CN114182162B - 一种非调质钢的冶炼方法、非调质钢及连杆 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种非调质钢的冶炼方法、非调质钢及连杆，属于钢铁生产领域。本申请通过对初炼炉出钢过程加Al量、LF精炼过程Al含量、上连铸前钢液终点Ca含量和Al含量的精确控制，尤其是在真空处理过程在RH真空槽内采用保留一定大气压的条件下加入含钙合金等关键工艺进行控制，可以在铸坯中得到大量均匀分布的、块状规则形貌的、III类含Ca类硫化物(Ca,Mn)S，该硫化物占所有硫化物的比例≥85％，且该含Ca硫化物(Ca,Mn)S中，Ca的质量百分数为0.5％～10％，该类型硫化物在轧制过程不易变形，成纺锤状，同时避免了钢中严重带状组织的生成，大大降低了连杆涨断过程裂纹扩展阻力，提高了非调质钢的涨断性能。

Description

一种非调质钢的冶炼方法、非调质钢及连杆
技术领域
本申请涉及钢铁生产技术领域，尤其涉及一种非调质钢的冶炼方法、非调质钢及连杆。
背景技术
连杆是汽车发动机的一个关键部件，它连接活塞和曲轴，将活塞的直线往复运动转化成曲轴的旋转运动，推动汽车前进。高强度、易切削性、涨断性能是非调质连杆用钢的三个主要性能指标，高强度是汽车轻量化的基础，在此基础上，良好的切削性能和涨断性能是目前连杆材料不断追求的目标。
涨断工艺过程是：首先在连杆大头位置两侧开槽，然后施加横向膨胀力，使连杆大头裂开，形成独一无二的裂解面，最后对连杆进行加工、装配。由于裂解面自然形成，裂纹位置一一对应，连杆不会发生横向位移，加工精度高。涨断工艺是目前最主要的连杆方式，避免了传统连杆的分体加工，大大提高了连杆的加工效率和精度。
涨断性能差的表现形式有：(1)裂解过程连杆大头失圆(原来是圆的，受力变成椭圆了)；(2)裂解过程断面不齐、掉渣(裂解过程裂纹扩展时错位、分叉，造成部分金属从基体分离)；(3)裂纹在扩展的过程中阻力大，裂解不开。裂解过程裂纹扩展不畅，是涨断性能差的主要原因。所以，目前对连杆材料的塑性和冲击性能都有上限要求。
为提高钢的涨断性能，现有技术中，常常向钢中加入弱化晶界的元素，例如P、Cu等，这些元素在晶界聚集，使钢变脆，涨断过程中裂纹沿着晶界迅速扩展，避免断口掉渣、大头变形的情况发生。然而，增加钢中P元素，会导致钢出现明显的冷脆现象，且偏析的P元素容易导致严重的带状组织，造成材料力学性能上的各向异性；Cu元素太高也会导致连铸坯表面出现明显的裂纹缺陷。
为保证连杆加工过程良好的切削性能，绝大部分连杆用钢中都加入了常见的S元素，其形成的硫化物可以促进断屑，提高可加工性。研究表明，裂解过程一般是垂直于金属变形方向(例如轧制方向)，即裂解方向是垂直于钢中硫化物长度方向，示意图如图1所示。裂纹在扩展过程中直接将硫化物破坏、穿过硫化物，或者沿着硫化物和基体界面向前扩展。长条状硫化物大大延长了裂纹扩展路径，增加裂纹扩展功，阻碍了涨断裂解过程的快速进行。相比而言，长宽比较小的纺锤状硫化物对裂纹扩展影响较小。因此，将长条状硫化物变性为纺锤状或球状硫化物，也可以提高连杆用钢的涨断性能。
现有技术中，CN106939391A公开了一种Ca微合金化易切削高强度涨断连杆用钢及制造方法，其主要通过控制钢中Ca、S、Ca/S来控制钢中硫化物形貌，进而实现连杆用钢高的屈服强度、抗拉强度及较高的疲劳性能，切削加工性良好，且具有良好的脆性涨断性能，但是该现有技术未对Ca合金的加入方式和时机进行具体描述。
因此，本领域亟需开发一种涨断性能良好的非调质钢以及其制备方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请提供一种非调质钢的冶炼方法、非调质钢及连杆，该冶炼方法可操作性强，制备的非调质钢具有良好的涨断性能，能够很好地应用于连杆中。
