CN114480796A - 一种不经球化退火得到均匀粒状珠光体组织的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不经球化退火得到均匀粒状珠光体组织的方法，本方法为在冶炼过程中使用氩气于加压感应炉的铁液上方营造出3MPa的炉内静压力，预脱氧后，放入镍镁合金进行深脱氧与微合金化，并确保钢液中的Mg质量分数为0.05％～0.07％，利用该方法获得的含有目标Mg质量分数的成品钢种，仅需进行完全退火工艺即可得到大小均匀，弥散化的粒状珠光体组织。本发明的方法合理利用Mg细化组织的特点，综合加压冶炼将Mg含量精确控制在质量分数较高的成分范围内，于该范围内时，钢仅需经过一次完全退火即可得到细小弥散的粒状珠光体组织，大幅度节省能耗、提高生产效率，同时性能影响较小。
Description
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种不经球化退火得到均匀粒状珠光体组织的方法。
背景技术
共析钢、过共析钢及合金工具钢由于具有良好的强度、硬度、塑性、韧性及工艺性能，被广泛应用于人民生产生活的许多领域。同时由于此类钢种需要加工为各类冷作模具、刃具、工具等，需要具有较好的加工性能，因此往往要经过不同程度的球化退火工艺降低硬度，均匀组织，改善切削加工性能。但是为了保证球化效果的均匀性，通常需要在一定温度下保温较长时间且随炉冷却，这使得生产时间较之其他钢种大大延长，降低了生产效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不经球化退火得到均匀粒状珠光体组织的方法，解决以下技术问题：在加压感应炉中高压力冶炼时加镍镁合金进行微合金化，致力于通过Mg微合金化使得共析钢、过共析钢中的片状珠光体组织球化，同时减少热加工工序，节约生产时间，提高生产效率，大幅度降低能耗。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种不经球化退火得到均匀粒状珠光体组织的方法，该方法包括如下步骤：
S1、配料：依照目标钢种成分，计算并称重所需原料；
S2、熔炼：将炉料包括工业纯铁、不易烧损的合金料置于镁砂坩埚中；将易烧损合金料、预脱氧剂、镍镁合金顺序依次置于内置密封仓内；抽真空后升温至炉料熔清；易烧损金属料指主元素为硅、锰的金属料；
S3、预脱氧与合金化：向步骤S2的炉料中，添加金属铝后保温；依次加入易烧损合金料，保温；
S4、加压：充入氩气使炉内压力超过常压，并持续充气至达到预设压力条件；
S5、微合金化：压力达到预设条件并稳定后，由密封仓加入镍镁合金；2min后，由密封仓加入另一半镍镁合金，达到稳定压力后保温一定时间；
S6、浇铸：浇铸温度控制在高于钢液液相线温度100℃；浇铸结束后保压一段时间，冷却、排除气体后取出钢锭；
S7、热处理：将钢锭加热至Ac3以上20～30℃，保温一定时间后空冷，即可获得均匀的粒状珠光体组织。
作为本发明进一步的方案：所述目标钢种为碳含量范围为0.77％～1.00％的共析钢、过共析钢或合金工具钢中的一种。
作为本发明进一步的方案：目标钢种中Mg的质量分数控制在0.05％～0.07％范围内。
作为本发明进一步的方案：在步骤S2中，所述炉料在抽真空至10Pa以内，再进行加热升温熔清。
作为本发明进一步的方案：在步骤S3中，预脱氧的金属铝添加量为0.5kg/吨目标钢种。
作为本发明进一步的方案：在步骤S3中，预脱氧的条件为真空条件下添加金属铝预脱氧，加金属铝后的保温时间为3min。
作为本发明进一步的方案：在步骤S3中，加入另一半易烧损合金料后的保温时间为2min。
作为本发明进一步的方案：在步骤S4中，所述充入氩气所达到的压力值为2.98～3.02MPa。
作为本发明进一步的方案：在步骤S5中，加入镍镁合金后的保温时间为3min。
作为本发明进一步的方案：在步骤S6中，浇铸后保持压力的时间为20min；浇铸温度优选为钢液相线温度上100℃，其中液相线温度由经验公式：t1＝1538-90w[C]-6.2w[Si]-1.7w[Mn]-1.3w[V]-1.0w[W]-1.8w[Cr]-33w[Mo]-28w[P]-40w[S]-90w[N]-65w[O]，(其中w表示各元素的质量分数)计算得出，以避免因温度过低钢液粘稠浇钢不顺。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供一种不经球化退火得到均匀粒状珠光体的方法，主要是在高压力环境下，通过添加镍镁合金进行微合金化，充分利用其细化组织，使片状或条状碳化物转变为粒状或近球状碳化物的效果，并通过结合理论分析及实验论证界定了转化作用的质量分数区间，并成功不通过球化退火便得到了均匀的粒状珠光体组织；
