氧化物冶金技術研究的新進展分析

魯孟源

摘 要：本文首先介紹了氧化物冶金技術的內涵及發(fā)展歷程，而后分析了技術應用的機理，最后對其新發(fā)展趨勢進行了探討，對未來氧化物冶金技術的應用有一定的指導意義。

關鍵詞：氧化物冶金；機理；新發(fā)展

長期以來，業(yè)界都將鋼水中的夾雜物看做是有害雜質，并將其看作是鋼材缺陷形成的重要原因。但是，實踐證明，直徑在50um以上的雜質才會對鋼水的形成過程造成干擾，影響鋼的性能。氧化物冶金技術的影響能夠控制夾雜物的大小、尺寸等，反而能夠提升鋼材的性能。下文將對氧化物冶金技術的發(fā)展歷程和新發(fā)展進行探討。

一、氧化物冶金技術內涵及發(fā)展歷程

所謂氧化物冶金，就是充分利用鋼材煉制過程中所生成的那些尺寸相對較小、成分在可控制范圍之內的氧化物，其中也夾雜部分硫化物等，從中析出形核點，以用來改變鋼材的內部組織結構和鋼材的晶粒度，提高鋼材的韌度和焊接性能，也能擴展鋼材的適用范圍。這樣一來，鋼材生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的邊角料也能得到很好的利用。

氧化物冶金技術自出現(xiàn)以來，已經(jīng)獲得了較大的發(fā)展。第一代氧化物冶金技術充分應用了TIN粒子的性能，改變了HAZ的韌度，從而提高鋼材的性能。TIN粒子主要具有兩種特性：第一，在高溫焊接狀態(tài)下能夠保持較強的穩(wěn)定性，溫度一般會達到1400度以上；第二，粒子分散性。TIN粒子的尺寸不斷下降，降到0.05μm，能夠有效地抑制晶體的粗化，粒子不斷增多，尺寸會不斷下降。早在上個世紀七十年代左右，日本公司就重視TIN粒子的積極作用，并利用其良好的性能研制出焊接性能更好的鋼材。但是，必須注意，在焊接溫度達到1400度左右時，TIN的體積會擴大，并發(fā)生部分溶解。由此看出，第一代氧化物冶金技術有一定的限制。

第二代氧化物冶金技術則充分應用了Ti2O3的夾雜，使HAZ的韌性大大提高。Ti2O3夾雜的優(yōu)良穩(wěn)定性，也能夠使其內部形成針狀的鐵素體。另外，鋼材中還加入了少量的B，能夠促進IAF的形成。同時，Ti2O3還具有陽粒子空位，夾雜周圍也會形成親硼區(qū)和貧錳區(qū)，成為優(yōu)先形核心。針狀鐵素體的位錯密度在10毫米左右，其晶體學取向混亂無序，能夠有效的防止裂紋的擴展。HAZ的韌性可以通過提高其組織中的IAF來實現(xiàn)。總得來說，Ti2O3粒子能夠在焊接過程的高溫之下保持足夠的穩(wěn)定，在焊接熱循環(huán)的高溫下穩(wěn)定存在，不發(fā)生固溶或者長大，但是其粒徑較大，不能很好地抑制奧氏體晶粒的長大。國內已開展了許多針對利用Ti2O3夾雜的第二代氧化物冶金技術研究工作。

二、氧化物冶金機理分析

氧化物冶金技術的作用機理主要在于如下幾個方面：第一，應變誘導機理。這種理論認為鋼鐵中的各種非金屬夾雜物的膨脹系數(shù)相對偏低，在冷卻過程中這些夾雜物周圍的晶粒會發(fā)生相應的變化，形成應力場，從而提供激活能量在非金屬夾雜物上形成，并逐漸長大。形核中含有較多的MnS，其熱膨脹系數(shù)與奧氏體十分接近。當然，該機理也難以說該明此點。