本申请的第一方面是提供一种非调质钢的冶炼方法，该方法包括：初炼炉冶炼，LF精炼，RH真空处理，连铸；
初炼炉冶炼过程中，控制加Al量为0.2kg/吨钢～0.5kg/吨钢；
LF精炼过程中，控制Al含量范围为0.002wt％～0.010wt％；
RH真空处理过程中，在真空度<67Pa的高真空环境下熔炼15～20分钟后，将真空槽内压力控制在0.1～0.6个大气压，在真空槽内加入含Ca合金，控制钢液中Ca含量在0.0010wt％～0.0020wt％，然后立即破真空，RH结束后进行Ca合金化；
连铸前，钢液中Ca含量控制范围为0.0010wt％～0.0030wt％，Al含量控制范围为0.020wt％～0.040wt％。
在一种可选的实施方式中，所述初炼炉冶炼结束后，控制C含量在0.08wt％～0.15wt％范围内。
在一种可选的实施方式中，连铸过程钢水过热度按照30～45℃控制。
本申请的第二方面是提供一种非调质钢，该调质钢由上述冶炼方法制得。
该非调质钢的化学成分包括：C：0.35wt％～0.75wt％，Si：0.15wt％～0.70wt％，Mn：0.50wt％～1.60wt％，P：0.005wt％～0.060wt％，S：0.04wt％～0.12wt％，Al：0.016wt％～0.040wt％，Ca：0.0010wt％～0.0030wt％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
在一种可选的实施方式中，非调质钢还含有Nb：0.01wt％～0.045wt％、V：0.03wt％～0.35wt％、Cr：0.10wt％～0.50wt％、Mo：0.01wt％～0.05wt％、Ni：0.01wt％～0.04wt％、N：0.005wt％～0.02wt％中的一种或几种。
在一种可选的实施方式中，非调质钢铸坯中的硫化物中，含Ca硫化物(Ca,Mn)S占所有硫化物比例≥85％。所述含Ca硫化物(Ca,Mn)S中，Ca的质量百分数为0.5％～10％。
在一种可选的实施方式中，非调质钢铸坯经过25～300的轧制压缩比后，轧材中沿着轧制方向统计，钢中硫化物长度≥3μm的数量范围为在100～800个/mm2，硫化物长宽比≤5的比例为≥85％。
在一种可选的实施方式中，非调质钢轧材带状组织评级≤1.0级比例≥95％。
本申请的第三方面是提供一种连杆，该连杆采用上述非调质钢制备而成。
本申请的有益效果在于：通过对初炼炉出钢过程加Al量、LF精炼过程Al含量、上连铸前钢液终点Ca含量和Al含量的精确控制，尤其是在真空处理过程在RH真空槽内采用保留一定大气压的条件下加入含钙合金等关键工艺进行控制，可以在铸坯中得到大量均匀分布的、块状规则形貌的、III类含Ca类硫化物(Ca,Mn)S，该硫化物占所有硫化物的比例≥85％，且该含Ca硫化物(Ca,Mn)S中，Ca的质量百分数为0.5％～10％，该类型硫化物在轧制过程不易变形，成纺锤状，大大降低了连杆涨断过程裂纹扩展阻力。此外，纺锤状硫化物避免了钢中严重带状组织的生成，同样降低了涨断过程裂纹扩展阻力，二次提高了非调质钢的涨断性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1：硫化物形貌(长宽比)对涨断过程的影响示意图；
图2：不同放大倍数下的非调质钢中硫化物和带状组织形貌；
图3：本申请实施例1的铸态硫化物形貌；
图4：本申请实施例1的轧态硫化物形貌；
图5：本申请对比例1的铸态硫化物形貌；
