Ti-Mg/Ti-Zr脱氧体系氧化物冶金机理研究

摘要

随着船舶、建筑、桥梁、海洋平台、压力容器、石油等制造业的发展，中厚板生产和需求量日益增大，对钢板强韧性特别是焊接性能提出了更高要求。但是，焊接热影响区组织粗化造成的韧性严重恶化、焊接裂纹的几率增加等危害，是影响钢材焊接性能的关键因素。改善焊接热影响区韧性的方法有多种，最为有效的途径是通过“氧化物冶金”的方法细化焊接热影响区的组织。
　　本课题采用了冶金热力学和动力学的分析方法，结合实验，研究了各种夹杂物粒子的形核长大规律，系统地研究了Ti-Mg/Zr脱氧夹杂物组成、分布规律及其控制条件;针对Ti-Mg/Zr脱氧夹杂物对钢材焊接热影响区的影响，开展了等温热处理实验、焊接热模拟实验以及共聚焦激光扫描显微镜观察实验，系统地研究了Ti-Mg/Zr脱氧夹杂物对组织和性能的影响规律，并探讨了其作用机理;最后，对Ti-Mg/Zr脱氧工艺开展了工业试验，考察了脱氧夹杂物的分布规律及其对组织和性能的影响。
　　(1)基于Zener方程，计算了细化组织所需要的夹杂物的尺寸、数量以及相应的氧位;基于热力学和Ostwald熟化理论，分析讨论了Si、Mn、Ti、Al、Mg、 Ca、Zr脱氧产物的形核与长大规律，发现各脱氧产物的形核率由大到小的顺序为CaO＞Al2O3＞MgO＞ZrO2＞TiO2＞Ti2O3＞SiO2＞MnO，粒子的尺寸随时间变化由小到大顺序为MgO＜CaO＜ZrO2＜Al2O3＜TiO2＜Ti2O3＜MnO＜SiO2;在理论分析的基础上开展了Ti-Al、Ti-Zr、Ti-Mg、 Mg和Ca的脱氧实验，研究发现Ti-Mg/Zr系脱氧剂脱氧生成的Ti-Zr-O和Ti-Mg-O为主的复合夹杂物，其个数、大小以及稳定性，符合氧化物冶金的要求。
　　(2)对含Ti脱氧体系开展了热力学计算，结果表明:对于大线能量用船板钢，在炼钢温度下用钛脱氧时，若要优先析出Ti2O3颗粒，需要控制溶解氧的质量分数小于0.0063％;在凝固前沿固液两相区，当初始w[Ti]=0.005％～0.015％、w[O]=0.001％～0.005％、w[N]=0.002％～0.006％时，E36熔炼凝固过程只有Ti2O3的析出，钢中的TiN主要在凝固后固相析出;Ti-Mg脱氧产物为Ti-Mg-O复合夹杂物，在炼钢条件下主要有Ti2O3、Mg2TiO4和MgO;随着溶解氧质量分数从0.001％增加到0.005％，夹杂物由富Mg产物向富Ti产物转变;当w[Ti]=0.005％～0.015％且w[Mg]=0.0001％～0.010％，初始w[O]=0.005％时，脱氧产物为Mg2TiO4和MgO; Ti-Mg复合脱氧时，钢液中的酸溶铝容易与Mg、O反应生成MgAl2O4，液相夹杂物和MgAl2O4都不利于粒子的氧化物冶金效果。
　　(3) Ti-Mg/Zr脱氧工艺实验研究表明:在Ti-Zr脱氧体系中，当Zr质量分数一定时，Ti的质量分数存在最佳值。当Zr的质量分数为0.005％，Ti的质量分数为0.012％时，钢中形成的Ti-Zr-O夹杂物粒子弥散、细小，第二相强化效果明显，提升了母材的力学性能;在焊接热循环过程中，能促进针状铁素体大量形成，针状铁素体以夹杂物为核心生长，从而有效地提高了HAZ区的低温韧性，在150 kJ/cm焊接线能量条件下，253K冲击功达到272 J;当Ti质量分数一定时，Mg的质量分数存在最佳值，过高过低时，夹杂物都会粗化，低温冲击韧性差，当w[Ti]=0.012％且w[Mg]=0.0018％时，钢中所形成Ti-Mg-O夹杂物粒子弥散细小，能促进针状铁素体大量形成，从而有效提高了HAZ区的低温韧性，在150 kJ/cm焊接线能量条件下，253 K冲击功为283 J。
　　(4)开展了等温热处理、高温金相观察实验，结果表明:当冷却条件一定时，Ti、Ti-Zr和Ti-Mg脱氧试样奥氏体变化总体趋势相同，等温热处理温度越高、停留时间越长，奥氏体晶粒越粗大;由于Ti-Mg、Ti-Zr脱氧试样的晶粒长大活化能比Ti脱氧试样的大，当停留温度一定时，Ti-Mg、 Ti-Zr脱氧试样中的奥氏体晶粒孕育时间比Ti脱氧试样长;而当停留时间相同时，奥氏体急剧粗化温度从1373 K提高到1573 K;夹杂物越细小、密集，钉扎作用越明显，奥氏体化时晶粒越小;夹杂物粒子数量越多，针状铁素体形核点越多，冷却后针状组织所占比例越高。
　　(5)工业试验表明，采用Ti-Mg/Ti-Zr复合脱氧工艺后，母材的力学性能和焊接热影响区的韧性都达到国家标准。其中采用Ti-Zr脱氧钢，在经过150 kJ/cm的模拟焊接后，253 K冲击功达到了57 J，超过国家标准规定的34 J，而Ti-Mg脱氧钢在线能量410 kJ/cm实物焊接条件下，233 K冲击功高达170 J，远超国标规定的41 J。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 本课题的研究背景

