钢铁冶金技术的进步及对焊接冶金方面的几点思考尹士科.docx
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钢铁冶金技术的进步及对焊接冶金方面的几点思考尹士科
钢铁冶金技术的进步及对焊接冶金方面的几点思考_尹士科
焊接专题综述!
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作者简介：
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张秉刚，1381年出生，工学博士，讲师，主要研究方
向为新材料及异种材料电子束焊接，已发表论文-.余篇。
析［+］,机械工程材料，-../，0.
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［14］5樊志伟，张5朴，刘文中,基于667数字图像处理的焊接
温度场实时监测系统研究［+］,计算机测量与控制，-..4，10（0）：
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［1/］5陈芙蓉，刘5军，董俊慧,不锈钢电子束钎焊应力场数值
计算［’］,-..4年国际材料科学与工程学术研讨会论文集［6］,中国太原，-..4,//.2//0,
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力三维有限元数值模拟［+］,焊接学报，-..;，-4
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钢铁冶金技术的进步及对焊接冶金方面的几点思考
安泰科技股份有限公司（北京市51...<1）55尹士科!
裴新军金川集团有限公司（金昌市58081..）55倾学义
摘要!
简述了钢铁冶金技术如冶炼、轧制及热处理技术在最近几十年来取得的重大突破和明显进步。
利用先进的钢铁冶金技术，可以降低钢铁中的硫磷杂质、有害气体及其它杂质，调整钢的组织类型和各种组织比例，细化钢的晶粒，使钢的强度、塑性、韧性及屈强比等综合性能得到很大改善。
钢铁冶金技术的发展，对焊接科技工作者提出了挑战并促使他们进行思考。
一方面，先进钢铁冶金技术的运用，净化了钢材，提高了钢的塑性和韧性，降低了钢的碳当量，改善了钢的焊接性能；另一方面，钢铁冶金技术的进步，进一步拉大了焊接结构中焊缝与母材之间的性能差距。
为了使焊缝力学性能与母材相当或相近，在选择焊接材料、实施焊接工艺时，要充分考虑加强对焊接熔池的保护和净化、焊缝金属的晶粒细化和焊缝组织调控等几个因素。
关键词：
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精炼!
控制轧制!
晶粒细化!
组织调控中图分类号：
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钢铁冶金技术的进步
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炼钢技术［
量、缩短冶炼时间、简化工艺流程和降低产品成本等。
常用的方法有：
也称真空脱气脱氧法，它是在!
7R法，钢液冶炼完毕后，再进行脱氧的一种方法；也"SR法，称真空循环脱气法，钢液在重力、真空和吹氩三个因素的作用下不断进入真空室内，使其充分脱气；#’ET’它是将加热、搅拌、真空等综合在一起的一2EU!
法，
种炉外精炼法，其脱氧、脱氢效果基本与7R法和SR法相同，它还有较强地脱硫能力和去除杂质的效果；$VW7法，英文的意思是真空吹氧脱碳，有很强的脱碳能力，在冶炼不锈钢时很容易把碳含量降低到.,.-XY.,.<X，而铬几乎不被氧化，该方法也有良好的去气去杂质能力，可以生产出非常纯净的钢；精炼%’W7法，原理与VW7法相似，只是利用氩气稀释方法使6W分压降低，而不需要真空设备，’W7法能顺利地冶炼低碳和超低碳不锈钢，脱硫和降低杂质的效果也很明显。
近几十年来，钢铁的冶炼、轧制及热处理技术有了重大突破和明显进步。
在炼钢方面有转炉和电炉炼钢。
转炉炼钢又分为氧气顶吹转炉炼钢和顶底复合吹炼转炉炼钢，后者具有更好的冶金效果和经济效益。
电炉炼钢以碱性电弧炉为主，也有的采用感应炉或电渣炉炼钢。
碱性电弧炉炼钢中炉外精炼的出现具有极为重要的意义。
炉外精炼的主要任务是脱碳、脱氧、脱硫、去气、去杂质、调整温度和化学成分等。
精炼的主要手段有渣洗、真空处理、吹氩搅拌、电磁搅拌、吹氧、电弧加热、喷粉等。
炉外精炼可大幅度地提高钢的质
收稿日期：
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为了保证炉外精炼效果，还可以对铁水进行预处理，即预先对铁水进行脱硫、脱磷、脱硅等处理，最常见的是脱硫处理，向铁水包中加入脱硫剂，主要成分是钙、镁、稀土等，它与铁水中的硫作用生成稳定的化合物后进入渣相，达到使铁水脱硫的目的。
通过上述精炼过程，可使钢中硫磷杂质、有害气体及其它杂质等降低到很低的水平，使钢的纯净度明显提高，进而使钢的力学性能特别是塑、韧性得到显著提高。
把不锈钢中的碳降低到超低碳水平后，可使奥氏体或铁素体不锈钢的耐腐蚀性得到显著改善。
专题综述焊接
的比例，也能提高钢的抗拉强度。
总之，通过控制轧钢过程中的加热温度、轧制温度、变形量、变形速率、终轧温度和轧后冷却工艺等参数，使轧件的塑性变形与固态相变相结合，可以获得细小的晶粒和良好的组织，提高钢的强韧性，使其成为具有优异综合性能的钢。
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"%$热处理技术［
在热处理技术上，以往常采用正火（?
