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氧化物冶金技术及其应用探讨

点击次数:   更新时间:2015-10-21 14:38:16

          氧化物冶金技术及其应用探讨

杜国强

山西太原钢铁(集团)有限公司炼钢二厂  山西太原  030000

【摘要】氧化物冶金是利用细小的非金属物质诱导晶内铁素体形核细化晶粒的一种新型冶炼技术,应用氧化物冶金技术能够冶炼出碳含量较低,但硬度却很高的钢材。本文将简要探究氧化物冶金技术的概念以及理论基础,分析氧化物冶金技术在实际生产中的应用,并且对氧化物冶金技术的应用前景进行了展望。

【关键词】氧化物冶金技术;理论基础;应用

    上世纪70年代有日本学者提出向钢铁中加入直径小于120nm的氧化物颗粒可以显著改善钢材的硬度、抗拉强度等各项物理指标,这意味着钢材的加工生产出现了质的变化,运用此类方式生产出来的钢材,能够满足当前对钢铁生产的更高要求。

1 氧化物冶金概述

    传统的钢铁生产理论认为,钢铁中含有杂质会影响钢的质量,造成钢铁表面或者内部的缺陷,因而相关人员一直在想方设法的控制钢铁中杂质的含量,除了适当调整碳的含量来控制刚的硬度之外并每有其他的研究。但是1990年日本的新日铁高村等人提出了氧化物冶金理念,认为钢铁中加入直径小于120mm的氧化物颗粒能够显著改善钢材的硬度、抗拉强度等各项物理指标,由此使钢铁的质量产生巨大变化,这一概念的提出几乎是对现有的冶金技术的颠覆。

利用氧化物冶金提高强度和韧性的基本思路可概括为:其一,通过细化奥氏体晶粒的手段来细化铁素体晶粒,以此达到提高钢材的韧性的目的;其二,为了保持钢材的韧性必须控制奥氏体晶粒粗化,这时候就需要利用控轧—控冷技术和以及控制细小弥散的碳氮化物在晶界沉淀析出;其三,利用微小的非金属杂物诱导产生晶内铁素体形核,继而在奥氏体晶粒发生粗大的时候也能够保证铁素体晶粒处在细小的状态,这样就能够抑制在焊接时焊接热影响区的晶粒粗化,,可以很好地解决由于焊接所带来的钢材的强度、硬度、韧性等物理指标发生变化的问题。

2 氧化物冶金的理论基础

2. 1 两次匹配异质形核理论

异质形核由外来固体质点和金属相之间的直接匹配称为一次匹配形核。若一种外来固体质点作为另一种外来固体质点的形核核心, 所形成的复合固体质点又作为金属相的形核核心, 这种方式被称为两次匹配异质形核。两次匹配异质形核是三种物质间的匹配, 其中间物质起到了缓解最内层的外来固体质点和金属相之间晶格常数和生成自由焓变等方面的差异, 起到了促进异质形核的作用。

2. 2 钢中晶内铁素体形核机理

    钢中晶内铁素体形核机理可以细分为应力-应变能机理、最小错配度机理、局部成分变化机理以及惰性界面能机理。不同机理能够解决氧化物冶金中的部分现象,但是都做不到解释全部的现象。

    1) 应力-应变能机理。这种理论认为钢铁中掺杂的各种杂物的线膨胀系数比奥氏体要小, 冷却过程中在非金属夹杂物周围形成较大的应力-应变场,在这种场力的作用下晶内铁素体形核更容易产生。

    2)最小错配度机理。这种理论认为晶内铁素体与金属中的杂物形核不需要太高的能量,因而在奥氏体中掺杂杂物时更倾向于晶内铁素体形核。

    3)局部成分变化机理。这种理论认为夹杂物能结合奥氏体附近的Mn元素,Mn元素的缺乏使得奥氏体的稳定性降低,诱导晶内铁素体形核。

    4)惰性界面能机理。这种理论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,晶内铁素体更容易在奥氏体晶界上形核、长大。

