氧化物冶金技术的最新进展及其实践

氧化物冶金技术的最新进展及其实践

摘要：非金属夹杂物一直被认为是钢中的有害杂质, 是钢铁产品出现缺陷的主要

诱因。但是, 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。本文分析了钢中非金属夹杂物的性质和晶内铁素体的形核机理,通过促进

晶内针状铁素体形核明显改善焊接热影响区的组织, 成为大线能量焊接用钢有效

的技术途径。

关键词：氧化物冶金;晶粒细化;晶内铁素体

1 氧化物冶金的组织特征

1 钢中晶内铁素体形核机理

1)应力- 应变能机理。认为钢中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- 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- 应变能。在300℃-850℃, MnS 的线膨胀

系数为18.1 x 10-6，钢的线膨胀系数为23．0×10-6，两者差别不大。Mns是诱导

晶内铁素体形核的重要非金属夹杂物之一，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。

2)最小错配度机理。认为夹杂物与铁素体有较小的错配度，晶内铁素体在非

金属夹杂物上形核需要的能量较低，易于形核、长大。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。然而，Madariaga 研究表明，虽TiO，与铁素体的错配度高达26.8，但Ti0，仍是诱导晶内铁素体形

核较活跃的非金属夹杂物之一。

1.2 晶内铁素体显微组织特征。氧化物冶金类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。晶内铁素体的相转变温度为680℃～420℃，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索体板条，呈放射性状晶内铁索体板条，平均尺寸0.1 m-3.0 m，板条内有细小碳化物和高密度位错，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。因此，氧化物冶金类型钢表现出高的强度和韧性。

2 非金属夹杂物的作用与控制

非金属夹杂物是氧化物冶金类型钢显微组织的重要组成部分，其作用可概括为：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。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。[1]研究了焊缝金属中诱导晶内铁素体形核非金属夹杂物，结果表明：非

金属夹杂物主要为Al、Ti、Mn的氧、硫复合物，认为夹杂物表面的MnS在晶内

铁素体形核过程中起主导作用。氧化物夹杂控制：钢液凝固时生成的氧化物数量、组成和粒径分布依凝固时冷却速度而定。为了使氧化物细小分散，弱脱氧可以使

氧化物细小分散，成为控制性能所需的MnS、TiN、VN等的析出核心。相反强脱

氧如A1等强脱氧元素脱氧时，氧化物的组成多为单体A1 0，且凝固前的自由氧

浓度低，但这些高熔点氧化物难以成为MnS等夹杂物的析出核心。硫化物夹杂控

制：当钢液中氧化物为固体时，MnS溶解度只随凝固后温度降低而变小，在氧化

物表面析出，依靠基体中Mn、S的扩散而长大，MnS析出率随s浓度变化。随着

S浓度降低，MnS析出率急剧减小。钢液中氧化物为液体时，钢液／氧化物之间

的平衡，随着凝固后温度降低和熔融氧化物成为固体，固溶在氧化物中的S溶解

度减小。

3 氧化物冶金工艺与产品开发

氧化物冶金工艺要求严格控制钢中Mg、Ca、Ti、A1、Mn、V、0、S、N、B

等元素的含量和凝固过程组织控制，得到高温下稳定、细小、弥散的夹杂物，避

免产生粗大的有害夹杂。氧化物冶金技术应用于新产品开发，近期新工艺主要有： 1 HTUFF工艺。HTUFF工艺是新El铁开发的“通过细小的粒子得到微细的组织

和超高的HAZ韧性”技术。继TiN钢、TiO钢之后，开发的第二代氧化物冶金技术，主要用于490 MPa～590 MPa建筑、造船、海洋结构和管线用厚钢板的大线能量

焊接。该工艺的要点是利用在1400℃以上的高温仍稳定存在的夹杂物晶粒，使这

些微细夹杂物弥散于钢材中，抑制^y晶粒的长大，特别是对焊接热影响区的r晶

粒起到钉扎作用。利用该技术新日铁开发了具有优异大线能量焊接性能的屈服强

度为390 MPa的大型集装箱船板。开发的抗拉强度为530 MPa的LPG船低温用钢板，通过连铸在线控制技术和HTUFF工艺，不但比原有的抗拉强度为490 MPa低

温用钢板强度高，而且改善了母材和HAZ的低温韧性。

2 结构用高韧性热锻非调质钢组织细化。利用V(N，c)、TiN、A1N等夹杂物钉扎热锻前后奥氏体晶粒的粗化，同时利用这些夹杂在锻后的冷却过程中诱导粒状IGF形核细化组织，可避免使用复杂的淬火回火等工艺。目前在汽车、建筑机械

用钢的生产中已得到广泛应用。德国蒂森特钢铁公司在开发49MnVS3中碳非调

质钢时，用Ti、V微合金化。一方面形成的TiN、VN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TiN、VN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500 MPa一800 MPa时，其室温冲击韧性达25 J。49MnVS3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、Et本，80％以上的连杆、曲轴均采用氧化冶金型中碳非调质钢。

3 氧化物冶金工艺与TMCP技术结合。新日铁提出将传统的热处理工艺、TMCP技术和氧化物冶金工艺相组合的凝固组织控制法。随产品规格不同，TMCP

的工艺效果不同，新日铁开发了综合运用TMCP、微合金化和氧化物冶金技术的

型钢生产工艺，用于耐火、极厚以及低屈强比等H型钢的生产之中。

为进一步掌握氧化物冶金规律, 扩大氧化物冶金技术的应用范围, 应对如下几

个方面进行深入研究:

1)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, 可形核IGF 夹杂物形核条件的明确化和形

核机理统一化。

2)钉扎和形核作用的综合运用。利用同一种或多种粒子, 达到高温下钉扎, 冷

却时形核的目的,扩展氧化物冶金技术应用领域。对上述科学问题的深入探讨, 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：

[1]王永忠, 张殿印.现代钢铁企业除尘技术发展趋势[J] .世界钢铁, 2013(3):1-5 .

[2]徐匡迪, 洪新.电炉短流程回顾和发展中的若干问题[J] .中国冶金, 2015 ,

15(7), 1-8 .