CN102851564A - 一种高强塑积合金钢的真空熔炼方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强塑积合金钢的真空熔炼方法。该方法包括以下操作步骤：1、选择原材料及布料；2、抽真空、预热；3、充氩与熔化；4、精炼；5、合金料添加；6、静置；7、调温与浇注。通过对上述过程关键工艺参数的科学控制，保证最终材料内部冶金质量（化学成分及冶金缺陷）达到高标准。

Description

一种高强塑积合金钢的真空熔炼方法
技术领域
本发明涉及合金钢的冶金加工领域，属于一种高强塑积合金钢的真空熔炼方法。 
背景技术
随着能源和环境问题的日益突出，轻量化已成现代汽车的发展趋势，由此对汽车用钢的强韧性水平有了更高的要求。此外，为了提高汽车的被动安全性能，要求汽车用钢有尽可能高的吸能本领，即具有高强塑积。为实现这一目的，近年来世界主要汽车钢生产企业及研究部门开展了集中攻关研究，开发出一系列兼有高强度和高塑性的汽车车身用钢，如双相(DP)钢、相变诱发塑性(TRIP)钢以及孪晶诱导塑性(TWIP)钢，其中以TWIP钢综合性能最佳。该合金主要化学成分为：C0.02-0.03%，Mn:25-30%，Al3%，Si3%，其余为Fe。其主要性能特点为：断后伸长率一般80%，抗拉强度一般580MPa，强塑积达45000MPa％以上，是高强韧性TRIP钢的2倍。此外，TWIP钢还具有很高的吸能本领，室温下吸能本领可达0.5J/mm3，是传统深冲钢的2倍以上。除了在汽车领域有重要的应用以外，TWIP钢在桥梁、建筑、低温容器等其它有高强韧性要求的结构中也有广泛的应用前景。 
关于TWIP钢高塑性产生的机制目前已有较一致的认识，有关合金成分、组织与性能特点等方面也有一些研究报道。但是，有关TWIP钢熔炼、锻造和轧制等重要热加工工艺的研究尚未见有报道，这些过程不仅是决定材料化学成分、晶体组织与力学性能的关键过程，还是实际材料和产品生产必不可少的工艺过程。对这些过程中材料成分和组织演化规律及其机制进行研究，获得优化的工艺参数，从而为实际生产提供设计依据，是TWIP钢走向应用亟待解决的问题。 
对于熔炼过程而言，由于TWIP钢含有高比例的Mn、Al和Si，这些元素在熔炼过程中彼此之间以及与熔炼环境（气氛和炉衬）之间将产生复杂的物理化学反应，有很强的非金属夹杂物形成倾向，同时熔炼过程中Mn还极易挥发，使熔体纯净度提高及合金成分精确控制非常困难。此外，Al和Si因与Fe有较大的密度差，在凝固过程中很容易发生宏观偏析，导致材料组织和性能均匀性、一致性较差。为防止或减少上述缺陷的产生和残留，须严格控制熔炼气氛、熔炼温度、精炼及静置时间、浇注温度及速度等参数。 
高强塑积合金钢是一种含有高浓度易挥发和易偏析合金元素的铁基材料，熔炼过程中合金成分、非金属夹杂物数量及分布精确控制非常困难。 
由于熔炼过程关乎TWIP钢组织和性能的基本工艺过程，优化并掌握其工艺技术，对于实现该材料及产品的高性能及可靠应用来说无疑是极其重要的。由于该材料成分的特殊性，熔炼加工工艺要求高、难度大，目前尚无成熟的技术可以借鉴。近年来，我们结合国家重大科研任务的要求，对TWIP钢相关熔炼工艺进行了探索和优化，获得了可靠的工业化生产技术。 
发明内容
本发明提供了一种高强塑积合金钢的真空熔炼方法，通过对布料、真空度、惰性气氛、熔化、精炼、除渣与浇注等过程的控制，使合金元素在材料中得到均匀固溶，材料内部冶金质量（化学成分及冶金缺陷）达到设计要求。 
本发明采用的技术方案如下： 
一种高强塑积合金钢的真空感应熔炼方法，包括以下操作步骤： 
1、选择原材料及布料 
原材料均为工业纯料，分别为纯铁、纯锰、纯铝、纯硅，布料时，先将电解锰片置于坩埚底部，然后将纯铁棒料竖直置于电解锰片之上，结晶硅和纯铝置于料仓； 
2、抽真空、预热 
关闭真空室，抽真空至10Pa以下时，以80-100kW的功率送电加热，继续抽气，使真空度应保持在10Pa以下，该过程持续20-30 min； 
3、充氩与熔化 
抽气结束后，向真空室内充入氩气使之压力达到-0.04-0.005MPa，同时将电源功率加大至300-340kW，使炉料快速熔化，熔化时间40-50min； 
4、精炼 
炉料熔清后，将电源功率减小至80-100kW，静置10-15min进行精炼； 
5、合金料添加 
精炼结束后，将电源功率增至200-240kW，加入料仓内的合金材料，熔炼8-10min； 
6、静置 
合金料全部熔清后，将电源功率降至60-80kW，静置15-20min； 
7、调温与浇注 
将电源功率升至100-120kW，使钢水温度升高至结膜破裂，然后开始浇注，浇注时间控制在5-7min之内； 
8、钢锭精整 
将带有锥度的圆柱形钢锭进行切割和表面车削加工。切割面分别位于冒口根部以下40mm处以及钢锭底部向上20mm处，表面车削加工量为15mm； 
9、取样化验 
用钻床分别从钢锭两个切割面上钻取钻屑，混合后进行化学成分分析。 
附图说明
图1为本发明炉号V2011-112化学成分分析结果。 
图2为本发明炉号V2011-113化学成分分析结果。 
图3为本发明炉号V2011-114化学成分分析结果。 
图4为本发明炉号V2011-112-114钢锭轧制线材无损探伤检测结果。 
图5为本发明钢锭（V2011-112）不同位置取样的拉伸力学性能。 
具体实施方式
一种高强塑积合金钢的真空熔炼方法，具体实施举例如下： 
1、选择原材料及布料 
原材料均为工业纯料，分别为纯铁、纯锰、纯铝、纯硅，布料时，先将电解锰片置于坩埚底部，然后将纯铁棒料竖直置于电解锰片之上，结晶硅和纯铝置于料仓； 
2、抽真空、预热 
关闭真空室，抽真空至10Pa，以100kW的功率送电加热，继续抽气，使真空度应保持在10Pa以下，该过程持续18min； 
3、充氩与熔化 
抽气结束后，向真空室内充入氩气使之压力达到-0.04MPa，同时将电源功率加大至320kW，45min后炉料全部熔化； 
4、精炼 
炉料熔清后，将电源功率减小至100kW，静置15 min进行精炼； 
5、合金料添加 
精炼结束后，将电源功率增至240kW，加入料仓内的合金材料，熔炼10min； 
6、静置 
合金料全部熔清后，将电源功率降至60kW，静置15min； 
7、调温与浇注 
将电源功率升至100-120kW，使钢水温度升高至结膜破裂，然后开始浇注，浇注时间7min； 
8、钢锭精整 
将重约165kg的圆柱形钢锭进行切割和表面车削加工。上切割面距冒口根部41mm，下切割面距钢锭底面20mm，表面车削量为15mm； 
9、取样化验 
用钻床分别从钢锭两个切割面上钻取钻屑，混合后进行化学成分分析。图1、图2、图3所示为三炉钢锭（炉号V2011-112-114）主要成分化验结果。可以看出，所炼合金成分一致性很好，证明材料成分控制精度很高，本发明技术可靠、成熟。 
10、无损探伤试验 
图4所示为上述三炉钢锭轧制成线材后的超声波探伤检测结果。可以看出，含可识别缺陷材料只占总量的1%左右，说明材料内部冶金质量很高。 
11. 力学性能试验 
图5所示为钢锭V2011-112不同位置取样测试的拉伸力学性能。可以看出，其均匀性、一致性是非常好的，其中编号由小到大表示取样位置从钢锭顶部至底部的顺序。 

