[發(fā)明專利]一種在鋼的鑄態(tài)組織中控制夾雜物形態(tài)的方法

有效

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• 申請日: 2010-02-26
• 公開（公告）號: CN102166642A
• 公開（公告）日: 2011-08-31
• 發(fā)明（設計）人: 鄭慶;胡會軍
• 申請（專利權）人: 寶山鋼鐵股份有限公司
• 主分類號: B22D27/00
• 分類號: B22D27/00;C21C7/00;C21C7/06;C21C7/064
• 代理公司: 上海開祺知識產(chǎn)權代理有限公司 31114
• 代理人: 竺明

技術領域

本發(fā)明涉及冶煉工藝，尤其涉及一種在鋼的鑄態(tài)組織中形成細小彌散、以Ti₂O₃為主要成分的球形復合夾雜物的方法。

背景技術

韌性是指材料在外載荷作用下抵抗開裂和裂紋擴展的能力，也就是材料在斷裂前所經(jīng)歷的彈塑性變形過程中吸收能量的能力，它是強度和塑性的綜合體現(xiàn)。對于鋼鐵材料，強度有余而韌性不足是比較普遍的問題，圍繞材料的強韌化，國內外學者開展了大量的研究工作，提出了許多強韌化途徑，基本上都是通過合金化、沉淀析出、晶粒細化等多方面的綜合作用來實現(xiàn)。

但對斷裂力學的研究發(fā)現(xiàn)，鋼的最終斷裂是非金屬夾雜物引起的顯微孔隙不斷聚集的結果。鋼在受力時，必然伴隨著晶粒和夾雜物的拉長或者變形。當為硬脆型夾雜物時，夾雜物和鋼基體之間將因應力集中而萌生微裂紋，當為延性夾雜物時，在小變形條件下，在基體—夾雜物界面出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，并逐漸過渡到塑性不穩(wěn)定狀態(tài)，最終也產(chǎn)生顯微裂紋。因為應力集中，產(chǎn)生顯微裂紋以后，鋼會加速在夾雜物附近生成顯微孔隙并隨后聚集長大，最終導致斷裂，并在斷面上發(fā)現(xiàn)夾雜物。從這一過程可以看出兩點：(1)不管夾雜物是塑性型還是硬脆型，均是導致顯微裂紋產(chǎn)生的主要原因；(2)相比硬脆型夾雜物，塑性夾雜物由于存在一個變形過程，在同等粒度的條件下，塑性夾雜物顯然對韌性的損害要弱。

在斷裂過程中，夾雜物的形態(tài)，及夾雜物的種類、大小、數(shù)量和分布對鋼的斷裂有很重要的影響。例如，對于鋼中常見氧化鋁夾雜物，它是脆性的夾雜物，由于它常常為帶尖銳棱角的形狀，在尖角處容易形成微裂紋，這在夾雜物直徑大于5微米時非常明顯。對于延性的硫化錳，也是鋼中很常見的夾雜物，當MnS因軋制而拉長時，則軋向的韌性要明顯高于橫向，造成鋼的軋向和橫向的性能差異。這也是鋼在冶煉過程中需要進行鈣處理的重要原因，即通過鈣處理，鋼中的MnS球化，避免形成長條型的MnS，從而改善其橫向性能。

故從提高鋼材韌性來考慮，必須盡可能的降低鋼中的夾雜物含量，同時，需要控制夾雜物的形態(tài)，即盡可能地將鋼中的夾雜物控制為細小彌散的球形夾雜物。比較典型的例子是適用于高強高韌性結構鋼的氧化物冶金技術。

1990年代，研究發(fā)現(xiàn)某些細小彌散的氧化物顆粒可以顯著改善鋼材的某些性能。其基本原理是在鑄態(tài)鋼中形成細小彌散的以Ti₂O₃為主要成分的氧化物顆粒，這些顆粒生成于1400℃以上溫度，其后，鋼在冷卻至1200℃左右時，鋼中的MnS夾雜物以這些Ti₂O₃氧化物作為形核核心析出，結果形成Ti₂O₃+MnS型復合夾雜物，即外層為延性的MnS，內層為硬質的球形以Ti₂O₃為主要成分的氧化物。

進一步的研究證實，這種氧化物的成分中不僅僅包含Ti和O，還包含有元素Mn，物相鑒定主要為Ti₂O₃和MnO。當復合夾雜物為球形、粒度在5微米以下時，鋼表現(xiàn)出高韌性。特別地，當鋼經(jīng)過焊接以后，通常鋼在熱影響區(qū)因為晶粒粗化，會出現(xiàn)明顯的韌性降低，鋼的在焊接接頭附近出現(xiàn)最低的韌性，但鋼中富含上述復合夾雜物時，這種Ti₂O₃+MnS型復合夾雜物將在其鄰近區(qū)域形成貧錳區(qū)(即該區(qū)域的錳明顯低于其它區(qū)域)，由于錳為奧氏體穩(wěn)定元素，貧錳區(qū)的存在將降低奧氏體向鐵素體轉變的形核功，從而加速這一轉變，即奧氏體以在貧錳區(qū)發(fā)生轉變，最終將以Ti₂O₃+MnS型復合夾雜物為核心轉變成鐵素體組織，這是一種針狀的成放射狀成長的鐵素體，內含高密度位錯，具有高韌性。由于Ti₂O₃+MnS型復合夾雜物在鋼基體中彌散分布，這就使得通常情況下經(jīng)歷焊接熱循環(huán)以后的原始奧氏體晶粒優(yōu)先在晶界發(fā)生的轉變得到抑制，奧氏體晶粒內部可以依托復合夾雜物優(yōu)先于晶界轉變，形核位置和數(shù)量大大增加，而且轉變以后的組織也不是通常狀況下的上貝氏體、魏德曼鐵素體等脆性組織，而是韌性非常高的針狀鐵索體組織。這樣，就使鋼在經(jīng)歷焊接以后，接頭焊接熱影響區(qū)仍然維持非常細小的組織和保持高韌性。這是一種新的調控鋼材組織和提高韌性的手段，使通常狀況下對于鋼材性能有害的夾雜物成為調控性能的技術途徑，因此受到廣泛的關注，其核心技術是夾雜物形態(tài)控制技術。

發(fā)明內容