CN112921238A - 一种细晶粒曲轴用非调质钢及其冶炼方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种细晶粒曲轴用非调质钢及其冶炼方法，包括按重量百分比计的如下成分：C：0.65～0.75％，Si：0.15～0.25％，Mn：0.5～2.5％，P：≤0.02％，S：0.06～0.07％，Al：≤0.01％，V：0.03～0.04％，Mg：0.001～0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明选用非调质钢，创新性地添加Mg元素来细化非调质钢晶粒度，能够以较低的成本进一步提升钢晶粒度，得到细晶粒高品质非调质钢，钢种的晶粒度细小，夹杂物少且形貌好，无聚集现象，金相组织符合高品质钢的苛刻要求，全面提升综合性能。

Description

一种细晶粒曲轴用非调质钢及其冶炼方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶金领域，特别是涉及一种非调质钢及其冶炼方法。
背景技术
非调质钢标准GB/T 15712-2008对非调质钢的定义为：通过微合金化、控制轧制和控制冷却等强韧化方法，取消了调质热处理，达到调质钢力学性能的一类优质结构钢。非调质钢在生产过程中无需对产品进行热处理、矫直，简化了工艺操作，提高了产品成材率，降低能耗的同时减少了对环境的污染，故有“绿色钢材”之称。
国内对于非调质钢的研究和开发相比于国外先进国家起步较晚。目前，共开发出非调质钢20余种，生产的主要是棒材产品，规格主要集中在Φ10mm～Φ115mm范围内。主要用于汽车发动机连杆、曲轴等零部件中，还成功应用到了N80石油套管、无缝钢管等制品，应用范围涉及汽车。虽然微合金非调质钢的研究和发展已经达到了一定的水平，但对于生产高品质非调质，在钢晶粒度控制、夹杂物控制等方面仍与国外先进水平有较大差距，难以满足高端用户的要求。
发明内容
发明目的：本发明的目的之一是提供一种细晶粒曲轴用非调质钢，其具有细晶粒和高品质的优点；本发明的目的之二是提供一种细晶粒曲轴用非调质钢的冶炼方法。
技术方案：本发明的细晶粒曲轴用非调质钢，包括按重量百分比计的如下成分：C：0.65～0.75％，Si：0.15～0.25％，Mn：0.5～2.5％，P：≤0.02％，S：0.06～0.07％，Al：≤0.01％，V：0.03～0.04％，[N]≤0.01％，Mg：0.001～0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质。
为开发高品质细晶粒非调质钢，本发明采用加入的Mg元素形成MgO·Al2O3，促进铁素体的形核，同时钉扎晶界，细化晶粒。MgO·Al2O3夹杂物在高温钢液中尺寸细小、成分稳定、分布弥散，为铁素体转变提供了异质形核点。这是因为MgO·Al2O3中存在Mg空位，可以吸收Mn元素，使得其周围出现贫Mn，促进了针状铁素体的形核，提高，起到细化晶粒的作用。
优选地，上述重量百分比计的成分中，Mg含量为0.001～0.003％；以进一步细化晶粒度和提高钢种品质。
优选地，所述非调质钢的金相组织为珠光体和晶内铁素体。
本发明还提供了上述细晶粒曲轴用非调质钢的冶炼方法，冶炼工序为：转炉(电炉)→LF→VD(RH)→CC，在VD工序，其他成分调整结束后，加入一定含量Mg元素，利用Mg元素对MnS夹杂物改质，形成细小弥散分布的硫化锰与镁铝氧化物复合夹杂物，作为铁素体形核核心，诱导形成等轴铁素体，细化晶粒。本发明所述细晶粒非调质钢性能优良，且成本低，易于实现工业生产，提升国内非调质钢晶粒度控制水平。
具体的，其包括以下步骤：
(1)转炉或电炉冶炼，控制转炉终点：C≥0.06％、P≤0.015％，控制出钢温度为1625+20℃，出钢1/4开始依次往钢包中加入合金及渣料；
