CN107287514A - 一种改善残余元素诱导钢表面热脆的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改善残余元素诱导钢表面热脆性的方法，所述方法为向含残余元素Cu和Sn的钢中加入Si元素，其中Si元素的添加量为0.15～0.4％，所述钢的成分为：C 0.1％，Mn 0.1％，P≤0.025％，S≤0.025％，0<Cu≤0.5％，0<Sn≤0.1％，余量为Fe及其他不可避免的微量元素。本发明通过加入微量硅元素，减轻或消除含残余有害元素钢的表面热脆，避免其在连铸和轧制过程中产生裂纹及表面缺陷问题。

Description

一种改善残余元素诱导钢表面热脆的方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金领域，涉及一种改善钢铁性能的方法，具体为一种改善残余元素诱导钢表面热脆性的方法。
背景技术
铜是导致钢表面热脆的重要元素，随着电炉钢产量以及废钢价格的提高，这一问题引起了广泛的关注。电炉流程生产的铸坯不管是经过常规流程(热轧前先冷却到室温然后再加热)还是直接热装，两种工艺尽管气氛和热历程有所不同，然而铸坯均经历了高温(1100℃左右)和氧化性气氛(如空气、CO2、H2O)环境。因为铜的氧化势小于铁，在高温氧化条件下，铁优先氧化，当温度超过1100℃时如二冷、再加热、热轧过程，一旦富铜液相超过其在γFe中的溶解度，即在氧化层/基体界面形成富铜液相，该些富铜液相能浸入γFe，进而在随后的轧制过程中导致表面热脆的产生。当钢中含有其他残余元素如锡元素时，锡不但能够降低界面富铜液相的熔点，而且还能降低铜在奥氏体中的溶解度，进而增加热脆倾向。尽管镍元素可通过增加富铜相的熔点，增加铜在奥氏体中的溶解度，增加界面粗糙度，降低氧化速率，进而在一定程度上减轻或消除残余元素铜导致的表面热脆，但当钢中同时含有铜、锡时，将需要更多的镍去消除表面热脆，这必将增加生产成本，同时，镍会导致氧化皮粘连，造成除鳞困难。本发明旨在通过利用钢中常见更为廉价的元素硅来消除残余元素导致钢的表面热脆，同时，关于这方面的研究尚未见相关报道。
发明内容
解决的技术问题：为了克服现有技术的缺陷，减轻或消除含残余有害元素钢的表面热脆，避免其在连铸和轧制过程中产生裂纹及表面缺陷问题，本发明提供了一种改善残余元素诱导钢表面热脆性的方法。
技术方案：一种改善残余元素诱导钢表面热脆的方法，向含残余元素Cu和Sn的钢中加入Si元素。
优选的，按重量百分含量计，所述Si元素在钢中的添加量为0.15～0.4％。
优选的，按重量百分含量计，所述Si元素在钢中的添加量为0.32％。
优选的，按重量百分含量计，所述钢的成分为：C 0.1％，Mn 0.1％，P≤0.025％，S≤0.025％，0<Cu≤0.5％，0<Sn≤0.1％，余量为Fe及其他不可避免的微量元素。
一种由上述任一方法改善后的钢。
优选的，随着Si元素含量的增加，钢氧化层/基体界面处的富Cu液相量减少，当Si元素含量达到0.32％时，界面处富Cu液相消失。
本发明采用Si来改善残余元素诱导钢表面热脆的原理在于：铜的氧化势小于铁，在高温氧化条件下，铁优先氧化，当温度超过1100℃时如二冷、再加热、热轧等过程，一旦Cu相超过其在γ-Fe中的溶解度，即在氧化层/基体界面形成富Cu液相，并且，这些富Cu液相能浸入γ-Fe晶界，严重弱化γ-Fe晶界强度，进而在随后的轧制过程中导致表面热脆的产生，而氧化层/基体界面处富Cu液相的量取决于氧化过程中Cu的生成量与其向基体扩散消耗量的差值。Sn则能明显降低Cu在γ-Fe中的溶解度，降低富Cu相的熔点，促进富Cu液相浸入奥氏体晶界，加剧表面热脆倾向。Si在氧化过程中于氧化层/基体界面处形成诸如Fe2SiO4、SiO2等含Si的氧化物，该些氧化物在轧制等高温过程(1150℃)中为固相，Fe2+通过这些物质的扩散能力较弱，因此抑制其向产物层扩散，降低氧化速率。而当氧化速率降低时，界面处残余元素的扩散速率增大甚至超过富集速率，减少甚至消除界面富集相的含量，这是Si能够抑制甚至消除残余有害元素诱导表面热脆的机理之一。其二，在氧化过程中，氧可以通过氧化层、晶界以及缺陷向基体内部扩散，这些扩散的氧与基体中的Si发生反应导致内氧化物的形成，而内氧化物的长大，必将导致界面粗糙度增大，并且，随着Si含量的增加，氧化层/基体界面粗糙度增大。这些内氧化物和粗糙的界面能够促进界面处的富Cu相向氧化层中转移，进一步减少界面处富Cu相含量，进而抑制甚至消除表面热脆。
有益效果：本发明通过加入微量硅元素，减轻或消除含残余有害元素钢的表面热脆，避免其在连铸和轧制过程中产生裂纹及表面缺陷问题。
附图说明
图1是实施例1～3和对照例1的试验用钢氧化层/基体界面处富Cu液相；
