CN108611562A - 一种含硫铝镇静非调质钢及其硫化物形貌控制方法 - Google Patents

一种含硫铝镇静非调质钢及其硫化物形貌控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种含硫铝镇静非调质钢及其硫化物形貌控制方法，所述含硫铝镇静非调质钢包括如下重量百分比的化学元素：C：0.30～0.50％，Si：0.45～0.75％，Mn：1.20～1.60％，V：0.10～0.30％，Ti：0.010～0.050％，Cr：0.10～0.50％，S：0.020～0.080％，Al：0.015～0.060％，Te：0.005～0.040％，[N]：0.010～0.015％，P≤0.015％，T.O≤0.0012％，Ni≤0.30％，Mo≤0.15％，Cu≤0.25％，As≤0.010％，Sn≤0.010％，Sb≤0.010％，Pb≤0.005％，余为Fe及不可避免的杂质。其生产工艺流程为：电弧炉或转炉初炼→LF精炼→RH或VD真空脱气→连铸。根据本发明所述的含硫铝镇静非调质钢硫化物形貌控制方法得到的所述含硫铝镇静非调质钢中硫化物长径比≤8、等效直径≤5μm；钢液的洁净度高，T.O≤0.0012％；钢材晶粒度≥7.0级；连铸蓄流率为0。

Description

一种含硫铝镇静非调质钢及其硫化物形貌控制方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种含硫铝镇静非调质钢及其硫化物形貌控制方法。
背景技术
向自动化、高速化和精密化发展的现代机械加工行业促进了易切削钢的发展，特别是快速发展的汽车工业带动了含硫含铝易切结构钢的发展，如汽车变速箱非调质等零件广泛采用含硫含铝非调质钢生产。随着我国汽车工业的飞速发展，非调质钢的需求量日益增加，非调质由于其使用环境恶劣，受力复杂，通常要求较高的接触疲劳性能和旋转弯曲疲劳性能，同时对其使用和加工性能提出了更高的要求，要求有良好的切削加工性。
因此，变速箱非调质等零件广范采用高洁净度易切削结构钢制造，非调质钢采用铝镇静脱氧工艺，钢中的全氧质量分数一般较低(小于20ppm甚至更低)，同时，残留于钢中的酸溶Al可起到细化晶粒，以保证其良好的强韧性和抗疲劳性能。同时，非调质钢通过添加一定含量的硫(S＝0.02％～0.08％)来改善切削性能，使钢中生成大量的以硫化锰为主的硫化物，起到应力集中源的作用，使得钢材在切削加工过程中容易断屑；同时硫化物是塑性夹杂，能够起到润滑刀具、减小刀具磨损、延长刀具寿命的作用。然而，硫化物在轧制过程中容易沿轧制方向伸长成条纹状，并且分布不均匀，加剧钢材的各向异性，严重影响钢材的强韧性和抗疲劳性能。
国内外钢厂针对硫化物形态控制做了许多研究，其中对钢中硫化物进行变性处理取得一定的效果，通过向钢中添加Ca、稀土等元素，使钢中生成大量的复合硫化物，阻止硫化物在轧制过程中的变形，提高硫化物的纺锤化率。其中钙处理获得较大范围的应用，但含硫铝镇静非调质钢采用钙处理工艺后，随着[S]含量增加，钙处理后的夹杂物“液窗”范围急剧减小，甚至消失，连铸时极易蓄流(蓄流率在50％以上，连浇炉数在3炉以内)，因此，含硫含铝钢的生产一直面临着钢水可浇性差的问题，影响了生产节奏，降低了铸坯质量，无法满足大工业生产的需要。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种含硫铝镇静非调质钢及其硫化物形貌控制方法，通过采用该方法生产的高强韧非调质钢，硫化物长径比≤8、等效直径≤5μm，连铸蓄流率为0，同时，通过铝脱氧实现钢的超纯净化，通过AlN、VN等细化晶粒，从而满足汽车制造领域等对高强韧易切削非调质钢的使用要求。
本发明所采用的技术方案为：
一种含硫铝镇静非调质钢，包括如下重量百分比的化学元素：C：0.30～0.50％，Si：0.45～0.75％，Mn：1.20～1.60％，V：0.10～0.30％，Ti：0.010～0.050％，Cr：0.10～0.50％，S：0.020～0.080％，Al：0.015～0.060％，Te：0.005～0.040％，[N]：0.010～0.015％，P≤0.015％，T.O≤0.0012％，Ni≤0.30％，Mo≤0.15％，Cu≤0.25％，As≤0.010％，Sn≤0.010％，Sb≤0.010％，Pb≤0.005％，余为Fe及不可避免的杂质。
