魏崇一 吳華杰,2 岳峰,2 張漓
(1.北京科技大學冶金工程研究院; 2.鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心)
10.9級緊固件用鋼ML35CrMo潔凈度研究1
魏崇一1吳華杰1,2岳峰1,2張漓1
(1.北京科技大學冶金工程研究院;2.鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心)
聯(lián)系人:吳華杰,博士,副研究員,北京市(100083),北京科技大學鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心;收稿日期:2015—9—13
摘要分析了國內(nèi)某鋼廠鐵水預處理→轉(zhuǎn)爐→氬站→LF精煉→鈣處理→連鑄工藝下生產(chǎn)的10.9級高強度汽車用緊固件冷鐓鋼的潔凈度水平。試驗結(jié)果顯示,鑄坯的T[O]含量在0.0013%左右,N含量在0.0047%左右;鑄坯中主要夾雜物類型為Al2O3-CaO-CaS復合夾雜物,同時還有少量純Al2O3和Al2O3-MgO-CaO-CaS復合夾雜物;鑄坯中大型夾雜物主要類型有SiO2型,Al2O3型,含Na、K復雜成分型。
關(guān)鍵詞ML35CrMo顯微夾雜物潔凈度Ca處理
THE RESEARCH ON CLEANINESS OF ML35CrMo COLD HEADING STEEL FOR 10.9 GRADE WIRE ROD FASTENER
Wei Chongyi1Wu Huajie1,2Yue Feng1,2Zhang Li1
(1.Engineering Research Institute, University of Science and Technology Beijing;2.Collaborative Innovation Center of Steel Technology)
ABSTRACTAnalysis of the cleanliness level of 10.9 high strength automotive fasteners cold heading steel produced by hot metal pretreatment processing→converter→argon station→LF refining→calcium treatment→continuous casting process in a domestic steel plant is carried out. The experimental results show that, the content of T [O] is about 0.0013% and the content of N is about 0.0047% in this casting blank; the main inclusions in the casting blank is Al2O3-CaO-CaS compound inclusions with some pure Al2O3and Al2O3-MgO-CaO-CaS compound inclusions; the big inclusions in casting blank are type of SiO2,type of Al2O3and complex type of Na and K.
KEY WORDSML35CrMomicroscopic inclusionscleaninessCa treatment
0前言
冷鐓鋼是一種在室溫條件下,利用冷鐓工藝生產(chǎn)緊固件的鋼種。廣泛用于生產(chǎn)螺釘、銷釘、螺母等標準件。冷鐓用鋼必須具有良好的冷頂鍛性能,鋼中夾雜物含量低,對鋼材的潔凈度要求嚴格[1]。10.9級高強度緊固件盤條可用做汽車螺栓、螺桿、螺釘?shù)葮藴示o固件的生產(chǎn)。脆性Al2O3是造成冷鐓開裂的原因之一,可以通過鈣處理工藝使夾雜物變性,轉(zhuǎn)變成塑性夾雜從而提高鋼的質(zhì)量[2]。ML35CrMo相當于日本的SCM435,但相對于SCM435國內(nèi)的ML35CrMo的潔凈度控制水平仍有很大的差距。
1研究方法和生產(chǎn)工藝
針對某鋼廠鐵水預處理→轉(zhuǎn)爐→氬站→LF精煉→鈣處理→連鑄工藝下生產(chǎn)的10.9級ML35CrMo冷鐓鋼,對其冷鐓鋼潔凈度水平進行研究,同時分析其夾雜物熱力學成因。選取該廠生產(chǎn)的兩爐次(分別標為A和B)ML35CrMo冷鐓鋼分析其潔凈度水平,采用氧氮分析法、金相試樣法和大樣電解法為主要研究方法[3]。
2試驗結(jié)果和分析
2.1鑄坯中氧氮含量分析
該廠A和B爐次生產(chǎn)的ML35CrMo氧氮結(jié)果如圖1所示。
圖1 ML35CrMo氧氮含量
從圖1中可以看出,兩爐次生產(chǎn)的冷鐓鋼氧氮含量差異不大,T[O]含量在0.0013%左右,N含量在0.0047%左右。國內(nèi)先進鋼企冷鐓鋼鑄坯氧氮含量[4-6]見表1。
表1 國內(nèi)外鋼企冷鐓鋼鑄坯氧氮含量
從表1可以看出,國內(nèi)鋼企的冷鐓鋼氧氮水平可以控制在較低的含量,但是數(shù)值波動比較大,穩(wěn)定的氧氮含量是夾雜物控制水平的關(guān)鍵。
2.2鋼中顯微夾雜物分析
典型夾雜物形貌及元素分布如圖2所示,夾雜物成分、類型和尺寸信息見表2。
圖2 ML35CrMo冷鐓鋼中典型夾雜物形貌及元素分布
序號元素(質(zhì)量分數(shù))/%AlOCaSMg類型尺寸/μm146.7951.46Al2O310219.7625.1433.2423.55Al2O3-CaO-CaS11313.1540.5625.729.81Al2O3-CaO-CaS1048.1924.3353.4812.401.60Al2O3-MgO-CaO-CaS6
從表2可以看出,ML35CrMo冷鐓鋼中主要夾雜物類型為Al2O3-CaO-CaS復合夾雜物,同時還有少量純Al2O3和Al2O3-MgO-CaO-CaS復合夾雜物;從圖2中可以看出,ML35CrMo冷鐓鋼夾雜物主要類型有純氧化鋁夾雜和復合夾雜,形貌為帶棱角和近似于球形,復合夾雜物成分特征為:以Al2O3-CaO或MgO-Al2O3為核外部包裹CaS,但包裹可能不完全,尺寸都在10 μm左右,也有大量小尺寸夾雜物。
2.3鋼中大型夾雜物分析
冷鐓鋼中大型夾雜物樣品信息和電解結(jié)果見表3。
表3 ML35CrMo冷鐓鋼中大型夾雜物電解結(jié)果
通過大樣電解法分析ML35CrMo鋼中大型夾雜物重量,420號試樣夾雜物重量為6.18 mg/10kg,其中小于80 μm占5%,80 μm~140 μm占16%,140 μm~300 μm占37%,大于300 μm占42%。421號試樣夾雜物重量為2.95 mg/10kg,其中小于80 μm占22%,80 μm~140 μm占33%,140 μm~300 μm占22%,大于300 μm占33%。
ML35CrMo鋼中大型夾雜物總體形貌如圖3所示,典型大型夾雜物顯微形貌如圖4所示,典型大型夾雜物成分見表4。
(a) 300 μm以上大型夾雜物(b) 140 μm~300 μm大型夾雜物(c) 80 μm~140 μm大型夾雜物(d) 小于80 μm大型夾雜物
圖3ML35CrMo鋼中大型夾雜物總體形貌和尺寸
(a) SiO2類 (b) 含K,Na復合類 (c) Ca-Mg-Al復合類 (d) Al2O3類
編號成分(質(zhì)量分數(shù))/%尺寸/μm11-O:61.43,Si:38.5712021-K:3.98,Na:2.23,O:63.84,Si:21.50,Al:3.71,Ca:2.26,Ti:2.4830031-O:51.58,Mg:7.60,Al:18.16,Si:3.70,Ca:4.86,Zr:14.103502-O:36.89,Mg:0.66,Al:14.31,Si:9.33,Ca:4.55,Cr:34.2541-O:48.58,Al:49.97350