(2)本发明在加压条件下添加镍镁合金对钢液进行微合金化，减少镁在钢液中烧损的同时，结合理论分析和实验论证探索出了仅通过完全退火即可得到均匀弥散分布的加工和切削性能较佳的粒状珠光体组织，极大的降低了生产所需能耗，提高了生产效率，同时提升成品率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为对比例中制备的SKS51钢，在完全退火后，使用4％的硝酸酒精腐蚀后，使用扫描电子显微镜拍摄的珠光体组织图；
图2为对比例中制备的SKS51钢，经过完全退火，再球化退火后，使用4％的硝酸酒精腐蚀，使用扫描电子显微镜拍摄的珠光体组织图；
图3为实施例1中制备的SKS51钢，在完全退火后，使用4％的硝酸酒精腐蚀后，使用扫描电子显微镜拍摄的珠光体组织图；
图4为实施例2中制备的SKS51钢，在完全退火后，使用4％的硝酸酒精腐蚀后，使用扫描电子显微镜拍摄的珠光体组织图；
图5为实施例3中制备的SKS51钢，在完全退火后，使用4％的硝酸酒精腐蚀后，使用扫描电子显微镜拍摄的珠光体组织图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
镁元素相较于其他几种元素沸点更低，1873K时的蒸气压更高。这使得常规冶炼条件下镁在钢中的应用非常困难。目前，镁的冶金作用研究多为微量镁的研究，即所研究的镁质量分数不超过0.02％，应用场景中镁的质量分数则更是低于此范围。
微量镁对镍基和铁基合金中碳化物的形态、尺寸和均匀度有明显的改善作用，且大部分学者认为适量的镁细化了长条状碳化物。同时钢中镁可转变碳化物形态，使片状或条状碳化物转变为粒状或近球状碳化物，除此以外，镁还可使钢中退火态碳化物细化。并且通过电解提取碳化物发现镁对碳化物的组成产生了一定的影响，主要表现为碳质量分数降低，铬和铁质量分数增加。微量镁可使片状渗碳体出现了断点，使珠光体片层不再连续并且明显变薄。镁元素在轴承钢中起到了球化渗碳体的作用，并且这种作用随镁质量分数的增加而增强。基于微量镁含量条件下的此类作用，本发明通过综合利用加压手段，将钢中的镁含量提高到了较高的水平，并确定了镁使钢中珠光体球化的最佳作用范围，提供了一种不需要经过球化退火即可得到粒状珠光体组织的方法。
参阅附图1-5所示，本发明的方法适用于碳含量范围为0.77％～1.00％的共析钢、过共析钢和合金工具钢，且钢中的Mg的质量分数需要控制在0.05％～0.07％范围内。
为了更好的解释本发明内容，以便理解，通过具体的实施方式，对本发明作更为详细地描述。
本发明下面所举的实施例中，冶炼设备为25kg加压感应炉，装炉为20kg，冶炼钢种为SKS51钢，其所用冶炼原料的主要成分如表1所示，其成分控制范围及目标如表2所示。
表1冶炼所用原料主要成分表(wt％)
| 合金 | C | Si | Mn | P | S | Cr |
| 工业Si | - | 99.96 | - | - | - | - |
| 金属Cr | 0.008 | 0.23 | - | ≤0.003 | 0.004 | 99.17 |
| 电解Mn | 0.03 | 0.01 | 99.27 | - | - | - |
| 镍镁合金 | - | - | - | - | - | - |
| Al粒 | - | - | - | - | - | - |
| 工业纯铁 | 0.0024 | 0.009 | 0.024 | 0.01 | 0.0034 | 0.03 |
续表1冶炼所用原料主要成分表(wt％)
| 合金 | Al | Ni | Mg | Fe |
| 工业Si | ≤0.1 | - | - | - |
| 金属Cr | 0.14 | - | - | 0.19 |
| 电解Mn | - | - | - | - |
| 镍镁合金 | - | 70 | 30 | - |
| Al粒 | 99.500 | - | - | - |
| 工业纯铁 | 0.002 | - | - | 99.905 |
表2 SKS51钢成分控制范围和实验钢种目标成分(wt％)