进一步地，优选为包括如下重量百分比的化学元素：C：0.36～0.42％，Si：0.51～0.66％，Mn：1.30～1.50％，V：0.14～0.22％，Ti：0.020～0.040％，Cr：0.26～0.43％，S：0.033～0.064％，Al：0.022～0.051％，Te：0.012～0.033％，[N]：0.010～0.015％，P≤0.015％，T.O≤0.0012％，Ni≤0.30％，Mo≤0.15％，Cu≤0.25％，As≤0.010％，Sn≤0.010％，Sb≤0.010％，Pb≤0.005％，余为Fe及不可避免的杂质。
更进一步地，优选为包括如下重量百分比的化学元素：C：0.38％，Si：0.54％，Mn：1.45％，V：0.17％，Ti：0.032％，Cr：0.28％，S：0.033％，Al：0.034％，Te：0.012％，[N]：0.010～0.015％，P≤0.015％，T.O≤0.0012％，Ni≤0.30％，Mo≤0.15％，Cu≤0.25％，As≤0.010％，Sn≤0.010％，Sb≤0.010％％，Pb≤0.005％，余为Fe及不可避免的杂质。
本发明还提供了所述含硫铝镇静非调质钢硫化物形貌控制方法，包括如下步骤：
(1)电弧炉或转炉冶炼；
(2)LF炉精炼；
(3)RH或VD真空精炼；
(4)连铸：全保护浇铸。
进一步地，所述步骤(2)中，为了将夹杂物充分清除及充分脱氧，LF精炼渣碱度控制在2.5～4.0，白渣保持时间大于20分钟，确保终渣成分中TFe+MnO≤1.0％，LF炉后期加硫至目标值，后软吹氩5～10min。
进一步地，所述步骤(3)中，为充分脱气、去除杂质，在极限真空度67Pa以下，真空保持15～35分钟；真空精炼结束前3分钟加Te增Te至目标值以使其充分溶于钢水，如果加Te时间过早，会影响Te元素的收得率。
根据本发明所述的含硫铝镇静非调质钢硫化物形貌控制方法得到的所述含硫铝镇静非调质钢中硫化物长径比≤8、等效直径≤5μm；钢液的洁净度高，T.O≤0.0015％；钢材晶粒度≥7.0级；连铸蓄流率为0。
本发明提供的技术方案中，含硫铝镇静非调质钢中各化学成分的作用如下：
C:C元素是非调质钢获得高的强度、硬度所必需的，但过高的C含量对钢的塑性和韧性极为不利。因此非调质钢C含量宜控制为0.30～0.50％。
Si:Si是钢中主要的脱氧元素，具有很强的固溶强化作用，但Si含量过高将使钢的塑性和韧性下降，并且使冶炼困难和易形成夹杂物，恶化钢的抗疲劳性能。因此控制Si含量为0.45～0.75％。
Mn:Mn是脱氧和脱硫的有效元素，还可以提高钢的淬透性和强度，含量小于0.40％时，难以起到上述作用。但淬火钢回火时，Mn和P有强烈的晶界共偏聚倾向，促进回火脆性，恶化钢的韧性，因而控制Mn含量在1.20～1.60％之间。
V：V是强碳化物形成元素，与C结合所形成的细小弥散碳化物可阻止加热时晶粒长大，起细晶强化和沉淀强化的作用，从而可同时提高钢的强度、韧性和抗疲劳性能。V含量低于0.10％，上述作用不明显；V含量高于0.30％，上述作用饱和，且提高钢的成本。因而控制V含量为0.10～0.30％。
Ti：在钢中加入微合金元素Ti能起到固溶、偏聚和沉淀作用，当它们与碳、氮、硫等交互作用能产生细晶强化、析出物弥散强化以及夹杂物改性等，使钢的强度和韧性加强，并可提高钢的回火稳定性；Ti含量过高会导致钢中非金属夹杂物增多。综合考虑，Ti的范围可控制在0.010％～0.050％。
Cr：Cr能够有效地提高钢的淬透性和回火抗力，以获得所需的高强度；同时Cr还可降低C的活度，可降低加热、轧制和热处理过程中的钢材表面脱碳倾向，有利用获得高的抗疲劳性能。但含量过高会恶化钢的韧性，因而控制Cr含量为0.10～0.50％。
S：非调质钢通过添加一定含量的硫来改善切削性能，使钢中生成大量的以硫化锰为主的硫化物，起到应力集中源的作用，使得钢材在切削加工过程中容易断屑；同时硫化物是塑性夹杂，能够起到润滑刀具、减小刀具磨损、延长刀具寿命的作用。然而，硫化物在轧制过程中容易沿轧制方向伸长成条纹状，并且分布不均匀，加剧钢材的各向异性，严重影响钢材的强韧性和抗疲劳性能。因而控制其含量为0.020～0.080％。