3氧化物冶金工艺的实际应用

    虽然氧化物冶金对于其他的元素有一定的需求,但是在进行冶炼的过程中仍旧需要对各种能够元素的含量、直径等予以控制,由此保证这些物质在冶炼的过程中能够分布均匀且粒径足够小,避免因元素聚集在一起而影响钢铁的质量。从总体上来看,氧化物冶金工艺的实际应用主要有以下几个方面:

3. 1 HTUFF 工艺

HTUFF 工艺是新日铁开发的“通过细小的粒子得到微细的组织和超高的 HAZ 韧性”技术。作为第二代的氧化物冶金技术,HTUFF工艺主要被用于特殊的钢材的焊接,如巨型轮船焊接、超大型钢铁建筑的焊接。此种工艺是将高温下能够稳定存在的M gC a的氧化物和硫化物均匀分散到钢材之中,从而抑制γ晶粒的长大,这样能够有效避免由于焊接使得钢材的物理性质发生变化。

3. 2 JFE EW EL工艺

JFE EW EL工艺是“大线能量焊接热影响区韧性改善技术”的简称,这种生产工艺同样是从抑制焊接热对γ晶体的变化、促进晶内铁素体形核、降低碳含量的角度来消除由于焊接热对金属材料的各项性质造成的影响。

采用低碳当量合金成分设计,严格控制钢中 BN OSCa含量, 在线超快加速冷却, 在焊接过程中采用 BN( CaMn) S夹杂物诱导晶内铁素体形核,从而细化 HAZ组织; 通过控制 T iN添加量,T iN 以及微合金化,使 TiN固溶温度从 1400 摄氏度提高到1450摄氏度,细化弥散抑制了 HAZ 区奥氏体晶粒的高温长大。

3. 3 结构用高韧性热锻非调质钢组织细化

为了避免采用复杂的淬火回火工艺来提升钢铁的强度等物理指标,可以利用 V(N , C)T iNA N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形核细化组织来保证钢铁的质量。

结构用高韧性热锻非调质钢组织细化的生产工艺以及被日本和德国等多个汽车工业大国采用,运用这种技术生产的钢铁其强度可以达到500 MPa~ 800 MPa,已经能够满足当前所有汽车部件的使用需求,并且由于采用这种方式能够省略复杂的淬火回火步骤,因而也能够达到很好的节能的效果。当前日系以及德系的汽车所用的连杆和曲轴大部分都是采用高韧性热锻非调质钢做制成,大量的使用数据也已经证明高韧性热锻非调质钢的高负荷下的运作良好。

3. 4 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。

4氧化物冶金的应用及前景

氧化物冶金最大的成就就在于消除了由于焊接对金属材料本身的强度、硬度、韧性等各方面造成的影响。随着时代的发展,当前人类生产对于大面积的钢板的使用也越来越多,与此同时,大面积的钢板的生产工艺却迟迟得不到跨越式的发展,只能够采用小面积的钢板焊接合成大面积的钢板,但是这样制成的大面积的钢板的强度、硬度、韧性方面却难以达到要求,就算能够达到要求也需要经过复杂的生产处理流程。而氧化物冶金的出现使得大面积钢板的生产成为了可能,虽然仍就是焊接生产,但是运用这种技术生产出来的钢板经过焊接之后仍旧能够保持良好的物理性能,从工业生产的角度来说有利于扩大生产的规模,从国防军事的角度来说有利于制造航空母舰等大型船舶,可以说应用的前景相当广泛。

除上述之外,氧化物冶金生产的钢铁在高温高压下也可以保持良好的物理性质,适用于各种高强度运作的机械之中,同样有利于推动工业的发展,降低企业生产成本的同时延长各项产品的使用寿命。

5 结束语

    总之,作为利用细小的非金属物质诱导晶内铁素体形核细化晶粒的一种新型冶炼技术,氧化物冶金技术的出现为钢铁产业带来了革命性的变化,运用氧化物冶金生产的钢铁在高温高压下有助于保持良好的物理性质,可以被广泛应用于大面积钢板的焊接以及长期处于运转状态的机械部件的制作之中,显著改善焊接对钢材带来的影响,延长使用寿命,可以说有着可观的发展前景。

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