【新刊速覽】?雞永帥：外加鎂系氧化物粒子在鋼鐵材料制備中的進展
中國冶金
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發(fā)表于
鎂系氧化物粒子(MgO和MgO·Al
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)在鋼液中具有良好的分布特征，在適當?shù)臈l件下向鋼液加入鎂系氧化物粒子可以改性和細化夾雜物、細化奧氏體晶粒和誘導晶內鐵素體形核，最終實現(xiàn)鋼材性能的優(yōu)化。從鎂系氧化物粒子的加入方法、對夾雜物的影響、對奧氏體晶粒的釘扎作用、誘導鐵素體形核機理、對力學性能的影響5個方面進行總結。結果表明，降低密度差和潤濕角粒子或結合強反應元素有利于提高收得率，粉末預分散法結合外場攪拌有利于進一步提升粒子在鋼液中的均勻性；合理的鎂系氧化物粒子加入量（質量分數(shù)）為0.01%～0.03%，夾雜物平均尺寸控制在1～2 μm，可以將夾雜物改性為MgO·
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或MgS；外加鎂系氧化物有利于細化奧氏體晶粒、改善硫化物分布和提高針狀鐵素體比例，當其加入量為0.05%時，針狀鐵素體聯(lián)鎖最優(yōu)，奧氏體晶粒最小；當超微鎂系氧化物粒子的加入量為0.05%左右時鋼鐵材料的力學性能最優(yōu)，屈服強度、抗拉強度、沖擊韌性顯著提高。
鎂系氧化物； 強化； 晶粒生長； 針狀鐵素體； 鋼鐵材料
目前，鋼鐵材料仍然是應用最為廣泛的金屬結構材料，隨著社會的發(fā)展，鋼鐵材料的高性能化面臨更嚴峻的挑戰(zhàn)。1990年日本學者Takamura J I和Mizoguchi S等提出“氧化物冶金”技術，即利用細小彌散分布的非金屬夾雜物細化晶粒和組織。時至今日，利用第二相釘扎效應和促進針狀鐵素體(AF)形核已經(jīng)成為提高鋼鐵材料強韌性的有效手段。可有效促進 AF形核和釘扎效應的第二相氧化物分為 Ti、Mg、Zr 3大體系，近年來，也有學者提出第4大體系，即部分稀土氧化物或氧硫化物也具有同樣的“氧化物冶金”效果。根據(jù)添加方式的不同可將引入第二相粒子的方法分為內部析出法和外部加入法，與內部析出法相比外部加入法粒子粒徑更易控制。
鎂是鋼鐵冶金中的常見元素，以氧化鎂(MgO)和鎂鋁尖晶石(MgO·
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)為代表的鎂系氧化物粒子在鋼液中具有細小彌散分布且熱穩(wěn)定好的優(yōu)點。此外，鎂系氧化物粒子被發(fā)現(xiàn)具備細化晶粒和夾雜物、誘導晶內鐵素體(IF)的能力。近年來，大量文獻報道了向鋼中加入鎂系氧化物的作用與影響，主要集中在粒子的加入方式、細化夾雜物和誘導AF形核3個方面。在鎂系氧化物誘導AF形核的機理上可從異質形核、晶格匹配、熱膨脹性差異和貧錳區(qū)幾種理論來解釋，但在加入方法和夾雜物粒徑控制上，如何從根本上解決外加粒子的分散均勻性仍是一大難題，歸根結底就是突破團聚漂浮的“瓶頸”問題，以實現(xiàn)粒子在鋼基體中的均勻分散和高效強化。
本文從外加鎂系氧化物粒子的加入方法、細化和誘導夾雜物析出、對奧氏體晶粒的釘扎作用、誘導鐵素體形核及其機理和對力學性能的影響5個方面總結了外加鎂系氧化物粒子在鋼鐵材料制備中的作用；對鋼中外加鎂系氧化物粒子的加入方法、夾雜物演變、顯微組織、鐵素體形核理論和力學性能進行了分析與討論，以期為未來氧化物冶金技術的豐富和發(fā)展提供參考。
隨著外加粒子的“氧化物冶金”越來越被重視，外加鎂系氧化物粒子在實驗室中已被證明是一種可有效強化鋼鐵材料的手段，合理外加鎂系氧化物粒子可以改性和細化夾雜物、細化奧氏體晶粒和誘導IF形核，進而優(yōu)化鋼材性能。
(1)降低密度差和接觸角或與強反應元素結合有利于提高粒子收得率；利用外場輔助攪拌結合粉末預分散法有利于進一步提高超微粒子在鋼液中的均勻性。
(2)20～100 nm超微鎂系粒子加入量在0.01%~0.03%為最優(yōu)，此時夾雜物尺寸最小，平均尺寸為1~2 μm；超微鎂系粒子還可以改性夾雜物，形成細小彌散且穩(wěn)定性高的MgO·
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和MgS，這些鎂系復合夾雜物使硫化物分布更加均勻。
(3)鎂系氧化物具有高熔點和熱穩(wěn)定性好的特征，細小彌散分布的鎂系夾雜物可以有效釘扎奧氏體晶界以阻止高溫下奧氏體的生長，達到組織細化的效果；當加入量為0.05%時，在水淬條件下奧氏體晶粒達到最小值(約2 μm)。
(4)外加0.03%～0.05%鎂系氧化物超微粒子可以將夾雜物尺寸控制在有利于鐵素體形核范圍，且形成的鎂系夾雜物與鐵素體間具有低晶格錯配度，對誘導AF形核具有多重效應。目前研究主要集中在20～100 nm，可以考慮外加亞微米級別顆粒，此時粒子更加容易加工，團聚效應更弱，且亞微米100~500 nm顆粒同樣位于針狀鐵素體形核最優(yōu)區(qū)間內。
(5)當20～100 nm超微鎂系氧化物粒子的加入量在0.03%～0.05%時，鋼鐵材料的屈服強度、抗拉強度，沖擊功顯著提高。
來源：《中國冶金》2023年第2期
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