）、正火B回火（?
）、淬火B回火（C,）等方法，后来又开发了两次?
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D,）、两次淬火B回火（CCD,）等新工正火B回火（
艺。
两次淬火B回火处理有两大作用，分别是提高钢#$轧钢技术
［+］
在轧钢方面，最重大的进展是热控轧制技术（,-./0）的成熟和应用，它主要是利用细化铁素体组织、产生贝氏体或马氏体等低温相变组织来提高钢材的强度和韧性。
和以往同样强度级别的钢材相比较，,-/0技术生产的钢材降低了碳含量和其它合金成分含量，因而使钢的焊接性及接头的力学性能得到很大改善，这种技术生产的钢也被称为,-/0钢。
-/0钢包括控制轧制钢（/1钢）、经/1处理后加速冷却钢（’//钢）和直接淬火钢（2/钢），现在一般的,-/0钢多指控制轧制钢，如果采取了加速冷却则称为水冷型,-/0钢，仅采用控制轧制时，称为非水冷型,-/0钢。
普通轧钢是在3+45637458加热后立即进行轧制，轧制终了温度在9458以上；而/1技术，为防止奥氏体晶粒过度粗大，加热温度为334563+558。
终止轧制温度一般在:
558以下。
+5世纪;5年代以前是低合金高强度钢的发展阶段，+5世纪<5年代起以微合金化和控轧控冷技术为基础，开发了微合金高强度钢。
这种钢是在低碳钢或低合金钢中加入微量的（!
5=+>）碳化物或氮化物形成元素，如?
@、A、,（等，这类元素可以细化钢的晶粒，提高钢的强度和获得较好的韧性。
但是，钢的良好性能不仅依靠添加微量合金元素，更主要的是通过控轧和控冷工艺的热变形导入的物理冶金因素的变化实现细化钢的晶粒。
在容易产生再结晶的高温!
区（再结晶区）进行轧制时可以细化!
晶粒；在难于产生再结晶的低温!
区（未再结晶区）进行轧制时可使!
晶粒内形变组织均匀性提高；在更低温度下的铁素体和奥氏体双相区进行轧制时可使相变后的铁素体晶粒进一步细化。
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晶粒的细化或均匀化都有利于形成更加细小的铁素体晶粒。
经/1处理后，如果加速冷却（即控轧控冷），则使铁素体加速形核，而生长速度得到抑制，从而使晶粒进一步细化。
另外，加速冷却还改变钢的最终组织———铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体
的低温韧性和降低钢的屈强比。
就提高韧性而言，主要适用于4?
（钢、
9?
（钢等低温用钢和含?
（较多的高强度高韧性钢。
第一次淬火与通常的淬火相同，是在!
"7温度以上淬火；第二次淬火则是从!
"7点以下的（!
B"）
两相区淬火，它可得到细化的合金成分富集的"D相组织，在回火过程中"D相生成逆转奥氏体，吸收钢中的碳、氮等有害元素，使铁素体净化，显著地提高钢的低温韧性。
就降低钢的屈强比而言，主要用于建筑行业使用的高强度钢，即通过在两相区温度区间进行热处理研制出了低屈强比的调质钢。
这类钢的?
