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2005年第2期世界钢铁·1·

氧化物冶金技术的理论与工艺

(中)郑庆朱立新

(上海宝钢研究院冶金工艺所)

摘要细小氧化物夹杂可以作为非均匀形核质点在奥氏体晶粒内部诱发针状铁素体组织，从而产生细化晶粒的效果。这项被称为氧化物冶金的技术对于提高某些高强度低合金钢焊接热影响区的韧性有着非常好的效果，其技术关键在于对凝固前沿及其后形成的二次夹杂进行精确控制。

关键词HAZ晶内针状铁素体夹杂物

1前言

氧化物冶金技术是一项近10年来受到国际冶金材料学术界和产业界广为关注的前沿技术。这一技术对于改善高强度低合金钢种(HSLA)的焊接热影响区(HAZ)韧性、推动超细晶粒钢种的开发有着非常重要的意义，有望得到大规模产业化应用。

高强度低合金钢是一种应用广泛的结构钢，在大多数情况下要求其具有优良的焊接性。其焊接性主要包括两个方面，其一是裂纹敏感性，即要求钢材具有足够的韧性；其二是焊接热影响区的力学性能[1~4]。焊接时，焊缝金属发生局部重熔。焊后冷却过程中，熔合线附近晶粒则粗化形成粗晶热影响区(CGHAZ),粗晶组织导致局部强度和韧性降低。因此，HAZ成为钢铁构件的脆弱区域。近半个世纪以来，通过微合金化、纯净化冶炼和控轧控冷等技术的应用，高强度低合金钢种母材和HAZ的强度和韧性均得到很大的提高。特别是采用Ti微合金化，使钢中形成了TiN粒子，可以有效抑制焊接过程HAZ奥氏体晶粒的长大，大大减小HAZ的韧性降低幅度，这项被称为TiN冶金的技术目前已在高强度低合金钢中广泛应用5~6]。近年来，随着管线、桥梁、海上采油平台、高层建筑钢结构、压力容器越来越多地采用大规格、高强度钢板，要求钢板可以采用大幅度提高焊接效率的单面埋弧焊、气电焊或电渣焊等大线能量焊接技术进行焊接。焊接线能量输入从原来较低的手弧焊(≤25kJ/cm)、自动焊(≤35kJ/cm)提高到50～150kJ/cm,甚至更高。峰值温度将达到或超过1400℃,从而使CGHAZ晶粒粗化倾向更加明显，即使TiN粒子本身，在1200℃以上高温下，

也将因Oustwald熟化过程而长大、重熔而减弱并失去对奥氏体晶粒的抑制作用7,8],这就给传统的高强度低合金钢带来新的课题，即焊接热影响区(HAZ)的性能(强度和韧性)恶化，易产生焊接冷裂纹等问题[9,10]。众所周知，大型桥梁、管线、压力容器等工作负荷(压力、承重及工作条件)越来越大，对焊接结构钢的止裂性能的要求也愈来愈高，除要考虑钢的韧一脆性转变温度外，提高延性断裂的止裂性能则显得更为重要，因而，进一步改善高强度低合金钢材HAZ韧性非常迫切。

1990年，在日本名古屋召开的国际钢铁大会上，新日铁研究人员首次提出氧化物冶金技术的概念，其基本原理是在钢中引入细小弥散的Ti?O?夹杂物，而且，Ti?O?比TiN稳定。这些Ti?O?夹杂物在焊接后的冷却过程中起到非均匀形核质点的作用，在奥氏体晶粒内部诱发针状铁素体组织

(IGF或者AF),即原始奥氏体晶粒被分割成多个针状铁素体晶粒，起到细化HAZ组织的效果[11~14]。

2焊接对钢材微观组织性能的影响

焊接时输入热，使焊缝经历一个热循环，在焊缝金属区，钢本身发生熔化。在熔合线和未受热影响的基体材料之间形成HAZ。紧靠熔合线的基体金属温度接近钢的固相线温度，因此，该区域显微组织迅速粗化，成为粗晶热影响区(GCHAZ)。随着距熔合线距离的增大，热循环峰温下降，在某一区域达到的一个温度范围相当于正火温度，这个区域为细晶热影响区(GRHAZ)。离熔合线的距离再进一步增大时，钢被加热进入α+γ两相区和不发生任何相变区。这两个区域分别为两相区和

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·2·2005年第2期

亚临界热影响区。从一个区到另一个区的过渡是连续的。

在多层焊接情况下，一次形成的热影响区显微组织将经受二次过程。如生成两相区或亚临界粗晶热影响区(ICGCHAZ或SCGCHAZ),情况则变得更为复杂。

焊接热循环过程伴随HAZ中微观组织而变化，粗晶热影响区的相变组织是影响HAZ韧性水平的主要因素。GCHAZ奥氏体在冷却过程中发生相变，相变组织主要取决于材料的淬透性和冷却速度，还取决于是否存在抑制晶界铁素体的B

以及晶内是否有促进铁素体形核的细小粒子，如T