图6：本申请对比例1的轧态硫化物形貌。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如前所述，在连杆用钢的各种性能中，涨断性能是连杆加工过程中的一种重要加工性能，现有技术中，已经提出了通过加入弱化晶界的元素如P、Cu来改善连杆用钢的涨断性能，但是这些现有技术，并没有对硫化物形貌和组织对涨断性能的影响进行深入研究。
本申请人经过研究发现，除了硫化物自身形貌对非调质钢的涨断性能有重要影响外，长条状硫化物很容易促进带状组织生成，如图2所示。图2(a)为非调质钢经过轧制后的室温组织，铁素体(白色)和珠光体(灰色)间隔分布，铁素体成明显的条带状形貌，即典型带状组织形貌；图2(b)为更高倍数的室温组织形貌，图中右侧可以发现白色带状铁素体内部存在黑色长条状硫化物，而左侧正常白色铁素体组织中存在的硫化物为球状，表明长条状硫化物是促进带状组织生成的重要原因。裂解过程，由于裂纹更容易沿着不同组织界面扩展，裂纹垂直穿过带状组织时，也会延长扩展路径、增加扩展功，阻碍裂解过程的快速进行，严重的情况下可能导致产品出现断口掉渣、不齐的缺陷。
基于此，将长条状硫化物转化为纺锤状硫化物或球状硫化物，即降低硫化物的长宽比，可以同时改善非调质钢中的带状组织，有效改善连杆用钢的涨断裂解性能。因此，本申请提出了一种涨断连杆用非调质钢的冶炼方法，主要是通过控制Al、Ca含量以及对应的合金化工艺，在铸态下得到III类含Ca类硫化物，该类型硫化物在轧制过程不易变形，成纺锤状，从而改善钢的裂解性能。
为了获得含有上述硫化物的连杆用非调质钢，本申请提供一种连杆用非调质钢的冶金方法，所述方法包括：初炼炉(转炉或电炉)冶炼、LF精炼、RH真空处理、连铸工序。该方法的特点在于，严格控制初炼炉出钢过程加Al量、LF精炼过程Al含量、上连铸前钢液终点Ca含量和Al含量，以及在真空处理过程在RH真空槽内加入含钙合金，从而在铸坯中得到大量均匀分布的、块状规则形貌的、III类含Ca类硫化物。
初炼炉结束后，控制C含量在0.08wt％～0.15wt％范围内，控制加Al量在0.2kg/吨钢～0.5kg/吨钢范围内。
其中，将C含量控制在此范围，可以兼顾初炼炉脱P、提温的功能(希望C含量低)，以及钢液中自由氧含量低的要求(希望C含量高)。Al合金的加入，主要是为了降低出钢后钢液中的自由氧含量。Al合金加入量过少，钢中脱氧不充分，钢水洁净度差；Al合金加入量过多，合金成本高，且不利于LF过程Al含量的控制。
LF精炼工序中，Al含量控制范围为在0.002wt％～0.010wt％。该步骤中，Al含量控制过低，钢中溶解氧含量高，钢水洁净度差；Al含量控制过高，钢液中S元素控制不稳定，容易进入渣相。
RH真空处理过程中，在高真空(<67Pa)的环境下处理15～20分钟后，将真空槽内压力控制0.1～0.6个大气压，在真空槽内加入含Ca合金，控制钢液中Ca含量在0.0010wt％～0.0020wt％，然后立即破真空。
该工序中，首先进行常规的RH脱气操作，降低钢液中N、H等气体元素，并促进钢中有害夹杂物尽量上浮去除。然后将真空槽内压力控制在0.1～0.6个大气压，在真空槽内加入含Ca合金，保证钢液中Ca含量在0.0010wt％～0.0020wt％范围内。钢液中Ca含量的稳定化控制是改善硫化物形貌、提高连杆涨断性能的成分基础。
现有技术一般在RH真空处理后加入Ca线进行Ca合金化，这种方法会出现强烈的钢渣反应，造成卷渣，影响钢液洁净度。本申请中，在RH真空槽中加入含Ca合金，合金直接进入钢水，真空槽内基本没有炉渣，可以避免Ca合金化过程中炉渣卷入钢液。
同时，现有技术中还存在真空前进行Ca合金化的操作，但实际生产中发现，经过RH真空处理后，由于Ca元素蒸气压低，钢液中的Ca元素大部分气化损失。这种方法造成Ca合金浪费，以及Ca含量控制的不稳定。
