论文部分内容阅读
摘要：本文首先介绍了氧化物冶金的概念，然后探讨了氧化物冶金机理及氧化物冶金技术的应用，最后阐述了氧化物冶金技术的发展趋势。
关键词：氧化物冶金；技术；发展
中图分类号：F416.3 文献标识码：A 文章编号：
一、氧化物冶金的概念
日本新日铁学者借鉴焊接热影响区(HeatAffectedZone，HAz)中夹杂物可以改善钢组织性能的原理，在1990年第六届国际钢铁会议上提出了氧化物冶金的概念，即在钢液中形成细小、弥散分布、成分可控的高熔点复合夹杂物，以这种均匀、细小的夹杂物作为形核核心析出针状铁素体，来改善钢组织，使其性能得到提高。
二、氧化物冶金机理探讨
关于诱导晶内铁素体的形核机理现在还没有统一的认识。现有的形核晶内铁素体的理论主要有以下四种:
l)应变诱导机理
应变诱导机理认为，钢中非金属夹杂物的线膨胀系数小于奥氏体的线膨胀系数。在钢冷却过程中，夹杂物周围的奥氏体晶粒会产生应变，在非金属夹杂物周围形成了较大的应力场，为铁素体形核提供激活能，晶内铁素体在非金属夹杂物上形核、长大。钢中夹杂物的形核方式多为非均匀形核，MnS常常以Ti的氧化物为核心析出，晶内铁素体的形核核心往往富含MnS，但是MnS的热膨胀系数与奥氏体的热膨胀因数非常接近，这是应变诱导机理难以解释清楚的地方。
2)低界面能机理
低界面能机理认为，铁素体与钢中非金属夹杂物有较小的错配度，可以降低铁素体形核的界面能，在非金属夹杂物上晶内铁素体形核所需的能量较低，易于形核。已报道的文献资料证明，晶内铁素体可以以MnS、TiN、VC、VN作为形核质点形核析出。这一理论不能解释与铁素体晶格错配度高达8%，具有六方结构的Ti2O3诱发晶内铁素体形核这一事实。
3)阳离子空位机理
金属基体上的Fe及其它金属原子扩散是通过阳离子空位进行的，而所有Ti的氧化物都含有阳离子空位。Ti2O3可以作为MnS和TiN析出的形核质点，形成的复合夹杂物成为晶内铁素体形核核心。但这一机理不能解释富含阳离子空位的TiO未能诱发晶内铁素体形核析出的原因。
4)贫Mn区机理
贫Mn区机理认为，钢中存在具有高浓度阳离子空位的夹杂物Ti203时，夹杂物附近的Mn会被吸附到Ti2O3夹杂周围或者内部，Mn在铁素体和奥氏体中的扩散系数较低，距离阳离子空位型夹杂物较远的Mn如果不能补充进来，就会在具有阳离子空位的夹杂物周围出现一个贫锰区。Mn是强奥氏体稳定元素，贫锰区的出现使奥氏体的稳定性降低，增大了铁素体形核的驱动能，铁素体容易在这个区域形核长大。为了更深入地了解析出物及晶内铁素体的形成过程，ochi等通过实验证明，作为晶内铁素体的形成核心的夹杂物是分层的，最里面是MnS粒子，VN在MnS粒子的边缘析出，在VN上又析出V8C7。Zajac等也证明诱导晶内铁素体形核的夹杂物存在分层现象，里面是MnS粒子，MnS外层附着析出VN，晶内铁素体在MnS、VN组成的复合夹杂物上析出。
关于晶内铁素体形核的机理，除以上介绍的几种学说之外，还有很多其它的学说。如夹杂物尺寸和数量说、奥氏体晶粒尺寸说、惰性非均质形核位置说等等，但是目前还没有一个统一的说法。
三、氧化物冶金技术的应用
利用氧化物冶金技术得到晶内铁素体，可以有效地分割奥氏体晶粒，起到细化钢组织的作用。尤其晶内的铁素体呈十字交叉的针状时，可以阻止钢中裂纹的扩展，因此将氧化物冶金技术应用于钢铁材料，可以得到具有更高强度和韧性的钢铁材料。为满足高强度、厚板钢的大线能量焊接过程以及非调制钢的韧性要求，氧化物冶金技术的应用有了很大进展。在此过程中，人们还在探索氧化物冶金技术在其他冶金过程如凝固、厚板、压力加工等过程中的应用。氧化物冶金技术已经在以下方面得到了较好的应用。
