專利名稱：用于鋼中硫化物球化和分散的復(fù)合添加劑及使用方法
用于鋼中硫化物球化和分散的復(fù)合添加劑及使用方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于冶煉技術(shù)領(lǐng)域。尤其涉及一種用于鋼中硫化物球化和分散的復(fù)合添加 劑及使用方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，提高鋼的切削性的元素有S、Pb、Se、Te、Bi、Ca、Ti等。最早研制出來 的是添加硫的易切削鋼。美國從1920年開始將其用于汽車零件，日本在1940年前后，該鋼 種出現(xiàn)于JES標(biāo)準(zhǔn)，1952年納入JIS標(biāo)準(zhǔn)。含硫易切削鋼以及S、P、N、Pb等元素的復(fù)合系 易切削鋼統(tǒng)稱為硫系易切削鋼，按用途可以分為注重切削性的硫系以及含硫復(fù)臺(tái)系易切 削鋼；以機(jī)械性能為重點(diǎn)并增加易切削性的機(jī)械結(jié)構(gòu)用硫系易切削鋼。MnS提高切削性的 作用如下(1)內(nèi)應(yīng)力集中源，⑵潤滑作用，⑶抑制積屑瘤作用，⑷減輕磨擦。為了提 高切削性，還可以考慮加入PJlKThBi等。對于機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼來說，為了提高鋼的純凈度 和調(diào)整晶粒度，要在鋼液中加入鋁，而其中一部分鋁以Al2O3的形式殘存于鋼中。由于Al2O3 非常硬，在用超硬工具或金屬陶瓷工具切削時(shí)會(huì)因磨擦而增加損耗。
對于一般結(jié)構(gòu)鋼種而言，在室溫下鋼中硫化物對鋼的強(qiáng)度影響不大，但其含量及 形態(tài)對鋼的韌性(如斷面收縮率和沖擊韌性等)，特別是低溫韌性卻有很大影響。對大多數(shù) 鋼種來說，硫含量增加會(huì)降低鋼的性能。在熱加工溫度下，MnS夾雜物很容易被延展成長條 狀，從而造成鋼韌性的各向異性。硫化物夾雜組成對產(chǎn)品性能也有明顯影響，硫化錳夾雜在 軋制時(shí)很容易變形，硫化鈣較硬、實(shí)際上在軋制中不變形。硫化物有產(chǎn)生氫誘發(fā)裂紋的可能 性。因?yàn)闅浜苋菀妆焕L的MnS夾雜誘捕，而使其減輕對氫誘發(fā)裂紋的抵抗力。鋼的焊接 性、可加工性、機(jī)械性等還受鋼中硫化物夾雜的類型和數(shù)量的影響。鋼中呈網(wǎng)狀存在的硫化 物會(huì)造成鋼的熱脆性。
由上述分析可以看出不管是對易切削鋼有利的硫化物，還是對韌性不利的硫化 物，都必須對硫化物的形態(tài)、大小和分布進(jìn)行有效控制，才能生產(chǎn)有利的作用和效果。
對硫化物可以起到球化作用的元素有以下幾種
(1)鈣鈣在鋼中可優(yōu)先于錳與硫結(jié)合形成硫化鈣，硫化錳和硫化鈣在1170°C以 上完全互溶。硫化錳中溶解的鈣量愈高愈近球狀，為無規(guī)則分布。在煉鋼過程中，鋼液處理 階段添加鈣，形成CaS (Ca、Mn) S。
(2)碲碲稍固溶于硫化錳中，同時(shí)碲化錳和硫化錳常呈共晶生長在一起。固溶碲 后的硫化錳和硫化錳-碲化錳兩相夾雜物，都呈球狀。在MnS周圍析出的MnTe，在熱軋時(shí)起 著稍滑性皮膜的作用，抑制MnS的固體變形，形成橢球形，碲易切削鋼也是除提高械性能和 冷加工性能以外，還能使工具鋼壽命大幅度延長。硒也有與碲類似的功能與效果。
(3)鎂鎂也有球化硫化物的效果。但是它不便加入鋼中，故尚未在工業(yè)生產(chǎn)中得 到實(shí)際應(yīng)用。
(4)稀土 稀土元素與硫的親和力比錳更強(qiáng)，可以取代錳形成RES，同時(shí)稀土元素 在硫化錳中的固溶度甚高，RES和固溶稀土的硫化錳多成為球狀。