本申请中RH真空槽内压力控制在0.1～0.6个大气压，真空度控制主要考虑到Ca元素蒸气压低、容易挥发。压力过低，Ca合金损失大，且容易导致钢水在真空槽内翻滚剧烈；压力过大，真空槽内钢水量太少，Ca合金可能不能直接进入钢液。
RH破真空后，检验钢水成分，根据检验结果适当添加Ca线和Al线，控制钢液中Ca含量控制范围为0.0010wt％～0.0030wt％，终点Al含量控制范围为0.020wt％～0.040wt％。Ca含量的控制范围是保证钢中硫化物能够充分变性的成分基础(得到不易变形的(Ca,Mn)S)；Al含量的控制范围是为了保证钢中硫化物是III类形貌(单个块状形貌，分布较为均匀)。
吊包上连铸前，钢液中Ca含量控制范围为0.0010wt％～0.0030wt％，终点Al含量控制范围为0.020wt％～0.040wt％。
连铸过程，钢水过热度按30～45℃控制。含硫含铝控Ca的钢水在冷却和凝固过程会生成大量高熔点夹杂物。过热度偏低，大量高熔点夹杂物堵塞水口，容易导致钢水断浇，影响生产顺行。过热度过高，会导致铸坯中心出现疏松和孔洞缺陷，影响轧材中心质量。
经过上述冶炼方法制备获得的连铸坯上均匀分布的、块状规则形貌的含Ca类硫化物主要是III类硫化物，主要成分为(Ca,Mn)S，该硫化物占所有硫化物的比例≥85％，且该含Ca硫化物(Ca,Mn)S中，Ca的质量百分数为0.5％～10％。
需要说明的是，铸坯中的硫化物一般按照形貌分为3类：I类为球状，一般为单个复合氧硫化物，在钢中分布较为均匀；II类为链状或簇状，一般沿铸态晶界聚集分布；III类为规则的块状，一般单个随机分布。II类硫化物具有两个特点，一是聚集分布，二是在轧制过程中非常容易变形成细长条状，所以一般钢中尽量避免II类硫化物生成。
现有技术一般希望得到I类硫化物，而本申请所得到的铸态硫化物主要是成分为(Ca,Mn)S的III类硫化物，主要是通过控制钢中Al、Ca含量控制实现。
成分上，得到的(Ca,Mn)S类硫化物，Ca元素的质量百分数在0.5wt％～10wt％。研究表明：硫化物中只要较少的Ca元素就能提高其轧制过程中的高温抗变形性能，使硫化物在轧制后成纺锤状，而不是严重变形的细长条状。硫化物中Ca元素比例不能太高，因为钢中Ca/S比只约为0.03左右，当某些硫化物含有过高的Ca比例，可能导致其他硫化物中没有Ca元素。因此，为了保证大部分硫化物成纺锤状形貌，Ca元素需要在硫化物中少量、均匀的分布，即需要控制硫化物中Ca比例的上限是10wt％。
本申请的另一方面是提供一种非调质连杆用钢，其由上述的冶炼方法制得。
该非调质连杆用钢主要化学成分包括：C：0.35wt％～0.75wt％，Si：0.15wt％～0.70wt％，Mn：0.50wt％～1.60wt％，P：0.005wt％～0.060wt％，S：0.04wt％～0.12wt％，Al：0.016wt％～0.040wt％，Ca：0.0010wt％～0.0030wt％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。其中，重点控制Al、Ca的含量，从而可以获得合适的硫化物形貌，该钢的连铸坯中，含Ca硫化物(Ca,Mn)S占所有硫化物比例≥85％。所述含Ca硫化物(Ca,Mn)S中，Ca的质量百分数为0.5wt％～10wt％。
可选地，该非调质连杆用钢含有Nb：0.01wt％～0.045wt％、V：0.03wt％～0.35wt％、Cr：0.10wt％～0.50wt％、Mo：0.01wt％～0.05wt％、Ni：0.01wt％～0.04wt％、N：0.005wt％～0.02wt％中的一种或几种。通过控制这些成分的含量，可以提高连杆用钢的强度。
