CN107058854A - 一种Nb、V、Ti微合金化高锰高铝钢的真空熔炼方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种Nb、V、Ti微合金化高锰高铝钢的真空熔炼方法，属于铸造领域。本发明所述高锰高铝钢的化学成分质量百分比为：C：0.8％~1.0％、Mn：28％~30％、Al：8.0％~10％、Nb：0.02~0.10%、V：0.02~0.10%、Ti：0.02~0.10%、P<0.003％、S<0.003％，余量为Fe及不可避免杂质。本发明所述方法克服了现有技术中的熔炼工艺过程中其铝含量易烧损而不好控制问题，也克服了锰、钛元素容易挥发的问题，从而能够精确控制熔炼过程中加入的锰、铝、钛的含量，保证熔炼出来的Nb、V、Ti微合金化高锰高铝钢中锰、铝、钛的含量符合要求，又能够使得熔炼出来的钢水中的合金元素分布均匀，保证了钢水的质量，进而保证了铸件的质量，提高了铸造效率。
Description
技术领域
本发明属于铸造领域，特别涉及一种Nb、V、Ti微合金化高锰高铝钢的真空熔炼方法。
背景技术
随着资源、能源和环境问题日益严峻，提高汽车的燃油经济性、节能减排逐渐成为汽车行业发展的焦点性问题。近些年来，世界各国汽车及钢铁企业投入了大量资金，纷纷研制开发汽车用新型高强度钢或超高强度钢板，其中包括马氏体钢、CP钢、DP钢、TRIP钢等，通过降低钢板厚度来降低汽车重量。此外，自2009年以来，国内外也在大力开发中锰钢为代表的第三代汽车用钢，其强塑积可达30GPa·%。这些钢具有优良的综合力学性能，具有一定的减重潜力。
钢中铌、钒、钛的微合金化技术起源于20世纪60年代,因加入微量铌、钒、钛后可以显著改善钢的性能,并具有巨大的经济优势,目前在世界范围内得到了广泛的应用。经过冶金工作者40多年的生产研究,微合金化技术在合金设计原理、生产工艺、具体应用领域等方面,得到了巨大的发展和完善,大大推动了钢铁工业的技术进步,可以说,微合金化技术是20世纪钢铁工业领域最突出的物理冶金成就之一。目前在冷轧和热轧薄板、IF钢、棒、线材、钢筋以及中厚板生产中均成功运用了微合金化技术,与控轧工艺相结合,使钢材的综合性能得到了显著改善,无论是强度、韧性、韧脆转变温度,还是钢的工艺成型性、焊接性能、耐腐蚀性能以及抗致裂性等都有显著的改善,钢的屈服强度达到了1000MPa以上, FATT达到了-100℃ ,产品广泛应用于油气管线、车辆、建筑 结构、采油平台、压力容器、船舶壳体等众多领域。
目前Nb、V、Ti微合金化高锰高铝钢熔炼工艺主要还是一些传统冶炼工艺，其制备步骤如下：根据钢中个元素的比例，按照质量百分比，计算好各成分的重量，由于考虑到锰、钛等易挥发性元素以及铝等易烧损元素，所以需把目标成分中元素含量适当提高，准备好纯铁、电解锰、铝块、铌铁、钒铁、纯钛以及石墨碳；将准备好的纯铁、电解锰、铝块、铌铁、钒铁、纯钛以及石墨碳一起放入坩埚中，随后给电流，加热，让其缓慢升温到1650℃，大概一个半小时之后，等钢水液面平稳开始进行浇注；
采用现有技术中的熔炼工艺得到的高锰高铝钢，其锰、铝以及微合金元素的含量难以控制，且分布不均匀，强度，硬度偏低，塑性、韧性下降，最终影响材料的综合力学性能，即强塑积减小，从而不符合铸件对奥氏体高锰高铝钢的要求，阻碍铸造流程，影响铸造效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Nb、V、Ti微合金化高锰高铝钢的真空熔炼方法，以克服现有技术中的其铝含量易烧损而不好控制问题，也克服了锰、钛元素容易挥发的问题，从而能够精确控制熔炼过程中加入的锰、铝、钛的含量，保证熔炼出来的Nb、V、Ti微合金化高锰高铝钢中锰、铝、钛的含量符合要求，又能够使得熔炼出来的钢水中的合金元素分布均匀，保证了钢水的质量，进而保证了铸件的质量，提高了铸造效率。
