一種加壓感應(yīng)冶煉低鋁高氮馬氏體不銹鋼的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高氮不銹鋼冶煉技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種加壓感應(yīng)冶煉低鋁高氮馬氏 體不銹鋼的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高氮馬氏體不銹鋼是指鋼材中氮含量大于0.08%的馬氏體不銹鋼。在馬氏體不銹 鋼中氮的加入擴(kuò)大了奧氏體相區(qū)溫度范圍，有效地抑制了S-鐵素體形成;在保證間隙固溶 強(qiáng)化的同時(shí)，可使碳化物細(xì)化，并伴有氮化物等的彌散析出，不僅顯著提高了馬氏體不銹鋼 的強(qiáng)度、硬度，而且仍能保證馬氏體不銹鋼的原有韌性。另外，氮的加入有利于提高含氮馬 氏體鋼的耐腐蝕性能。由于具有以上的優(yōu)異綜合性能，高氮馬氏體不銹鋼可應(yīng)用于滾動(dòng)軸 承、刀具以及發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域。例如，高氮馬氏體不銹軸承鋼UlOSWJ^C-lS^Cr-l^Mo-Oj^N)，可應(yīng)用于航天飛機(jī)燃料栗軸承、航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承和滾珠絲杠的齒輪軸等； 另一 種典型的高氮馬氏體不銹鋼是耐蝕塑料模具鋼M340(0.54%C-17.3%Cr-l. 1 %M〇-0.2% N)，主要滿足高端耐蝕鏡面塑料模具的市場需求。
[0003]常壓下，氮在體心立方的馬氏體鋼中溶解度較低，因此在常壓下難以獲得氮含量 較高和成分均勻的馬氏體不銹鋼，加壓冶金是制備性能優(yōu)異的含氮和高氮馬氏體不銹鋼的 重要途徑。由于我國加壓冶金設(shè)備的缺失，嚴(yán)重制約了含氮和高氮馬氏體不銹鋼的品種開 發(fā)和應(yīng)用。目前高氮不銹鋼的生產(chǎn)主要采用加壓電渣重熔工藝，現(xiàn)有工藝存在以下缺點(diǎn):存 在氮元素分布不均勻，有時(shí)需二次重熔;另外還有添加氮化硅但導(dǎo)致增硅、制備復(fù)合電極但 成本明顯增高;還有，向渣中加入氮化物導(dǎo)致熔渣沸騰，干擾熔化過程，可能導(dǎo)致電極端頭 金屬膜暴露在高壓氮?dú)庵校瑹o法控制液態(tài)金屬對氮的吸收等。
[0004]與此相比，采用加壓感應(yīng)熔煉制備含氮和高氮馬氏體不銹鋼，可通過感應(yīng)攪拌創(chuàng) 造良好的吸氮?jiǎng)恿W(xué)條件，加快氮在鋼液中的擴(kuò)散，縮短鋼液中氮在特定壓力下達(dá)到平衡 的時(shí)間。但由于馬氏體鋼中氮的溶解度很低，如何合理控制冶煉及澆鑄兩階段壓力，精確控 制高氮馬氏體不銹鋼中的氮含量，避免凝固缺陷，是一個(gè)迫切需要解決的問題。對用作軸 承、齒輪、模具的高氮馬氏體鋼，采用鋁脫氧會(huì)使鋼中產(chǎn)生大量的氮化鋁，沿晶界析出過多 氮化鋁會(huì)導(dǎo)致鋼的熱脆而引起鍛造橫向裂紋，并且易成為疲勞裂紋源，明顯降低其疲勞性 能。