氧化物冶金

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42
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44
能够形成IAF组织的有效夹杂物粒子
在低铝中钛试样中随机检 验了200个夹杂物粒子：
• • • 其中69.5%夹杂物为有效 粒子； 有效夹杂物尺寸大多在 1.0~2.0m范围； 但4.0~6.0m范围夹杂物 粒子仍然能够作为IAF核 心。
45
研究热点
• 夹杂物类型： • 简单氧化物（TiOx，ZrO2）； • 硫化物（MnS，MgS，CeS等）； • 复合化合物（MnTiO3，TiOx-MnS，MnO-Al2O3等)。 • 夹杂物诱导晶内铁素体机理： 1. 表面能降低； 2. 晶格取向相近； 3. 热应力； 4. 贫Mn区。 • 利用Ti脱氧形成有利夹杂物成为“研究热点”。
控制和利用钢中夹杂物粒子
4
改善焊接热影响区性能
• 利 用非 金属 夹杂 物细 化钢 的组织的研究显著增加： • 钉扎晶界，阻止奥氏体 晶粒长大； • 形成境内针状铁素体组 织。 • 对 改善 高层 建筑 、 海 洋平 台 等厚 板大 线能 量焊 接后 热 影响 区的 韧性 具有 非常 重要意义。
新日铁开发了耐大线能量焊接钢(HTUFF)
在钢中生成高温下(固相线温 度附近)稳定存在的微细Mg、 Ca氧化物、硫化物粒子； 焊接过程能够有效钉扎奥氏 体晶界，抑制晶粒长大。 大线能量焊接后，厚板热影 响区韧性显著提高。
児島明彦，微細粒子によるHAZ細粒高靭化技術“HTUFF®”の開発，新日鉄技報，第 380 号，2004
Intra-granular acicular ferrite
Massive ferrite structure
Widmanstä tten ferrite side plates
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晶内针状铁素体组织
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晶内铁素体析出过程
• 高温激光共焦显微镜； • 试样：含钛低合金钢； • 加热速率: 3.3℃/s； • 奥氏体化：
•
•
促进奥氏体晶内铁素体析 出；
改变夹杂物成分、尺寸、 数量等。
•
快冷对IAF是不可缺少的。
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水冷试样再加热试验
• 以50 ℃/s加热速率升温至 1400 ℃；
• 1400℃保温600 s；
• 以5℃/s冷速进行降温。
50
高Al高Ti试样（Al：0.015%，Ti：0.014%）
Size, μm 0.3<dA≤1.0 1.0<dA≤2.0 2.0<dA≤3.0 dA>3.0 Area:19.8mm2 Symb. ○ ■ △ □ Number 359 738 411 25 142
4、利用夹杂物改善钢材耐大线能量 焊接性能 氧化物冶金技术
“夹杂物工程”
• J. Takamura, S. Mizoguchi1,2):
• 氧化物冶金（Oxide Metallurgy）； • 1990年。
•
O. Grong, C.Wijk, et al.3):
夹杂物工程（Inclusion Engineering）； 1995年。 Sarma, A. Karasev, et al4): 夹杂物冶金（Inclusion Metallurgy）； 2009年。
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Ti脱氧钢
• 对Ti、Ti-Al、Ti-Mg、Ti-B 等脱氧 开展了很多研究： • Ti脱氧产物类型； • 夹杂物尺寸、数量； • 反应机理等。 • 低合金高强度钢多为铝脱氧钢，对 钢液Al、Ti含量影响的研究不足； • 绝大多数为实验室研究，基本没有 工业试验研究报告。
实验研究方法
• MoSi2 电阻炉； • Ar气氛； • MgO坩埚，1kg钢试料； • 1600℃下添加Ti, Al, Mn进行脱氧； • 采用ZrO2 定氧测头测定a[O]； • 钢试样 (Φ57×50mm):
0
100
75
Mn
Ti 2O
3
%
Area:19.7mm2
O%
50
50
75
25
100 0 25 50 Al2O3% 75 100
0
54
低Al中Ti试样（Al：0.0006%，Ti：0.0046%）
55
低Al中Ti试样（Al：0.0006%，Ti：0.0046%）
0
Symb. ○ ■ △ □ Size, μm 0.3<dA≤1.0 1.0<dA≤2.0 2.0<dA≤3.0 dA>3.0 Number 835 898 46 25 120
• 温度：1400℃； • 时间：300s。
• 冷却速度：5℃/s。
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研究热点
• 夹杂物类型： • 简单氧化物（TiOx，ZrO2）； • 硫化物（MnS，MgS，CeS等）； • 复合化合物（MnTiO3，TiOx-MnS，MnO-Al2O3等)。 • 夹杂物诱导晶内铁素体机理： 1. 表面能降低； 2. 晶格取向相近； 3. 热应力； 4. 贫Mn区。 • 利用Ti脱氧形成有利夹杂物成为“研究热点”。
• • 水淬急冷 (15K/s)； 炉内缓冷 (0.25K/s)。
• 对试样微观组织与非金属夹杂物进 行分析检验。
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试样成分
含量(%)
[C] 0.077 0.063 0.070 0.069 0.073 0.089 0.066 [Si] 0.24 0.094 0.12 0.20 0.15 0.18 0.15 [Mn] 1.28 1.00 1.08 1.20 1.09 1.18 1.04 [S] 0.0050 0.0069 0.0100 0.0050 0.0080 0.0080 0.0090 [Al] 0.0150 0.0020 0.0006 0.0006 0.0004 0.0007 0.0006 [Ti] 0.0140 0.0240 0.0140 0.0046 0.0029 0.0066 0.0096 0.0009 0.0022 0.0057 0.0057 0.0057 0.0046 0.0043 炉冷 水冷