l)大线能量焊接热影响区韧性改善技木
为改善大线能量焊接过程造船、桥梁、建筑等用高强度、厚钢板热影响区的韧性，日本JFE钢铁公司开发了JFEEWEL技术，2000年开始应用于工业生产。该技术主要包括:SuperOLAC技术、HAZ晶粒粗化抑制技术、HAZ粒内组织细化技术和HAZ基体组织韧性改善技术。
2)新日铁HTUFF技术
日本新日铁公司针对490-590MPa建筑、造船、海洋结构和管线用厚板钢大线能量焊接过程开发了“通过细小的粒子得到微细的组织和超高的HAZ韧性”技术，被新日铁称为第2代氧化物冶金技术。HTUFF钢利用1400℃高温下稳定(高熔点、不固溶、不长大)且细小弥散分布的含Mg或Ca的氧化物、硫化物和TIN夹杂物来钉扎奥氏体晶粒在高温下的长大，同时也利用部分夹杂物在冷却过程对IGF的形核作用，得到细小的HAZ组织，从而提高钢材的韧性。
四、氧化物冶金技术发展趋势
氧化物冶金技术的出现，使冶金学者们重新审视了夹杂物在钢中的作用。现阶段材料科学的迅猛发展，使得人们对夹杂物（不仅仅是氧化物）在各种相变过程中的认识不断提高。尽管对于夹杂物诱导产生晶内铁素体的机制并没有完全弄清，但是成功运用氧化物冶金技术的实例却也屡见不鲜，如HTUFF技术、JFEEWEL技术等。因此，该技术在未来必将得到广泛的应用，其未来的发展趋势可能包括以下几点：
1）氧化物夹杂成分、尺寸、分布控制技术的研究。晶内铁素体核心是直径为0.2~2μm、分布密度为50~60个粒子/mm2的夹杂物颗粒。高强度钢的晶粒均较细小，钢中比较粗大的夹杂物一般不容易成为晶内铁素体的形核核心。因此，如何在钢水中获得大量细小而均匀分散的高熔点氧化物夹杂是氧化物冶金的难点，对此国外进行了大量的研究。Suito等人研究发现：钢水的初始氧质量分数很大程度上决定了晶粒的粗化率；脱氧剂的加入量对具有一定初始氧浓度的钢水中夹杂物的大小有较大影响；复合脱氧中脱氧剂的添加顺序对形成细小的颗粒有重要影响。Goto等人研究发现：冷却速率对析出物的分布和大小有着重要影响，凝固过程中随冷却速率的提高，析出物的尺寸减小，数量增加；随着冷却速度的降低，Ti2O3和MnO含量增加，而Al2O3含量则减少；直径大于10μm的氧化物成分不随冷却速度的变化而变化；氧化物尺寸越小，冷却速度对氧化物成分的影响越显著。
2）寻找新的具有奥氏体晶粒钉扎效果的粒子，甚至可以人为的添加纳米级的夹杂物到钢液中，如应用纳米喷粉技术在钢液中获得更多弥散分布的第二相粒子从而得到超細晶组织。扩大氧化物冶金的研究范围，吸收并利用其他一切有利于钉扎奥氏体晶界的第二相粒子，而并非仅仅局限于氧化物粒子的应用研究。
3）进一步研究和探索晶内铁素体形核及长大的理论，从而统一其形成机制，为进一步利用其优良性能提供更全面的理论支持。
4）进一步发展TMCP技术和氧化物冶金技术的综合运用，从而达到更佳的组织细化效果。
五、结束语
氧化物冶金技术的思路起源于钢中细小夹杂物的有效利用，特别是氧化物和硫化物的充分利用。随着对夹杂物(不仅仅是氧化物)在各种相变过程中认识的不断提高，氧化物冶金技术必将归宿于夹杂物冶金技术之中。
参考文献：
[1]刘中柱，桑原守，氧化物冶金技术的最新进展及其实践明.炼钢，2007，23(3)
[2]余圣甫，雷毅.氧化物冶金技术及其应用田.材料导报.2004，18(8).