| 元素 | C | Si | Mn | Cr | Ni | Al | P | S | O | N |
| 成分 | 0.82 | 0.20 | 0.40 | 0.35 | 1.7 | 0.05 | ≤0.03 | ≤0.03 | 0.0020 | 0.010 |
冶炼步骤如下：
(1)配料：依照目标钢种成分，计算并称重所需原料，原料种类为：工业纯铁、金属铬、石墨块、工业硅、电解铝和电解锰；所需原料重量如表3所示；
表3冶炼1炉次SKS51钢所需原料重量(kg)
将工业纯铁、金属铬、电解镍放置于坩埚中；石墨块、工业硅和镍镁合金按顺序置于内置密封仓内；
(2)熔炼：将炉料包括工业纯铁、金属铬和电解镍置于炉中，抽真空至低于10Pa，后升温至1600℃，待炉料熔清；
(3)脱氧与合金化：向步骤(2)的炉料中，添加金属铝后保温3min；依次加入石墨块、工业硅，保温2min；
(4)加压下镁处理：充入2.98～3.02MPa氩气，并待压力稳定后，加入镍镁合金，达到稳定压力后保温5min；
(5)浇铸：浇铸温度控制在1560℃～1570℃；浇铸结束后保压20min，排出气体至常压，待冷却后取出钢锭；
(6)热处理：将钢件或钢材加热至750℃，保温8min后空冷至室温。
进行冶炼的SKS51钢因为加入的镍镁合金的含量不同，分为三个实施例，其中实施例1、2、3中加入的镍镁合金质量分别为0.12kg、0.24kg、0.48kg，最后依照上述方法冶炼获得的SKS51钢除铁外的化学成分如表4所示。
对比例
同样依照上述步骤冶炼制备的SKS51钢，不同之处在于没有加入镍镁合金，使用常规冶炼方法进行冶炼，制备的SKS51钢的化学成分除铁外，如表4所示。
表4实验钢铸锭成分(wt％)
实施例4
将对比例升温至640℃，保温120min炉冷至500℃出炉空冷至室温以对其进行球化退火处理。并将对比例和球化退火后的对比例依次用240、400、600、800、1000、1200、1500、2000目砂纸对样品进行磨光。采用W1.5抛光膏和抛光布对样品进行抛光。对抛光后的样品用4％硝酸酒精进行腐蚀。用扫描电镜对样品进行分析。分析结果如图1、图2所示；
可以看出对比例经过球化退火工艺后其片层状珠光体组织中的碳化物有了一定程度的球化，但是球化效果不均匀且不彻底，钢中依然有较多的片层状组织留存，因此会对钢的加工性能造成一定的影响。
实施例5
将实施例1-3制备的SKS51钢依次用240、400、600、800、1000、1200、1500、2000目砂纸对样品进行磨光。采用W1.5抛光膏和抛光布对样品进行抛光。对抛光后的样品用4％硝酸酒精进行腐蚀。用扫描电镜对样品进行分析。分析结果如图3、图4、图5所示，从图3、图4中可以看出，实施例1和实施例2中已经完全且均匀球化为粒状珠光体组织，而实施例3中的Mg质量分数由于远高于本发明所涉范围，所以球化不完全，有一定的片层状珠光体残留。
实施例6
将实施例1-3制备的SKS51钢依照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验》的标准进行试样加工后进行常温拉伸试验，试验温度为25℃，拉伸速度为2mm·min-1。对对比例及球化退火后的对比例也进行相同操作，最终统计结果如表6所示。
表6 SKS51钢的力学性能
从表6中可以看出，SKS51钢加入镁进行微合金化后的实施例1和实施例2与球化退火后的对比例具有较为接近的强度和塑性，尤其是屈服强度和断后伸长率，均较为接近球化退火后的对比例。
实施例7
将实施例1-3制备的SKS51钢进行淬火及回火处理。其具体工艺为升温至830℃保温8min后油冷至室温，保留淬火态试样；再升温至420℃保温20min，空冷至室温，保留回火态试样。取各态10mm×10mm×4mm样品，使用240、400、600、800目砂纸对表面进行打磨后使用洛氏硬度仪器在表面测试5个点，取平均值即可得到表面硬度值，对比例也进行相同操作，最终统计结果如表7所示。
表7 SKS51钢各态硬度值(HRC)
| 炉次 | 铸态 | 完全退火 | 球化退火 | 淬火 | 回火 |
| 实施例1 | 37.12 | 22.10 | - | 65.41 | 54.66 |
| 实施例2 | 34.54 | 24.21 | - | 66.21 | 54.57 |
| 实施例3 | 32.44 | 25.95 | - | 67.03 | 45.17 |