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A1：高铝高钛试样（Al：0.015%，Ti：0.014%）
检测：54.1mm2
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பைடு நூலகம்
A1：高铝高钛含量试样
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典型夹杂物
29
A2：中铝高钛试样（Al：0.002%，Ti：0.024%）
检测：55.1mm2
30
A2：中铝高钛含量试样
31
A2：中铝高钛含量试样
32
33
A3：低铝高钛试样（Al：0.0006%，Ti：0.014%）
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炉内缓冷试样
炉冷试样化学成分
试样 B1 B2 B3 B4 [%C] 0.073 0.089 0.066 0.10 [%Si] 0.15 0.18 0.15 0.24 [%Mn] 1.09 1.18 1.04 1.12 [%S] 0.0080 0.0080 0.0090 0.0020 [%Al] 0.0004 0.0007 0.0006 0.0050 [%Ti] 0.0029 0.0066 0.0096 0.0028 a[O] 0.0057 0.0046 0.0043 0.0017
No.
A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4
a[O]
冷却方式
0.10
0.24
1.12
0.0020
0.0050
0.0028
0.0017
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水冷试样分类
1. 2. 3. 4.
高[Al]，高[Ti] 中[Al]，高[Ti] 低[Al]，高[Ti] 低[Al]，中[Ti]
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微观组织
A1 A2
A3
• • • D. • •
1) 2) 3) 4)
Proc. 6th Int. Iron and Steel Cong. Nagoya, Japan, 21-26 Oct. 1990, Vol.1, pp591 Proc. 6th Int. Iron and Steel Cong. Nagoya, Japan, 21-26 Oct. 1990, Vol.1, pp598 Proc. Scanmet VII, MEFOS, Lulea, Sweden, (1995), 35 ISIJ Int., 49(2009), 1063
2
氧化物冶金 (Oxides Metallurgy)
1990年，新日铁的 高村和沟口提出了氧 化物冶金的理论； 工业规模生产的钢材 晶粒显著小于实验室 制备的高纯净钢材； 钢中的微细MnS粒 子阻碍了钢的再结晶 晶粒长大。


J. Takamura and S. Mizoguchi, Proceedings of the 6th Inter. Iron & Steel Congress, 1990, Nagoya 3
检测：52.5mm2
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A3：低铝高钛含量试样
35
A3：低铝高钛含量试样
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编号 1 2 3
样品中元素的原子百分含量% Al S Ti Mn 8.93 8.21 70.43 12.43 1.15 7.82 81.91 9.12 11.70 6.56 72.32 9.42
37
38
A4：低铝中钛试样（Al：0.0006%，Ti：0.0046%）
A4
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A4试样（低Al，中Ti）
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ASPEX扫描电镜
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工作原理


开始搜索时采用大步 长动态扫描整个样品 区域，而不是拍摄高 分辨率图像； 当检测到夹杂物时改 为较小步长； 实现快速搜索及精确 测量。
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工作原理
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夹杂物尺寸确定

找到夹杂物的中心后，通过 中心以22.5度的间隔画出8 条旋线； 根据旋线的尺寸组合，确定 夹杂物的形状和尺寸； 得到最大直径、最小直径、 平均直径等有关参数。