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1、2005年第2期世界鋼鐵氧化物冶金技術(shù)的理論與工藝(中)鄭慶朱立新(上海寶鋼研究院冶金工藝所)摘要細(xì)小氧化物夾雜可以作為非均勻形核質(zhì)點(diǎn)在奧氏體晶粒內(nèi)部誘發(fā)針狀鐵素體組織,從而產(chǎn)生細(xì)化晶粒的效果。這項(xiàng)被稱為氧化物冶金的技術(shù)對于提高某些高強(qiáng)度低合金鋼焊接熱影響區(qū)的韌性有著非常好的效果,其技術(shù)關(guān)鍵在于對凝固前沿及其后形成的二次夾雜進(jìn)行精確控制。關(guān)鍵詞HAZ晶內(nèi)針狀鐵素體夾雜物1前言氧化物冶金技術(shù)是一項(xiàng)近1O年來受到國際冶金材料學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界廣
2、為關(guān)注的前沿技術(shù)。這一技術(shù)對于改善高強(qiáng)度低合金鋼種(HSLA)的焊接熱影響區(qū)(HAZ)韌性、推動超細(xì)晶粒鋼種的開發(fā)有著非常重要的意義,有望得到大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。高強(qiáng)度低合金鋼是一種應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)鋼,在大多數(shù)情況下要求其具有優(yōu)良的焊接性。其焊接性主要包括兩個(gè)方面,其一是裂紋敏感性,即要求鋼材具有足夠的韌性;其二是焊接熱影響區(qū)的力學(xué)性能l1“J。焊接時(shí),焊縫金屬發(fā)生局部重熔。焊后冷卻過程中,熔合線附近晶粒則粗化形成粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)
3、,粗晶組織導(dǎo)致局部強(qiáng)度和韌性降低。因此,HAZ成為鋼鐵構(gòu)件的脆弱區(qū)域。近半個(gè)世紀(jì)以來,通過微合金化、純凈化冶煉和控軋控冷等技術(shù)的應(yīng)用,高強(qiáng)度低合金鋼種母材和HAZ的強(qiáng)度和韌性均得到很大的提高。特別是采用Ti微合金化,使鋼中形成了TiN粒子,可以有效抑制焊接過程HAZ奧氏體晶粒的長大,大大減小HAZ的韌性降低幅度,這項(xiàng)被稱為TiN冶金的技術(shù)目前已在高強(qiáng)度低合金鋼中廣泛應(yīng)用l5~6j。近年來,隨著管線、橋梁、海上采油平臺、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)、壓
4、力容器越來越多地采用大規(guī)格、高強(qiáng)度鋼板,要求鋼板可以采用大幅度提高焊接效率的單面埋弧焊、氣電焊或電渣焊等大線能量焊接技術(shù)進(jìn)行焊接。焊接線能量輸入從原來較低的手弧焊(≤25kJ/cm)、自動焊(≤35kJ/cm)提高到50~150kJ/cm,甚至更高峰值溫度將達(dá)到或超過1400~C,從而使CGHAZ晶粒粗化傾向更加明顯,即使TiN粒子本身,在1200℃以上高溫下,也將因Oustwald熟化過程而長大、重熔而減弱并失去對奧氏體晶粒的抑制作用
5、一8j,這就給傳統(tǒng)的高強(qiáng)度低合金鋼帶來新的課題,即焊接熱影響區(qū)(HAZ)的性能(強(qiáng)度和韌性)惡化,易產(chǎn)生焊接冷裂紋等問題l9】。眾所周知,大型橋梁、管線、壓力容器等工作負(fù)荷(壓力、承重及工作條件)越來越大,對焊接結(jié)構(gòu)鋼的止裂性能的要求也愈來愈高,除要考慮鋼的韌一脆性轉(zhuǎn)變溫度外,提高延性斷裂的止裂性能則顯得更為重要,因而,進(jìn)一步改善高強(qiáng)度低合金鋼材HAZ韌性非常迫切。1990年,在日本名古屋召開的國際鋼鐵大會上,新日鐵研究人員首次提出氧化
6、物冶金技術(shù)的概念,其基本原理是在鋼中弓f人細(xì)小彌散的Ti20夾雜物,而且,Ti20比TiN穩(wěn)定。這些Ti20夾雜物在焊接后的冷卻過程中起到非均勻形核質(zhì)點(diǎn)的作用,在奧氏體晶粒內(nèi)部誘發(fā)針狀鐵素體組織(IGF或者AF),即原始奧氏體晶粒被分割成多個(gè)針狀鐵素體晶粒,起到細(xì)化HAZ組織的效果11~14]2焊接對鋼材微觀組織性能的影響焊接時(shí)輸入熱,使焊縫經(jīng)歷一個(gè)熱循環(huán),在焊縫金屬區(qū),鋼本身發(fā)生熔化。在熔合線和未受熱影響的基體材料之間形成HAZ。緊靠
