2 零夾雜鋼
2.1 零夾雜鋼的意義及發(fā)展趨勢(shì)
當(dāng)材料和純凈度達(dá)到一定程度時(shí),其性能會(huì)發(fā)生某些突變,如超純鐵([Fe]>99.995%)的耐酸侵蝕能力與金或鉑的抗腐蝕能力相當(dāng);18Cr2NiMo不銹鋼中的[P]含量從0.026%降低到0.002%時(shí),其耐硝酸的腐蝕能力得到極大地提高。金屬材料的加工性能、疲勞性能和韌性等主要決定于材料中非金屬夾雜物的性質(zhì)、尺寸和數(shù)量,只有當(dāng)非金屬夾雜物的尺寸小于1μm,且其數(shù)量少到彼此間距大于10μm時(shí),它們才不會(huì)對(duì)材料的宏觀性能產(chǎn)生影響。
為了研究鋼在極限夾雜物含量下的各項(xiàng)理化性能和機(jī)械力學(xué)性能,日本科技廳金屬材料研究所用冷坩堝懸浮熔煉技術(shù),通過(guò)去除夾雜物形成元素和鋼中的夾雜物,生產(chǎn)超高潔凈鋼材料;加拿大Mitchell教授和新日鐵Fukumoto提出了“零夾雜”鋼的概念。所謂“零夾雜”并不是鋼中沒(méi)有夾雜物存在,而是指鋼液在凝固以前不析出任何非金屬夾雜物,鋼液在固相狀態(tài)下析出的非金屬夾雜物是高度彌散分布的,其尺寸小于1μm,這些夾雜物在光學(xué)顯微鏡下作常規(guī)檢驗(yàn)時(shí)已觀察不到。因此,“零夾雜”鋼實(shí)際上是含亞微米夾雜物的鋼。日本神戶制鋼的Nishi和Ogawa等用真空感應(yīng)爐(VIF)熔煉出航空工業(yè)用的250馬氏體時(shí)效鋼時(shí),將T.O、S和N分別降低到(2～5)×10-6、(2～3)×10-6和(6～9)×10-6,鋼中的夾雜物尺寸最大為6～8μm,主要分布在2～4μm之間。Fukumoto和Mitchell用電子束冷坩堝熔煉法(EBCHM)熔煉適用于電子元件的奧氏體不銹鋼時(shí),將鋼的[T.O]降低到(2～3)×10-6,鋼中的氧化物夾雜主要來(lái)自原始合金中的CaO夾雜。因此,可能存在的亞微米夾雜物來(lái)自兩部分,一部分是由原始合金或初煉爐帶來(lái)的含Al2O3、SiO2、CaO的夾雜物,另一部分是鋼液凝固過(guò)程中析出的氧化物、硫化物和氮化物夾雜。
鋼液中析出硫化物和氮化物的溶積度遠(yuǎn)比析出氧化物的溶積度高,在一般情況下液相中不可能析出硫化物和氮化物。因此,所謂的“零夾雜”鋼實(shí)質(zhì)上是指“零氧化物夾雜”鋼。要獲得真正的“零夾雜”鋼,除了控制鋼中的氧含量以及脫氧元素含量及偏析,使它們的溶度積低于固相線溫度時(shí)的平衡溶度積,以防止在固相線溫度以前析出氧化物夾雜以外,還在于如何使原始合金帶來(lái)的氧化物夾雜從鋼中氣化去除。
當(dāng)金屬材料的晶粒度由幾十微米降到微米級(jí)、及至亞微米級(jí)、納米級(jí)時(shí),材料的性能會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化。對(duì)這樣的細(xì)晶粒材料,如何通過(guò)特殊的精煉工藝消除非金屬夾雜物的影響對(duì)材料科學(xué)的發(fā)展有重要的影響。Mitchell、Fukumoto、Nishi和Ogawa等對(duì)他們研制的超級(jí)純凈鋼的性能研究仍停留在常規(guī)晶粒度下材料性能的比較,對(duì)微米級(jí)、亞微米級(jí)超級(jí)純凈鋼的性能的研究還未見(jiàn)報(bào)道。目前我國(guó)正在開(kāi)發(fā)“新一代鋼鐵材料(超級(jí)鋼)重大基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目的研究,正是基于通過(guò)材料的形變和熱處理實(shí)現(xiàn)材料超細(xì)晶?；?達(dá)到提高材料強(qiáng)韌性的目的。因此,開(kāi)展極限含量非金屬夾雜物鋼或“零夾雜”鋼精煉理論及工藝研究,對(duì)制備“零夾雜”超級(jí)純凈鋼以及超細(xì)晶粒超級(jí)純凈鋼性能的研究具有十分重要的意義。
當(dāng)夾雜物尺寸<1μm時(shí),夾雜物將發(fā)揮有益影響:(1)微細(xì)析出(碳氮化合物,硫化物,氧化物)對(duì)晶界起釘扎作用;(2)固溶夾雜拖拽晶界移動(dòng)的效果;(3)可抑制再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。
2.2 零夾雜超級(jí)純凈鋼精煉工藝原則
根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算,精煉零夾雜超級(jí)純凈鋼的關(guān)鍵是:(1)控制鋼中的酸溶鋁含量低于10×10-6;(2)避免原材料中存在含CaO的夾雜物;(3)避免爐襯污染;(4)高真空度精煉。
冶煉效果:42CrMo鋼,T.O=(2～4)×10-6,σ-1在720MPa,疲勞壽命由原商業(yè)產(chǎn)品107提高到109。
3 結(jié)論
(1)超潔凈鋼應(yīng)針對(duì)不同鋼種、不同用途的特殊要求,在工業(yè)生產(chǎn)中采取不同的精煉手段,達(dá)到各個(gè)突破,滿足鋼種性能要求,不追求泛泛的“超純”。
(2)零夾雜鋼,即鋼中夾雜物尺寸小于1μm。要獲得零夾雜鋼,既要控制鋼中氧與脫氧元素的活度積,防止固相線溫度以前析出夾雜物,還要使原始合金中帶來(lái)的氧化物夾雜從鋼中氣化去除。
(3)金屬材料的晶粒度已達(dá)微米級(jí),消除非金屬夾雜物的影響,對(duì)材料科學(xué)發(fā)展至關(guān)重要。
——本文摘自《中國(guó)金相分析網(wǎng)》
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