第二，低界面能機理。鋼中所含有的非金屬的夾雜物與鐵素體之間能夠形成較小的錯配度，使得后者形核得界面能從某種程度上下降，這也使形核的過程更為簡單。晶內鐵素體可以以MnS、TiN、VC、VN作為形核質點形核析出。但是，該理論并不能解釋Ti 2O 3誘發(fā)晶內鐵素體形核這一事實。

第三，陽離子空位機理。金屬基體上的Fe 通過陽離子空位進行擴散，陽離子空位蘊含于所有Ti 的氧化物。Ti2O 3 析出的形核質點，可以成為成為晶內鐵素體形核核心。但這一機理無法解釋富TiO 未能誘發(fā)晶內鐵素體形核析出的原因。

第四，貧Mn 區(qū)機理。該機理體系下，鋼中夾雜物Ti 203由于濃度較高，很容易被其周圍的Mn 吸附到Ti 2O 3夾雜周圍或者內部，如果Mn不能得到有效的補充，就會在具有陽離子空位的夾雜物周圍出現(xiàn)一個貧錳區(qū)。

就當前來說，氧化物冶金技術已經(jīng)取得了較好的應用效果。首先，氧化物冶金技術的應用極大影響了韌性改善技術，提高了鋼材性能，擴大了其使用范圍。

三.氧化物冶金技術發(fā)展趨勢

氧化物冶金技術的出現(xiàn)及應用使更多的學者高度關注夾雜物的重要作用。而現(xiàn)代科學技術的發(fā)展也幫助人們加深了這種認識，但是氧化物冶金技術再實踐種的應用效果卻沒有充分發(fā)揮出來。但是，未來該技術的應用前景十分廣闊。

第一，鋼中氧化物夾雜成分的分布控制技術的研究將會更為深入。氧化物冶金技術應用過程中的重大難點就是如何從鋼水中獲得大量的分散的熔點較高的氧化物夾雜。國內外學者都進行了大量的研究。研究發(fā)現(xiàn)，晶粒的粗化率的高低從很大程度上是由鋼水的初始氧的質量分數(shù)所決定的，而鋼水中夾雜物的大小與其中加入的脫氧劑的量也有密切關系。脫氧劑在鋼水中的添加順序能夠影響各種細小顆粒的形成。還有研究發(fā)現(xiàn)，鋼水冷卻速度與其中析出物體的大小關系密切，隨著鋼水的不斷凝固，鋼水中的析出物的量也逐漸下降。析出物中的直徑在10um以上的氧化物的內部成分會發(fā)生相應的變化。氧化物的尺寸大小會對氧化物成分和其冷卻速度之間的關系產(chǎn)生較大的影響。

第二，未來要積極尋找新的粒子，這些粒子要具有良好的釘扎效果，并可以將納米級別的夾雜物混入鋼水中，從而得到需要的超細晶組織。研究者應該努力拓寬氧化物冶金技術的研究范圍，爭取獲得第二相粒子。

第三，要進一步探究晶內鐵素體形核的相關理論，并致力于形成相關的機制，完善理論體系，也能為其性能的提升提供中藥的支持。

第四，要努力實現(xiàn)氧化物冶金技術的全面、綜合應用，從而實現(xiàn)更好的組織細化效果。

未來，氧化物冶金技術的發(fā)展將會向著更好的釘扎作用、形核作用、鋼扎與形核相互作用的方向發(fā)展，其應用范圍進一步拓展，能夠與TMCP技術相互作用，呈現(xiàn)出更好的發(fā)展趨勢。

四.總結

隨著人們對鋼水中夾雜物變相過程認知水平的不斷提高，氧化物冶金技術的應用也受到了更多的關注和重視。氧化物冶金技術的應用提高了冶金工作的效率，提高了其產(chǎn)出能夠從根本上提高冶金企業(yè)的經(jīng)濟效益。

參考文獻

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（作者單位：遼寧科技學院）