(2)LF炉全程吹氮，LF精炼过程用碳化硅进行渣面脱氧，依次调整元素成分；进VD前控制Al＜0.015wt％，其他元素除N、S外努力按要求控制；
(3)RH或VD，控制真空度小于2mba，其中高真空(即前述真空度小于2mba)处理时间≥12min，RH或VD全程使用氮气作为提升气；在RH或VD处理结束后按目标喂加MnN线，然后喂入硅钙线，软吹后根据钢水硫含量使用硫铁线调整硫；S含量调整结束后，利用喂丝机喂入Si-Mg包芯线，喂入镁元素后静搅，使钢液的镁含量为0.001％～0.005％；
在VD或RH工序，其他成分调整结束后，向钢液中喂入硅镁包芯线，使钢液的镁含量为0.001％～0.003％。
(4)喂入镁元素后静搅时间为10～15分钟；
(5)连铸浇注，对铸坯进行缓冷，得到钢坯；
(6)轧钢，轧制过程采用高温扩散加热工艺，并执行控轧控冷工艺。
作为优选地，在VD或RH工序，喂入Si-Mg包芯线前，需控制钢种氧含量[O]为5-15ppm，以保证镁元素发挥作用。在VD或RH工序，要求控制Mg元素含量为0.001～0.003％。
本发明的关键技术环节是材料的配比设计及工艺条件的控制，两者相辅相成。通过元素调配，结合冶炼控制工艺，协同作用下得到了高品质曲轴用非调质钢，其具有细晶粒、夹杂物含量少且均匀分布，疲劳性能好
有益效果：
本发明选用非调质钢，创新性地添加Mg元素来细化非调质钢晶粒度，能够以较低的成本进一步提升钢晶粒度，得到细晶粒高品质非调质钢，钢种的晶粒度细小，夹杂物少且形貌好，无聚集现象，金相组织符合高品质钢的苛刻要求，全面提升综合性能。
本发明采取在VD或RH工序喂线方式加入Mg元素，工艺简单，易于实现工业生产，进一步提升国内非调质钢控制水平。
附图说明
图1是对比例1的金相图片；
图2是实施例1的金相图片；
图3是实施例2的金相图片；
图4是实施例3的金相图片；
图5是实施例4的金相图片；
图6是样品晶粒度及铁素体含量变化曲线；
图7是对比例1的典型夹杂物形貌图；
图8是典型镁与MnS复合夹杂物的图片和成分测试；(a)为形貌图片，(b)为成分测试结果；
图9是实施例1的典型夹杂物形貌图；
图10是实施例2的典型夹杂物形貌图；
图11是实施例3的典型夹杂物形貌图；
图12是实施例4的典型夹杂物形貌图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。
实施例1：
本实施例的非调质钢冶炼采用100吨电炉，冶炼过程具体为：
(1)控制电炉终点：C：0.10％、P：0.0053％，出钢温度1639℃；出钢1分钟30秒开始依次往钢包中加入硅锰类合金692kg，硅铁103kg，石灰550kg，精炼渣252kg。
(2)LF炉全程吹氮，流量为75.0L/min；LF精炼过程用碳化硅130kg进行渣面脱氧，调整元素含量成分，出LF时取样检测，钢水中碳元素含量为0.705％，硅元素含量为0.156％，锰含量为0.565％，铝含量为0.004％，硫含量0.0586％。
(3)VD工序，真空度1.1mbar，高真空处理时间12min，RH或VD全程使用氮气作为提升气，真空保持时气体流量82.9L/min。
(4)在RH或VD处理结束软吹后喂入硫铁线30米，调整硫含量为0.066％；
(5)S含量调整结束后，利用喂丝机喂入100米Si-Mg包芯线，喂线速度180m/min。
(5)喂入镁元素后静搅时间为10分钟取样检测，上连铸。
冶炼终点成分含量为：C：0.70％，Si：0.157％，Mn：0.574％，P：0.0117％，S：0.065％，Al：0.0038％，V：0.0389％，Mg：0.0011％，余量为Fe，以及不可避免的杂质。
(6)连铸采用传统工艺浇注。
