氧化物冶金技术及其应用

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 材料导报 年 月第 卷第 期 氧化物冶金技术及其应用 ‘ 余 圣 甫 雷 毅 黄安 国‘ 谢明 立 ‘ 李志远 ‘ 华中科技大学材料科学与工程学院 , 武汉 华东石油大学机电学 院 , 东营 摘要 氧化物 冶金是利 用 钢 中细 小 非金属夹杂物诱导晶 内铁素体形 核 细 化 晶粒的新技术 , 应 用 氧化物 冶金技 术 已成功 开发 出 了 高强 度高韧性 的非调 质钢 和低碳钢 。 讨论 了氧化物 冶金型 钢 的 显微组 织特征 , 分析 了氧化物 冶金型 钢 中非金属 夹杂物 的性质和 晶 内铁素体的形 核 机理 , 简述 了氧化物 冶金技术的 应 用 。 关键词 氧化物冶金 非金 属 夹杂物 晶 内铁素体 ‘ ‘ , , 一 一 · , , , , 钢铁材料因高的强度与 良好的低温冲击韧性而在机械工程 制造业 中占据着重要地位 。 进人 世纪后 , 机械工程结构向巨 型化 、 高参量方向发展 , 如超大型船舶与海洋平台 、 大跨度桥梁 、 长距离石油和 天然气输送管线等 。一 〕。 这些大型机械工程结构 对钢铁材料的性能提 出了越来越高的要求 , 要求在不增加或尽 量减少合金元素含量的前提下 , 使钢铁材料的强度与韧性成倍 提高 。许多研究成果表明 , 细化晶粒是实现钢铁材料强度与韧性 成倍提高的最有效方法 。 氧化物冶金是近年来用于细化钢铁材料晶粒 , 提高强度 与 韧性的新方法 、新技术 , 已成功地用于非调质钢 、微合金低碳钢 、 天然气输送管线钢 的开发 , 日本 的“ 新世纪结构材料开发 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ” 就包含氧化物冶金 的内容川 。 本文介绍 了氧化物冶金技术及其 应用 的新进展 。 氧化物冶金的基本思路 人们研究焊缝金属 的显微组织与强度 、 韧性之间的关系时 , 发现当焊缝金属奥氏体晶内的非金属夹杂物周围有似针状的铁 素体显微组织时 , 焊缝金属不仅具有高的强度 , 而且具有 良好的 低温 冲击韧性 。 这些似针状的铁素体显微组织被称为针状铁素 体 , 简称 。 针状铁素体是在奥氏体晶内形 成 的 , 又称为晶内铁素体 , 简称 。 晶 内铁素体总是在非金属夹杂物上形核 , 而这些非金属夹杂物主 要为 、 的氧化物与 的硫化物形成 的氧 、硫复合物仁一 ‘ 。 根据非金属夹杂物诱导 晶内铁素体形核 , 细化晶粒 , 提高强 度和韧性的客观事实 。 日本新 日铁公司的高村等 提出了控制 钢中氧化物的组成 , 使之细小 、 弥散化 , 诱导 晶内铁素体形核 , 提 高钢 的强 度与韧性 , 并将这一 新技 术称 为氧化物冶金 。 基本思路可概括为 〔”二 钢中铁素体晶粒粗大是其韧性不高的主要原因 , 细化铁 素体晶粒的最有效方法是细化奥 氏体晶粒 。 利用控轧 一控冷技术 , 以 及细小弥散的碳化物 、 氮化物在 晶界沉淀析出阻止奥 氏体晶粒粗化 , 可 细化晶粒提高钢 的强度 与韧性 。 但在焊接过程中 , 钢的焊接热影响区会发生晶粒粗化 , 导致韧性急剧下降 。 若能在原奥 氏体晶内形核 , 产生 大量 的晶内铁素体 , 即 使奥 氏体晶粒粗大 , 也可获得 晶粒细小的显微组织 。 晶内铁素体 具有 自身细化的能力 , 能抑制焊接热影响区的晶粒粗化 。 无论多洁净的钢 , 其均有许多非金属夹杂物 。 在适 当的 条件下 , 一些非金属夹杂物可诱导晶内铁素体形核 , 细化钢 的晶 粒 口 氧化物冶金型钢 的显微组织特征 氧化物冶金型钢的显微组织主要 由非金属夹杂物与晶内铁 素体组成 , 这时的非金属夹杂物为有益非金属夹杂物 , 是钢中相 的重要组成部分 。 它们共同起到细化晶粒提高钢强度与韧性 的 作用 。 