上述鎂、稀土、鈣、碲四種元素在基體鐵中的固溶度都非常低。這些元素能使硫化 物球化的原因是這些元素的硫化物對鋼基體的潤濕性低，界面能高，接觸角大，故成球狀。為了改善鋼的切削性能，除了上述方法外，還有以下方法(1)鉛因?yàn)殂U不溶于鋼中，而是以細(xì)顆粒狀彌散于鋼基體中和分布在MnS夾雜物 的尖端。為改善鋼的切削加工性要求鋼中的最低鉛含量為0. 35%。(2)鉍鉍是無毒元素.可用來取代鉛加入易切削鋼中。鉍的密度較鉛小，更接近 于鐵，這意味著鉍在鋼水中的偏析程度低于鉛。采用鉍取代硫和鉛作為改善切削性的添加 元素，不會(huì)損害鋼的力學(xué)性能，也沒有污染問題。但是，上述各種方法存在如下缺點(diǎn)一、對于鈣處理的鋼傳統(tǒng)鋼與鈣處理鋼之間在切削力方面并沒有顯著的差異，且在切削可處理性和表 面光潔度方面也與基本鋼沒有差別；另外，鈣的加入方式比較復(fù)雜一是在鋼包中通過噴 槍以噴射法向鋼水中加鈣；另一種是用包芯鋼絲喂入法加鈣。二、對于碲和硒處理的鋼(1)這兩種元素價(jià)格都很高；(2)都具有毒性；(3)碲還會(huì)在軋制時(shí)引起熱脆性。三、對于鎂處理的鋼由于鎂很輕，單獨(dú)加入鋼水時(shí)很難加入，并且收得率低。四、對于稀土處理的鋼(1)稀土在生產(chǎn)和應(yīng)用的過程中，容易產(chǎn)生放射性粉塵，產(chǎn)生的放射性危害不容忽 視；(2)稀土處理的鋼澆注時(shí)水口易結(jié)瘤，用強(qiáng)脫氧劑如Al脫氧時(shí)，也常出現(xiàn)水口結(jié)瘤問 題；⑶稀土夾雜物比重大，一般在5. 5 6. 5之間，不易上浮，特別是當(dāng)稀土加入過量時(shí)， 會(huì)增加鋼中的有害夾雜，特別是大尺寸夾雜，甚至產(chǎn)生脆性的稀土與鐵的金屬間化合物，惡 化鋼的性能；(4)稀土金屬的價(jià)格較貴。五、對于鉛處理的鋼因?yàn)殂U的密度較高，而且在鋼中的溶解度很小，所以有往鋼錠底部偏析的傾向，以 致造成無法預(yù)計(jì)鉛的收得率。另外，鉛和氧化鉛都有毒。六、對于鉍處理的鋼由于鉍價(jià)格高，作為改善切削性的添加劑不夠經(jīng)濟(jì)。另外，往鋼中加入鉍的最有效 的方法是往澆鑄的鋼水流中噴射鉍丸，加入方式較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服已有技術(shù)缺陷，目的是提供一種成本低廉和工藝簡單的用于鋼中 硫化物球化和分散的復(fù)合添加劑。該復(fù)合添加劑球化工藝簡單，用該復(fù)合添加劑冶煉后經(jīng) 軋制的鋼韌性好、加工性能好和切削性能好。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是該添加劑的化學(xué)成分及其含量是 Si 為 30 65wt%，Ca 為 5 15wt%，Ti 為 5 25wt%，Zr 為 10 35wt%，Nd 為 10 35wt%，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)；其制備方法是按上述成分，以Si-Ca合金為基礎(chǔ)， 加入Ti、&和Nd ；經(jīng)真空感應(yīng)爐熔煉并澆鑄而成。其中Ti是以Ti磁鐵礦高爐渣為原料經(jīng)提煉而成的Ti合金；&為海綿金屬ττ或?yàn)镾i-a·合金或?yàn)榻饘佴应?；Nd為金屬Nd或?yàn)閕ie-Nd合金。
本發(fā)明制備的復(fù)合添加劑的使用方法是采用轉(zhuǎn)爐或者電弧爐將鐵水、或廢鋼、或 鐵水與廢鋼經(jīng)煉鋼后進(jìn)行精煉和調(diào)整鋼水成分，在加入復(fù)合添加劑前保持鋼水中的自由氧 含量為10 300ppm，再用復(fù)合添加劑進(jìn)行脫氧與復(fù)合合金化，復(fù)合添加劑以塊狀合金或者 包芯線的形式加入鋼水，加入量為每噸鋼0. 5 ^g，然后按常規(guī)工藝進(jìn)行連鑄和熱軋。
由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明以Si、Ca、Ti, Zr和Nd為主要成分，經(jīng)真空感應(yīng)爐 熔煉并澆鑄而成，故具有成本低廉、工藝過程簡單。所制備的復(fù)合添加劑有利于硫化物球化 的復(fù)合硫氧化物，同時(shí)為細(xì)化組織提供有利的形核質(zhì)點(diǎn)，將多個(gè)元素按照有利于硫化物球 化的比例做成合金或者包芯線的形式加入，一次完成硫化物球化與組織細(xì)化的任務(wù)。故本 發(fā)明工藝過程簡單、工序時(shí)間短(一次完成脫氧與合金化)，成分命中率高。
由于鋼中存在的硫化物細(xì)小、分散、呈球形，所以其韌性好、加工性能好和切削性 能好，所制造的低合金高強(qiáng)度鋼抗拉強(qiáng)度為500 900MPa。本發(fā)明適用于原油儲(chǔ)罐、建筑用 鋼、船舶軍艦等大型結(jié)構(gòu)、設(shè)備、設(shè)施等韌性要求高的低合金高強(qiáng)度鋼，尤其適用低碳硫易 切削高強(qiáng)度鋼、機(jī)械結(jié)構(gòu)用含硫易切削高強(qiáng)度鋼。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步描述，并非對其保護(hù)范圍的限制。
為避免重復(fù)，先將具體實(shí)施方式
中所加入的Ti、Zr和Nd分別描述如下，實(shí)施例中 不再贅述Ti是以Ti磁鐵礦高爐渣為原料經(jīng)提煉而成的Ti合金(Lr:為海綿金屬ττ或?yàn)?Si-Zr合金或?yàn)榻饘賠Lr ；Nd為金屬Nd或?yàn)?^-Nd合金。
實(shí)施例1
一種用于鋼中硫化物球化和分散的復(fù)合添加劑及使用方法。該復(fù)合添加劑的化學(xué) 成分及其含量是Si為30 50wt%，Ca為10 15wt%，Ti為13 25wt%，Zr為20 25wt %，Nd為15 35wt %，其余為！^及不可避免的雜質(zhì)。
該復(fù)合添加劑的制備方法是按上述成分，以Si-Ca合金為基礎(chǔ)，加入Ti、^ 和 Nd ；經(jīng)真空感應(yīng)爐熔煉并澆鑄而成。
本實(shí)施例的脫氧與復(fù)合復(fù)合合金化的工藝是采用轉(zhuǎn)爐或者電弧爐將鐵水經(jīng)煉鋼 后進(jìn)行精煉和調(diào)整鋼水成分，在加入復(fù)合添加劑前保持鋼水中的氧含量為10 120ppm，然 后用復(fù)合添加劑進(jìn)行脫氧與復(fù)合合金化，復(fù)合添加劑以塊狀合金形式加入鋼水，加入量為 每噸鋼0. 5 1. ^g，最后按常規(guī)工藝進(jìn)行連鑄和熱軋，澆鑄成厚度為250mm的鑄坯。
本實(shí)施例的鑄坯化學(xué)成分及其含量是C為0.03 0.07wt%，Si為0. 1 0. 3wt%,Mn 為 1. 5 2. 5wt%,Ni 為 0. 2 0. 6wt%,Cu 為 0. 6 1. Owt%,Als 為 0. 02 0. 06wt%，Nb 為 0. 03 0. 07wt%，Ca 為 0. 0001 0. 0005wt%,Ti 為 0. 01 0. 05wt%,Zr 為 0. 0001 0. 030wt%，N 為 0. 006 0. 010wt%，B 為 0. 001 0. 002wt%, S 為 0. 005 0. 015wt%,P < 0. 008wt%，其余為！^及不可避免的雜質(zhì)。
熱軋工藝是，鑄坯加熱至1150 1250°C，均熱2 3小時(shí)進(jìn)行熱軋，軋制為40 60mm厚的鋼板；然后以5 15°C /s的冷卻速度進(jìn)行在線冷卻。
所軋制的低合金高強(qiáng)度鋼板的抗拉強(qiáng)度為500 700MPa，鋼中的硫化物呈細(xì)小彌 散分布，其大小為200 500納米；鋼板韌性優(yōu)異，V型缺口 -40°C的沖擊功大于300J，-60°C的沖擊功大于200J ；該鋼板還可承受150 400kJ/cm的大線能量焊接，焊接后不需進(jìn)行熱 處理，具有優(yōu)良的焊接性能，其焊接熱影響區(qū)的沖擊功不低于母材沖擊功的2/3。
實(shí)施例2
一種用于鋼中硫化物球化和分散的復(fù)合添加劑及使用方法。該復(fù)合添加劑的化 學(xué)成分及其含量是Si為35 60wt%，Ca為7 12wt%，Ti為5 14wt%，Zr為12 20wt%,Nd為10 20wt%，其余為！^及不可避免的雜質(zhì)。