| 对比例 | 32.11 | 24.32 | 18.73 | 55.57 | 46.17 |
从表7中可以看出加入镁后，实施例1和实施例2的完全退火态硬度是有所降低的，相比于对比例的球化退火态稍高，但已经较为接近了，对于加工过程的影响还是较为有限的。且后续的淬、回火态的硬度均有一定的提升。充分说明加入镁对SKS51钢进行微合金化不光具有球化珠光体的效果，还对其成品态的表面硬度有一定程度的提升。
实施例8
对实施例7中回火后的实施例1-3、对比例及球化退火对比例，依照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验》的标准进行试样加工进行常温拉伸，并将其检测结果记录。拉伸试验和冲击试验结果记录如表8所示。
表8镁对退火态试样常温拉伸性能及冲击功的影响
可以看出在进行镁微合金化后的实施例1和实施例2相比于球化退火对比例，其抗拉强度、断后伸长率及断面收缩率均有一定程度的上升，且相较于球化退火对比例，实施例1和实施例2能大大节省生产所需时间，在提高综合性能，不降低其加工性能的同时大幅度提高了生产效率，同时也避免了长时间保温所导致的表层碳化问题，减少原材料损耗。
本发明通过在冶炼以及浇铸过程中添加3MPa压力，并在冶炼过程中加入适量的镍镁合金将钢中的镁的质量分数保持在合理范围内，实现了不经球化退火即可得到粒状珠光体组织，同时提升了其综合性能，节省了生产所需时间，提高了生产效率，降低了能耗。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种不经球化退火得到均匀粒状珠光体组织的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、配料：依照目标钢种成分，计算并称重所需原料；
S2、熔炼：将炉料包括工业纯铁、不易烧损的合金料置于镁砂坩埚中；将易烧损合金料、预脱氧剂、镍镁合金按顺序依次置于内置密封仓内；抽真空后升温至炉料熔清；
S3、预脱氧与合金化：向步骤S2的炉料中，添加金属铝后保温；依次加入易烧损合金料，保温；
S4、加压：充入氩气使炉内压力超过常压，并持续充气至达到预设压力条件；
S5、微合金化：压力达到预设条件并稳定后，由密封仓加入一半镍镁合金；2min后，由密封仓加入另一半镍镁合金，达到稳定压力后保温一定时间；
S6、浇铸：浇铸温度控制在高于钢液液相线温度100℃；浇铸结束后保压一段时间，冷却、排除气体后取出钢锭；
S7、热处理：将钢锭加热至Ac3以上20～30℃，保温一定时间后空冷，即可获得均匀的粒状珠光体组织。
2.根据权利要求1所述的一种不经球化退火得到均匀粒状珠光体组织的方法,其特征在于，所述目标钢种为碳含量范围为0.77％～1.00％的共析钢、过共析钢或合金工具钢中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种不经球化退火得到均匀粒状珠光体组织的方法,其特征在于，目标钢种中Mg的质量分数控制在0.05％～0.07％范围内。
4.根据权利要求1所述的一种不经球化退火得到均匀粒状珠光体组织的方法,其特征在于，在步骤S2中，所述炉料在抽真空至10Pa以内，再进行加热升温熔清。
5.根据权利要求1所述的一种不经球化退火得到均匀粒状珠光体组织的方法,其特征在于，在步骤S3中，预脱氧的金属铝添加量为0.5kg/吨目标钢种。
6.根据权利要求1所述的一种不经球化退火得到均匀粒状珠光体组织的方法,其特征在于，在步骤S3中，预脱氧的条件为真空条件下添加金属铝预脱氧，加金属铝后的保温时间为3min。
7.根据权利要求1所述的一种不经球化退火得到均匀粒状珠光体组织的方法,其特征在于，在步骤S3中，加入易烧损合金料后的保温时间为2min。
8.根据权利要求1所述的一种不经球化退火得到均匀粒状珠光体组织的方法,其特征在于，在步骤S4中，充入氩气所达到的压力值为2.98～3.02MPa。
9.根据权利要求1所述的一种不经球化退火得到均匀粒状珠光体组织的方法,其特征在于，在步骤S5中，加入另一半镍镁合金后的保温时间为3min。
10.根据权利要求1所述的一种不经球化退火得到均匀粒状珠光体组织的方法,其特征在于，在步骤S6中，浇铸后保持压力的时间为20min。
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