CN102925811B

CN102925811B - 一种易切削加钒高铝氮化钢及其制造方法

Info

Publication number: CN102925811B
Application number: CN201210451644.3A
Authority: CN
Inventors: 戈文英; 翟正龙; 李泰�; 王建军; 袁淑君
Original assignee: Laiwu Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Laiwu Iron and Steel Group Co Ltd
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2032-11-12
Also published as: CN102925811A

Abstract

本发明公开了一种易切削加钒高铝氮化钢及其制造方法，这种钢的组成按重量百分数为：0.26%～0.40%的C、0.15%～0.50%的Si、0.80%～1.50%的Mn、0.80%～1.50%的Cr、0.05%～0.25%的V、0.10%～0.30%的Al、不大于0.020%的P、0.015%～0.10%的S、不大于0.20%的Cu、不大于0.20%的Ni、不大于0.015%的Sn、不大于15×10－4%的O，余量为Fe和不可避免的杂质。制造方法包括冶炼及合金化、连铸浇注铸坯、热轧制工艺，其中，在电弧炉冶炼的过程中，控制终点[C]≥0.15%、[P]≤0.010%，在钢包内预脱氧合金化，出钢加入50%～60%的Al；LF精炼全程吹氩，保持白渣时间在15～20min；VD真空脱气处理；采用全程保护连铸浇注铸坯，热轧制成材。根据本发明的高铝氮化钢适用于渗氮热处理，渗氮后渗氮层深、表面硬度高，钢的切削性能良好。

Description

一种易切削加钒高铝氮化钢及其制造方法

技术领域

本发明属于合金结构钢技术领域，具体地讲，本发明涉及一种易切削加钒高铝氮化钢及其制造方法。

背景技术

氮化钢经过渗氮热处理后具有很高的表面硬度（HV950～1200，相当于HRC65～72）、耐磨性和疲劳强度，并且具有良好的耐热性和腐蚀性能；而且，氮化钢的高硬度可以维持到600℃左右。氮化钢在一些特殊工况显示了良好的性能，主要用于机械制造、航空工业及军工等领域。近年来对氮化钢的市场需求上升较快。

传统的氮化钢38CrMoAl是一种合金结构钢，而且是一种专用渗氮钢，该钢具有良好的淬透性，同时钢中由于含有Mo而抑制了高温回火脆性。然而，传统的氮化钢中的铝含量高，造成钢中夹杂物多，钢的表面质量差和渗氮热处理氮化层较脆。具体地讲，传统的氮化钢38CrMoAl钢中的Al含量为0.7%（重量）～1.0%（重量），Al作为氮化物元素，是增加表面硬度最有效的元素，对氮化处理来说，Al是廉价而有效的元素，但在一般冶炼条件下，过高的Al容易生成铝非金属夹杂物，钢材容易产生发纹缺陷。

因此，对于38CrMoAl钢而言，其中的Al其含量超出了常规的脱氧和细化晶粒范围；然而，由于Al非常活泼，易与氧反应形成Al₂O₃非金属夹杂物，在连铸时容易堵塞水口；同时，在冶炼生产过程中，渣中的氧化硅易于还原，钢中的铝易被氧化，造成硅、铝成分波动大，对钢种的成分和质量控制较为困难。传统的氮化钢38CrMoAl由于生产难度高，连续浇注炉数少，因此，很多钢厂仍采用模铸工艺生产，造成钢的质量和成本控制困难。

发明内容

为了解决传统的氮化钢38CrMoAl中Al含量高导致的工艺和质量控制难题，以及Al含量高给钢的洁净度造成的不利影响，同时，为了解决单一的Al作为氮化物元素对氮化层深度和性能影响的局限性，本发明提供了一种新型易切削加钒高铝氮化钢及其制造方法，以有效地解决传统氮化钢生产工艺、质量和使用方面的技术难题。

