氧化物冶金技术及其应用

摘要：本文阐述了氧化物冶金技术的基本概念以及钢中常见夹杂物的性质，并且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

中图分类号：TF 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2013）06-0258-01

进入21 世纪后，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。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。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[1]。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”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。

1 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（Acicular Ferrite ， 简称A F ） 。针状铁素体是在奥氏体晶内形成的， 又称为晶内铁素体（Intragranular Ferrite ， 简称IG F ）。简称IG F ）。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Ti、AI 的氧化物与Mn 的硫化物形成的氧、硫复合物仁5 一1。根据非金属夹杂物诱导内铁素体形核， 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（Oxides Metallurgy）。基本思路可概括为： （1） 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。（2） 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。

2 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。

1 晶内铁素体的显微组织特征晶内铁素体的相转变温度为680～480℃ ，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[2]。 国家自然科学基金（50334050） 和上海宝山集团公司联合资助重点项目氧化物冶金技术及其应用晶内铁素体板条的平均尺寸为0.1μm～3.0μm。碳化物板条之间相互连锁， 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。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。

2 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。在钢液中作为非自发形核核心，细化奥氏体晶粒，沉淀于奥氏体晶界， 阻止奥氏体晶粒的长大； 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； 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。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Al、Ti、Mn的氧、硫复合物， 如如TIO·A12O3·MnS。并认为非金属夹杂物表面的MnS在晶内铁素体形核过程中起主导作用。研究了微Ti 脱氧低碳钢中非金属夹杂物的性质，认为TiZO3、TIN和Ti：O3。· TIN复合物在晶内铁素体形核中起主导作用， 并认为TiZO3、TIN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。A ndres等[3]烫二研究了微v合金氧化物冶金型中碳钢的非金属夹杂物， 认为MnS、vN和MnS·VN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A12O3、TiZO3、MnS、TIN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TIO、TiZO3等，非金属夹杂物的表层一般为低熔点的MnS、TIN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MnS、TIN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。

3 结束语

通过对这门课程的学习，我对这种技术的运用简单的谈了一下我的看法，希望能为今后教师的教学做一些贡献。这也是对我学习这门课程的总结。

参考文献：

[1]王超，朱立光.氧化物冶金技术及应用[J]. 河北理工大学学报（自然科学版）. 2011（02）.

[2] 史美伦，段贵生.氧化物冶金技术应用及进展[J]. 河南冶金. 2010（05） .

[3]沈德山，张先鸣.汽车紧固件用冷镦线材的现状[J].金属制品2009（35）