氧化物冶金技術的理論與工藝

1、2005年第2期世界鋼鐵氧化物冶金技術的理論與工藝(中)鄭慶朱立新(上海寶鋼研究院冶金工藝所)摘要細小氧化物夾雜可以作為非均勻形核質點在奧氏體晶粒內部誘發(fā)針狀鐵素體組織，從而產生細化晶粒的效果。這項被稱為氧化物冶金的技術對于提高某些高強度低合金鋼焊接熱影響區(qū)的韌性有著非常好的效果，其技術關鍵在于對凝固前沿及其后形成的二次夾雜進行精確控制。關鍵詞HAZ晶內針狀鐵素體夾雜物1前言氧化物冶金技術是一項近1O年來受到國際冶金材料學術界和產業(yè)界廣

2、為關注的前沿技術。這一技術對于改善高強度低合金鋼種(HSLA)的焊接熱影響區(qū)(HAZ)韌性、推動超細晶粒鋼種的開發(fā)有著非常重要的意義，有望得到大規(guī)模產業(yè)化應用。高強度低合金鋼是一種應用廣泛的結構鋼，在大多數(shù)情況下要求其具有優(yōu)良的焊接性。其焊接性主要包括兩個方面，其一是裂紋敏感性，即要求鋼材具有足夠的韌性；其二是焊接熱影響區(qū)的力學性能l1“J。焊接時，焊縫金屬發(fā)生局部重熔。焊后冷卻過程中，熔合線附近晶粒則粗化形成粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)

3、，粗晶組織導致局部強度和韌性降低。因此，HAZ成為鋼鐵構件的脆弱區(qū)域。近半個世紀以來，通過微合金化、純凈化冶煉和控軋控冷等技術的應用，高強度低合金鋼種母材和HAZ的強度和韌性均得到很大的提高。特別是采用Ti微合金化，使鋼中形成了TiN粒子，可以有效抑制焊接過程HAZ奧氏體晶粒的長大，大大減小HAZ的韌性降低幅度，這項被稱為TiN冶金的技術目前已在高強度低合金鋼中廣泛應用l5～6j。近年來，隨著管線、橋梁、海上采油平臺、高層建筑鋼結構、壓

4、力容器越來越多地采用大規(guī)格、高強度鋼板，要求鋼板可以采用大幅度提高焊接效率的單面埋弧焊、氣電焊或電渣焊等大線能量焊接技術進行焊接。焊接線能量輸入從原來較低的手弧焊(≤25kJ／cm)、自動焊(≤35kJ／cm)提高到50～150kJ／cm，甚至更高峰值溫度將達到或超過1400~C，從而使CGHAZ晶粒粗化傾向更加明顯，即使TiN粒子本身，在1200℃以上高溫下，也將因Oustwald熟化過程而長大、重熔而減弱并失去對奧氏體晶粒的抑制作用

5、一8j，這就給傳統(tǒng)的高強度低合金鋼帶來新的課題，即焊接熱影響區(qū)(HAZ)的性能(強度和韌性)惡化，易產生焊接冷裂紋等問題l9】。眾所周知，大型橋梁、管線、壓力容器等工作負荷(壓力、承重及工作條件)越來越大，對焊接結構鋼的止裂性能的要求也愈來愈高，除要考慮鋼的韌一脆性轉變溫度外，提高延性斷裂的止裂性能則顯得更為重要，因而，進一步改善高強度低合金鋼材HAZ韌性非常迫切。1990年，在日本名古屋召開的國際鋼鐵大會上，新日鐵研究人員首次提出氧化

6、物冶金技術的概念，其基本原理是在鋼中弓f人細小彌散的Ti20夾雜物，而且，Ti20比TiN穩(wěn)定。這些Ti20夾雜物在焊接后的冷卻過程中起到非均勻形核質點的作用，在奧氏體晶粒內部誘發(fā)針狀鐵素體組織(IGF或者AF)，即原始奧氏體晶粒被分割成多個針狀鐵素體晶粒，起到細化HAZ組織的效果11～14]2焊接對鋼材微觀組織性能的影響焊接時輸入熱，使焊縫經歷一個熱循環(huán)，在焊縫金屬區(qū)，鋼本身發(fā)生熔化。在熔合線和未受熱影響的基體材料之間形成HAZ。緊靠