晶内铁素体的显微组织特征 晶内铁素体的相转变 温度为 一 , 属于 中温转 变 。 晶内铁素体均在奥氏体晶内的非金属夹杂物上形核 、 长大 , 每个 非金属夹杂物上往往有多个晶内铁素体板条 , 呈放射性状 口 二 。 国家 自然科 学基金 和上海 宝 山集 团公 司联合资助重 点项 目 余圣 甫 男 , 副教授 一 一 user 高亮 user 高亮 user 高亮 user 高亮 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 氧化物 冶金技术及其应 用 余 圣甫等 晶内铁素体板条的平均尺寸为 。 一 拜 , 板条内有细小 碳化物与达 护 。条 的高密度位错 , 板条之 间相互连 锁 , 分布在原奥 氏体晶内 。一方面晶内铁素体能使钢的晶粒细小 化 , 另一方面晶内铁素体板条之间为大角度晶界 , 板条内的微裂 纹 解理跨越 晶 内铁 素体时要 发生 偏 转 , 扩 展需 消耗很 高 的能 量 灼 。 因此 , 氧化物冶金型钢表现出高的强度和韧性 。 晶内铁素体能 自身细化 。 一定条件下 , 由非金属夹杂物诱导 生成的 晶内铁素体晶界上可 以 生长 出新的晶 内铁素体 , 这使得 钢的晶粒更加细化 , 有很强的 自身细化晶粒的能力 。 由非金属夹 杂物诱导形核形 成 的晶 内铁 素体称为一 次晶 内铁 素体 , 在一次晶内铁素体晶界上形成的晶内铁 素体称为二次晶内铁素体 。 二 次 晶内铁素体的形核称为感生形核 , 由此形 成 的 晶 内铁素体又 称 为感 生 晶 内铁 素体 ‘万一 ”二。 利用 晶内铁素体感生形 核具有 自 身细化 晶粒 的特点 , 可有效地解决焊接热影 响 区韧性下降的 问 题 。 尽管许多学者发现 了晶内铁素体感生形核现象仁川 , 但对有 关晶内铁素体的感生形核规律 、 感生形核条件和影响晶内铁素 体感生形核的因素了解较少 , 积累的数据也不多 。 氧化物冶金型钢 中非金属夹杂物的作用与性质 非金属夹杂物是氧化物冶金 型钢显微组织 的重要组成部 分 , 这 时 的非 金 属 夹 杂物是 有益 相 , 它 们有 以 下 几 方 面 的作 用 〔’卜 。〕 ①在钢液中作为非 自发形核核心 , 细化奥 氏体晶粒 ② 沉淀于奥氏体晶界 , 阻止奥 氏体晶粒的长大 ③固溶于奥氏体晶 内 , 影 响奥 氏体 向铁素体的 固相转变 , 诱导 晶内铁素体形核 、 长 大 ④在焊接过程 中 , 促进焊接热影响区粗晶区 的晶内铁素体形 核与感生形核 。 现对于诱导晶内铁素体形核非金属夹杂物的性质进行了许 多研究 。 等饰 研究了焊缝金属 中诱导 晶内铁素体形核 非金属夹杂物的性质 。 电子探针分析的结果表明 , 诱导晶内铁素 体形核的非金属夹杂物为 、 、 的氧 、 硫复合物 , 如 · · 。 并认为非金属夹杂物表面的 在晶内铁素体 形核过程中起主导作用 。 等 】研究 了微 脱氧低碳钢 中非金属夹杂物的性质 , 认为 、 和 。 · 复合物在晶内铁素体形核中起 主导作用 , 并认为 、 与铁素体 的错 配度较小 , 有 利于 晶 内铁素体在非金属夹杂物上形核 。 等烫二研究 了微 合金氧化物冶金型 中碳钢 的非金属夹杂物 , 认 为 、 和 · 复合物在晶内铁素体形核中起主导作用 。 由于诱导 晶 内铁素体形核 、 长 大 的非 金 属 夹 杂物 往往是 、 、 、 、 形成的氧 、 硫复合物或氧 、 氮复合 物 。 这些复合物的中心为高熔点的 姚 、 、 等 , 非金属 夹杂物的表层一般为低熔点的 、 等 。 在复合非金属夹 杂物 中 , 究竟是 复合非金属夹杂物整体共 同作用诱导 晶内铁素 体的形核 , 还是表层非金属夹杂物 、 在诱导 晶内铁素 体的形核过程 中起决定性作用 , 在此方面争议较大 , 还有待进一 步研究 。 此外 , 非金属夹杂物能否在钢 中起到诱导 晶 内铁素体形核 的作用 , 不仅与非金属夹杂物的化学成分有关 , 而且与其尺寸大 小 、 分布有关 。 