为实现上述目的采用如下技术方案：
（1）根据高锰高铝奥氏体钢中各元素的比例，将纯铁、铌铁、钒铁、石墨碳放入坩埚中，将坩埚放入真空炉中，然后将真空炉里面的压强抽到20Pa以下，打开电源，以10~30KW的功率给炉子缓慢加热，10~30min后将功率增大到50KW，此时，真空炉迅速升温至1600~1700℃，1~2小时之后，坩埚里面的炉料全部熔化成钢水，然后将功率降到10~30KW；
（2）0.5~1h之后，关闭电源，往真空炉里充入氩气，直到真空炉中的压强为0.08~0.12MPa时，停止充入氩气，然后打开电源开关，以30KW的功率给电，将加料室里面的电解锰和石墨碳加入钢水中，5~15min之后，再往里面加入铝块，最后加入纯钛，0.5~1h之后，钢水液面平稳时，去空，进行浇注；
所述高锰高铝钢的化学成分质量百分比为：C：0.8％~1.0％、Mn：28％~30％、Al：8.0％~10％、Nb：0.02~0.10%、V：0.02~0.10%、Ti：0.02~0.10%、P<0.003％、S<0.003％，余量为Fe及不可避免杂质。
本发明步骤（1）中所述坩埚为镁砂（MgO）坩埚，电解锰的纯度≥99.99%，铝块的纯度≥99.7%，铌铁的纯度≥51.55%，钒铁的纯度≥66.8%。
本发明的有益效果：
（1）能够精确控制熔炼过程中加入的锰、铝、钛的含量，保证熔炼出来的Nb、V、Ti微合金化高锰高铝钢中锰、铝、钛的含量以及微量元素符合要求。
（2）能够使得熔炼出来的钢水中的合金元素分布均匀，保证了钢水的质量，进而保证了铸件的质量，提高了铸造效率。
（3）具有优良的综合力学性能（高强度、高塑性），本发明热加工处理后具有强度与塑性的良好结合，具有很好的碰撞吸收性能。
（4）本发明所述的高铝高塑性钢符合第三代先进高强钢的要求，是目前汽车行业所需求的新型材料，制备的材料除了可以用于汽车制造业，还可以广泛应用于石油管道、铁路交通、工程机械、航空母舰等行业。
附图说明
图1为实施例1中得到的高锰高铝钢铸锭中Fe、Mn、Al、C元素的面扫描图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本发明实施例所述高锰高铝钢的真空熔炼方法，具体步骤如下：
（1）根据高锰高铝奥氏体钢中各元素的比例，按照质量百分比：C：0.9％、Mn：29％、Al：9％、Nb：0.04%、V：0.09%、Ti：0.06%、P<0.003％、S<0.003％，余量为Fe及不可避免杂质，计算好各成分的重量，根据各合金元素与铁元素的密度差异，最终计算得到21公斤的坩埚只能熔炼18公斤的合金钢，最终计算得，锅碳：9g(脱氧剂)、斗碳:156.5g、电解锰：5255g、铝块：1620g、铌铁：13.5g、钒铁：28g、纯钛：11g、纯铁：10905g。
（2）将所述秤好的纯铁、铌铁、钒铁、石墨碳（脱氧剂）一起放入坩埚中，电解锰、铝块、纯钛、石墨碳（成分碳）放在加料室里面，等待熔炼。
（3）抽真空，将真空炉里面的压强抽到20Pa以下（相对真空），打开电源，以30KW的功率给炉子缓慢加热，10分钟之后，将功率增大到50KW，此时，真空炉迅速升温，1小时之后，坩埚里面炉料全部熔化成钢水，此时，将功率降到30KW。
（4）半小时之后，当钢水液面比较平稳时，关掉电源，往里面充入氩气，直到真空表的指针指到0.08MPa时，停止充入氩气，此时，打开电源开关，以30KW的功率给电，将加料室里面的电解锰和成分碳加入钢水中，5分钟之后，再往里面加入铝块，最后加入纯钛。