Al和氮：齿轮钢采用铝镇静脱氧工艺，同时，残留于钢中的Al与氮作用，可起到细化晶粒以保证其良好的强韧性和抗疲劳性能。Al含量的控制范围为0.015～0.060％，氮的控制范围为0.010～0.015％。
Te：Te或碲化物(主要为MnTe)在夹杂物与钢基体的界面处形成薄膜，该薄膜降低了两者之间的粘附功，降低了界面强度，随之产生空隙，在界面处的空隙吸收了大量应力，阻碍了夹杂物的变形，从而使MnS夹杂物更趋向于球形，使切削性能得以提高。但Te含量太高会造成晶间脆化，使钢的塑性降低，因而Te含量宜控制在0.005～0.040％的范围内。
P：P能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大，所以控制P的含量在0.015％以下。
T.O：氧在钢中形成各种氧化物夹杂。在应力的作用下，在这些氧化物夹杂处容易产生应力集中，导致微裂纹的萌生，从而恶化钢的力学性能特别是韧性和抗疲劳性能。因此，在冶金生产中须采取措施尽可能降低其含量。考虑到经济性，控制其含量在0.0012％以下。
本发明提供的技术方案中，通过加入适量的Te元素，对钢中的夹杂物进行变性处理；通过铝脱氧实现钢的超纯净化，通过AlN、VCN等细化晶粒；严格控制钢中杂质元素P等的含量，以进一步提高钢的抗疲劳性能。本发明的关键之处在于通过Te处理对硫化物形貌进行变性，同时与冶金质量控制有机地结合起来，在获得高强韧性和良好的抗疲劳性能的同时，获得优异的切削性能。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：(1)硫化物长径比≤8、等效直径≤5μm；(2)钢液的洁净度高，T.O≤0.0012％；(3)钢材晶粒度≥7.0级；(4)连铸蓄流率为0。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1～4及比较例1～3中的含硫铝镇静非调质钢的化学成分及重量百分比如表1所示。
表1各实施例和比较例含硫铝镇静非调质钢的化学成分及重量百分比
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 比较例1 比较例2
C 0.32 0.38 0.44 0.47 0.50 0.38 0.41
Si 0.47 0.54 0.56 0.63 0.73 0.54 0.33
Mn 1.20 1.45 1.48 1.50 1.59 1.45 1.20
V 0.13 0.17 0.26 0.27 0.30 0.17 0.23
Ti 0.02 0.032 0.042 0.045 0.048 0.032 0.05
Cr 0.16 0.28 0.40 0.44 0.47 0.28 0.15
S 0.027 0.033 0.049 0.057 0.069 0.033 0.050
Al 0.018 0.034 0.046 0.052 0.058 0.034 0.016
Te 0.006 0.012 0.020 0.031 - - -
[N] 0.011 0.012 0.014 0.013 0.015 0.012 0.013
P 0.008 0.010 0.009 0.007 0.008 0.010 0.015
T.O 0.008 0.0010 0.0012 0.0010 0.0012 0.0010 0.0012
各实施例和比较例中含硫铝镇静非调质钢的生产工艺流程为：电弧炉或转炉初炼→LF精炼→RH或VD真空脱气→连铸。
在各实施例中：
在LF炉精炼工艺中，实施例1～4中的LF精炼渣碱度分别控制在2.5、2.8、3.5、4.0，白渣保持时间分别为20分钟、22分钟、25分钟、28分钟，确保终渣(TFe+MnO)≤1.0％，LF炉后期加硫至目标值，后软吹氩5～10min；
在RH或VD真空脱气工艺中：在极限真空度67Pa以下，真空保持15～35分钟；真空精炼结束前3分钟加Te增Te至目标值；
在连铸工艺中，采用全保护浇铸。
在各比较例中：