连铸采用320*420mm断面浇注，提高材料压缩比，减少材料的低倍缺陷，其中结晶器电磁搅拌电流450A*5，轻压下采用12mm大压下量的模式来降低铸坯的低倍缺陷级别。
实施例2：
本实施例的非调质钢冶炼采用100吨电炉，冶炼过程具体为：
(1)控制电炉终点：C：0.083％、P：0.0049％，出钢温度1642℃；出钢1分钟30秒开始依次往钢包中加入硅锰类合金694kg，硅铁87kg，石灰550kg，精炼渣254kg。
(2)LF炉全程吹氮，流量为75.0L/min；LF精炼过程用碳化硅70kg进行渣面脱氧，调整元素含量成分，出LF时取样检测，钢水中C：0.689％，Si：0.178％，Mn：0.567％，Alt：0.005％，S：0.0494％。
(3)VD工序，真空度1.1mbar，高真空处理时间12min，RH或VD全程使用氮气作为提升气，真空保持时气体流量71.2L/min。
(4)在RH或VD处理结束软吹后喂入硫铁线100米，调整硫含量为0.0622％；S含量调整结束后，利用喂丝机喂入150米Si-Mg包芯线，喂线速度180m/min。
(5)喂入镁元素后静搅时间为10分钟。
冶炼终点成分含量为：C：0.7059％，Si：0.165％，Mn：0.571％，P：0.0108％，S：0.0623％，Al：0.0035％，V：0.0378％，Mg：0.0015％，余量为Fe，以及不可避免的杂质。
(6)连铸采用传统工艺浇注。
连铸采用320*420mm断面浇注，提高材料压缩比，减少材料的低倍缺陷，其中结晶器电磁搅拌电流450A*5，轻压下采用12mm大压下量的模式来降低铸坯的低倍缺陷级别。
实施例3：
本实施例的非调质钢冶炼采用100吨电炉，冶炼过程具体为：
(1)控制电炉终点：C：0.071％、P：0.0056％，出钢温度1635℃；出钢1分钟30秒开始依次往钢包中加入硅锰类合金693kg，硅铁91kg，石灰550kg，精炼渣252kg。
(2)LF炉全程吹氮，流量为75.0L/min；LF精炼过程用碳化硅120kg进行渣面脱氧，调整元素含量成分，出LF时取样检测，钢水中C：0.685％，Si：0.182％，Mn：0.546％，Al：0.0092％，S：0.0611％。
(3)VD工序，真空度1.3mbar，高真空处理时间12min，RH或VD全程使用氮气作为提升气，真空保持时气体流量71.2L/min。
(4)在RH或VD处理结束软吹后喂入硫铁线120米，调整硫含量为0.069％；S含量调整结束后，利用喂丝机喂入200米Si-Mg包芯线，喂线速度180m/min。
(5)喂入镁元素后静搅时间为10分钟。
冶炼终点成分含量为：C：0.7206％，Si：0.171％，Mn：0.555％，P：0.0075％，S：0.069％，Al：0.0036％，V：0.0399％，Mg：0.0021％，余量为Fe，以及不可避免的杂质。
(6)连铸采用传统工艺浇注。
实施例4：
本实施例的非调质钢冶炼采用100吨电炉，冶炼过程具体为：
(1)控制电炉终点：C：0.069％、P：0.0044％，出钢温度1644℃；出钢1分钟30秒开始依次往钢包中加入硅锰类合金696kg，硅铁91kg，石灰550kg，精炼渣250kg。
(2)LF炉全程吹氮，流量为75.0L/min；LF精炼过程用碳化硅90kg进行渣面脱氧，调整元素含量成分，出LF时取样检测，钢水中C：0.704％，Si：0.229％，Mn：0.551％，Al：0.0045％，S：0.0084％。
(3)VD工序，真空度0.89mbar，高真空处理时间15min，RH或VD全程使用氮气作为提升气，真空保持时气体流量76.1L/min。
(4)在RH或VD处理结束软吹后喂入硫铁线150米，调整硫含量为0.0657％；S含量调整结束后，利用喂丝机喂入300米Si-Mg包芯线，喂线速度180m/min。
(5)喂入镁元素后静搅时间为10分钟。
