当材料和纯净度达到一定程度时,其性能会发生某些突变,如超纯铁(>99.995%)的耐酸侵蚀能力与金或铂的抗腐蚀能力相当;18Cr2NiMo不锈钢中的含量从0.026%降低到0.002%时,其耐硝酸的腐蚀能力得到极大地提高。金属材料的加工性能、疲劳性能和韧性等主要决定于材料中非金属夹杂物的性质、尺寸和数量,只有当非金属夹杂物的尺寸小于1μm,且其数量少到彼此间距大于10μm时,它们才不会对材料的宏观性能产生影响。
为了研究钢在极限夹杂物含量下的各项理化性能和机械力学性能,日本科技厅金属材料研究所用冷坩埚悬浮熔炼技术,通过去除夹杂物形成元素和钢中的夹杂物,生产超高洁净钢材料;加拿大Mitchell教授和新日铁Fukumoto提出了“零夹杂”钢的概念。所谓“零夹杂”并不是钢中没有夹杂物存在,而是指钢液在凝固以前不析出任何非金属夹杂物,钢液在固相状态下析出的非金属夹杂物是高度弥散分布的,其尺寸小于1μm,这些夹杂物在光学显微镜下作常规检验时已观察不到。因此,“零夹杂”钢实际上是含亚微米夹杂物的钢。日本神户制钢的Nishi和Ogawa等用真空感应炉(VIF)熔炼出航空工业用的250马氏体时效钢时,将T.O、S和N分别降低到(2～5)×10-6、(2～3)×10-6和(6～9)×10-6,钢中的夹杂物尺寸最大为6～8μm,主要分布在2～4μm之间。Fukumoto和Mitchell用电子束冷坩埚熔炼法(EBCHM)熔炼适用于电子元件的奥氏体不锈钢时,将钢的降低到(2～3)×10-6,钢中的氧化物夹杂主要来自原始合金中的CaO夹杂。因此,可能存在的亚微米夹杂物来自两部分,一部分是由原始合金或初炼炉带来的含Al2O3、SiO2、CaO的夹杂物,另一部分是钢液凝固过程中析出的氧化物、硫化物和氮化物夹杂。
钢液中析出硫化物和氮化物的溶积度远比析出氧化物的溶积度高,在一般情况下液相中不可能析出硫化物和氮化物。因此,所谓的“零夹杂”钢实质上是指“零氧化物夹杂”钢。要获得真正的“零夹杂”钢,除了控制钢中的氧含量以及脱氧元素含量及偏析,使它们的溶度积低于固相线温度时的平衡溶度积,以防止在固相线温度以前析出氧化物夹杂以外,还在于如何使原始合金带来的氧化物夹杂从钢中气化去除,即:
当金属材料的晶粒度由几十微米降到微米级、及至亚微米级、纳米级时,材料的性能会发生质的变化。对这样的细晶粒材料,如何通过特殊的精炼工艺消除非金属夹杂物的影响对材料科学的发展有重要的影响。Mitchell、Fukumoto、Nishi和Ogawa等对他们研制的超级纯净钢的性能研究仍停留在常规晶粒度下材料性能的比较,对微米级、亚微米级超级纯净钢的性能的研究还未见报道。目前我国正在开发“新一代钢铁材料(超级钢)重大基础研究”项目的研究,正是基于通过材料的形变和热处理实现材料超细晶粒化,达到提高材料强韧性的目的。因此,开展极限含量非金属夹杂物钢或“零夹杂”钢精炼理论及工艺研究,对制备“零夹杂”超级纯净钢以及超细晶粒超级纯净钢性能的研究具有十分重要的意义。
当夹杂物尺寸<1μm时,夹杂物将发挥有益影响:(1)微细析出(碳氮化合物,硫化物,氧化物)对晶界起钉扎作用;(2)固溶夹杂拖拽晶界移动的效果;(3)可抑制再结晶和晶粒长大。
2.2 零夹杂超级纯净钢精炼工艺原则
根据热力学计算,精炼零夹杂超级纯净钢的关键是:(1)控制钢中的酸溶铝含量低于10×10-6;(2)避免原材料中存在含CaO的夹杂物;(3)避免炉衬污染;(4)高真空度精炼。冶炼效果:42CrMo钢,T.O=(2～4)×10-6,σ-1在720MPa,疲劳寿命由原商业产品107提高到109。
3 结论
(1)超洁净钢应针对不同钢种、不同用途的特殊要求,在工业生产中采取不同的精炼手段,达到各个突破,满足钢种性能要求,不追求泛泛的“超纯”。
(2)零夹杂钢,即钢中夹杂物尺寸小于1μm。要获得零夹杂钢,既要控制钢中氧与脱氧元素的活度积,防止固相线温度以前析出夹杂物,还要使原始合金中带来的氧化物夹杂从钢中气化去除。
(3)金属材料的晶粒度已达微米级,消除非金属夹杂物的影响,对材料科学发展至关重要