该非调质连杆用钢铸坯经过25～300的轧制压缩比后，轧材中沿着轧制方向统计，钢中硫化物长度≥3μm的数量范围为在100～800个/mm2，硫化物长宽比≤5的比例为≥85％，轧材带状组织评级≤1.0级比例≥95％。
本申请第三方面是提供一种连杆，该连杆采用上述的具有特殊形态硫化物的非调质钢制备而成，制备成连杆后，其涨断合格率≥99.8％。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种非调质钢的冶炼工艺，包括：初炼炉冶炼，LF精炼，RH真空处理，连铸；
初炼炉冶炼工序中，控制终点C含量为0.12％，加Al量为0.32kg/吨钢；
LF精炼过程中，控制Al含量范围为0.002％～0.010％；
所述RH真空处理过程中，在真空压力<67Pa的条件下熔炼18分钟，将真空槽控制在0.4个大气压下加入60kg的含Ca合金，检验钢液中的Ca含量为0.0016％。
所述连铸前，浇注前钢中的Ca含量为0.0023％、Al含量为0.024％，过热度38℃。
该非调质钢的化学成分为：C：0.71wt％，Si：0.21wt％，Mn：0.59wt％，P：0.017wt％，S：0.065wt％，Al：0.021wt％，Ca：0.0014wt％，V：0.036wt％，Cr：0.13wt％，Ni：0.07wt％，N：0.015wt％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
实施例2-3以及对比例1-3的冶炼工艺及获得的非调质钢成分见表1和表2。
表1非调质钢的主要冶炼工艺
Figure BDA0003424176150000101
Figure BDA0003424176150000111
表2非调质钢的成分/wt％
熔炼成分 C Si Mn P S Al Ca Nb V Cr Mo Ni N
实施例1 0.71 0.21 0.59 0.017 0.065 0.021 0.0014 / 0.036 0.13 / 0.07 0.015
实施例2 0.37 0.25 1.24 0.051 0.083 0.018 0.0012 / 0.25 0.17 / / 0.0048
实施例3 0.45 0.66 1.15 0.011 0.062 0.024 0.0019 0.028 0.015 / 0.03 / 0.016
对比例1 0.70 0.21 0.60 0.012 0.059 0.021 0.0007 / 0.036 0.14 / 0.06 0.016
对比例2 0.36 0.22 0.27 0.048 0.077 0.020 0.0008 / 0.26 0.16 / / 0.0043
对比例3 0.46 0.62 1.13 0.009 0.059 0.022 0.0010 0.026 0.017 / 0.03 / 0.015
对实施例和对比例的非调质钢的铸态以及轧态的硫化物特征、组织、力学性能进行检测，结果分别如表3和表4所示。
表3非调质钢的铸态硫化物特征
序号 (Ca,Mn)S占所有硫化物的比例/％ (Ca,Mn)S硫化物中平均Ca含量/wt％
实施例1 92.4 3.17
实施例2 90.7 2.15
实施例3 94.0 3.66
对比例1 59.2 6.90
对比例2 41.7 4.22
对比例3 70.4 3.56
表4非调质钢的轧态硫化物特征、带状组织、力学性能
Figure BDA0003424176150000121