冶炼终点成分含量为：C：0.70％，Si：0.19％，Mn：0.52％，P：0.0046％，S：0.062％，Al：0.0023％，V：0.0355％，Mg：0.0036％，余量为Fe，以及不可避免的杂质。
(6)连铸采用传统工艺浇注。
对比例1：
本实施例的非调质钢冶炼采用100吨电炉，冶炼过程具体为：
(1)控制电炉终点：C：0.096％、P：0.0044％，出钢温度1640℃；出钢1分钟30秒开始依次往钢包中加入硅锰类合金613kg，硅铁91kg，石灰550kg，精炼渣249kg。
(2)LF炉全程吹氮，流量为75.2L/min；LF精炼过程用碳化硅120kg进行渣面脱氧，调整元素含量成分，出LF时取样检测，钢水中C：0.691％，Si：0.151％，Mn：0.555％，Alt：0.0072％，S：0.0657％。
(3)VD工序，真空度0.89mbar，高真空处理时间12min，RH或VD全程使用氮气作为提升气，真空保持时气体流量71.2L/min。
(4)在RH或VD处理结束软吹后喂入硫铁线150米，调整硫含量为0.068％；S含量调整结束后，静搅时间为10分钟。
(5)冶炼终点成分含量为：C：0.7185％，Si：0.203％，Mn：0.559％，P：0.0053％，S：0.069％，Al：0.0038％，V：0.0385％，余量为Fe，以及不可避免的杂质。
(6)连铸采用传统工艺浇注。
上述实施例1～5与对比例1得到的非调质钢中的元素含量如下表1所示。
表1、本发明实施例及对比例1的化学成分对比(wt％)
元素 C Si Mn P S Al V Mg
对比例1 0.7185 0.203 0.559 0.0053 0.069 0.0038 0.0385 /
实施例1 0.70 0.157 0.574 0.0117 0.065 0.0038％ 0.0389 0.0011
实施例2 0.7059 0.165 0.571 0.0108 0.0623 0.0035 0.0378 0.0015
实施例3 0.7206 0.171 0.555 0.0075 0.069 0.0036 0.0399 0.0021
实施例4 0.70 0.19 0.52 0.0046 0.062 0.0023 0.0355 0.0036
图1是对比例1的金相图片，图2～5依次是实施例1～4的金相图片，可以看出，对比例1与实施例组织均为珠光体+沿晶析出的网状铁素体+部分晶内析出铁素体，但是晶粒度显著大于实施例1～4。实施例1～4的金相组织为珠光体+沿晶析出的网状铁素体+部分晶内析出铁素体，且随着镁元素含量的增加，珠光体和铁素体的比例增多，晶粒度不断细化。
利用Image Pro Plus 6.0软件对样品晶粒度进行测量，得到数据如表2所示，经过测量计算得出实施例不同镁含量，和对比例1样品的平均晶粒度及单位面积铁素体数量，如图6所示。可以看出，添加镁元素后，单位面积铁素体数量明显增加，镁对晶粒度细化明显，表明均匀分散的细小含镁夹杂物有助于针状铁素体的非均匀形核，使钢的显微组织更加细化。
当镁元素达到0.0036％后，细化晶粒效果达到饱和，因此，本发明将0.001-0.003％作为优选方案。
利用金相显微镜及扫描电子显微镜对钢中MnS夹杂物进行观察，如图7所示，对比例1中MnS夹杂物为长条状或树枝状，且易于聚集，对钢疲劳性能危害较大；图8是典型镁与MnS复合夹杂物的图片和成分测试；(a)为形貌图片，(b)为成分测试结果。如图9-12所示，实施例1-4中夹杂物分布均匀，且尺寸变小，与对比例相比，夹杂物形貌明显改善，夹杂物的数量明显减小，无聚集现象。其中，晶粒尺寸结果如下表2所示。
表2、样品晶粒尺寸测定(μm)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均值
