CN1099473C - 氧化物分散钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是要抑制在γ区域的温度下加热时γ粒子的生长。采用的方法是使氧化物按照粒径在1μm以下，粒子间距在6μm以下的条件微细而均匀地分散于碳钢中。
Description
本发明涉及氧化物分散钢及其制造方法。更具体地说，本发明涉及一种能使氧化物均匀而微细地分散，并能抑制粒子生长的氧化物分散钢的制造方法。
为了使碳钢高强度化，必须使其中的铁素体(α)粒子微细化。这一点的实现就成为抑制变态前奥氏体(γ)粒子的生长和减轻加工时的变形抵抗力的一个条件。作为抑制γ区域温度内的γ粒子生长的一种对策，已知的方法是通过压延加工来使γ粒子微细化。然而，在此情况下，为了使γ粒子达到所需的粒子直径，必须进行多次压延加工，从而难以获得良好的效率。因此人们正在研究使氧化物分散于碳钢组织内的方法。
作为使氧化物分散于碳钢组织内的方法，通常是把具有预定粒径的氧化物粉末直接添加到钢水中，或者将氧化物粉末与金属粉末混合，以金属丝状态添加入钢水中。
然而，上述的每一种方法都容易引起氧化物粉末结块或凝聚，变成粗大的2次粒子，因此氧化物不能均匀而细微地分散于组织中。
本发明的目的是根据上述情况，提供一种能够实现氧化物均匀细微地分散，并能抑制γ粒子生长的氧化物分散钢及其制造方法。
本发明作为解决上述课题的方案，提供一种氧化物分散钢，其特征在于，在碳钢中，氧化物按照粒径在1μm以下，粒子间距在6μm以下的状态，微细而且均匀地分散。
本发明的一个优选方案是，一种氧化物分散钢，其化学组成按质量％计含有0.8％以下的C、0.5％以下的Si、3.0％以下的Mn、0.02％以下的S，另外还含有0.3％以下选自Ti、Mg、Al之中任一种或两种以上的元素。
另外，本发明作为上述氧化物分散钢的制造方法，提供了一种氧化物分散钢的制造方法，其特征在于，按照不让钢水表面与能够成为凝固核的物质接触的方式将钢水保持和冷却，使氧化物从过冷状态的钢水中结晶析出。在该制造方法中，优选的方法是按照非接触式的熔融、凝固方式将钢水冷却，或者用一种由多种氧化物形成的炉渣将钢水包围，或者在使钢水流入上述炉渣中的状态下将钢水冷却，使其成为过冷状态。
本发明的发明者们针对上述课题进行了深入研究，结果发现，与急冷凝固相比，过冷凝固能够改善凝固速度，并能够使作为二次脱氧生成物，即氧化物，结晶析出场所的枝晶间距缩短，并且确认据此可以控制析出的氧化物之间的距离和氧化物的粒径。由过冷凝因而析出的氧化物之间的距离可以根据下面经验式求出。也就是
D＝(1.15×106/(800ΔT+8000))0.5
式中，D为氧化物之间的距离(μm)；ΔT代表过冷度(K)。
所谓过冷状态是指物质处于一种既是液体状态又处于熔点以下温度的状态而言。按照本发明，过冷状态通过使钢水表面不与诸如耐火材料、铸模等能够成为凝固核的物质接触的方式将钢水保持和冷却的方法来实现，具体地说，通过使用钢水按非接触式的熔融、凝固的方法，或者用一种由多种氧化物形成的炉渣将钢水包围的方式，或者使钢水流入炉渣中的方法来实现。这时，钢水的温度处于熔点以下。在使钢水按非接触式熔融、凝固的情况下，可以利用由例如1kHz以上的高频磁场产生的磁力来使钢水沿着与重力相反的方向浮游，使钢水处于非接触状态，通过同时进行辐射冷却和气体冷却来对钢水表面进行强冷。