（5）半小时之后，等钢水液面再次平稳时，去空，最后进行浇注，得到高锰高铝钢。
在本发明实施例1提供的新型熔炼工艺中，坩埚为镁砂（MgO）坩埚，电解锰的纯度为99.99%，铝块的纯度为99.7%，铌铁的纯度为51.55%，钒铁的纯度为66.8%。
在本发明实施例1提供的新型熔炼工艺中，炉子为真空感应熔炼炉，其熔炼温度为1650℃，最终得到的高锰高铝钢使用化学分析方法测得的化学成分如表1所示。
该真空熔炼方法克服了现有技术中的其铝含量易烧损而不好控制问题，也克服了锰、钛元素容易挥发的问题，从而能够精确控制熔炼过程中加入的锰、铝、钛的含量，保证熔炼出来的Nb、V、Ti微合金化高锰高铝钢中锰、铝、钛的含量符合要求，又能够使得熔炼出来的钢水中的合金元素分布均匀，保证了钢水的质量，进而保证了铸件的质量，提高了铸造效率。
实施例2
本发明实施例所述高锰高铝钢的真空熔炼方法，具体步骤如下：
（1）根据高锰高铝奥氏体钢中各元素的比例，按照质量百分比：C：0.85％、Mn：29.5％、Al：9.5％、Nb：0.06%、V：0.08%、Ti：0.04%、P<0.003％、S<0.003％，余量为Fe及不可避免杂质，计算好各成分的重量，根据各合金元素与铁元素的密度差异，最终计算得到21公斤的坩埚只能熔炼18公斤的合金钢，最终计算得，锅碳：9g(脱氧剂)、斗碳:147.8g、电解锰：5315g、铝块：1710g、铌铁：20.5g、钒铁：25g、纯钛：16.5g、纯铁：10754g。
（2）将所述秤好的纯铁、铌铁、钒铁、石墨碳（脱氧剂）一起放入坩埚中，电解锰、铝块、纯钛、石墨碳（成分碳）放在加料室里面，等待熔炼。
（3）抽真空，将真空炉里面的压强抽到20Pa以下（相对真空），打开电源，以20KW的功率给炉子缓慢加热，20分钟之后，将功率增大到50KW，此时，真空炉迅速升温，1.5小时之后，坩埚里面炉料全部熔化成钢水，此时，将功率降到20KW；
（4）半小时之后，当钢水液面比较平稳时，关掉电源，往里面充入氩气，直到真空表的指针指到0.1MPa时，停止充入氩气，此时，打开电源开关，以20KW的功率给电，将加料室里面的电解锰和成分碳加入钢水中，10分钟之后，再往里面加入铝块，最后加入纯钛。
（5）40分钟之后，等钢水液面再次平稳时，去空，最后进行浇注，得到高锰高铝钢。
在本发明实施例1提供的新型熔炼工艺中，坩埚为镁砂（MgO）坩埚，电解锰的纯度为99.99%，铝块的纯度为99.7%，铌铁的纯度为51.55%，钒铁的纯度为66.8%。
在本发明实施例2提供的新型熔炼工艺中，炉子为真空感应熔炼炉，其熔炼温度为1620℃，最终得到的高锰高铝钢使用化学分析方法测得的化学成分如表1所示。
实施例3
本发明实施例所述高锰高铝钢的真空熔炼方法，具体步骤如下：
（1）根据高锰高铝奥氏体钢中各元素的比例，按照质量百分比：C：0.82％、Mn：28.5％、Al：8.5％、Nb：0.05%、V：0.05%、Ti：0.02%、P<0.003％、S<0.003％，余量为Fe及不可避免杂质，计算好各成分的重量，根据各合金元素与铁元素的密度差异，最终计算得到21公斤的坩埚只能熔炼18公斤的合金钢，最终计算得，锅碳：9g(脱氧剂)、斗碳:142.5g、电解锰：5165g、铝块：1530g、铌铁：16.5g、钒铁：15.5g、纯钛：4g、纯铁：11115g。
（2）将所述秤好的纯铁、铌铁、钒铁、石墨碳（脱氧剂）一起放入坩埚中，电解锰、铝块、纯钛、石墨碳（成分碳）放在加料室里面，等待熔炼。
（3）抽真空，将真空炉里面的压强抽到20Pa以下（相对真空），打开电源，以10KW的功率给炉子缓慢加热，30分钟之后，将功率增大到50KW，此时，真空炉迅速升温，2小时之后，坩埚里面炉料全部熔化成钢水，此时，将功率降到20KW。