对比例 175.43 298.56 205.89 203.44 118.81 99.28 101.36 137.17 51.84 84.34 147.61
实施例1 72.13 44.08 65.19 42.49 85.15 70.25 70.31 59.65 60.17 100.67 67.01
实施例2 52.83 75.84 61.09 58.81 32.73 51.91 42.23 35.11 53.75 45.45 50.98
实施例3 39.72 26.64 41.85 43.64 38.96 22.29 24.58 22.99 46.28 25.01 33.20
实施例4 47.52 53.24 31.29 27.23 37.17 34.85 17.86 50.36 36.71 20.68 35.691
对比例2：
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于冶炼终点镁元素的成分含量，Mg元素含量为0.004％，
测试结果发现，控制冶炼工艺，使得Mg元素含量超出0.0036wt％时，以0.004wt％为例，试验结果发现晶粒度显著变大，夹杂物聚集现象明显。
对比例3：
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于在VD或RH工序，喂入Si-Mg包芯线前需控制钢种活度氧为18～20ppm。
测试结果发现，在VD或RH工序，喂入Si-Mg包芯线前需控制钢种活度氧略超出5-15ppm范围时，夹杂物数量明显增多，呈大块聚集状，力学性能显著降低。

Claims (7)

1.一种细晶粒曲轴用非调质钢，其特征在于包括按重量百分比计的如下成分：C：0.65～0.75％，Si：0.15～0.25％，Mn：0.5～2.5％，P≤0.02％，S：0.06～0.07％，Al≤0.01％，V：0.03～0.04％，Mg：0.001～0.0036％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的细晶粒曲轴用非调质钢，其特征在于：重量百分比计的成分中，Mg含量为0.001～0.003％。
3.根据权利要求1所述的细晶粒曲轴用非调质钢，其特征在于：所述非调质钢的金相组织为珠光体和晶内铁素体。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的细晶粒曲轴用非调质钢的冶炼方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)转炉冶炼，控制转炉终点：C≥0.06％、P≤0.015％，控制出钢温度1625+20℃，出钢1/4开始依次往钢包中加入合金及渣料；
(2)LF炉全程吹氮，LF精炼过程用铝粒及碳化硅进行渣面脱氧，依次调整元素成分；
(3)RH或VD，控制真空度小于2mbar，处理时间≥12min，RH或VD全程使用氮气作为提升气；在RH或VD处理结束后按目标喂加MnN线，然后喂入硅钙线，软吹后根据钢水硫含量使用硫铁线调整硫含量；硫含量调整结束后，利用喂丝机喂入Si-Mg包芯线，喂入镁元素后静搅；
(4)连铸浇注得到钢坯。
5.根据权利要求4所述的细晶粒曲轴用非调质钢的冶炼方法，其特征在于：步骤(3)中，在VD或RH工序，喂入Si-Mg包芯线前，控制钢种中的氧含量为5-15ppm。
6.根据权利要求4所述的细晶粒曲轴用非调质钢的冶炼方法，其特征在于：在VD或RH工序，其他成分调整结束后，向钢液中喂入硅镁包芯线，使钢液的镁含量为0.001％～0.003％。
7.根据权利要求4所述的细晶粒曲轴用非调质钢的冶炼方法，其特征在于：喂入Si-Mg包芯线后静搅时间为10-15分钟。
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