如何有效降低高氮馬氏體不銹鋼中的氧含量，減少有害氮化鋁夾雜物的生成，也是加壓 感應(yīng)熔煉高氮馬氏體不銹鋼必須解決的問題。另外，由于氮的加入使高氮馬氏體不銹鋼的 變形抗力增大，為了改善高氮馬氏體不銹鋼的熱加工性能，必須將鋼中硫含量控制在較低 水平。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供的一種加壓感應(yīng)冶煉低鋁高氮馬氏體不銹鋼的方法，適用于冶煉成分 為：C:0.1~0.6%，Μη:0~5%，Cr:12~24%，Si: < 1%，M〇:0~3%，Ν:0·1~0.6%，Ni:0~ 2%，￥:0~1%41<0.02%，5<0.002%，卩6:余量的目標(biāo)鋼種。
[0006]本發(fā)明的核心思想在于:在加壓感應(yīng)爐內(nèi)將冶金原料熔清后，首先采用真空碳脫 氧工藝將鋼液中的氧含量降低到一定的水平;加入硅和鎳鎂合金進(jìn)一步深脫氧，同時(shí)鎳鎂 合金的加入具有一定的脫硫效果;最后加入一定量的稀土，進(jìn)行深脫硫，同時(shí)也能將氧含量 降低到較低的水平。該工藝避免鋁脫氧導(dǎo)致生成大量氮化鋁夾雜物，同時(shí)能夠有效降低鋼 中的硫含量。通過合理匹配冶煉和澆鑄壓力，避免凝固缺陷，精確控制鋼中的氮含量，獲得 氮含量在〇. 1~0.6%、錯(cuò)含量< 0.02%、成分均勾、組織致密的低錯(cuò)高氮馬氏體不銹鋼。
[0007]本發(fā)明為一種利用加壓感應(yīng)冶煉低鋁高氮馬氏體不銹鋼的方法，其具體步驟如 下。
[0008] (1)依據(jù)公式確定冶煉及澆鑄壓力并配料:根據(jù)鋼種目標(biāo)成分和冶煉溫度，依據(jù)氮 在鋼中的溶解度公式①，計(jì)算冶煉壓力P，并依據(jù)公式②計(jì)算饒鑄壓力P'；結(jié)合冶煉原料成 分和所要冶煉鋼錠質(zhì)量計(jì)算所需原料的質(zhì)量，配制冶煉原料，原料包括:工業(yè)純鐵、金屬鉻 或鉻鐵、金屬鉬或鉬鐵、金屬鎳、金屬錳或電解錳、工業(yè)硅、金屬釩或釩鐵、石墨、鎳鎂合金、 稀土鋪或鑭等;鋼錠中，在目標(biāo)碳含量基礎(chǔ)上再多加3~10%的碳，在目標(biāo)娃含量基礎(chǔ)上再 多加1~5 %的硅，用于脫氧;加入質(zhì)量為所要冶煉鋼錠質(zhì)量0.04~0.2 %的含鎂為20 %的鎳 鎂合金，收得率為10~30%，進(jìn)行深脫氧，并降低硫含量；加入質(zhì)量為所要冶煉鋼錠質(zhì)量 0.004~0.03%的稀土鈰或鑭，收得率為20~40%，用于深脫硫。
[0009]鋼種目標(biāo)成分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)分別為：C:0.1~0.6%，Μη:0~5%，Cr:12~24%， Si: < 1%，M〇:0~3%，Ν:0·1~0.6%，Ni:0~2%，V:0~1%，A1 <0.02%，S<0.002%，F(xiàn)e: 余量。
[0010]冶煉壓力p的計(jì)算公式①：
[0012] 式中：p為冶煉壓力，單位為MPa;為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，為0.101325MPa;T為冶煉溫度，單 位為K。
[0013]饒鑄壓力P'的計(jì)算公式②：
