氧化物冶金工艺技术探讨

氧化物冶金工艺技术探讨

摘要：钢铁材料由于其强度和良好的低温冲击韧性而在机械工程行业中占有重

要地位。进入21世纪后，机械工程结构朝着大型化和高参数化的方向发展。例

如超大型船舶和海上平台，大跨度桥梁，长距离油气管道。这些大型机械工程结

构需要越来越多的钢材性能。我们希望在不增加或最小化合金元素含量的情况下

使钢材的强度和韧性增加一倍。本文就基于上述问题就钢铁氧化物的冶金工艺技

术进行探讨，以期为以后的研究奠定一定的理论基础。

关键词：氧化物；冶金工艺；技术探讨

1引言

在1960年代已发现焊缝金属中存在数十至几微米之间的球形夹杂物，在

1970年代未发现焊缝金属中的夹杂物可以通过改变焊缝的结构来研究。Harrsion

和FarrarHSLA钢的焊接组织发现氧化物夹杂物可诱发晶内铁素体，从而提高焊接

的韧性和强度。钢中夹杂物的尺寸，成分，形状和性能（例如硬度，熔点等）的

差异将对成品钢的结构和性能产生不同的影响。大尺寸（例如20m或大于50m）的脆性夹杂物容易引起轧制材料的内部或表面缺陷，有效地去除这些非金属夹杂

物一直是冶金工作的方向。非常小的夹杂物（例如，小于100nm的夹杂物）通常被称为沉淀或第二相颗粒。因能提高钢的强度(析出相强化)和钉扎晶粒在高温下(如热处理和焊接过程)的长大而被人们加以充分利用。但是，包含约1m的钢通常对钢的表面缺陷或钢的强度几乎没有影响。直到1970年代后期，焊接研究人员

才发现大约1m的夹杂物在焊接冷却过程中会在钢中诱发晶内铁素体核。这种现

象随后引起了冶金研究人员的关注，因为在炼钢和铸造阶段很难去除约1m的钢，并且许多这些夹杂物在凝固和随后的冷却过程中形成。1990年，日本冶金学家通

过研究氧化物夹杂物对焊缝的影响，提出了“氧化物冶金”的技术思想。通过在钢

的成形中形成超细粒径（<3微米）的成分，氧化物夹杂物的分布均匀，可控制的

高熔点，并转变钢的组织和晶粒尺寸，使钢具有良好的韧性，高强度和优良的可

焊性，制成对于包含有害钢，该技术开创了提高钢质量的新途径，具有广阔的发

展前景。

2氧化物冶金技术的发展

2.1氧化物冶金技术的思路

（1）首先，控制钢中氧化物的分布和性质（如组成，熔点，尺寸，分布等）；

（2）这些氧化物被用作钢中硫化物，氮化物和碳化物的异相形核，以控制硫/氮/碳沉淀物的沉淀和分布；

（3）最后，钢中形成的所有氧/硫/氮/碳化物都被用来通过钉扎温度下的晶

界移动来抑制晶粒的生长。通过促进晶体中铁素体的形核来精炼钢的结构；通过

形成碳化物以减少基体的碳含量，可以提高钢的切削性。

2.2晶内铁素体的显微组织特征

针状铁素体是热力学非平衡结构，是中温转变的产物。在高倍率下，它是一

个小的，互锁的板条结构，互锁在板条之间，分布在原始奥氏体晶粒内，因此晶

粒内的铁素体可以细化钢晶粒。同时，板条之间较大的角度晶粒边界将导致板条

中的微裂纹穿过晶粒中的铁素体时发生偏转并消耗更多的能量。结果，晶内铁素

体具有高强度和韧性。由非金属夹杂物引起的成核作用形成的晶间铁素体通常定

义为一次晶间铁素体，在一次晶间铁素体的边界上形成的晶间铁素体称为二次晶

间铁素体。二次晶体中铁素体的形核称为感应形核。由于晶体中铁素体的特性，

晶体中的铁素体可以自己精制。

2.3晶内铁素体的形核机理

(1)应变诱导机理。根据这种机理，钢中非金属夹杂物的线膨胀系数小于奥氏体，并且在冷却过程中在非金属夹杂物周围形成较大的应力场。晶间铁素体在非金属夹杂物上成核并生长，从而降低了非金属夹杂物附近的应力-应变能。