Claims (1)

1.一种高强塑积合金钢的真空熔炼方法，其特征在于：包括有以下操作步骤：
1.1选择原材料及布料
原材料均为工业纯料，分别为纯铁、纯锰、纯铝、纯硅；布料时，先将电解锰片置于坩埚底部，然后将纯铁棒料竖直置于电解锰片之上，结晶硅和纯铝置于料仓；
1.2抽真空、预热
关闭真空室，抽真空至10Pa以下时，以80-100kW的功率送电加热，继续抽气，使真空度应保持在10Pa以下，该过程持续20-30min；
1.3充氩与熔化
抽气结束后，向真空室内充入高纯氩气（99.999%）使之压力达到-0.04-0.005MPa，同时将电源功率加大至300-340kW，使炉料快速熔化，熔化时间40-50min；
1.4精炼
炉料熔清后，将电源功率减小至80-100kW，静置10-15min进行精炼；
1.5合金料添加
精炼结束后，将电源功率增至200-240kW，加入料仓内的合金材料，熔炼8-10min；
1.6静置
合金料全部熔清后，将电源功率降至60-80kW，静置15-20min；
1.7调温与浇注
将电源功率升至100-120kW，使钢水温度升高至结膜破裂，然后开始浇注，浇注时间控制在5-7min之内；
1.8钢锭精整
将带有锥度的圆柱形钢锭进行切割和表面车削加工；切割面分别位于冒口根部以下40mm处以及钢锭底部向上20mm处，表面车削加工量为15mm；
1.9取样化验
用钻床分别从钢锭两个切割面上钻取钻屑，混合后进行化学成分分析。
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