氧化物冶金技术.ppt

氧化物冶金技术 刘建华 冶金研究中心 Liujianhua@metall. 1.概述1.1氧化物冶金的提出 早在七十年代，日本人Masayoshi Hasegawa等通过研究发现，向钢流中喷入尺寸小于120nm的Al2O3、ZrO2等氧化物颗粒，使其细小、弥散分布，能提高钢的硬度、弹性强度和抗拉强度。 这意味着细小分布的夹杂物对钢材性能的作用与普通炼钢工艺下产生的尺寸较大的氧化物夹杂物有本质的不同。 对于弥散细小的氧化物在钢中的作用，越来越趋于共识：即钢中氧化物作为积极意义上的形核核心而非有害夹杂物，可使钢材的性能得到进一步的改善。 氧化物冶金(Oxides Metallurgy)这一名词，1990年正式由日本新日铁公司高村等人提出。 传统观念认为，非金属夹杂物往往是钢材表面和内部缺陷的成因，是钢中有害物质。 为了去除非金属夹杂物，至今为止已开发了各种各样的技术。实际上，大型非金属夹杂物才往往是有害的。而几个μm以下的小型氧化物，由于能成为硫化物、碳氮化物的析出处所，如控制其分布状态、组成和尺寸，钢材性能就可能出现质的飞跃。 随着冶炼技术的不断发展，尤其是脱氧精炼技术与连铸工艺的发展，可以较精确地控制冶炼、连铸工艺。使得钢中形成弥散细小的氧化物，成为析出核心，从而可利用氧化物粒子细化晶粒、改善组织，这一技术被称为氧化物冶金。 1.2 基本原理 氧化物冶金的实质就是通过控制氧化物进而控制硫化物和其它非金属夹杂物的尺寸、大小与形态。 氧化物冶金是利用晶内转变细化组织的方法，被称为是继第二相质点阻止奥氏体晶粒长大和加工热处理细化组织之后的第三种细化组织方法。 硫化物、碳氮化物等析出物对钢的性能影响很大。这些析出物通常在晶界、位借密度高处析出。因此为了控制钢的性能，一般通过控制热轧和冷却以细化晶粒和形成加工位借。 另一方面，由于这些析出物以氧化物等异相物质为核心．一般会发生非均质形核。如果使钢中的氧化物均匀分布，在钢液凝固后，作为这些析出物的核心，多数析出物就会细小分散，从而可望达到各种控制性能的目的。 通过对硫化物分布、组成和尺寸的控制，也会使其在钢中的作用由过变为功。 可成为晶内铁素体或渗C体的析出核心，可提高钢的被切削性能。 如果在连续退火中，冷却速度较快，析出细小的MnS或其它夹杂物颗粒为Fe3C提供了析出位置，可起到清除基体中残余碳，从而改善钢材的韧性 典型晶内铁素体相呈扁豆状，交锁紧密排列，具有高角晶界和高位错密度，能有效提高强度和冲击韧性，抑制解理裂纹的快速蔓延。针状铁素体的最大化能促进钢材强度和韧性的匹配达到最优。 1.3 应用 这一技术对于改善高强度低合金钢种(HSLA)的焊接热影响区(HAZ)韧性、推动超细晶粒钢种的开发有着非常重要的意义 氧化物冶金技术是一项近10年来受到国际冶金材料学术界和产业界广为关注的前沿技术。 有望得到大规模产业化应用。 1.4 TiN冶金的技术 高强度低合金钢是一种应用广泛的结构钢，在大多数情况下要求其具有优良的焊接性。 其焊接性主要包括两个方面，其一是裂纹敏感性，即要求钢材具有足够的韧性；其二是焊接热影响区的力学性能。焊接时，焊缝金属发生局部重熔。焊后冷却过程中，熔合线附近晶粒则粗化形成粗晶热影响区(CGHAZ)，粗晶组织导致局部强度和韧性降低。HAZ成为钢铁构件的脆弱区域。 近半个世纪以来，通过微合金化、纯净化冶炼和控轧控冷等技术的应用，高强度低合金钢种母材和HAZ的强度和韧性均得到很大的提高。特别是采用Ti微合金化，使钢中形成了TiN粒子，可以有效抑制焊接过程HAZ奥氏体晶粒的长大，大大减小HAZ的韧性降低幅度，TiN冶金的技术目前已在高强度低合金钢中广泛应用。 1.5 问题与挑战 进一步改善高强度低合金钢材HAZ韧性非常迫切。 随着管线、桥梁、海上采油平台、高层建筑钢结构、压力容器越来越多地采用大规格、高强度钢板，要求钢板可以采用大幅度提高焊接效率的单面埋弧焊、气电焊或电渣焊等大线能量焊接技术进行焊接。焊接线能量输入从原来较低的手弧焊(≤25kJ／cm)、自动焊(≤35kJ／cm)提高到50～150kJ／cm，甚至更高,峰值温度将达到或超过1400℃，从而使GCHAZ晶粒粗化倾向更加明显。 TiN粒子本身，在1200℃以上高温下，也将因Oustwald熟化过程而长大、重熔而减弱并失去对奥氏体晶粒的抑制作用，给传统的高强度低合金钢带来新的课题，即焊接热影响区(HAZ)的性能(强度和韧性)恶化，易产生焊接冷裂纹等问题。 大型桥梁、管线、压力容器等工作负荷(压力、承重及工作条件)越来越大，对焊接结构钢的止裂性能的要求也愈来愈高，除要考虑钢的韧一脆性转变温度外，提高延性断裂的止裂性能则显得更为重要。 2 氧化物冶金