根据本发明的一方面，提供了一种易切削加钒高铝氮化钢的制造方法，所述制造方法包括下述步骤：采用电弧炉冶炼，配料为重量百分比大于或等于40%的铁水和重量百分比为40%～60%的废钢，控制终点[C]≥0.15%、[P]≤0.010%，残余元素含量符合设计要求，钢水的出钢温度为1630℃～1640℃，其中，在钢包内进行预脱氧合金化，出钢过程加入重量百分比为50%～60%的Al；然后，进行LF炉外精炼，精炼过程全程吹氩，保持白渣时间在15～20min；精炼后进行真空处理，真空度小于67Pa，保持时间在20～25min，真空处理后软吹氩时间大于12分钟；采用连铸全程保护浇注，连铸中采用电磁搅拌；对连铸坯进行缓冷后轧制，控制加热炉均热温度为1180℃～1250℃，加热时间为2.5～3小时，开轧温度为1080℃～1120℃，终轧温度为850℃～980℃。

根据本发明的一方面，在精炼末期，对钢水进行钙处理，喂入适量的钙铁线，控制钢中的钙铝比大于0.08。

根据本发明的一方面，在喂入适量的钙铁线的步骤可以包括：通过控制喂线速度，使钙铁线穿透渣层并达到一定深度，以增加钢水对钙的吸收，减少炉渣对钙的损失。

根据本发明的一方面，可以控制喂线速度为4.5～5.5m/s。

根据本发明的一方面，在连铸过程中，可以控制中间包的钢水温度为1520℃～1530℃，拉速可以控制在0.50～0.65mm/min。

根据本发明的一方面，在连铸过程中，可以采用低硅连铸保护渣，中间包覆盖剂与碳化稻壳配合使用；大包开浇时，及时向注流区加入适量钙铁粉；生产操作要严格保证水口对中，保证水口不发生偏斜。

根据本发明的另一方面，提供了一种易切削加钒高铝氮化钢，所述易切削加钒高铝氮化钢的组成按重量百分比计为：0.26%～0.40%的C、0.15%～0.50%的Si、0.80%～1.50%的Mn、0.80%～1.50%的Cr、0.05%～0.25%的V、0.10%～0.30%的Al、不大于0.020%的P、0.015%～0.10%的S、不大于0.20%的Cu、不大于0.20%的Ni、不大于0.015%的Sn、不大于15×10^－4%的O，余量为Fe和不可避免的杂质。

根据本发明的另一方面，所述易切削加钒高铝氮化钢的组成按重量百分比计可以为：0.32%～0.36%的C、0.20%～0.40%的Si、1.10%～1.40%的Mn、1.10%～1.40%的Cr、0.08%～0.15%的V、0.10%～0.20%的Al、不大于0.010%的P、0.030%～0.060%的S、不大于0.10%的Cu、不大于0.10%的Ni、不大于0.015%的Sn、不大于10×10^－4%的O，余量为Fe和不可避免的杂质。

因此，根据本发明的氮化钢通过加钒降铝，钢具有良好的淬透性和较好的综合力学性能，钢的氮化层表面硬度大于HV1000。

因此，根据本发明的高铝氮化钢适用于渗氮热处理，渗氮后渗氮层深、表面硬度高，钢的切削性能良好。

附图说明

图1示出了采用本发明的实施例的高铝氮化钢的刀具的磨损曲线。

图2示出了根据本发明的实施例的氮化钢的切削试样车屑。

具体实施方式

本发明为适应氮化钢技术发展以及连铸工艺生产的需要，提供了一种新型高铝氮化钢，通过成分设计低硫（S:0.015～0.10%）易切削、加钒（V:0.05～0.25%）降铝（Al:0.10～0.30%），以及优化冶炼、连铸参数控制，解决了传统氮化钢38CrMoAl由于Al含量高（0.70%～1.10%）导致的钢质纯净度控制困难、冶炼化学成分波动大以及连铸工艺技术的一系列技术难题。在此需要指出的是，在本发明中如无特别说明，各物质的量均为重量百分数。

