Ti-Mg-Ti-Zr脫氧體系氧化物冶金機(jī)理研究.pdf

1、隨著船舶、建筑、橋梁、海洋平臺(tái)、壓力容器、石油等制造業(yè)的發(fā)展，中厚板生產(chǎn)和需求量日益增大，對(duì)鋼板強(qiáng)韌性特別是焊接性能提出了更高要求。但是，焊接熱影響區(qū)組織粗化造成的韌性嚴(yán)重惡化、焊接裂紋的幾率增加等危害，是影響鋼材焊接性能的關(guān)鍵因素。改善焊接熱影響區(qū)韌性的方法有多種，最為有效的途徑是通過(guò)“氧化物冶金”的方法細(xì)化焊接熱影響區(qū)的組織。
　　本課題采用了冶金熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，研究了各種夾雜物粒子的形核長(zhǎng)大規(guī)律，系統(tǒng)地研

2、究了Ti-Mg/Zr脫氧夾雜物組成、分布規(guī)律及其控制條件;針對(duì)Ti-Mg/Zr脫氧夾雜物對(duì)鋼材焊接熱影響區(qū)的影響，開(kāi)展了等溫?zé)崽幚韺?shí)驗(yàn)、焊接熱模擬實(shí)驗(yàn)以及共聚焦激光掃描顯微鏡觀察實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了Ti-Mg/Zr脫氧夾雜物對(duì)組織和性能的影響規(guī)律，并探討了其作用機(jī)理;最后，對(duì)Ti-Mg/Zr脫氧工藝開(kāi)展了工業(yè)試驗(yàn)，考察了脫氧夾雜物的分布規(guī)律及其對(duì)組織和性能的影響。
　　(1)基于Zener方程，計(jì)算了細(xì)化組織所需要的夾雜物的尺寸、數(shù)

3、量以及相應(yīng)的氧位;基于熱力學(xué)和Ostwald熟化理論，分析討論了Si、Mn、Ti、Al、Mg、 Ca、Zr脫氧產(chǎn)物的形核與長(zhǎng)大規(guī)律，發(fā)現(xiàn)各脫氧產(chǎn)物的形核率由大到小的順序?yàn)镃aO＞Al2O3＞MgO＞ZrO2＞TiO2＞Ti2O3＞SiO2＞MnO，粒子的尺寸隨時(shí)間變化由小到大順序?yàn)镸gO＜CaO＜ZrO2＜Al2O3＜TiO2＜Ti2O3＜MnO＜SiO2;在理論分析的基礎(chǔ)上開(kāi)展了Ti-Al、Ti-Zr、Ti-Mg、 Mg和Ca的脫氧實(shí)

4、驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)Ti-Mg/Zr系脫氧劑脫氧生成的Ti-Zr-O和Ti-Mg-O為主的復(fù)合夾雜物，其個(gè)數(shù)、大小以及穩(wěn)定性，符合氧化物冶金的要求。
　　(2)對(duì)含Ti脫氧體系開(kāi)展了熱力學(xué)計(jì)算，結(jié)果表明:對(duì)于大線能量用船板鋼，在煉鋼溫度下用鈦脫氧時(shí)，若要優(yōu)先析出Ti2O3顆粒，需要控制溶解氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.0063％;在凝固前沿固液兩相區(qū)，當(dāng)初始w[Ti]=0.005％～0.015％、w[O]=0.001％～0.005％、w[N]=0.

5、002％～0.006％時(shí)，E36熔煉凝固過(guò)程只有Ti2O3的析出，鋼中的TiN主要在凝固后固相析出;Ti-Mg脫氧產(chǎn)物為Ti-Mg-O復(fù)合夾雜物，在煉鋼條件下主要有Ti2O3、Mg2TiO4和MgO;隨著溶解氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.001％增加到0.005％，夾雜物由富Mg產(chǎn)物向富Ti產(chǎn)物轉(zhuǎn)變;當(dāng)w[Ti]=0.005％～0.015％且w[Mg]=0.0001％～0.010％，初始w[O]=0.005％時(shí)，脫氧產(chǎn)物為Mg2TiO4和MgO; T

6、i-Mg復(fù)合脫氧時(shí)，鋼液中的酸溶鋁容易與Mg、O反應(yīng)生成MgAl2O4，液相夾雜物和MgAl2O4都不利于粒子的氧化物冶金效果。
　　(3) Ti-Mg/Zr脫氧工藝實(shí)驗(yàn)研究表明:在Ti-Zr脫氧體系中，當(dāng)Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在最佳值。當(dāng)Zr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005％，Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.012％時(shí)，鋼中形成的Ti-Zr-O夾雜物粒子彌散、細(xì)小，第二相強(qiáng)化效果明顯，提升了母材的力學(xué)性能;在焊接熱循環(huán)過(guò)程中，能促進(jìn)針狀

7、鐵素體大量形成，針狀鐵素體以?shī)A雜物為核心生長(zhǎng)，從而有效地提高了HAZ區(qū)的低溫韌性，在150 kJ/cm焊接線能量條件下，253K沖擊功達(dá)到272 J;當(dāng)Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在最佳值，過(guò)高過(guò)低時(shí)，夾雜物都會(huì)粗化，低溫沖擊韌性差，當(dāng)w[Ti]=0.012％且w[Mg]=0.0018％時(shí)，鋼中所形成Ti-Mg-O夾雜物粒子彌散細(xì)小，能促進(jìn)針狀鐵素體大量形成，從而有效提高了HAZ區(qū)的低溫韌性，在150 kJ/cm焊接線能量條件下

8、，253 K沖擊功為283 J。
　　(4)開(kāi)展了等溫?zé)崽幚?、高溫金相觀察實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:當(dāng)冷卻條件一定時(shí)，Ti、Ti-Zr和Ti-Mg脫氧試樣奧氏體變化總體趨勢(shì)相同，等溫?zé)崽幚頊囟仍礁?、停留時(shí)間越長(zhǎng)，奧氏體晶粒越粗大;由于Ti-Mg、Ti-Zr脫氧試樣的晶粒長(zhǎng)大活化能比Ti脫氧試樣的大，當(dāng)停留溫度一定時(shí)，Ti-Mg、 Ti-Zr脫氧試樣中的奧氏體晶粒孕育時(shí)間比Ti脫氧試樣長(zhǎng);而當(dāng)停留時(shí)間相同時(shí)，奧氏體急劇粗化溫度從1373 K提

9、高到1573 K;夾雜物越細(xì)小、密集，釘扎作用越明顯，奧氏體化時(shí)晶粒越小;夾雜物粒子數(shù)量越多，針狀鐵素體形核點(diǎn)越多，冷卻后針狀組織所占比例越高。
　　(5)工業(yè)試驗(yàn)表明，采用Ti-Mg/Ti-Zr復(fù)合脫氧工藝后，母材的力學(xué)性能和焊接熱影響區(qū)的韌性都達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。其中采用Ti-Zr脫氧鋼，在經(jīng)過(guò)150 kJ/cm的模擬焊接后，253 K沖擊功達(dá)到了57 J，超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的34 J，而Ti-Mg脫氧鋼在線能量410 kJ/cm實(shí)物