methods: conventional sessile drop technique and separate heating of the TiC substrate and metal droplet. During the wetting experiments the contact angles were recorded and evaluated. The samples from these experiments were investigated by SEM-EDS. The interface, particles and new phases were studied. Thermodynamic calculations (FactSage) of the formation of inclusions in low-alloyed steel in the melt and during solidification as well as carbide formation in stainless steel were performed to support the experimental part. The results of the inclusion study after the addition of TiO2 into liquid steel were novel at the time of publication of the articles. The extensive study on the effect of alloying elements on the wetting and interfacial reactions between stainless steel and TiC were unique and remains pioneering work. The results showed the complexity of the titanium-containing inclusions in steel. Mastering of the inclusions demands profound knowledge of the dominating phenomena. This thesis provides valuable information for developing the production processes of steels that have improved mechanical properties by using titanium-containing functional particles. en
dc.description.abstract Sulkeumia pidetään yleisesti haitallisina teräksessä. Kontrolloimalla sulkeumien kokoa ja koostumusta niitä voidaan kuitenkin hyödyntää myös funktionaalisina partikkeleina parantamaan teräksen mekaanisia ominaisuuksia. Titaanioksideja tai -karbideja voidaan hyödyntää halutun mikrorakenteen ja mekaanisten ominaisuuksien saavuttamisessa teräksessä. Sulkeumien koostumus, muoto ja koko riippuvat olosuhteista valmistusprosessissa. Titaania sisältävien sulkeumien ja erilaisia seosaineita sisältävän teräksen väliset reaktiot ja kostutus ovat avainasemassa valmistusprosesseja kehittäessä. Tässä väitöskirjassa on tutkittu sulan teräksen ja titaania sisältävien sulkeumien välisiä rajapintailmiöitä. Työn tavoitteena oli määrittää eri sulkeumatyypit teräksessä Ti ja TiO2 lisäysten jälkeen sekä seosaineiden (alumiini ja mangaani) vaikutus sulkeumiin. Lisäksi tavoitteena oli selvittää TiC:n ja teräksen välinen kostutus ja reaktiot rajapinnalla sekä seosaineiden (kromi, nikkeli ja molybdeeni) vaikutus näihin. Kokeellisessa osassa tehtiin sulatuskokeita vakuumiuunissa, joissa sulaan teräkseen tehtiin Ti ja TiO2 lisäyksiä ennen valua ja valun aikana. Syntyneitä sulkeumia, erityisesti titaanioksideja, tutkittiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla ja energiadispersiivisellä spektrometrillä (SEM-EDS) sekä elektronien takaisinsirontaan perustuvan diffraktion (EBSD) avulla. Näytteistä tehdyistä poikkileikkaushieistä tutkittiin sulkeumatyyppejä sekä sulkeumien koostumusta ja kokoa. Toinen osa kokeellisesta osasta koostui kostutuskokeista, joissa tutkittiin TiC- tai TiO2-substraattien ja rautaseosten tai teräksen välistä kostutusta. Kostutuskokeissa käytettiin kahta eri menetelmää: 1. perinteinen sessile drop -menetelmä ja 2. substraatin ja sulan lämmitys toisista erillään. Kokeiden aikana seurattiin kostutusta ja määritettiin kostutuskulmat ja näytteet tutkittiin SEM-EDS -menetelmällä keskittyen rajapintaan, partikkeleihin ja mahdollisiin uusiin faaseihin. FactSage -ohjelmistolla tehtiin termodynaamisia laskelmia, jotka tukivat kokeellista osaa. Laskelmia tehtiin sulkeumien muodostumisesta sulassa matalaseosteisessa teräksessä ja jähmettymisen aikana sekä karbidien muodostumisesta sulassa ruostumattomassa teräksessä ja jähmettymisen aikana. Tulokset TiO2:n lisäämisestä sulaan teräkseen ja siitä syntyvien sulkeumien tutkimuksesta olivat ensimmäiset julkaisut aiheesta. Laaja tutkimus seosaineiden vaikutuksesta kostutukseen ja rajapintailmiöistä TiC:n ja ruostumattoman teräksen välillä on ainutlaatuinen ja edelleen uraauurtava. Tulosten perusteella titaania sisältävät sulkeumat teräksessä olivat hyvin moninaisia. Tämän väitöskirjan tulokset tarjoavat arvokasta tietoa, kun kehitetään mekaanisilta ominaisuuksiltaan entistä parempia teräksiä hyödyntämällä titaania sisältäviä sulkeumia funktionaalisina partikkeleina. fi
dc.format.extent 71 + app. 56
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 82/2020
dc.relation.haspart [Publication 1]: Kiviö, Miia; Holappa, Lauri; Iung, Thierry. Addition of dispersoid titanium oxide inclusions in steel and their influence on grain refinement. Metallurgical and Materials Transactions B, Volume 41B, pages 1194-1204, 2010. DOI: 10.1007/s11663-010-9416-y
dc.relation.haspart [Publication 2]: Kiviö, Miia; Holappa, Lauri. Addition of titanium oxide inclusions into liquid steel to control nonmetallic inclusions. Metallurgical and Materials Transactions B, Volume 43B, pages 233-240, 2012. DOI: 10.1007/s11663-011-9603-5
dc.relation.haspart [Publication 3]: Kiviö, Miia; Holappa, Lauri: Tanaka, Toshihiro; Yoshikawa, Takeshi. Interfacial phenomena in Fe-TiC systems and the effect of Cr and Ni. De Gruyter, High Temperature Materials and Processes. Volume 31, pages 645- 656, 2012. DOI: 10.1515/htmp-2012-0102
dc.relation.haspart [Publication 4]: Kiviö, Miia; Holappa, Lauri: Tanaka, Toshihiro; Yoshikawa, Takeshi. Interfacial phenomena in Fe/stainless steel–TiC systems and the effect of Mo. De Gruyter, High Temperature Materials and Processes. Volume 33,pages 571-584, 2014. DOI: 10.1515/htmp-2013-0082
dc.subject.other Chemistry en
dc.title Utilization of Ti-containing microparticles on improved steel properties – Basic studies on inclusions control and interfacial phenomena en
dc.title Titaanioksidi- ja karbidi-mikropartikkelien hyödyntäminen teräksen ominaisuuksien parantamisessa – tutkimus sulkeumien hallinnasta ja rajapintailmiöistä fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Chemical Technology en
dc.contributor.department Kemian tekniikan ja metallurgian laitos fi
dc.contributor.department Department of Chemical and Metallurgical Engineering en
dc.subject.keyword functional particles en
dc.subject.keyword wetting en
dc.subject.keyword titanium oxide en
dc.subject.keyword titanium carbide en
dc.subject.keyword mechanical properties en
dc.subject.keyword funktionaaliset partikkelit fi
dc.subject.keyword kostutus fi
dc.subject.keyword titaanioksidi fi
dc.subject.keyword titaanikarbidi fi
dc.subject.keyword mekaaniset ominaisuudet fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-3901-5
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Jokilaakso, Ari, Prof., Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, Finland
dc.opn Fabritius, Timo, Prof., University of Oulu, Finland
dc.contributor.lab Metallurgy en
dc.rev Kang, Youn-Bae, Assoc. Prof., Pohang University of Science and Technology, Korea
dc.rev Bernhard, Christian, Assoc. Prof., Montanuniversitaet Leoben, Austria
dc.date.defence 2020-06-12
local.aalto.formfolder 2020_05_20_klo_10_08
local.aalto.archive yes


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse