一种细化高碳钢中夹杂物的方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种细化高碳钢中夹杂物的方法。

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，应用范围广泛。镁可以净化钢液、变性夹杂物、细化组织、球化碳化物、改善钢性能等多种冶金作用。

相关技术中高碳钢中的夹杂物含量较高，从而导致高碳钢的性能较差。

因此，本发明提供了一种细化高碳钢中夹杂物的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种细化高碳钢中夹杂物的方法，以解决上述背景技术中提出的问题和缺陷的至少一个方面。

具体如下，本发明提供了一种细化高碳钢中夹杂物的方法，由如下步骤组成：

S1、将铁源、铬源和镍源熔炼后，制得炉料；

S2、将铝源、石墨和硅源添加至炉料中，制得脱氧炉料；

S3、加压至2MPa～4MPa之后，将镍镁合金添加至所述脱氧炉料中保温，制得镁处理炉料；

S4、将所述镁处理炉料浇铸后，制得高碳钢；

所述高碳钢中碳元素的质量分数为0.8％～1.0％；

所述高碳钢中夹杂物的面积比为0.1％～0.5％。

根据本发明方法技术方案中一种技术方案，至少制备如下有益效果：

本发明的方法，在高压条件下，调控合金加入顺序，添加镍镁合金进行合金化，大幅提升高碳钢中镁含量，充分利用镁变性夹杂物、深脱氧、深脱硫效果，得到了一种细化高碳钢夹杂物的方法。

根据本发明的一些实施方式，所述高碳钢中碳元素的质量分数在0.80％～0.82％。

根据本发明的一些实施方式，所述高碳钢中夹杂物的面积比为0.15％～0.35％。

根据本发明的一些实施方式，所述高碳钢中夹杂物的面积比为0.19％～0.35％。

根据本发明的一些实施方式，所述高碳钢中夹杂物的面积比为0.25％～0.35％。

根据本发明的一些实施方式，所述高碳钢中夹杂物的面积比为0.15％～0.31％。

根据本发明的一些实施方式，所述高碳钢中硫元素的质量分数在0.0035％以下。

根据本发明的一些实施方式，所述高碳钢中硫元素的质量分数在0.0015％以下。

根据本发明的一些实施方式，所述高碳钢中硫元素的质量分数为0.0007％～0.0015％。

根据本发明的一些实施方式，所述高碳钢中硫元素的质量分数为0.0007％～0.0012％。

根据本发明的一些实施方式，所述高碳钢中氧元素的质量分数在0.0013％以下。

根据本发明的一些实施方式，所述高碳钢中氧元素的质量分数在0.0006％以下。

根据本发明的一些实施方式，所述高碳钢中氧元素的质量分数为0.0003％～0.0006％。

根据本发明的一些实施方式，所述高碳钢中镁元素的质量分数为0.03％～0.2％。

根据本发明的一些实施方式，所述高碳钢中镁元素的质量分数为0.04％～0.2％。

根据本发明的一些实施方式，所述高碳钢中镁元素的质量分数为0.042％～0.072％。

根据本发明的一些实施方式，所述硅源中硅的质量分数在99％以上。

根据本发明的一些实施方式，所述铬源中铬的质量分数为99％以上。

根据本发明的一些实施方式，所述锰源中锰的质量分数在99％以上。

根据本发明的一些实施方式，所述铁源中铁的质量分数在99％以上。

根据本发明的一些实施方式，所述镍镁合金由镍和镁组成。

根据本发明的一些实施方式，所述镍镁合金中镍的质量分数为65％～75％。

根据本发明的一些实施方式，所述铝源中铝的质量分数在99％以上。

根据本发明的一些实施方式，所述熔炼的过程中压力为10Pa以下。

10Pa以下可以避免熔炼过程中易氧化元素(硅元素和锰元素等)烧损，稳定收得率。同时还减少钢中氧含量，即减少镁加入后与氧反应，从而形成过多氧化镁夹杂物，影响镁的收得率及作用效果。