7、熔合線的基體金屬溫度接近鋼的固相線溫度，因此，該區(qū)域顯微組織迅速粗化，成為粗晶熱影響區(qū)(GcI_)。隨著距熔合線距離的增大，熱循環(huán)峰溫下降，在某一區(qū)域達到的一個溫度范圍相當于正火溫度，這個區(qū)域為細晶熱影響區(qū)(GRIIAZ)。離熔合線的距離再進一步增大時，鋼被加熱進入a了兩相區(qū)和不發(fā)生任何相變區(qū)。這兩個區(qū)域分別為兩相區(qū)和維普資訊世界鋼鐵3而，必須使奧氏體優(yōu)先完成向IGF的轉變。Shim的研究發(fā)現(xiàn)[32]，在冶煉中用Ni代替鋼中的Mn，經歷

8、同樣的工藝過程，Ti2()3夾雜便不再誘發(fā)IGF，即證實Mn在IGF的形成中具有重要作用。因此，IGF的形成與Ti，0夾雜的某些特性有關，特別是與Ti0夾雜周圍形成的貧Mn區(qū)有關，具體機制尚待進一步研究。4誘發(fā)IGF的夾雜物種類和大小新日鐵的研究l111]認為，很多種類的夾雜物可能誘發(fā)IGF，但該文獻給出的實例是Ti2()3和ZrO，。JGregg的研究證實，在各種Ti的氧化物中，只有Ti203才能誘發(fā)IGF。Honama等人發(fā)現(xiàn)在凝固

9、前沿和鋼水中，在不出現(xiàn)復合夾雜物情況下，Ti的氧化物只能以Ti203一種形式存在J?，F(xiàn)在普遍認為，誘發(fā)IGF的夾雜物是Ti2()3。盡管也有試驗報道，MnS和TiN也能促進IGF形核3，考慮到MnS和TiN會在其它夾雜物上非均勻形核，即在較高溫度下析出或在液相中形成的Ti20成為較低溫度下析出夾雜物的形核質點。當復合析出的夾雜物中的Ti0非常細小時，能譜分析不一定會出現(xiàn)氧元素的衍射峰，造成不含Ti20的假象。一些研究熱鍛過程IGF形核的

10、文獻則報道，VC、vN也可以起到與Ti，0類似的效果[22333637]。與夾雜物的類型同樣重要的是夾雜物的大小。能譜分析表明，IGF核心是直徑02～2tma、分布密度為50～60個粒子／mⅢ的Ti，0顆粒，這與筆者在研究中發(fā)現(xiàn)直徑為02～04的Ti20顆粒誘發(fā)針狀鐵素體的結果是吻合的[38J，其它一些研究者也作出了相似的結論[3940]。鋼中比較粗大的夾雜物一般不容易成為IGF的形核核心，因為高強度鋼的晶粒均較細小。施焊時，HAZ中奧

11、氏體晶粒一般僅數(shù)十個微米大小，比較粗大的夾雜物，由于界面能的原因往往優(yōu)先在晶界析出，較低溫度時在晶界成為晶界鐵素體組織的形核質點，而且，夾雜物與基體之間的畸變隨夾雜物變大而急劇增加，過大的畸變場容易成為裂紋源而損害鋼材韌性。通常，把脫氧過程在鋼水中形成的夾雜物界定為一次夾雜，而把凝固過程及其后固態(tài)相變中形成的夾雜界稱為二次夾雜。對于冶煉過程中經歷鈦脫氧(即采用鈦單獨脫氧或者與其它脫氧劑聯(lián)合脫氧)的鋼來說，一次夾雜物通常比較粗大，達數(shù)個微

12、米，甚至更大。在高溫下鎮(zhèn)靜或者凝固時采用較慢的冷卻速度均比較容易除去這些粗大夾雜物，對IGF有貢獻的是鋼中的二次夾雜[41]。因此，氧化物冶金技術的關鍵問題在于如何獲得這種夾雜物，即形成夾雜物的工藝條件5Ti203有利夾雜物形核長大機理及試驗驗證51夾雜物的形核一些學者研究了Ti2O夾雜在凝固前沿的形核機理[舵～46]，Ti203形核是建立在以下平衡關系上的：2[Ti]3[O]：(Ti203)(1)Log(t2Ti／aia)=一H]~O

13、a56058／T1808(2)其中a為活度。凝固前沿的一個很重要的特征是存在成分和溫度起伏。由于成分起伏，凝固前沿液相側溶質原子富集，使枝晶臂與鋼液之間存在溶質濃度差。當Ti和O的溶度積超出平衡值時，則發(fā)生Ti2()3的形核和長大，即這種濃度差是夾雜形核長大的驅動力。由于鋼液凝固需要一個過冷度，凝固前沿同樣存在溫度起伏，這種過冷進一步增大反應式(1)的驅動力，而式(2)中的則考慮了溫度起伏以后的實際溫度。這種由凝固前沿成分和溫度起伏所導