研究发现诱导晶内铁素体形核的非金属夹杂物直 径为 。 一 拌 , 且均匀分布 。 钢 中非金属夹杂物的尺寸大 小 、 分布主要取决于钢 中氧含量 。 钢中氧含量太高 , 非金属夹杂 物尺寸太大 氧含量较低 , 不能形成 足够多的非金属夹杂物 , 均 不利于晶内铁素体的形核 。 氧化物冶金型钢 中晶内铁素体形核机理 现关 于 晶内铁素体形核 、 长大的机理的研究报道 主要有如 下 种 乏”一 ’二 应力 一应变能机理 。 此机理认为钢 中非金属夹杂物的线 膨胀系数 比奥氏体小 , 冷却过程 中在非金属夹杂物周 围形成较 大的应力 一应变场 。 晶内铁素体在非金属夹杂物上形核 、 长大 , 降 低非金属夹杂物附近 的应力 一应变能 。 在 一 “ , 的线膨胀 系数为 只 一 ‘ , 钢 的线 膨胀系数为 一 “ , 两者的差别并不大 , 附近 的应力 应变能并不高 , 但许多研究结果表明 , 纯 是诱导 晶 内铁素 体形核的重要非金属夹杂物之一 。 此外 , 应力 一应变能机理说明 非金属夹杂物整体共同作用诱导 晶内铁素体形核 。 最小错配度机理 。 此机理认为非金属夹杂物与铁素体有 较小的错配度 , 晶内铁素体在非金属夹杂物上形核所需要 的能 量 较低 , 易于在非金属夹杂物上形 核 、 长大 。 然而 , 等。 口的研究结果表明 , 虽 与铁素体的错配度高达 , 但 仍是诱导 晶 内铁素体形核较活跃的非金属 夹杂物之 一 。 此外 , 最小错配度机理说明非金属夹杂物表面物质在晶内铁 素体形核 、 长大过程中起主导作用 。 局部成分变化机理 。 此机理认为非金属夹杂物能吸收奥 氏体附近 的合金元素 , 造成附近奥 氏体出现贫 区 , 降低 奥氏体的稳定性 , 诱导 晶 内铁素体在非金属夹杂物上形核 、 长 大 。 惰性界面能机理 。 此机理认为非金属夹杂物作为惰性介 质表面 , 成为晶内铁素体的形核核心 , 从而降低形核的能垒 。 根 据此种机理 , 晶内铁素体更容易在奥氏体晶界上形核 、 长大 。 事 实上 , 晶内铁素体是在奥氏体晶内的非金属夹杂物上形核 、 长大 的 。 尽管提出了 种晶内铁素体形核机理 , 但各机理之间存在 相互矛盾之处 。 具体体现在 应力 一应变能机理说明非金属夹杂 物的尺寸大小起主导作用 , 复合非金属夹杂物整体共同作用诱 导晶内铁素体的形核 。 与应力一应变能机理相反 , 最小错配度机 理认为非金属夹杂物表面对诱导 晶内铁素体形核起主导作用 , 只要非金属夹杂物表面与铁素体的晶格错配度很小 , 非金属夹 杂物就能诱导晶内铁素体形核 。 局部成分变化机理说明非金属 夹杂物附近奥 氏体中的合金元素 起主导作用 , 非金属夹杂 物的尺寸大小 , 表面 的物质与晶内铁素体形核 、 长大无多大关 系 。 惰性界面能机理说明非金属夹杂物与奥氏体之间存在较高 的界面能 , 铁素体在非金属夹杂物上形核可降低能垒 , 非金属夹 杂物附近 的含量对晶内铁素体形核影响不大 。 目前 , 国内外较多学者认同惰性界面能机理 。认为非金属夹 杂物作为惰性介质表面 , 成为晶内铁素体的形核核心 , 从而降低 形核的能垒 。 我们认为晶内铁素体的形核机理与非金属夹杂物 的性质有关 , 不 同的非金属夹杂物表现出不同的机理 , 也可能是 多种机理共同作用的结果 。 如 与铁素体的错配度较小 , 这 时错配度机理起主导作用 体现 出的是局部成分变化机 理 , 复合非金属夹杂物可能表现为应力 一应变能机理 。 但无论如 何 , 非金属夹杂物诱导晶内铁素体形核的机理远没有弄清楚 , 有 待深人 、 细致研究 。 user 高亮 user 高亮 user 高亮 user 高亮 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 材料导报 年 月第 卷第 期 氧化物冶金技术的应用 近 年来 , 运用 氧化物冶金技术已 成功开发出高强度高韧性 的非调质钢 、 微合金低碳钢 、 石油和天然气输送管线钢匡 ’习 。 