（含量很低（E5=4>），其屈强比"5=<；而相近成分的调质钢屈强比F5=:
。
选择不同的两相区温度淬火后，可得到不同比例的混合组织，从而得到不同的屈强比。
总之，通过改变热处理方式、加热温度、保温时间和冷却条件等可以调整钢的组织类型和各种组织比例，进而改变钢的力学性能，以满足对强度、塑性、韧性及屈强比等多方面的要求。
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"&$微合金化技术［
+］
除了精炼净化、晶粒细化和调控组织外，微细析出物对改善钢的性能，特别是对满足大热输入焊接的要求具有重要的作用。
这些微细析出物包括,（?
、’*?
、G?
、,（+H7、稀土硫化物等。
它们的作用一是抑制形成粗大奥氏体，相变后形成细小的变态组织，避免魏氏组织的生成，,（?
和’*?
等具有这种作用；二是抑制晶界上"相形核，从而避免或减少魏氏组织或侧板条铁素体的生成，G的析出物具有这种作用，它易于向!
晶界偏析；三是在!
晶粒内部促使"相生核最终得到细小的组织，各种氮化物、氧化物或稀土硫化物等都具有这种作用。
虽然人们早已了解钢中的非金属夹杂物或析出物能促使!
#"相变时"相形核，但是直到很晚才认识到它对细化焊接热影响区组织所起的有效促进作用。
所不同的是，非金属夹杂物或析出物的概念不同，
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焊接专题综述!
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#$"焊接熔池净化
大量研究试验结果表明，焊缝中的氧含量越低其对韧性的改善韧性越高，特别是氧含量低于,-,56时，效果更明显。
焊条电弧焊和埋弧焊等熔渣保护的焊接方法，其焊缝中氧含量均偏高，多在,-,96以上。
气体保护焊时，保护气体的成分与焊缝含氧量有直接关系，强氧化性的CD5焊接时，焊缝含氧量达,-,.6；弱氧化性的富氩保护焊接时，加入5,6的CD5，焊缝含氧量为,-,96；加入.6的CD5，含氧量为,-,56。
纯氩气保护的0EF焊接时，焊缝金属含氧量可降低到,-,,26左只有超细颗粒（如+,-,.!
/）才能起到抑制!
晶粒长
大的作用。
相关报导有，前苏联采用0（1成功地抑制了超厚锅炉钢电渣焊接头热影响区!
晶粒的长大，后来才确认，0（1的形态和尺寸对!
晶粒尺寸有很大的影响，即!
晶粒直径和0（1尺寸成正比。
234.年日本学者发现，添加,-,567,-,86的稀土和,-,,567,-,,9.6的硼，可显著提高大热输入焊接时熔合区韧性。
添加微量钛和硼也可以促使大热输入焊接热影响区容易形成铁素体加珠光体组织。
研究表明，在大规范焊接的熔合区附近，冷却过程中具有促使"相形核特性的微细颗粒有稀土的超细氧化物颗粒、钛的微小氧化物颗粒（主要指凝固过程中形成的直径小于9!
/的氧化物），还有0（1以及复合析出的:
1、;<=等颗粒。
总之，这些复合或非复合存在的微细的析出物或夹杂物，可以细化大热输入焊接时（热输入量达2,,75,,>?
@）/）热影响区的组织，确保其具有高的韧性。
!
"焊接冶金方面的几点思考
随着钢铁工业科技的进步，如上所述的精炼净化、晶粒细化、组织调控和微合金化等带来的钢铁品种增加和性能优化，也给从事焊接工作的科技人员带来了不少启示。
首先是新技术改善了钢材的焊接性能，随着钢材碳当量的降低，钢材抗冷裂纹能力得到改善；硫、磷等杂质元素的净化，显著提高了钢材的抗热裂纹、抗再热裂纹和抗层状撕裂的能力，也改善了钢的抗腐蚀性能和抗蠕变脆化性能。
其次是提高了钢材的力学性能，特别是韧性，并且在高强度的情况下仍保持优良的韧性。
这给结构的安全性提供了更有力的保证，但在焊接结构中却进一步拉大了焊缝与母材之间的性能差距，对焊接材料的研发提出了更高的要求。
如何使焊缝更加纯净，如何使焊缝力学性能与母材相当或相近，如何使整个焊接接头满足结构的使用要求等，都是焊材研发的着眼点。
尽管已有的措施解决了一些问题，如低强度匹配，采用.3,;A#级的焊材焊接4B,;A#级的钢材；异质焊材
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