于是，具有微小粒径的氧化物按照上述经验式的间距从已成为过冷状态的钢水中析出。其结果使氧化物均匀而微细地分散于组织中。
在本发明中，关于氧化物的均匀而微细的分散，规定了粒径在1μm以下，粒子之间的距离在6μm以下，这些可以根据下述各点来决定。
粒径根据所谓破坏的观点来规定。将粒径规定在1μm以下就不用担心氧化物会成为破坏的起点。粒子的间距实际上意味着氧化物的分散密度，其数值可以根据由于加热而长大的γ粒子所容许的粒径来规定。也就是说，粒子间距在6μm以上相当于在γ区域温度下生长的γ粒子的粒径在60μm以下的体积率。
关于这种氧化物分散钢的化学组成，作为一般例示，其中含有按质量％计为0.8％以下的C、0.5％以下的Si、3.0％以下的Mn、0.02％以下的S，而且其中还含有0.3％以下选自Ti、Mg、Al中一种或两种以上的元素。在这些元素中，Ti、Mg、Al是生成氧化物的元素，而且也是通常选择作为用于生成分散在碳钢中的氧化物的元素。这些元素在配合量中有30％左右形成氧化物。因此，所谓按质量％计为0.3％以下的配合量相当于氧化物的粒径在1μm以下，而且粒子间之距离在6μm以下时的含量。
应予说明，在上述数值规定中只示出了上限值，但是这并不意味着其含量可以为零。这是因为，对粒径、粒子间距和质量％即使无限地接近于零，但实际上它不会等于零。
按照如上所述的本发明，可以使氧化物均匀而微细地分散于碳钢的组织中，并能抑制γ粒子随着加热而生长，而且能使γ粒子的粒径缩小。可以减轻用于使铁素体粒子微细化所需的条件，例如，可以减少在为了使γ粒子更微细化而进行压延加工时的加量(次数)。
实施例1
| 化学组成(质量％) | C | Si | Mn | P | S | Ti |
| 0.15 | 0.19 | 1.51 | 0.019 | 0.02 | 0.08 |
把具有如表1所示的化学组成的钢埋置于SiO2、Al2O3、Na2O等的混合氧化物粉末或颗粒中，然后在无氧化的气氛中用图1所示的碳粒发热体电炉(1)将其熔化，加热至比液相线温度高50℃的温度，直至1次脱氧生成物被玻璃状的混合氧化物，即炉渣(2)，吸附为止，在此状态下放置。然后，使钢水(3)在被炉渣(2)包围的状态下过冷凝固。这时的钢水温度与熔点之差，即图2中所示的过冷度(ΔT)，为40K。
另外，图1中的符号4表示坩埚，5表示石墨加热器，6表示热电偶。
这样经过冷凝固的铸片，如图3中的扫描型电子显微镜照片，其析出氧化物的平均粒径为1μm，平均粒子的间距为5.4μm。所看到的氧化物平均粒径和平均粒子间距即使在厚度10cm的铸片中心部也相同。由此说明氧化物是均匀而微细地分散的。
然后调查在该过冷凝固了的铸片中由于加热而导致的γ粒子的生长情况。也就是，将铸片保持在1200℃的温度下，在保持至10000秒内的各时间点保持后对其进行急冷，然后测定该铸片在急冷时的γ粒径。结果获得了图4所示的曲线。通过与下述的比较例1的对比，可以确认γ粒子的生长受到了抑制。另外，将该过冷凝固了的铸片在与受焊热影响的部位大体上同样加热条件的1400℃下保持一秒钟后对其进行急冷时，其γ粒径为75μm，这结果表明γ粒子的生长受到了抑制。
进而调查在一边进行对γ粒子的微细化有效的压延加工，一边对其加热时的γ粒子生长情况。也就是说，至第一次加工之前一直将铸片保持在1200℃，然后进行4次压延加工，在完成最终加工之后将其保持在750℃下。图5示出的曲线表示测得的结果。从图5可以看出，通过压延加工可使γ粒子的粒径缩小，而在过冷凝固铸片的情况下，只通过一次压延加工即可使γ粒子的粒径微细化至40μm以下。与下述的比较例1相比，可以确认，γ粒子的微细化能够有效地进行。