[0015] 式中:p'為饒鑄壓力，單位為MPa。
[0016] (2)布料:將已經(jīng)按照所要冶煉鋼錠質(zhì)量計(jì)算好的工業(yè)純鐵、金屬鉻或鉻鐵、金屬 鉬或鉬鐵、金屬鎳放入加壓感應(yīng)爐內(nèi)的坩堝中，將占石墨總質(zhì)量40%~80%的石墨、工業(yè) 硅、金屬錳或電解錳、金屬釩或釩鐵、剩余的20 %~60 %石墨、鎳鎂合金、稀土鈰或鑭等依次 置于加料倉中。
[0017] ⑶爐料恪化：啟動(dòng)真空栗，將加壓感應(yīng)爐內(nèi)壓力抽至10Pa以下，關(guān)閉真空栗;通電 升溫，逐漸增大感應(yīng)爐的功率，對坩堝中冶煉原料進(jìn)行熔化。
[0018] (4)脫氧：待坩堝中冶煉原料熔清之后，向加壓感應(yīng)爐內(nèi)充入高純氬氣至10~ 50kPa，向鋼液中加入占石墨總質(zhì)量40 %~80 %的石墨，啟動(dòng)真空栗，開始進(jìn)行碳脫氧反應(yīng)， 直至真空度到lOPa以下且液面平穩(wěn)，不再有氣泡產(chǎn)生；期間若反應(yīng)過于劇烈，可關(guān)閉真空 栗、適當(dāng)降低功率并充入少量高純氬氣，液面平穩(wěn)后再繼續(xù)抽真空。真空碳脫氧結(jié)束后，加 入工業(yè)娃，進(jìn)一步脫氧。
[0019] (5)合金化：向加壓感應(yīng)爐內(nèi)充入純度2 99.999%的高純氮?dú)庵翂毫橐睙拤毫?P，然后通過加料倉向鋼液中依次加入金屬錳或電解錳、金屬釩或釩鐵、剩余的20 %~60 % 石墨進(jìn)行合金化，之后加入鎳鎂合金及稀土鈰或鑭進(jìn)行深脫氧和深脫硫，并在1540~1580 °C溫度下保溫5~lOmin，使合金元素在鋼液中均勻分布。
[0020](6)加壓澆鑄：向加壓感應(yīng)爐內(nèi)充入純度2 99.999%的高純氮?dú)庵翣t內(nèi)壓力為P'， 然后在1540~1580°C下進(jìn)行澆鑄;澆鑄結(jié)束后，保持20分鐘以上，之后逐漸減低爐內(nèi)壓力， 取出鋼錠。
[0021] 本發(fā)明提供的一種加壓感應(yīng)冶煉低鋁高氮馬氏體不銹鋼的方法，其特征在于：由 于釩可以提高馬氏體鋼的硬度、耐磨性，細(xì)化晶粒，且能顯著提高氮的溶解度，本發(fā)明結(jié)合 氮溶解度熱力學(xué)分析及實(shí)驗(yàn)研究，提出考慮釩對氮溶解度作用的冶煉壓力計(jì)算公式①。在 鋼種目標(biāo)成分和冶煉溫度確定的條件下，可計(jì)算獲得冶煉壓力P。
[0022] 本發(fā)明提供的一種加壓感應(yīng)冶煉低鋁高氮馬氏體不銹鋼的方法，其特征在于：為 避免高氮馬氏體不銹鋼凝固過程中，由于經(jīng)過氮溶解度很低的高溫鐵素體區(qū)，導(dǎo)致鋼中氮 溶解度下降，導(dǎo)致產(chǎn)生氮?dú)饪祝ㄟ^提高澆鑄壓力可避免該問題的發(fā)生。根據(jù)試驗(yàn)研究，本 發(fā)明提出針對氮溶解度更低的高氮馬氏體不銹鋼澆鑄壓力P'計(jì)算公式②。
[0023] 本發(fā)明提供的一種加壓感應(yīng)冶煉低鋁高氮馬氏體不銹鋼的方法，其特征在于：為 避免脫氧劑鋁加入鋼中，與氮結(jié)合生成有害的氮化鋁夾雜物，本發(fā)明采用真空碳脫氧、硅脫 氧及鎳鎂合金脫氧相結(jié)合，能夠有效的將鋼中的氧含量控制在20X10-6以內(nèi)，獲得氮含量 在0.1~0.6%、鋁含量< 0.02%的低鋁高氮馬氏體不銹鋼。