(2)低界面能机制。根据该机理，非金属夹杂物与铁素体的失配度小，并且在非金属夹杂物上的晶体中铁素体的成核能低，因此容易成核。

(3)惰性界面能量机制。根据这种机理，作为惰性介质表面的非金属夹杂物成为晶体中铁素体的形核核心，从而减小了形核屏障。

3氧化物冶金技术的若干关键技术问题

3.1氧化物的种类及脱氧剂的选择

并非所有的氧化物夹杂物都能诱导IGF成核，因此脱氧剂的选择尤为重要。晶体内铁素体的形成与硫化物或氮化物在氧化物上的沉淀密切相关。因此，在氧化物冶金学中，所产生的氧化物不仅需要是针状铁素体的异质形核核，而且还必须有助于氮化物或硫化物在其上的析出。一些具有高熔点的超细氧化物是有效的针状铁素体核。

Ti脱氧。对低碳钢中的垫片进行了Ti2O3晶体内针状铁素体成核研究，指出氧化钛（TiO，TiO2，Ti2O3，Ti3O5）Ti2O3颗粒是最有效的成核核心，该颗粒周围形成的Ti2O3贫锰区域是由于锰引起的。被吸收到Ti2O3颗粒中的贫化是增加了锰奥氏体向铁素体转变的驱动力，从而促进了针状铁素体板条对Ti2O3颗粒的成核作用。

Al脱氧。Al2O3也是具有高熔点的超细氧化物夹杂物。但是，随着铝添加量的增加，如果脱氧产物为纯刚玉，则会导致难以进行MnS注入，从而间接影响晶体中铁素体的形成。如果脱氧产物是絮凝剂Al2O3，则很容易堵塞模具喷嘴。因此，Al不是理想的脱氧剂。

3.2氮对Ti2O3形成的影响

Ti2O3可以在液态钢中形成，而TiN不能在液态钢中沉淀。如果钢中的初始氮和氧浓度不合适，则在固化过程中，N也会与Ti反应生成TiN。TiN也可以用作IGF的成核核心，但在热加工过程中TiN会固溶于钢基体中从而失去对奥氏体晶粒的钉扎作用。以前的研究表明，在含钛低碳钢中，为了促进Ti2O3在凝固初期的析出并改善凝固组织，应将钢中的氮含量控制在0.014％以下。

4氧化物冶金技术的应用现状

在我国，我们已经成功开发并应用了高强度，高韧性的微合金非调质钢。

30MnVS已获法国雪铁龙批准在富康汽车轮毂，连杆应用中使用。38MnVS5作为2000年桑塔纳轿车的曲轴材料，它已通过大众2VQS曲轴材料的认可，并准备替代公司的所有49MnVS3材料。疲劳试验，台架试验和跑车试验表明，两种微合金非调质钢在国外已达到相同水平。武钢股份有限公司成功探索了一套提高大线能量焊接韧性的技术，并将其成功应用于国家石油储备钢12MnNiVR，西气东输X70等先进钢种，生产了上万吨优质大线能源钢板。

5结语

利用钢中析出的超细氧化物夹杂物，促进晶体中铁素体的形成，实现晶粒细化和组织细化的有效的氧化物冶金技术，是开发高强度高韧性钢材的有效途径。细化晶粒是提高钢的强度和韧性的唯一已知且可行的方法。运用氧化物冶金技术生产出晶粒中含铁素体的高强度高韧性微合金非调质钢，将以其优异的性能和较