(比较例1)
首先使具有表1所示化学组成的钢在不被炉渣包围的条件下冷却，使其在不产生过冷的状态下凝固。结果，在从铸片表面向内10mm的位置处，析出的氧化物粒子的粒径大于1μm，平均粒子间距为17μm。
将该铸片与实施例1同样地加热，调查γ粒子的生长情况。也就是，将铸片保持在1200℃的温度下，在保持至10000秒内的各时间点后对其进行急冷，然后测定这时的γ粒径。其结果一并示于图4中。该结果表明，γ粒子的生长要比过冷凝固的铸片大。为了通过热处理加工来使生长到如此大的γ粒子变形，使其从该粒子的晶界处产生α粒子所必须的加工量相当于上述实施例1中所示过冷凝固材料的需加工量的约3倍。这就意味着，为了进行加工就必须消耗更多的能量，而具还需要大型的加工装置。
另外，当将该铸片在与变焊接热影响的部位大体上同样加热条件的1400℃下保持一秒钟后对其进行急冷时，其γ粒径为215μm，这相当于实施例1的过冷凝固材料相应值的约3倍。
进而与实施例1同样地，调查一边进行压延加工，一边对其加热时的γ粒子的生长情况。将该结果一并示于图5的曲线中。从该图5可以看出，γ粒子已长大了许多，而为了其变成在实施例1的过冷凝固材料所获得的40μm以下，必须进行4次压延加工。
当然，本发明不受以上实施例的限定。不言而喻，关于碳钢及炉渣的化学组成和过冷度等细节都可以有各种不同的方案。
如以上的详细说明，本发明可以提供一种其中的氧化物均匀而微细地分散的氧化物分散钢。由于可以抑制在γ区域温度内加热时所引起的γ粒子的生长，因此可以有效地进行碳钢的高强度化。
对附图的简单说明
图1是表示实施例1中的钢水生成的截面图。
图2是概念地表示钢水过冷凝固过程的时间-温度曲线。
图3是用来代替附图表示过冷凝固的试样组织的扫描型电子显微镜照片。
图4的曲线表示在把制成的度样于1200℃加热时，加热时间与γ粒径的关系。
图5的曲线表示在对制成的试样加热的过程中进行压延加工时的γ粒径与加热和加工时间的关系。
对符号的说明
1 碳粒发热体电炉
2 炉渣
3 钢水
4 坩埚
5 石墨加热器
6 热电偶
Claims (5)
1.一种氧化物分散钢，其特征在于，该钢的化学组成按质量％计含有0.8％以下的C、0.5％以下的Si、3.0％以下的Mn、0.02％以下的S，另外还含有0.3％以下选自Ti、Mg、Al之中任一种或两种以上的元素，并且在钢中，氧化物按照粒径在1μm或以下，粒子间距在6μm或以下的状态，微细而且均匀的分散。
2.一种氧化物分散钢的制造方法，该方法用于制造权利要求1所述的氧化物分散钢，其特征在于，在该方法中按照不让钢水表面与能够成为凝固核的物质接触的方式将钢水保持和冷却，以使氧化物从过冷状态的钢水中结晶析出。
3.如权利要求2所述的氧化物分散钢的制造方法，在该方法中，按照非接触式的熔融凝固方式将钢水冷却。
4.如权利要求2所述的氧化物分散钢的制造方法，在该方法中，在用一种由多种氧化物形成的炉渣将钢水包围的条件下将钢水冷却。
5.如权利要求2所述的氧化物分散钢的制造方法，在该方法中，在使钢水流入由多种氧化物形成的炉渣中的状态下将钢水冷却，使其成为过冷状态。
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