一种细晶粒曲轴用非调质钢及其冶炼方法与流程

1.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：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.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。
5.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。
[0006]
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。
[0007]
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。
[0008]
优选地，所述非调质钢的金相组织为珠光体和晶内铁素体。
[0009]
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。
[0010]
具体的，其包括以下步骤：
[0011]
(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；
[0012]
(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；
[0013]
(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％；
[0014]
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％。
[0015]
(4)喂入镁元素后静搅时间为10～15分钟；
[0016]
(5)连铸浇注，对铸坯进行缓冷，得到钢坯；
[0017]
(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。
[0018]
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％。
[0019]
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
[0020]
有益效果：
[0021]
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。
[0022]
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
[0023]
图1是对比例1的金相图片；
[0024]
图2是实施例1的金相图片；
[0025]
图3是实施例2的金相图片；
[0026]
图4是实施例3的金相图片；
[0027]
图5是实施例4的金相图片；
[0028]
图6是样品晶粒度及铁素体含量变化曲线；
[0029]
图7是对比例1的典型夹杂物形貌图；
[0030]
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；
[0031]
图9是实施例1的典型夹杂物形貌图；
[0032]
图10是实施例2的典型夹杂物形貌图；
[0033]
图11是实施例3的典型夹杂物形貌图；
[0034]
图12是实施例4的典型夹杂物形貌图。
具体实施方式
[0035]
下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。
[0036]
实施例1：
[0037]
本实施例的非调质钢冶炼采用100吨电炉，冶炼过程具体为：
[0038]
(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。
[0039]
(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％。
[0040]
(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。
[0041]
(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％；
[0042]
(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。
[0043]
(5)喂入镁元素后静搅时间为10分钟取样检测，上连铸。
[0044]
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。
[0045]
(6)连铸采用传统工艺浇注。
[0046]
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。
[0047]
实施例2：
[0048]
本实施例的非调质钢冶炼采用100吨电炉，冶炼过程具体为：
[0049]
(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。
[0050]
(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％。
[0051]
(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。
[0052]
(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。
[0053]
(5)喂入镁元素后静搅时间为10分钟。
[0054]
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。
[0055]
(6)连铸采用传统工艺浇注。
[0056]
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。
[0057]
实施例3：
[0058]
本实施例的非调质钢冶炼采用100吨电炉，冶炼过程具体为：
[0059]
(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。
[0060]
(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％。
[0061]
(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。
[0062]
(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。
[0063]
(5)喂入镁元素后静搅时间为10分钟。
[0064]
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。
[0065]
(6)连铸采用传统工艺浇注。
[0066]
实施例4：
[0067]
本实施例的非调质钢冶炼采用100吨电炉，冶炼过程具体为：
[0068]
(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。
[0069]
(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％。
[0070]
(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。
[0071]
(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。
[0072]
(5)喂入镁元素后静搅时间为10分钟。
[0073]
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。
[0074]
(6)连铸采用传统工艺浇注。
[0075]
对比例1：
[0076]
本实施例的非调质钢冶炼采用100吨电炉，冶炼过程具体为：
[0077]
(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。
[0078]
(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％。
[0079]
(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。
[0080]
(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。
[0081]
(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。
[0082]
(6)连铸采用传统工艺浇注。
[0083]
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。
[0084]
表1、本发明实施例及对比例1的化学成分对比(wt％)
[0085]
元素csimnpsalvmg对比例10.71850.2030.5590.00530.0690.00380.0385/实施例10.700.1570.5740.01170.0650.0038％0.03890.0011实施例20.70590.1650.5710.01080.06230.00350.03780.0015实施例30.72060.1710.5550.00750.0690.00360.03990.0021实施例40.700.190.520.00460.0620.00230.03550.0036
[0086]
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。
[0087]
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。
[0088]
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。
[0089]
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。
[0090]
表2、样品晶粒尺寸测定(μm)
[0091] 12345678910平均值对比例175.43298.56205.89203.44118.8199.28101.36137.1751.8484.34147.61实施例172.1344.0865.1942.4985.1570.2570.3159.6560.17100.6767.01实施例252.8375.8461.0958.8132.7351.9142.2335.1153.7545.4550.98实施例339.7226.6441.8543.6438.9622.2924.5822.9946.2825.0133.20实施例447.5253.2431.2927.2337.1734.8517.8650.3636.7120.6835.691
[0092]
对比例2：
[0093]
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％，
[0094]
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。
[0095]
对比例3：
[0096]
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。
[0097]
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。