[0024] 本發(fā)明提供的一種加壓感應(yīng)冶煉低鋁高氮馬氏體不銹鋼的方法，其特征在于:在 合金化末期，向鋼液中加入鎳鎂合金能夠?qū)⒘蚝拷档偷揭欢ǔ潭?，并加入少量稀土鈰?鑭，用于深脫硫，使得硫含量< 〇. 002%，可改善鋼種的熱加工性能，能夠防止在鍛造、乳制 等熱加工過程中開裂。
[0025] 本發(fā)明提供的一種加壓感應(yīng)冶煉低鋁高氮馬氏體不銹鋼的方法，其特征在于：為 了防止在鋼液中氧含量很高、壓力很低的條件下，加入碳發(fā)生不可控制的碳氧反應(yīng)，可能導(dǎo) 致鋼液劇烈噴派，在真空碳脫氧前，向爐內(nèi)充入10~50kPa高純氬氣，之后加入占石墨總質(zhì) 量40%~80%的石墨，再啟動(dòng)真空栗，使碳氧反應(yīng)在可控條件下進(jìn)行。充入高純氬氣是因?yàn)?鋼液中氬氣比氮?dú)獾娜芙舛鹊?，充入氮?dú)鈺?huì)使鋼液溶解部分氮，在后續(xù)抽真空時(shí)可能由于 氮?dú)獾囊绯鰧?dǎo)致鋼液噴濺，進(jìn)而產(chǎn)生危險(xiǎn)。
[0026] 本發(fā)明提供的一種加壓感應(yīng)冶煉低鋁高氮馬氏體不銹鋼的方法，采用真空碳脫氧 結(jié)合硅脫氧、鎳鎂合金脫氧及稀土脫硫的方式，能有效降低鋼中的氧和硫含量，同時(shí)避免鋁 脫氧導(dǎo)致生成大量氮化鋁夾雜物;通過合理的冶煉和澆鑄壓力，避免產(chǎn)生氮析出、氮?dú)饪椎?凝固缺陷，精確控制鋼中的氮含量，獲得成分均勻、組織致密、氮含量在〇. 1~〇. 6 %、錯(cuò)含量 <0.02%、硫含量<0.002%的低鋁高氮馬氏體不銹鋼。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】不局 限于下述的實(shí)施例。
[0028]本發(fā)明所舉實(shí)施例中，冶煉設(shè)備為25kg加壓感應(yīng)熔煉爐，極限真空度為0.IPa，最 高壓力為6MPa，電源功率為50kW，裝爐量為20 · 0~21 · 5kg。
[0029]本發(fā)明所舉實(shí)施例中所用冶煉原料的主要成分見表1。
[0030] 表1冶煉原料主要成分/wt. %
[0031]
[0032] 實(shí)施例一
[0033] 采用加壓感應(yīng)熔煉21.0kg目標(biāo)鋼種30Crl5MoN0.4，其成分范圍如表2所示。
[0034] 表2鋼種30Crl5MoN0.4成分范圍及目標(biāo)成分/wt. %
[0035]
[0036] (1)確定冶煉及澆鑄壓力并配料:根據(jù)表2中鋼種目標(biāo)成分和冶煉溫度約1550°C， 依據(jù)公式①、公式②計(jì)算得到：冶煉壓力P為〇 · 37MPa，澆鑄壓力p'為1 ·OMPa。冶煉原料及其 質(zhì)量如下：工業(yè)純鐵17250g、金屬鉻3240g、金屬鉬210g、金屬錳90g、工業(yè)硅101g、石墨67g。 其中石墨和工業(yè)硅分別在目標(biāo)成分基礎(chǔ)上多加6.8%和3.1 %，用于脫氧。此外，添加