比较例1～3中的LF精炼渣碱度分别控制在3.5、2.2、5.0，白渣保持时间分别为15分钟、18分钟、20分钟，LF炉后期加硫至目标值，后软吹氩5～10min；
在RH或VD真空脱气工艺中：在极限真空度67Pa以下，真空保持15～35分钟；真空精炼结束前3分钟加Te增Te至目标值；
在连铸工艺中，采用全保护浇铸。
各实施例和比较例得到的含硫铝镇静非调质钢中的夹杂物指标检测结果及连铸蓄流率如表2所示。
表2
从表2中可以看出，采用本发明提供的方法得到的含硫铝镇静非调质钢中的夹杂物指标、连铸蓄流率及强韧性明显优于比较例。
上述参照实施例对一种含硫铝镇静非调质钢及其硫化物形貌控制方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种含硫铝镇静非调质钢，其特征在于，包括如下重量百分比的化学元素：
C：0.30～0.50％，Si：0.45～0.75％，Mn：1.20～1.60％，V：0.10～0.30％，Ti：0.010～0.050％，Cr：0.10～0.50％，S：0.020～0.080％，Al：0.015～0.060％，Te：0.005～0.040％，[N]：0.010～0.015％，P≤0.015％，T.O≤0.0012％，Ni≤0.30％，Mo≤0.15％，Cu≤0.25％，As≤0.010％，Sn≤0.010％，Sb≤0.010％，Pb≤0.005％，余为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的含硫铝镇静非调质钢，其特征在于，包括如下重量百分比的化学元素：C：0.36～0.42％，Si：0.51～0.66％，Mn：1.30～1.50％，V：0.14～0.22％，Ti：0.020～0.040％，Cr：0.26～0.43％，S：0.033～0.064％，Al：0.022～0.051％，Te：0.012～0.033％，[N]：0.010～0.015％，P≤0.015％，T.O≤0.0012％，Ni≤0.30％，Mo≤0.15％，Cu≤0.25％，As≤0.010％，Sn≤0.010％，Sb≤0.010％，Pb≤0.005％，余为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的含硫铝镇静非调质钢，其特征在于，包括如下重量百分比的化学元素：C：0.38％，Si：0.54％，Mn：1.45％，V：0.17％，Ti：0.032％，Cr：0.28％，S：0.033％，Al：0.034％，Te：0.012％，[N]：0.010～0.015％，P≤0.015％，T.O≤0.0012％，Ni≤0.30％，Mo≤0.15％，Cu≤0.25％，As≤0.010％，Sn≤0.010％，Sb≤0.010％％，Pb≤0.005％，余为Fe及不可避免的杂质。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的含硫铝镇静非调质钢硫化物形貌控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)电弧炉或转炉冶炼；
(2)LF炉精炼；
(3)RH或VD真空精炼；
(4)连铸：全保护浇铸。
5.根据权利要求4所述的含硫铝镇静非调质钢硫化物形貌控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，LF精炼渣碱度控制在2.5～4.0，白渣保持时间大于20分钟，确保终渣成分中TFe+MnO≤1.0％，LF炉后期加硫至目标值，后软吹氩5～10min。
6.根据权利要求4所述的含硫铝镇静非调质钢硫化物形貌控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，在极限真空度67Pa以下，真空保持15～35分钟；真空精炼结束前3分钟加Te增Te至目标值。
7.根据权利要求4所述的含硫铝镇静非调质钢硫化物形貌控制方法，其特征在于，所述含硫铝镇静非调质钢中硫化物长径比≤8、等效直径≤5μm；钢液的洁净度高，T.O≤0.0012％；钢材晶粒度≥7.0级；连铸蓄流率为0。
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