（4）20分钟之后，当钢水液面比较平稳时，关掉电源，往里面充入氩气，直到真空表的指针指到0.12MPa时，停止充入氩气，此时，打开电源开关，以10KW的功率给电，将加料室里面的电解锰和成分碳加入钢水中，15分钟之后，再往里面加入铝块，最后加入纯钛。
（5）20分钟之后，等钢水液面再次平稳时，去空，最后进行浇注，得到高锰高铝钢。
在本发明实施例3提供的新型熔炼工艺中，坩埚为镁砂（MgO）坩埚，电解锰的纯度为99.99%，铝块的纯度为99.7%，铌铁的纯度为51.55%，钒铁的纯度为66.8%。
在本发明实施例3提供的新型熔炼工艺中，炉子为真空感应熔炼炉，其熔炼温度为1680℃，最终得到的高锰高铝钢使用化学分析方法测得的化学成分如表1所示。
表1为具体实施例的化学成分(wt.%)
表1体实施例1~3的最终化学成分数据，由表1我们可以看到Mn、Al、C以及Nb、V、Ti微合金元素都在我们所要求的含量范围之内，即能够精确控制熔炼过程中加入的锰、铝、钛的含量，从而保证熔炼出来的Nb、V、Ti微合金化高锰高铝钢中锰、铝、钛的含量符合要求，最终对其组织进行了面扫描分析，如图1所示，由图可以发现铸件中的主要合金元素铁、锰、铝、碳分布很均匀，从而保证了铸件的质量，提高了铸造效率。
表2为本发明实施例的力学性能
表2实施例1~3的力学性能数据，由表2可以看出，每个实施例的抗拉强度都在1000MPa以上（保证了高强度），断后延伸率都在45%以上（保证了高塑性），最终强塑积达到48.6GPa·%，远超过第三代汽车用钢的强塑积（30GPa·%），即具备了强度与塑性的良好结合，具有优良的综合力学性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种改变，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (2)
1.一种Nb、V、Ti微合金化高锰高铝钢的真空熔炼方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）根据高锰高铝奥氏体钢中各元素的比例，将纯铁、铌铁、钒铁、石墨碳放入坩埚中，将坩埚放入真空炉中，然后将真空炉里面的压强抽到20Pa以下，打开电源，以10~30KW的功率给炉子缓慢加热，10~30min后将功率增大到50KW，此时，真空炉迅速升温至1600~1700℃，1~2小时之后，坩埚里面的炉料全部熔化成钢水，然后将功率降到10~30KW；
（2）0.5~1h之后，关闭电源，往真空炉里充入氩气，直到真空炉中的压强为0.08~0.12MPa时，停止充入氩气，然后打开电源开关，以30KW的功率给电，将加料室里面的电解锰和石墨碳加入钢水中，5~15min之后，再往里面加入铝块，最后加入纯钛，0.5~1h之后，钢水液面平稳时，去空，进行浇注；
所述高锰高铝钢的化学成分质量百分比为：C：0.8％~1.0％、Mn：28％~30％、Al：8.0％~10％、Nb：0.02~0.10%、V：0.02~0.10%、Ti：0.02~0.10%、P<0.003％、S<0.003％，余量为Fe及不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述Nb、V、Ti微合金化高锰高铝钢的真空熔炼方法，其特征在于：步骤（1）中所述坩埚为镁砂坩埚，电解锰的纯度≥99.99%，铝块的纯度≥99.7%，铌铁的纯度≥51.55%，钒铁的纯度≥66.8%。
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