本发明提供了一种易切削加钒高铝氮化钢，其组成按重量百分比计为：0.26%～0.40%的C、0.15%～0.50%的Si、0.80%～1.50%的Mn、0.80%～1.50%的Cr、0.05%～0.25%的V、0.10%～0.30%的Al、不大于0.020%的P、0.015%～0.10%的S、不大于0.20%的Cu、不大于0.20%的Ni、不大于0.015%的Sn、不大于15×10^－4%的O，余量为Fe和不可避免的杂质。

下面将说明根据本发明的易切削加钒高铝氮化钢的组成限定在上述范围内的原因。

要提高零件的耐磨性、疲劳强度等特性，表面硬化处理是有效的处理方法，作为变形量小、耐磨损、抗擦伤、耐腐蚀特性的氮化处理是广泛采用的方法之一。要充分发挥氮化处理的特性，设计选用合适的材料是更重要的。根据本发明的氮化钢的成分是以C、Mn、Cr、Al、V为主要元素；Al是增加表面硬度最有效的元素，但是，因Al与氮的亲和力很强，氮被滞留在表面而向内扩散、固溶量很少，影响氮化层深度，同时，从保证钢的纯净度（降低铝系夹杂物）考虑，过高的铝含量会影响钢的内部质量，因此，在本发明中将Al在氮化钢中的含量控制为0.10～0.30%。

此外，在本发明中，通过添加少量的V对提高表面硬度和硬化层深有显著效果，Al-V复合加入不仅增加硬化层深，而且还提高表面硬度，因此，在根据本发明的氮化钢中，将V的含量控制为0.05%～0.25%。另外，Cr对提高表面硬度和硬化层深两方面都有效果，同时，为了保证钢的整体淬透性，Cr、Mn复合加入，因此，在根据本发明的氮化钢中，将Cr的含量控制为0.80%～1.50%，并且将Mn的含量控制为0.80%～1.50%。C对心部硬度、疲劳强度、冲击值有很大影响，考虑到韧性、切削性，因此，在根据本发明的氮化钢中，将C的含量控制为0.26%～0.40%；为了保证钢的切削性能，将S的含量控制为0.015%～0.10%。另外，为了提高钢的纯净度和疲劳寿命，本发明还对氧提出了控制要求：[O]≤15×10^－4%。

在上述优化设计基础上，为保证钢的性能稳定一致，优选的，根据本发明的易切削加钒高铝氮化钢的组成按重量百分比计可以为：0.32%～0.36%的C、0.20%～0.40%的Si、1.10%～1.40%的Mn、1.10%～1.40%的Cr、0.08%～0.15%的V、0.10%～0.20%的Al、不大于0.010%的P、0.030%～0.060%的S、不大于0.10%的Cu、不大于0.10%的Ni、不大于0.015%的Sn、不大于10×10^－4%的O，余量为Fe和不可避免的杂质。

下面将详细地描述根据本发明的易切削加钒高铝氮化钢的制造方法。

本发明提供了一种采用电炉连铸工艺生产新型易切削加钒高铝氮化钢的制造方法，该制造方法包括冶炼、连铸和轧制步骤，具体地讲，包括以下步骤：采用电弧炉冶炼，配料为铁水（≥40%）和废钢（40～60%），然后进行LF炉外精炼、VD真空脱气处理；连铸浇注铸坯；最后，进行轧制工艺，从而生产出根据本发明的氮化钢钢材。

在根据本发明的易切削加钒高铝氮化钢的制造方法中，在冶炼步骤中，采用电弧炉冶炼，配料为铁水（≥40%）和废钢（40～60%），保持一定比例的铁水，可以将钢水中残余元素的含量降低到较低水平，同时降低冶炼电耗和成本。电炉冶炼过程造好泡沫渣，脱碳量≥0.30%，加强脱P、脱气操作；在电弧炉冶炼过程中，控制终点[C]≥0.15%、[P]≤0.010%，残余元素含量符合设计要求，控制钢水的出钢温度为1630℃～1640℃；为防止Si超过控制要求，电炉出钢过程严禁下渣；钢包进行预脱氧合金化，在出钢过程中加入50%～60%的Al。