关键词：氧化物冶金；技术；发展
中图分类号：F416.3 文献标识码：A 文章编号：
一、氧化物冶金的概念
日本新日铁学者借鉴焊接热影响区(HeatAffectedZone，HAz)中夹杂物可以改善钢组织性能的原理，在1990年第六届国际钢铁会议上提出了氧化物冶金的概念，即在钢液中形成细小、弥散分布、成分可控的高熔点复合夹杂物，以这种均匀、细小的夹杂物作为形核核心析出针状铁素体，来改善钢组织，使其性能得到提高。
二、氧化物冶金机理探讨
关于诱导晶内铁素体的形核机理现在还没有统一的认识。现有的形核晶内铁素体的理论主要有以下四种:
l)应变诱导机理
应变诱导机理认为，钢中非金属夹杂物的线膨胀系数小于奥氏体的线膨胀系数。在钢冷却过程中，夹杂物周围的奥氏体晶粒会产生应变，在非金属夹杂物周围形成了较大的应力场，为铁素体形核提供激活能，晶内铁素体在非金属夹杂物上形核、长大。钢中夹杂物的形核方式多为非均匀形核，MnS常常以Ti的氧化物为核心析出，晶内铁素体的形核核心往往富含MnS，但是MnS的热膨胀系数与奥氏体的热膨胀因数非常接近，这是应变诱导机理难以解释清楚的地方。
2)低界面能机理
低界面能机理认为，铁素体与钢中非金属夹杂物有较小的错配度，可以降低铁素体形核的界面能，在非金属夹杂物上晶内铁素体形核所需的能量较低，易于形核。已报道的文献资料证明，晶内铁素体可以以MnS、TiN、VC、VN作为形核质点形核析出。这一理论不能解释与铁素体晶格错配度高达8%，具有六方结构的Ti2O3诱发晶内铁素体形核这一事实。
3)阳离子空位机理
金属基体上的Fe及其它金属原子扩散是通过阳离子空位进行的，而所有Ti的氧化物都含有阳离子空位。Ti2O3可以作为MnS和TiN析出的形核质点，形成的复合夹杂物成为晶内铁素体形核核心。但这一机理不能解释富含阳离子空位的TiO未能诱发晶内铁素体形核析出的原因。
4)贫Mn区机理
贫Mn区机理认为，钢中存在具有高浓度阳离子空位的夹杂物Ti203时，夹杂物附近的Mn会被吸附到Ti2O3夹杂周围或者内部，Mn在铁素体和奥氏体中的扩散系数较低，距离阳离子空位型夹杂物较远的Mn如果不能补充进来，就会在具有阳离子空位的夹杂物周围出现一个贫锰区。Mn是强奥氏体稳定元素，贫锰区的出现使奥氏体的稳定性降低，增大了铁素体形核的驱动能，铁素体容易在这个区域形核长大。为了更深入地了解析出物及晶内铁素体的形成过程，ochi等通过实验证明，作为晶内铁素体的形成核心的夹杂物是分层的，最里面是MnS粒子，VN在MnS粒子的边缘析出，在VN上又析出V8C7。Zajac等也证明诱导晶内铁素体形核的夹杂物存在分层现象，里面是MnS粒子，MnS外层附着析出VN，晶内铁素体在MnS、VN组成的复合夹杂物上析出。
关于晶内铁素体形核的机理，除以上介绍的几种学说之外，还有很多其它的学说。如夹杂物尺寸和数量说、奥氏体晶粒尺寸说、惰性非均质形核位置说等等，但是目前还没有一个统一的说法。
三、氧化物冶金技术的应用
利用氧化物冶金技术得到晶内铁素体，可以有效地分割奥氏体晶粒，起到细化钢组织的作用。尤其晶内的铁素体呈十字交叉的针状时，可以阻止钢中裂纹的扩展，因此将氧化物冶金技术应用于钢铁材料，可以得到具有更高强度和韧性的钢铁材料。为满足高强度、厚板钢的大线能量焊接过程以及非调制钢的韧性要求，氧化物冶金技术的应用有了很大进展。在此过程中，人们还在探索氧化物冶金技术在其他冶金过程如凝固、厚板、压力加工等过程中的应用。氧化物冶金技术已经在以下方面得到了较好的应用。