7、熔合線的基體金屬溫度接近鋼的固相線溫度,因此,該區(qū)域顯微組織迅速粗化,成為粗晶熱影響區(qū)(GcI_)。隨著距熔合線距離的增大,熱循環(huán)峰溫下降,在某一區(qū)域達(dá)到的一個(gè)溫度范圍相當(dāng)于正火溫度,這個(gè)區(qū)域?yàn)榧?xì)晶熱影響區(qū)(GRIIAZ)。離熔合線的距離再進(jìn)一步增大時(shí),鋼被加熱進(jìn)入a了兩相區(qū)和不發(fā)生任何相變區(qū)。這兩個(gè)區(qū)域分別為兩相區(qū)和維普資訊世界鋼鐵3而,必須使奧氏體優(yōu)先完成向IGF的轉(zhuǎn)變。Shim的研究發(fā)現(xiàn)[32],在冶煉中用Ni代替鋼中的Mn,經(jīng)歷
8、同樣的工藝過程,Ti2()3夾雜便不再誘發(fā)IGF,即證實(shí)Mn在IGF的形成中具有重要作用。因此,IGF的形成與Ti,0夾雜的某些特性有關(guān),特別是與Ti0夾雜周圍形成的貧Mn區(qū)有關(guān),具體機(jī)制尚待進(jìn)一步研究。4誘發(fā)IGF的夾雜物種類和大小新日鐵的研究l111]認(rèn)為,很多種類的夾雜物可能誘發(fā)IGF,但該文獻(xiàn)給出的實(shí)例是Ti2()3和ZrO,。JGregg的研究證實(shí),在各種Ti的氧化物中,只有Ti203才能誘發(fā)IGF。Honama等人發(fā)現(xiàn)在凝固
9、前沿和鋼水中,在不出現(xiàn)復(fù)合夾雜物情況下,Ti的氧化物只能以Ti203一種形式存在J?,F(xiàn)在普遍認(rèn)為,誘發(fā)IGF的夾雜物是Ti2()3。盡管也有試驗(yàn)報(bào)道,MnS和TiN也能促進(jìn)IGF形核3,考慮到MnS和TiN會在其它夾雜物上非均勻形核,即在較高溫度下析出或在液相中形成的Ti20成為較低溫度下析出夾雜物的形核質(zhì)點(diǎn)。當(dāng)復(fù)合析出的夾雜物中的Ti0非常細(xì)小時(shí),能譜分析不一定會出現(xiàn)氧元素的衍射峰,造成不含Ti20的假象。一些研究熱鍛過程IGF形核的
10、文獻(xiàn)則報(bào)道,VC、vN也可以起到與Ti,0類似的效果[22333637]。與夾雜物的類型同樣重要的是夾雜物的大小。能譜分析表明,IGF核心是直徑02~2tma、分布密度為50~60個(gè)粒子/mⅢ的Ti,0顆粒,這與筆者在研究中發(fā)現(xiàn)直徑為02~04的Ti20顆粒誘發(fā)針狀鐵素體的結(jié)果是吻合的[38J,其它一些研究者也作出了相似的結(jié)論[3940]。鋼中比較粗大的夾雜物一般不容易成為IGF的形核核心,因?yàn)楦邚?qiáng)度鋼的晶粒均較細(xì)小。施焊時(shí),HAZ中奧
11、氏體晶粒一般僅數(shù)十個(gè)微米大小,比較粗大的夾雜物,由于界面能的原因往往優(yōu)先在晶界析出,較低溫度時(shí)在晶界成為晶界鐵素體組織的形核質(zhì)點(diǎn),而且,夾雜物與基體之間的畸變隨夾雜物變大而急劇增加,過大的畸變場容易成為裂紋源而損害鋼材韌性。通常,把脫氧過程在鋼水中形成的夾雜物界定為一次夾雜,而把凝固過程及其后固態(tài)相變中形成的夾雜界稱為二次夾雜。對于冶煉過程中經(jīng)歷鈦脫氧(即采用鈦單獨(dú)脫氧或者與其它脫氧劑聯(lián)合脫氧)的鋼來說,一次夾雜物通常比較粗大,達(dá)數(shù)個(gè)微
12、米,甚至更大。在高溫下鎮(zhèn)靜或者凝固時(shí)采用較慢的冷卻速度均比較容易除去這些粗大夾雜物,對IGF有貢獻(xiàn)的是鋼中的二次夾雜[41]。因此,氧化物冶金技術(shù)的關(guān)鍵問題在于如何獲得這種夾雜物,即形成夾雜物的工藝條件5Ti203有利夾雜物形核長大機(jī)理及試驗(yàn)驗(yàn)證51夾雜物的形核一些學(xué)者研究了Ti2O夾雜在凝固前沿的形核機(jī)理[舵~46],Ti203形核是建立在以下平衡關(guān)系上的:2[Ti]3[O]:(Ti203)(1)Log(t2Ti/aia)=一H]~O
13、a56058/T1808(2)其中a為活度。凝固前沿的一個(gè)很重要的特征是存在成分和溫度起伏。由于成分起伏,凝固前沿液相側(cè)溶質(zhì)原子富集,使枝晶臂與鋼液之間存在溶質(zhì)濃度差。當(dāng)Ti和O的溶度積超出平衡值時(shí),則發(fā)生Ti2()3的形核和長大,即這種濃度差是夾雜形核長大的驅(qū)動力。由于鋼液凝固需要一個(gè)過冷度,凝固前沿同樣存在溫度起伏,這種過冷進(jìn)一步增大反應(yīng)式(1)的驅(qū)動力,而式(2)中的則考慮了溫度起伏以后的實(shí)際溫度。這種由凝固前沿成分和溫度起伏所導(dǎo)
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