根据本发明，在冶炼步骤中，LF炉外精炼造高碱度、低二氧化硅含量的精炼渣；精炼过程全程吹氩，保持白渣时间在15～20min；精炼末期，对钢水进行钙处理，喂入适量钙铁线，控制钢中钙铝比大于0.08，使钢中高熔点的Al₂O₃夹杂物与CaO形成低熔点低密度的12CaO·7Al_2O3,保证钢水的可浇性，从而消除水口蓄流。另外，将钙加入钢液时，由于钙的蒸气压小，为提高钙的收得率，稳定钙处理效果，必须将钙铁线喂得深，措施就是增加喂线速度，使钙铁线穿透渣层并达到一定深度，增加钢水对钙的吸收，减少炉渣对钙的损失，控制钙铁线喂入速度4.5～5.5m/s效果最理想；因为钢中S含量高，会消耗一部分钙进行脱硫，因此要适当增加喂线量，以达到较好的处理效果。

根据本发明，在冶炼步骤中，精炼后真空处理，真空度小于67Pa，使该真空度的保持时间20～25min，VD后软吹氩时间大于12分钟。将氧含量控制为不大于15×10^-4%，优选地，不大于10×10^-4%。

在根据本发明的易切削加钒高铝氮化钢的制造方法中，在连铸步骤中，采用连铸全程保护浇注，连铸中采用电磁搅拌。中间包钢水温度控制在1520～1530℃，拉速在0.50～0.65mm/min；采用低硅连铸保护渣，中间包覆盖剂与碳化稻壳配合使用；大包开浇时，及时向注流区加入适量钙铁粉；生产操作要严格保证水口对中，保证水口不发生偏斜。

在根据本发明的易切削加钒高铝氮化钢的制造方法中，在轧制步骤中，对连铸坯进行缓冷后轧制，控制加热炉均热温度为1180℃～1250℃，加热时间2.5～3小时，开轧温度为1080℃～1120℃，终轧温度为850℃～980℃。

以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于此。

实施例1至实施例3

制造易切削加钒高铝氮化钢，采用UHP超过功率电炉、LF炉外精炼、VD真空脱气处理工艺冶炼，连铸浇注铸坯、轧制成材工艺生产钢材。实施例是以Φ80mm规格钢材的生产工艺来具体说明本发明的各实施例是如何实施的。

生产工艺如下：

（1）冶炼：采用电弧炉冶炼，铁水加入量为60～65%，余量为废钢。在电弧炉冶炼过程中，控制终点[C]≥0.15%、[P]≤0.010%，残余元素含量符合设计要求，钢水的出钢温度1630℃～1640℃；在钢包内进行预脱氧合金化，在出钢过程中加入55wt%～60wt%的Al。然后，进行LF炉外精炼，白渣保持时间18分钟。精炼后进行VD真空处理，真空度小于67Pa，保持时间20～22分钟，VD真空处理后软吹氩时间为15～17分钟，将氧含量控制为8～10×10^－4%。

（2）浇注：采用连铸全程保护浇注，连铸中采用电磁搅拌。中间包钢水温度稳定控制在1520℃～1525℃，拉速在0.55±0.02mm/min，铸坯质量良好。

（3）轧制：对连铸坯进行缓冷后轧制，控制加热炉均热温度为1180℃～1220℃，加热时间为2.5～3小时，开轧温度为1080℃～1100℃，终轧温度为850℃～950℃。

在轧制完成后，采用如下热处理工艺：900±5℃正火，870℃±5℃淬火/水，钢的末端淬透性如表5所示。

实施例1至实施例3的冶炼工艺条件和连铸、轧制工艺条件分别见下面的表1至表3所示。对实施例1至实施例3的氮化钢进行测试，经实验测定有关成分、性能数据列于表4和表5中，测试方法采用国际通用方法。