l)大线能量焊接热影响区韧性改善技木
为改善大线能量焊接过程造船、桥梁、建筑等用高强度、厚钢板热影响区的韧性，日本JFE钢铁公司开发了JFEEWEL技术，2000年开始应用于工业生产。该技术主要包括:SuperOLAC技术、HAZ晶粒粗化抑制技术、HAZ粒内组织细化技术和HAZ基体组织韧性改善技术。
2)新日铁HTUFF技术
日本新日铁公司针对490-590MPa建筑、造船、海洋结构和管线用厚板钢大线能量焊接过程开发了“通过细小的粒子得到微细的组织和超高的HAZ韧性”技术，被新日铁称为第2代氧化物冶金技术。HTUFF钢利用1400℃高温下稳定(高熔点、不固溶、不长大)且细小弥散分布的含Mg或Ca的氧化物、硫化物和TIN夹杂物来钉扎奥氏体晶粒在高温下的长大，同时也利用部分夹杂物在冷却过程对IGF的形核作用，得到细小的HAZ组织，从而提高钢材的韧性。
四、氧化物冶金技术发展趋势
氧化物冶金技术的出现，使冶金学者们重新审视了夹杂物在钢中的作用。现阶段材料科学的迅猛发展，使得人们对夹杂物（不仅仅是氧化物）在各种相变过程中的认识不断提高。尽管对于夹杂物诱导产生晶内铁素体的机制并没有完全弄清，但是成功运用氧化物冶金技术的实例却也屡见不鲜，如HTUFF技术、JFEEWEL技术等。因此，该技术在未来必将得到广泛的应用，其未来的发展趋势可能包括以下几点：
1）氧化物夹杂成分、尺寸、分布控制技术的研究。晶内铁素体核心是直径为0.2~2μm、分布密度为50~60个粒子/mm2的夹杂物颗粒。高强度钢的晶粒均较细小，钢中比较粗大的夹杂物一般不容易成为晶内铁素体的形核核心。因此，如何在钢水中获得大量细小而均匀分散的高熔点氧化物夹杂是氧化物冶金的难点，对此国外进行了大量的研究。Suito等人研究发现：钢水的初始氧质量分数很大程度上决定了晶粒的粗化率；脱氧剂的加入量对具有一定初始氧浓度的钢水中夹杂物的大小有较大影响；复合脱氧中脱氧剂的添加顺序对形成细小的颗粒有重要影响。Goto等人研究发现：冷却速率对析出物的分布和大小有着重要影响，凝固过程中随冷却速率的提高，析出物的尺寸减小，数量增加；随着冷却速度的降低，Ti2O3和MnO含量增加，而Al2O3含量则减少；直径大于10μm的氧化物成分不随冷却速度的变化而变化；氧化物尺寸越小，冷却速度对氧化物成分的影响越显著。
2）寻找新的具有奥氏体晶粒钉扎效果的粒子，甚至可以人为的添加纳米级的夹杂物到钢液中，如应用纳米喷粉技术在钢液中获得更多弥散分布的第二相粒子从而得到超細晶组织。扩大氧化物冶金的研究范围，吸收并利用其他一切有利于钉扎奥氏体晶界的第二相粒子，而并非仅仅局限于氧化物粒子的应用研究。
3）进一步研究和探索晶内铁素体形核及长大的理论，从而统一其形成机制，为进一步利用其优良性能提供更全面的理论支持。
4）进一步发展TMCP技术和氧化物冶金技术的综合运用，从而达到更佳的组织细化效果。
五、结束语
氧化物冶金技术的思路起源于钢中细小夹杂物的有效利用，特别是氧化物和硫化物的充分利用。随着对夹杂物(不仅仅是氧化物)在各种相变过程中认识的不断提高，氧化物冶金技术必将归宿于夹杂物冶金技术之中。
参考文献：
[1]刘中柱，桑原守，氧化物冶金技术的最新进展及其实践明.炼钢，2007，23(3)
[2]余圣甫，雷毅.氧化物冶金技术及其应用田.材料导报.2004，18(8).