氧化物冶金（Oxide Metallurgy）是煉鋼、材料領域全新的觀點，是指利用煉鋼過程中生成的尺寸細小、彌散分布、成分可控的氧化物夾雜作為硫化物、氮化物等異相析出形核點，以改變鋼的組織和晶粒度，使鋼材具有優異的韌性、較高的強度尤其是優良的焊接性能，使鋼中傳統的夾雜物變害為利。
基本介紹
- 中文名：氧化物冶金
- 外文名：Oxide Metallurgy
歷史背景,發展進程,
歷史背景
通常認為非金屬夾雜物對鋼材的性能有害，應當儘量除去，以獲得 “純淨”的鋼水；但是鋼水不可避免的會存在一些夾雜物，過分地追求“純淨”將使得煉鋼成本升高。從“氧化物冶金”的觀點出發，在煉鋼過程中對夾雜物的屬性（分布、成分和尺寸等）進行有效地控制，利用這些微細夾雜物來改善焊接HAZ的韌性，將夾雜物這一去不掉的“麻煩”變成實際的價值。自1990年新日鐵的研究人員在日本名古屋召開的國際鋼鐵大會上首次提出“氧化物冶金”概念以來，氧化物冶金技術倍受國際冶金、材料學術界和產業界的關注。
發展進程
通過氧化物冶金技術改善焊接HAZ的組織，達到提高厚板大線能量焊接性能的目的，有以下兩種重要思路：一種是細化焊接HAZ的奧氏體晶粒。利用鋼材中彌散分布的微細夾雜物作為釘扎粒子，在焊接熱循環的過程中，釘扎-奧氏體晶界的移動，抑制奧氏體晶粒的長大，從而減少脆化組織GBF和FSP的尺寸，達到改善焊接HAZ韌性的目的；一種是在焊接冷卻過程中，利用夾雜物在奧氏體到鐵素體相變過程中促進晶內針狀鐵素體 (Intragranular Acicular ferrite，IAF) 的形成，通過針狀鐵素體的分割作用減小晶粒大小，另外針狀鐵素體本身的優異韌性也有利於改善焊接HAZ韌性。
第一代氧化物冶金技術
第一代氧化物冶金技術利用TiN粒子的釘扎作用來改善HAZ韌性。有效地發揮釘扎作用的粒子必須同時具備以下兩種特性：一是在鋼材中的分散性；二是焊接峰值溫度（1400℃及以上）下的穩定性。TiN粒子具有很好的分散性，早在二十世紀70年代中期，日本新日鐵公司利用TiN釘扎粒子開發出滿足大線能量焊接性能要求的TiN鋼。在1400℃高溫不溶解並且尺寸小於0.05 μm的TiN粒子能夠抑制奧氏體晶粒粗化，隨著TiN釘扎粒子數量增多，奧氏體晶粒尺寸減小。使用TiN釘扎粒子的氧化物冶金技術得到進一步發展，Tomita等利用TiN粒子的釘扎作用與TiN-MnS複合夾雜物誘導晶內鐵素體 (Intragranular ferrte，IGF) 生成開發的TiN-MnS鋼具有更高的HAZ韌性。但是，當大線能量焊接過程中熔合線附近的溫度超過1400℃時，TiN發生部分溶解或者長大甚至粗化的問題制約了第一代氧化物冶金技術的發展。
第二代氧化物冶金技術
第二代氧化物冶金技術利用Ti2O3夾雜提高HAZ韌性。Ti2O3夾雜在大線能量焊接過程中具有高溫穩定性，能夠有效地促進晶內針狀鐵素體形成。此外，TiO鋼中添加少量B在奧氏體晶界偏聚，可以有效地抑制GBF形核，同時促進IAF的形成。由於Ti2O3具有陽離子空位，MnS、BN和TiN優先在Ti2O3夾雜上形核；在Ti2O3夾雜周圍形成貧錳區 (Mn-depleted Zone，MDZ) 和貧硼區(B-depleted Zone，BDZ)，作為IAF的優先形核核心。針狀鐵素體的位錯密度 (10-10mm) 要比GBF、FSP高得多，但是比馬氏體 (~10mm) 小；且具有混亂無秩序的晶體學取向，從而阻止解理裂紋擴展。通過提高IAF在HAZ組織中的比例，能夠顯著提高HAZ韌性。但是，Ti的氧化物容易在鋼水中聚集形成簇狀夾雜並上浮除去，難以得到大量細小的Ti2O3夾雜，在生產中很難起到良好的效果。雖然Ti2O3粒子在焊接熱循環的高溫下穩定存在，不發生固溶或者長大，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。
第三代氧化物冶金技術
利用強脫氧劑Mg、Ca開發的新型氧化物冶金技術稱之為第三代氧化物冶金技術。強脫氧劑Mg、Ca的氧化物和硫化物粒子，尤其是MgO粒子同時具備在鋼材中的分散性和焊接高溫下的穩定性這兩種特性，可以有效地釘扎奧氏體晶界的移動，抑制奧氏體晶粒的長大。套用TiN釘扎作用的第一代氧化物冶金技術和利用各種氧化物、析出物誘導IAF形核的第二代氧化物冶金技術開發的傳統大線能量焊接用鋼，在強度、板厚、焊接線能量不斷提升的當下，已經不能滿足對HAZ韌性的要求。新日鐵率先開發了第三代氧化物冶金技術——HTUFF (Super High HAZ Toughness Technology withFine Microstructure Imparted by Fine Particles) 技術，該技術通過在鋼中加入適當的Mg或Ca生成均勻彌散分布且熱穩定性好的氧化物或硫化物微細粒子，強烈抑制HAZ奧氏體晶粒的長大，實現良好的HAZ韌性。HTUFF技術作為最先進的氧化物冶金技術，新日鐵公司對其採取了嚴密的技術封鎖，並處於壟斷地位。寶鋼作為中國最具競爭力的鋼鐵企業，開發了自己的第三代氧化物冶金技術——利用強脫氧劑改善焊接HAZ韌性的ETISD技術 (Excellent Heat Affected Zone Toughness TechnologyImproved by use ofStrong Deoxidizers)，該技術利用強脫氧劑進行鋼液脫氧，有效地控制鋼中微米級夾雜物和納米級析出物；在大線能量焊接過程中，選擇性地利用微米級夾雜物促進IAF的形成，或者利用納米級析出物抑制奧氏體晶粒的長大。祝凱系統性地研究了Mg處理對EH36船板鋼母材和焊接HAZ的影響，發現Mg處理對船板母材的組織和性能沒有不利的影響，但是有效地改善了鋼板大線能量焊接HAZ韌性。因為Mg處理工藝向鋼中引入了大量納米級析出物和微米級夾雜物，前者在焊接熱循環過程中強烈釘扎奧氏體晶界，使Mg處理鋼板HAZ原奧氏體晶粒平均尺寸要比常規工藝鋼板小6倍；後者有效地促進晶內針狀鐵素體的生長，從而使大線能量焊接HAZ韌性得到顯著改善。