表1实施例1至实施例3的冶炼工艺条件

表2实施例1至实施例3的连铸、轧钢工艺条件

表3实施例1至实施例3的氮化钢的化学成分（重量，%）

表4实施例1至实施例3的氮化钢的物理性能

图1为采用根据本发明的实施例1的氮化钢的刀具的磨损曲线。由图1可以看出，采用实施例1的氮化钢的刀具的磨损曲线形态比较规则，属于标准型磨损曲线，刀具磨损比较均匀。图2为根据本发明的实施例1的氮化钢的切削试样车屑。由图2可以看出，切削过程平稳，切屑主要呈C形并伴有少量螺旋屑，排除顺畅。经实验发现，在高切削速度（180m/min）、大进给（0.15mm/f）、大背吃刀量（1.5mm）的切削条件下，根据本发明的氮化钢的加工表面粗糙度为1.5μm，加工表面粗糙度良好。

因此，本发明的技术创新点之一在于：设计了一种新型氮化钢，其主要成分包含C、Mn、Cr、Al、V主要元素，特别是Al调整到0.10%～0.30%水平，加入0.05%～0.25%水平的V。该钢成分设计保证了氮化层组织、深度以及表面硬度；同时，Al含量降低，改善了钢的内部质量（降低铝系夹杂物），降低了连铸工艺技术难度。

本发明的技术创新点之二在于：通过冶炼工艺设计，解决了钢水成分波动不易控制，改善了钢水可浇性，解决了Al在0.10～0.30％水平下的浇注技术难题；通过合理的生产工艺，提高了钢的纯净度。

本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的实施例进行各种变型和修改。

Claims

1.一种易切削加钒高铝氮化钢的制造方法，其特征在于所述制造方法包括下述步骤：

冶炼：采用电弧炉冶炼，配料为重量百分比大于或等于40％的铁水和重量百分比为40％～60％的废钢，控制终点[C]≥0.15％、[P]≤0.010％，残余元素含量符合设计要求，钢水的出钢温度为1630℃～1640℃，其中，在钢包内进行预脱氧合金化，出钢过程加入重量百分比为50％～60％的Al；然后，进行LF炉外精炼，精炼过程全程吹氩，保持白渣时间在15～20min；精炼后进行真空处理，真空度小于67Pa，保持时间在20～25min，真空处理后软吹氩时间大于12分钟；

浇注：采用连铸全程保护浇注，连铸中采用电磁搅拌；

轧制：对连铸坯进行缓冷后轧制，控制加热炉均热温度为1180℃～1250℃，加热时间为2.5～3小时，开轧温度为1080℃～1120℃，终轧温度为850℃～980℃，

其中，所述易切削加钒高铝氮化钢的组成按重量百分比计为：0.32％～0.36％的C、0.20％～0.40％的Si、1.10％～1.40％的Mn、1.10％～1.40％的Cr、0.08％～0.15％的V、0.10％～0.20％的Al、不大于0.010％的P、0.030％～0.060％的S、不大于0.10％的Cu、不大于0.10％的Ni、不大于0.015％的Sn、不大于10×10^-4％的O，余量为Fe和不可避免的杂质，

其中，在精炼末期，对钢水进行钙处理，喂入适量的钙铁线，控制钢中的钙铝比大于0.08，其中，喂入适量的钙铁线的步骤包括：通过控制喂线速度，使钙铁线穿透渣层并达到一定深度，以增加钢水对钙的吸收，减少炉渣对钙的损失。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于控制喂线速度为4.5～5.5m/s。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于在连铸过程中，控制中间包的钢水温度为1520℃～1530℃，拉速控制在0.50～0.65mm/min。

4.根据权利要求1或3所述的制造方法，其特征在于在连铸过程中，采用低硅连铸保护渣，中间包覆盖剂与碳化稻壳配合使用；大包开浇时，及时向注流区加入适量钙铁粉；生产操作要严格保证水口对中，保证水口不发生偏斜。