通過SEM分析兩爐次大型夾雜物形貌,發(fā)現(xiàn)鑄坯中大型夾雜物主要類型有SiO2型,Al2O3型,含Na、K復雜成分型。其來源可能為引流沙,水口聚集物脫落,含Na、K保護渣,內(nèi)生或者耐火材料脫落。
3夾雜物生產(chǎn)熱力學分析與討論
該鋼廠生產(chǎn)的ML35CrMo冷鐓鋼主要成分見表5。冷鐓鋼為鋁脫氧鋼種,Al-O反應為主要的脫氧反應,同時生產(chǎn)高等級冷鐓鋼的難點在于夾雜物變性過程,因為主要脫氧產(chǎn)物Al2O3為脆性夾雜物,在冷鐓過程,很容易因應力集中造成冷鐓開裂,而影響產(chǎn)品質(zhì)量。冷鐓鋼夾雜物的變性主要方法為Ca處理,通過生成塑性的低熔點鈣鋁酸鹽類夾雜物,來減少脆性氧化鋁,從而提高質(zhì)量。
表5 ML35CrMo化學成分
精煉過程發(fā)生的Al-O反應及其,見(1)式,(2)為反應平衡常數(shù),
2[Al]+3[O]=(Al2O3),△G10=-1225000
+393.8TJ·mol-1[7]
(1)
計算T=1873 K,平衡時鋁氧平衡曲線,如圖5所示。
圖5鋁氧平衡曲線(1873 K)
從圖5可以看出,當酸溶鋁含量在0.02%~0.05%時,鋼中的溶解氧含量為(4~6)×10-6左右。
鈣處理是冷鐓鋼生產(chǎn)的重要工藝,將鈣線喂到鋼包深處,鈣釋放氣化(鈣沸點1482 ℃),Pca=0.19 MPa)形成氣泡柱往上浮,在該過程中發(fā)生以下反應[8]:
nCavap+n[O]+(Al2O3)=(nCao·Al2O3)
(2)
(3)
CaO和Al2O3系夾雜物有5個中間相,Ca處理的目的就是為了得到其中低熔點鈣鋁酸鹽,即3CaO·Al2O3、12CaO·7Al2O3和CaO·Al2O3。
4結(jié)論
從鋼中氧氮含量、鋼中顯微夾雜物和大型夾雜物三個方面分析了10.9級高強度汽車用緊固件ML35CrMo冷鐓鋼鑄坯的潔凈度水平,同時從熱力學角度分析夾雜物的成因,得出以下結(jié)論。
(1)國內(nèi)外先進水平的ML35CrMo10.9級高強度緊固件用冷鐓鋼的T[O]含量應在0.0013%以下,N含量應在0.0047%以下。
(2)從顯微夾雜物分析結(jié)果可以得出ML35CrMo冷鐓鋼中主要夾雜物類型為Al2O3-CaO-CaS復合夾雜物,同時還有少量純Al2O3和Al2O3-MgO-CaO-CaS復合夾雜物;ML35CrMo冷鐓鋼夾雜物主要類型有純氧化鋁夾雜和復合夾雜,形貌為帶棱角和近似于球形,復合夾雜物成分特征為:以Al2O3-CaO或MgO-Al2O3為核外部包裹CaS,但包裹可能不完全,尺寸都在10 μm左右,也有大量小尺寸夾雜物。反應出冷鐓鋼鈣處理工藝的重要性,應盡可能的減少純Al2O3。
(3)大型夾雜物分析結(jié)果表示,發(fā)現(xiàn)鑄坯中大型夾雜物主要類型有SiO2型,Al2O3型,含Na、K復雜成分型,CaO-MgO型。其來源可能為引流沙,水口聚集物脫落,含Na、K保護渣,內(nèi)生或者耐火材料脫落。應該加強連鑄過程的保護澆鑄防止二次氧化,減少結(jié)晶器液面波動防止卷渣,以減少大型夾雜物進入鋼液。
(4)通過計算Al-O平衡反應,得出當酸溶鋁含量在0.02%~0.05%時,
ML35CrMo高強冷鐓鋼中的溶解氧含量為(4~6)×10-6左右,采用鋁脫氧結(jié)合優(yōu)化的鈣處理工藝有利于提高該鋼種的潔凈度水平。
5參考文獻
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基金項目:中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(FRF-UM-15-002)