德国蒂森特钢铁公司在开发 中碳非调 质钢时 , 用 、 微合金化 。 一方面形成的 、 非金属夹杂物钉扎 奥 氏体 晶界 , 阻止奥 氏体晶粒长大 另一方面 、 非金 属 夹杂物作为诱导 晶内铁素体形核的非金属夹杂物 , 使奥氏体的 晶粒有效细化 。 在保证钢的强度为 。一 时 , 其室温 冲 击韧性达 。 中碳非调质钢因取消了调质热处理 , 具有 良好的节能效果 , 并有较高的冲击韧性值 。 在德 国 、 日本 , 以上的连杆 、 曲轴均采用氧化冶金型中碳非调质钢 」。 为了提高工程结构钢焊接热影响区 的韧性 , 已开发出微 脱 氧 氧 化 物 冶 金 型 低 碳 钢 , 其 化 学 成 分 为 。 , 为 , 为 肠 , 为 。 微量的 可形成 、 非金属夹杂物质点 。 在焊接过程 , 热影响区的非金属夹杂物 可诱导 晶内铁素体形核和感生形核 , 确保焊接热影 响 区 的强 度 和韧性不降低 , 转变温度可达 一 “ 吻 〕。 在管线钢开发起始阶段 , 管线钢在埋弧焊大线能量条件下 , 焊接热影响区 的韧性急剧下 降 , 粗晶区 一 的冲击韧性值仅 左右 , 远不能满足工程结构的要求 。 后采用 、 、 微合金 化 , 、 、 形成 、 、 、 、 沉淀于晶界 , 阻止 了 奥氏体晶粒长大 。 焊接过程 , 利用热影响区 的 、 质点诱 导 晶内铁素体形核和感生形核 , 确保焊接热影响粗晶区 一 ℃ 的冲击韧性值在 叮 以上 , 有效地解决了管线钢在埋弧焊大线 能量条件下 , 焊接热影响区的韧性急剧 下降的问题川 。 此外 , 氧 化物冶金技术在提高焊缝金属的强度与韧性方面得到较广泛应 用 。 结束语 氧化物冶金是近年来兴起的利用钢 中细小非金属夹杂物诱 导晶内铁素体形核细化晶粒的新技术 , 应用 氧化物冶金技术 已 成功地开发出了非调质钢 , 氧化物冶金型低碳钢和高强度高韧 性管线钢 。 目前 , 氧化物冶金技术已成为解决工程结构钢焊接热 影响区粗晶区韧性降低的重要新途径 。 为 了更好地掌握氧化物 冶金规律 , 扩大了氧化物冶金技术 的应用范围 , 应对如下三方面 的科学问题进行深人研究 钢 中诱导晶内铁素体非金属夹杂物的性质 , 尺寸大小和 分布规律 。 晶内铁素体的形核机理与影响晶内铁素体形核的因素 。 晶内铁素体感生形核机理与影 响晶内铁素体感生形核 的因素 。 对上述科学问题的深入研究 , 必将为开发新型氧化物冶金 型高强度高韧性钢提供理论依据 , 促进氧化物冶金技术的进一 步发展和更广泛地应用 。 参考文献 董瀚 合金钢的现状与发展趋势 〕特殊钢 , , 赵沛 , 刘正才 新一代钢铁材料基础研究的进展和体会仁二 材料导报 , 一 , , 〕 , , 王 祖滨 , 宋青 世纪之交看低合金 高强度 钢 的发展 二钢 铁 , , 小 关 敏彦 溶接金属 内凝 固 巴凝 固组 织 制御 〕溶接学会 志 , , , , , 〕 , , , 、 一 一 〔 〕 , , , 仁〕 , , , 一 一 」 , , , , , , , 〕 , , , 〕 , , 余圣甫 , 李志远 , 石仲塑 , 等 低合金高强度钢药芯焊丝焊缝 中非金属夹杂物诱导针状铁素体形核 的作用 〔 机械工程 学报 , , 余圣甫 , 石仲堑 , 李志远 , 等 药芯焊丝焊缝金属 中的非金属 夹 杂物对针状铁素体形成 的影响规律 应用科学学报 , , , , , 。 仁 , , , , , 一 习 , , 余圣甫 高强度低合金钢二氧化碳气保护碱性药芯焊丝 冶 金过程研究 〔 〕华中理工大学博士 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 , , 〕 , 一 , , , 〔〕 , , , , , 一 仁 〕 , , , , , 一 」 , , 责任编辑 徐 鸣