根据本发明的一些实施方式，加入所述铝源后保温3min～5min。

根据本发明的一些实施方式，加入所述硅源后保温2min～5min。

根据本发明的一些实施方式，步骤S3中所述保温的时间为4min～10min。

根据本发明的一些实施方式，所述浇铸的温度在所述镁处理炉料的液相线上100℃～120℃。

根据本发明的一些实施方式，所述熔炼的温度在液相线100℃～120℃。

液相线温度由经验公式：t

根据本发明的一些实施方式，所述熔炼过程中的温度为1500℃～1700℃。

熔炼温度过低，制备原料难以熔化，温度过高则导致镁蒸气压更大，影响镁收得率；同时还会降低冶炼安全性，因此温度要控制在一定的范围内。

根据本发明的一些实施方式，所述熔炼过程中的温度为1560℃～1570℃。

根据本发明的一些实施方式，所述熔炼过程中结束标志为铁源、铬源和锰源完全熔融。

根据本发明的一些实施方式，所述高碳钢为共析钢、过共析钢或合金工具钢中的一种

根据本发明的一些实施方式，步骤S3中所述加压的压力为2.98MPa～3.02MPa。

通过控制保温时间，保证了炉料的完全熔化，提高钢水中各成分的均一性。

根据本发明的一些实施方式，所述浇铸的温度为1560℃～1570℃。

根据本发明的一些实施方式，所述浇铸后的保压20min～30min。

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～0.6kg/吨目标钢种。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为实施例1中高碳钢中夹杂物形貌图及其元素Mapping图。

图2为实施例2中高碳钢中夹杂物形貌图及其元素Mapping图。

图3为实施例3中高碳钢中夹杂物形貌图及其元素Mapping图。

图4为对比例中高碳钢中夹杂物形貌图及其元素Mapping图。

图5为实施例1中夹杂物在相图中的分布图。

图6为实施例2中夹杂物在相图中的分布图。

图7为实施例3中夹杂物在相图中的分布图。

图8为对比例中夹杂物在相图中的分布图。

图9为实施例3高碳钢不同位置的典型夹杂物形貌及元素含量。

图10为实施例3高碳钢不同位置的典型夹杂物形貌及元素含量。

图11为实施例3高碳钢不同位置的典型夹杂物形貌及元素含量。

图12为实施例3高碳钢不同位置的典型夹杂物形貌及元素含量。

图13为实施例3高碳钢不同位置的典型夹杂物形貌及元素含量。

图14为实施例3高碳钢不同位置的典型夹杂物形貌及元素含量。

图15为实施例3高碳钢表面形貌图。

图16为实施例1～3中高碳钢钢中尺寸演变机理图。

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。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

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方式中，冶炼设备为25kg加压感应炉，装炉为20kg，冶炼钢种为高碳钢，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％)

表2高碳钢成分控制范围和实验钢种目标成分(wt％)

实施例1

本实施例为细化高碳钢中夹杂物的方法，由以下步骤组成：

S1、配料：

工业硅0.04kg、金属铬0.7kg、镍镁合金0.12kg、石墨块0.164kg、电解锰0.08kg、铝粒0.01kg和工业纯铁18.5kg。

将工业纯铁、金属铬、电解锰放置于坩埚中；石墨块、工业硅和镍镁合金按顺序置于内置密封仓内；

S2、熔炼：

将炉料(工业纯铁、金属铬和电解锰)置于加压感应炉中，抽真空至低于10Pa，后升温至1600℃，待炉料熔清；

S3、脱氧与合金化：

向步骤S2熔炼后炉料中，添加铝粒后保温3min；依次加入石墨块和工业硅，保温2min；

S4、加压下镁处理：

充入2.98MPa～3.02MPa氩气，并待压力稳定后，加入镍镁合金，达到稳定压力(即压力为2.98MPa～3.02MPa)后保温5min；

S5、浇铸：

浇铸温度控制在1560℃～1570℃；将步骤S4镁处理后炉料浇铸结束后保压20min(压力为2.98MPa～3.02MPa)，排出气体至常压(101.325kPa)，待冷却后取出高碳钢。