該復(fù)合添加劑的制備方法是按上述成分，以Si-Ca合金為基礎(chǔ)，加入Ti、^ 和 Nd ；經(jīng)真空感應(yīng)爐熔煉并澆鑄而成。
本實(shí)施例的脫氧與合金化的工藝是采用電弧爐將廢鋼經(jīng)煉鋼后進(jìn)行精煉和調(diào)整 鋼水成分，在加入復(fù)合添加劑前保持鋼水中的氧含量為120 200ppm，然后用復(fù)合添加劑 進(jìn)行脫氧與復(fù)合合金化，復(fù)合添加劑以塊狀合金形式加入鋼水，加入量為每噸鋼1 3kg， 最后按常規(guī)工藝進(jìn)行連鑄，澆鑄成為150mm的方坯。
本實(shí)施例鑄坯的化學(xué)成分及其含量是C為0.08 0.60wt%，Si為0. 05 1.Owt%, Mn 為 0. 2 2. 5wt%, Als 為 0. 01 0. 06wt %, Ca 為 0. 0001 0. 0005wt%, Ti 為 0. 01 0. 05wt%,Zr 為 0. 01 0. Iwt%，Nd 為 0. 01 0. 4wt%，S 為 0. 03 0. 40wt%, N為0. 004 0. 008wt%, P < 0. IOwt%，其余為!^e及不可避免的雜質(zhì)。
熱軋工藝是，先將鑄坯加熱至1250 1350°C，均熱1. 5 2. 5小時(shí)，再進(jìn)行熱軋， 軋制為直徑為6. 5mm的盤條。
所制造的盤條的抗拉強(qiáng)度為600 SOOMPa，由于采用上述工藝，鋼中的MnS呈細(xì)小 彌散分布，其顆粒直徑為200 800納米，其切削性能優(yōu)良。
實(shí)施例3
一種用于鋼中硫化物球化和分散的復(fù)合添加劑及使用方法。該復(fù)合添加劑的化 學(xué)成分及其含量是Si為40 65wt%，Ca為5 10wt%，Ti為5 15wt%，Zr為13 35wt%,Nd為10 30wt%，其余為！^及不可避免的雜質(zhì)。
該復(fù)合添加劑的制備方法是按上述成分，以Si-Ca合金為基礎(chǔ)，加入Ti、^ 和 Nd，經(jīng)真空感應(yīng)爐熔煉并澆鑄而成。
本實(shí)施例的脫氧與復(fù)合合金化的工藝是采用轉(zhuǎn)爐將鐵水與廢鋼經(jīng)煉鋼后進(jìn)行精 煉和調(diào)整鋼水成分，在加入復(fù)合添加劑前保持鋼水中的氧含量為150 300ppm，然后用復(fù) 合添加劑進(jìn)行脫氧與復(fù)合合金化，復(fù)合添加劑以包芯線的形式加入鋼水，加入量為每噸鋼2.5 ^g，最后按常規(guī)工藝進(jìn)行連鑄，澆鑄成150mm的方坯。
本實(shí)施例鑄坯的化學(xué)成分及其含量是C為0.02 0. 2wt%，Si為0. 1 0. 3wt%， Mn 為 0. 5 3. Owt %，AlsSO. 0001 0. 005wt%，Ca*0. 0001 0. 0005wt%，Ti 為 0. ΟΙΟ. 05wt%, Zr 為 0· 1 0. 3wt%, Nd 為 0. 1 0. 3wt%, S 為 0. 2 0. 5wt%, P 為 0. 02 0. 2wt%，N為0. 002 0. OlOwt%，其余為!^e及不可避免的雜質(zhì)。
熱軋工藝是，鑄坯加熱至1250 1350°C，均熱1. 5 2. 5小時(shí)，進(jìn)行熱軋，軋制為 直徑為6. 5mm的盤條。
本實(shí)施例所制造的盤條的抗拉強(qiáng)度為700 900MPa，由于采用上述工藝，鋼中的 MnS呈細(xì)小彌散分布，其顆粒直徑為200 1200納米，其切削性能優(yōu)良。
本具體實(shí)施方式
以Si、Ca、Ti、Zr和Nd為主要成分，經(jīng)真空感應(yīng)爐熔煉并澆鑄而成，故具有成本低廉、工藝過程簡單。所制備的復(fù)合添加劑有利于硫化物球化的復(fù)合硫氧化 物，同時(shí)為細(xì)化組織提供有利的形核質(zhì)點(diǎn)，按將多個(gè)元素按照有利于硫化物球化的比例做 成合金或者包芯線的形式加入，一次完成硫化物球化與組織細(xì)化的任務(wù)。故本具體實(shí)施方 式工藝過程簡單、工序時(shí)間短(一次完成脫氧與合金化)，成分命中率高。