由表3和4可知，实施例1通过对冶炼过程中Al、Ca等元素添加量和添加方式的精确控制，可以获得良好的非调质钢的铸态、轧态硫化物特征。具体地，如图3-4所示，实施例1的非调质钢铸态组织中，以III类含Ca类硫化物为主，而且在经过轧制后的轧态组织中，硫化物的变形很小。而对比例1在RH真空处理过程中，添加Ca合金时的真空度较低，导致Ca的收得率偏低，材料上的Ca含量仅为0.0007wt％，如图5-6所示，对比例1的非调质钢在铸态组织中，主要以聚集分布的、簇状的II类硫化物为主，III类含Ca硫化物的比例偏低，Ca分布也不均匀，得硫化物在后续的轧制过程中发生明显变形，成细长条状，长宽比≤5的硫化物比例只有21.6％，不利于非调质钢的涨断性能。对比例2在初炼工序结束后，C含量控制不合理，LF工序Al添加量不合理，导致最终Ca的收得率、Ca含量都偏低。对比例3中，连铸工序钢水过热度控制不合适，导致连铸水口堵塞严重，剩余部分钢水未浇完，影响了正常生产。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非调质钢的冶炼方法，所述方法包括：初炼炉冶炼，LF精炼，RH真空处理，连铸；其特征在于：
所述初炼炉冶炼结束后，控制加Al量为0.2kg/吨钢～0.5kg/吨钢，控制C含量在0.08wt％～0.15wt％范围内；
所述LF精炼过程中，控制Al含量范围为0.002wt％～0.010wt％；
所述RH真空处理过程中，在真空度<67Pa的高真空环境下熔炼15～20分钟后，将真空槽内压力控制在0.1～0.6个大气压，在真空槽内加入含Ca合金，控制钢液中Ca含量在0.0010wt％～0.0020wt％，然后立即破真空；RH结束后进行Ca合金化；
所述连铸前，钢液中Ca含量控制范围为0.0010wt％～0.0030wt％，Al含量控制范围为0.020wt％～0.040wt％；
所述连铸过程，钢水过热度为30～45℃；
所述非调质钢的化学成分包括：C：0.35wt％～0.75wt％，Si：0.15wt％～0.70wt％，Mn：0.50wt％～1.60wt％，P：0.005wt％～0.060wt％，S：0.04wt％～0.12wt％，Al：0.016wt％～0.040wt％，Ca：0.0010wt％～0.0030wt％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
2.一种非调质钢，其特征在于，其由权利要求1所述的冶炼方法制得。
3.根据权利要求2所述的非调质钢，其特征在于，所述非调质钢还含有Nb：0.01wt％～0.045wt％、V：0.03wt％～0.35wt％、Cr：0.10wt％～0.50wt％、Mo：0.01wt％～0.05wt％、Ni：0.01wt％～0.04wt％、N：0.005wt％～0.02wt％中的一种或几种。
4.根据权利要求2或3所述的非调质钢，其特征在于，所述非调质钢铸坯中的硫化物中，含Ca硫化物(Ca,Mn)S占所有硫化物比例≥85％。
5.根据权利要求4所述的非调质钢，其特征在于，所述含Ca硫化物(Ca,Mn)S中，Ca的质量百分数为0.5％～10％。
6.根据权利要求4所述的非调质钢，其特征在于，所述非调质钢铸坯经过25～300的轧制压缩比后，轧材中沿着轧制方向统计，钢中硫化物长度≥3μm的数量范围为在100～800个/mm2，硫化物长宽比≤5的比例≥85％。
7.根据权利要求6所述的非调质钢，其特征在于，所述非调质钢轧材带状组织评级≤1.0级比例≥95％。
8.一种连杆，其特征在于，采用权利要求2-7中任一项的非调质钢制备而成。
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