其中(a)为对照例1的试验用钢在1150℃下氧化层/基体界面处富Cu液相；(b)为实施例1的试验用钢在1150℃下氧化层/基体界面处富Cu液相；(c)为实施例2的试验用钢在1150℃下氧化层/基体界面处富Cu液相；(d)为实施例3的试验用钢在1150℃下氧化层/基体界面处富Cu液相。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
一种改善残余元素诱导钢表面热脆的方法，向含残余元素Cu和Sn的钢中加入Si元素。
按重量百分含量计，所述Si元素在钢中的添加量为0.15％。
按重量百分含量计，所述钢的成分为：C 0.1％，Mn 0.1％，P 0.0055％，S0.005％，Cu 0.3％，Sn 0.04％，余量为Fe及其他不可避免的微量元素。
一种由上述任一方法改善后的钢。
实施例2
一种改善残余元素诱导钢表面热脆的方法，向含残余元素Cu和Sn的钢中加入Si元素。
按重量百分含量计，所述Si元素在钢中的添加量为0.22％。
按重量百分含量计，所述钢的成分为：C 0.1％，Mn 0.1％，P 0.0055％，S0.005％，Cu 0.3％，Sn 0.04％，余量为Fe及其他不可避免的微量元素。
一种由上述任一方法改善后的钢。
实施例3
一种改善残余元素诱导钢表面热脆的方法，向含残余元素Cu和Sn的钢中加入Si元素。
按重量百分含量计，所述Si元素在钢中的添加量为0.32％。
按重量百分含量计，所述钢的成分为：C 0.1％，Mn 0.1％，P 0.0055％，S0.005％，Cu 0.3％，Sn 0.04％，余量为Fe及其他不可避免的微量元素。
一种由上述任一方法改善后的钢。
对照例1
与实施例1～3相比，对照例中未在钢中添加Si元素。
碳管炉冶炼所需成分的试验用钢，具体化学成分如表1所示，通过TG试验对各试验用钢的热脆性进行研究，以氧化层/基体界面的富Cu液相量作为热脆性倾向的评价指标。各试验用钢在1150℃下界面处的富Cu液相量如图1所示。
热脆性试验具体参数：(1)将冶炼好的铸锭，电火花切割成尺寸为10mm×10mm×5mm试样，随后经机加工，在试样顶部沿厚度方向钻一个直径为2mm的孔洞，试样用320目碳化硅砂纸研磨，并用酒精超声清洗备用；(2)在TG实验机上，用Pt线将试样悬挂，缓慢放入充满高纯氩的炉内恒温区，当温度达到1150℃并稳定后，通入空气，试样开始氧化，空气流量为1L/min，氧化时间为1h；(3)实验结束时，立即通入高纯氩，并且缓慢移出试样，移出过程大概15min，这样试样因出炉温度不超过200℃而不再发生氧化，空冷试样至室温，在氧化过程中，热天平将自动记录试样的增重数据；(4)氧化后的试样经冷镶、磨制、抛光、喷碳处理，并用扫面电镜(SEM)分析氧化层/基体界面残余元素富集情况。
由实施例1～3可知：含残余元素Cu和Sn的钢氧化层/基体界面处的富Cu液相显著减少，晶界渗入减少，热脆倾向明显得到改善，且随着Si含量的增加，界面处富Cu液相量逐渐减少，当Si含量达到0.32％时界面处富Cu液相消失，而在对照例1中，氧化层/基体界面处有大量的富Cu液相，并伴有显著的晶界浸入，热脆倾向极大。
表1各试验用钢的化学成分(wt％)
C Mn P S Cu Sn Si Fe
对照例1 0.1 0.1 0.0055 0.005 0.3 0.04 0 余量
实施例1 0.1 0.1 0.0055 0.005 0.3 0.04 0.15 余量
实施例2 0.1 0.1 0.0055 0.005 0.3 0.04 0.22 余量
实施例3 0.1 0.1 0.0055 0.005 0.3 0.04 0.32 余量

Claims (6)

1.一种改善残余元素诱导钢表面热脆的方法，其特征在于，向含残余元素Cu和Sn的钢中加入Si元素。
2.根据权利要求1所述的一种改善残余元素诱导钢表面热脆的方法，其特征在于，按重量百分含量计，所述Si元素在钢中的添加量为0.15～0.4％。
3.根据权利要求2所述的一种改善残余元素诱导钢表面热脆的方法，其特征在于，按重量百分含量计，所述Si元素在钢中的添加量为0.32％。
4.根据权利要求1所述的一种改善残余元素诱导钢表面热脆的方法，其特征在于，按重量百分含量计，所述钢的成分为：C 0.1％，Mn 0.1％，P≤0.025％，S≤0.025％，0<Cu≤0.5％，0<Sn≤0.1％，余量为Fe及其他不可避免的微量元素。
5.一种由权利要求1～4任一所述方法改善后的钢。
6.根据权利要求5所述的钢，其特征在于，随着Si元素含量的增加，钢氧化层/基体界面处的富Cu液相量减少，当Si元素含量达到0.32％时，界面处富Cu液相消失。
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