由于鋼中存在的硫化物細(xì)小、分散、呈球形，所以其韌性好、加工性能好和切削性 能好，所制造的低合金高強(qiáng)度鋼抗拉強(qiáng)度為500 900MPa。本具體實(shí)施方式
可廣泛適用原 油儲(chǔ)罐、建筑用鋼、船舶軍艦等大型結(jié)構(gòu)、設(shè)備、設(shè)施等韌性要求高的低合金高強(qiáng)度鋼。尤其 適用低碳硫易切削高強(qiáng)度鋼、機(jī)械結(jié)構(gòu)用含硫易切削高強(qiáng)度鋼。
權(quán)利要求
1.一種用于鋼中硫化物球化和分散的復(fù)合添加劑，其特征在于該復(fù)合添加劑的化學(xué)成 分及其含量是Si為30 65wt%，Ca為5 15wt%，Ti為5 25wt%，Zr為10 35wt%， Nd為10 35wt%，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)；該復(fù)合添加劑的制備方法是按上述成 分，以Si-Ca合金為基礎(chǔ)，加入Tijr和Nd ；經(jīng)真空感應(yīng)爐熔煉并澆鑄而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鋼中硫化物球化和分散的復(fù)合添加劑，其特征在于Ti是 以Ti磁鐵礦高爐渣為原料經(jīng)提煉而成的Ti合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鋼中硫化物球化和分散的復(fù)合添加劑，其特征在于ττ為 海綿金屬rLx或?yàn)镾i-灶合金或?yàn)榻饘佴应印?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鋼中硫化物球化和分散的復(fù)合添加劑，其特征在于Nd為 金屬Nd或?yàn)?^-Nd合金。
5.如權(quán)利要求1 4所述的用于鋼中硫化物球化和分散的復(fù)合添加劑的使用方法，其 特征在于采用轉(zhuǎn)爐或者電弧爐將鐵水、或廢鋼、或鐵水與廢鋼經(jīng)煉鋼后進(jìn)行精煉和調(diào)整鋼 水成分，在加入復(fù)合添加劑前保持鋼水中的自由氧含量為10 300ppm，再用復(fù)合添加劑進(jìn) 行脫氧與復(fù)合合金化，復(fù)合添加劑以塊狀合金或者包芯線的形式加入鋼水，加入量為每噸 鋼0. 5 ^g，然后按常規(guī)工藝進(jìn)行連鑄和熱軋。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于鋼中硫化物球化和分散的復(fù)合添加劑及使用方法。其技術(shù)方案是該復(fù)合添加劑的化學(xué)成分及其含量是Si為30～65wt％，Ca為5～15wt％，Ti為5～25wt％，Zr為10～35wt％，Nd為10～35wt％，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)；按上述成分以Si-Ca合金為基礎(chǔ)，加入Ti、Zr和Nd，經(jīng)真空感應(yīng)爐熔煉并澆鑄而成。復(fù)合添加劑的使用方法是在加入復(fù)合添加劑前保持鋼水中的自由氧含量為10～300ppm，然后用復(fù)合添加劑進(jìn)行脫氧與復(fù)合合金化，復(fù)合添加劑以塊狀合金或者包芯線的形式加入鋼水，加入量為每噸鋼0.5～5kg。本發(fā)明具有成本低廉、工藝過程簡單、成分命中率高的特點(diǎn)。用該復(fù)合添加劑冶煉后經(jīng)軋制的鋼韌性好、加工性能好和切削性能好。
文檔編號(hào)C22C30/00GK102031441SQ20101052866
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月1日
發(fā)明者萬響亮, 呂霞, 吳開明, 張佩, 張莉芹, 李廣艷, 王博, 王學(xué)新, 王紅鴻, 韓文習(xí), 魏然, 黃剛 申請人:武漢科技大學(xué), 萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司