实施例2

本实施例为细化钢中枝晶组织的方法，与实施例1的差异在于：本实施例中镍镁合金的用量为0.26kg。

实施例3

本实施例为细化钢中枝晶组织的方法，与实施例1的差异在于：本实施例中镍镁合金的用量为0.49kg。

对比例

本对比例为高强钢的制备方法，与实施例1的差异在于：本对比例中不加入镍镁合金。

本发明实施例1～3和对比例中制得的高碳钢中各元素的质量分数见表3。

表3本发明实施例1～3和对比例制得的高碳钢的部分成分(wt％)

由表3可知，随高碳钢中镁含量升高，钢中氧、硫含量逐渐降低，当高碳钢中镁含量达0.2％时，高碳钢中氧、硫含量仅为0.002％和0.00008％，说明镁具有极好的净化钢液能力。

从对比例、实施例1～3中制得的高碳钢在相同位置取样，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。对抛光后的样品分别用金相显微镜和扫描电镜进行观察分析，分析结果如图1～4所示。

由图1～8可知，未加镁的对比例1中夹杂物主要为氧化铝、氧化镁、硫化锰及其复合夹杂物。实施例1～3的夹杂物均变性为氧化镁、硫化镁或其复合夹杂物。这说明，在镁足量情况下，镁可以将钢液中所有的氧化铝和硫化锰夹杂物变性成为氧化镁和硫化镁夹杂物。

表4为对比例和实施例1～3制得高碳钢中夹杂物数量、尺寸统计结果。由表4可知，随镁质量分数增加，钢中夹杂物数量逐渐增多，尺寸逐渐减小，夹杂物总面积逐渐减小。但当镁质量分数达到0.2％后，钢中夹杂物数量成倍增加，尺寸也有一定程度的增加。

表4对比例和实施例1～3制得高碳钢中夹杂物金相统计结果

注：夹杂物面积占比＝夹杂物总面积/视场总面积*100％。

由图9～15可知，实施例3钢中出现了纯镁，这意味着实施例3钢中镁极可能已达到饱和，将导致镁大量析出，直接影响夹杂物尺寸、数量，进而导致夹杂物统计异常。由图9～15可知，实施例3钢中的确出现了大量析出，由图9～15知，这些夹杂物除了氧化镁、氧化硫外，还有纯镁存在。

通过图16对实施例1～2钢中夹杂物细化弥散机理进行解释。由图16知，钢中没有加镁前，由于铝氧反应和锰硫反应，形成大量氧化铝及硫化锰夹杂物。尺寸较大的氧化铝和硫化锰将上浮去除。尺寸较小的氧化铝及硫化锰将留在钢中。

镁具有比铝更强的脱氧能力，比锰更强的脱硫能力。镁加入钢液后，残留在钢中的氧化铝和硫化锰将被镁分别变性成为氧化镁和硫化锰。由于镁加入时，钢中剩余的溶解氧和硫已经很低，可与镁反应的量很少，因此认为镁加入后，镁与氧、硫直接反应形成的氧化镁和硫化镁尺寸比残留在钢中的氧化铝及硫化锰小。

部分新形成的氧化镁及硫化镁将与变性形成的氧化镁和硫化镁结合，形成尺寸更大的氧化镁、硫化镁。结合的形式可能有两种，一是通过夹杂物碰撞，二是氧化镁和硫化镁直接以变性形成的氧化镁和硫化镁为形核核心，在其周围形核长大。这样，尺寸较大的氧化镁和硫化镁将达到上浮去除标准，更容易上浮去除。而尺寸较小的，数量众多的，新形成的氧化镁和硫化镁则较难上浮去除。这样，加镁钢中的夹杂物较未加镁钢数量更多，尺寸更小。由于更多的溶解氧和硫与镁反应，且部分被夹杂物带出钢液，因此，加镁钢的氧、硫质量分数更低。

综上所述，本发明提供了一种细化、弥散高碳钢夹杂物的方法，主要是在高压条件下，调控冶炼时间、合金加入顺序，添加镍镁合金进行合金化，大幅提升钢中镁含量，充分利用镁变性夹杂物、深脱氧、深脱硫效果，得到了一种细化、弥散高碳钢夹杂物的方法。

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。