1．2 文献综述

1．2．1 焊接热影响区及其组织

1．2．2 焊接热影响区组织控制研究进展

1．3 文献评述

1．4 本课题的目的、意义及创新点

第2章 氧化物冶金粒子选择的研究

2．1 前言

2．2 有利于针状铁素体形成的夹杂物数量

2．3 生成超细氧化物夹杂合适氧位的计算

2．4 脱氧产物形核与长大的理论分析

2．4．1 炼钢过程中夹杂物粒子的形核

2．4．2 炼钢过程中夹杂物粒子长大的控制

2．4．3 夹杂物粒子形核和长大的定性分析

2．5 实验方案

2．5．1 实验目的

2．5．2 实验装置及实验材料

2．5．3 实验步骤

2．6 结果与讨论

2．6．1 夹杂物分布规律

2．6．2 夹杂物成分的变化规律

2．7 本章小结

第3章 大线能量用钢钛脱氧热力学基础

3．1 热力学数据及计算条件

3．2 Ti脱氧热力学

3．2．1 熔炼时脱氧产物析出

3．2．2 凝固前沿Ti的夹杂物粒子析出

3．2．3 凝固过程夹杂物析出量

3．3 Ti的复合脱氧热力学

3．4 固态相变过程析出物的行为

3．5 本章小结

第4章 船板钢Ti-Mg／Zr脱氧实验研究

4．1 前言

4．2 实验

4．2．1 冶炼与铸锭

4．2．2 锻造与轧制

4．2．3 夹杂物检测与评价

4．2．4 等温热处理

4．2．5 焊接热模拟

4．2．6 共聚焦激光扫描显微镜观察

4．2．7 夹杂物统计与组织观察

4．2．8 力学性能测试

4．3 实验结果及讨论

4．3．1 Ti的复合脱氧对夹杂物的影响

4．3．2 实验钢材力学性能及讨论

4．3．3 等温热处理分析

4．3．4 Ti-Zr复合脱氧对焊接热影响区的影响

4．3．5 共聚焦激光扫描显微镜观察分析

4．4 本章小结

第5章 工业试验研究

5．1 工业试验钢的制备与检验方法

5．1．1 试验钢种及生产工艺流程

5．1．2 试样检验方法

5．2 实验结果及分析

5．2．1 试验钢夹杂物的大小及分布情况

5．2．2 轧态试验钢力学性能

5．2．3 工业试验钢焊接性能

5．3 本章小结

第6章 结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢

论文包含图、表、公式及文献