專利名稱：用于鋼中硫化物球化和分散的復合添加劑及使用方法
用于鋼中硫化物球化和分散的復合添加劑及使用方法技術領域
本發明屬于冶煉技術領域。尤其涉及一種用于鋼中硫化物球化和分散的復合添加 劑及使用方法。
背景技術：
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 種出現于JES標準，1952年納入JIS標準。含硫易切削鋼以及S、P、N、Pb等元素的復合系 易切削鋼統稱為硫系易切削鋼，按用途可以分為注重切削性的硫系以及含硫復臺系易切 削鋼；以機械性能為重點并增加易切削性的機械結構用硫系易切削鋼。MnS提高切削性的 作用如下(1)內應力集中源，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。對于機械結構用鋼來說，為了提高鋼的純凈度 和調整晶粒度，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會因磨擦而增加損耗。
對于一般結構鋼種而言，在室溫下鋼中硫化物對鋼的強度影響不大，但其含量及 形態對鋼的韌性(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 鋼種來說，硫含量增加會降低鋼的性能。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品性能也有明顯影響，硫化錳夾雜在 軋制時很容易變形，硫化鈣較硬、實際上在軋制中不變形。硫化物有產生氫誘發裂紋的可能 性。因為氫很容易被拉長的MnS夾雜誘捕，而使其減輕對氫誘發裂紋的抵抗力。鋼的焊接 性、可加工性、機械性等還受鋼中硫化物夾雜的類型和數量的影響。鋼中呈網狀存在的硫化 物會造成鋼的熱脆性。
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、大小和分布進行有效控制，才能生產有利的作用和效果。
對硫化物可以起到球化作用的元素有以下幾種
(1)鈣鈣在鋼中可優先于錳與硫結合形成硫化鈣，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，故尚未在工業生產中得 到實際應用。
(4)稀土 稀土元素與硫的親和力比錳更強，可以取代錳形成RES，同時稀土元素 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)鉛因為鉛不溶于鋼中，而是以細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，不會損害鋼的力學性能，也沒有污染問題。但是，上述各種方法存在如下缺點一、對于鈣處理的鋼傳統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)這兩種元素價格都很高；(2)都具有毒性；(3)碲還會在軋制時引起熱脆性。三、對于鎂處理的鋼由于鎂很輕，單獨加入鋼水時很難加入，并且收得率低。四、對于稀土處理的鋼(1)稀土在生產和應用的過程中，容易產生放射性粉塵，產生的放射性危害不容忽 視；(2)稀土處理的鋼澆注時水口易結瘤，用強脫氧劑如Al脫氧時，也常出現水口結瘤問 題；⑶稀土夾雜物比重大，一般在5. 5 6. 5之間，不易上浮，特別是當稀土加入過量時， 會增加鋼中的有害夾雜，特別是大尺寸夾雜，甚至產生脆性的稀土與鐵的金屬間化合物，惡 化鋼的性能；(4)稀土金屬的價格較貴。五、對于鉛處理的鋼因為鉛的密度較高，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 致造成無法預計鉛的收得率。另外，鉛和氧化鉛都有毒。六、對于鉍處理的鋼由于鉍價格高，作為改善切削性的添加劑不夠經濟。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，加入方式較復雜。
發明內容
本發明旨在克服已有技術缺陷，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合添加劑。該復合添加劑球化工藝簡單，用該復合添加劑冶煉后經 軋制的鋼韌性好、加工性能好和切削性能好。為實現上述目的，本發明采用的技術方案是該添加劑的化學成分及其含量是 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；其制備方法是按上述成分，以Si-Ca合金為基礎， 加入Ti、&和Nd ；經真空感應爐熔煉并澆鑄而成。其中Ti是以Ti磁鐵礦高爐渣為原料經提煉而成的Ti合金；&為海綿金屬ττ或為Si-a·合金或為金屬ττ ；Nd為金屬Nd或為iie-Nd合金。
本發明制備的復合添加劑的使用方法是采用轉爐或者電弧爐將鐵水、或廢鋼、或 鐵水與廢鋼經煉鋼后進行精煉和調整鋼水成分，在加入復合添加劑前保持鋼水中的自由氧 含量為10 300ppm，再用復合添加劑進行脫氧與復合合金化，復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，然后按常規工藝進行連鑄和熱軋。
由于采用上述技術方案，本發明以Si、Ca、Ti, Zr和Nd為主要成分，經真空感應爐 熔煉并澆鑄而成，故具有成本低廉、工藝過程簡單。所制備的復合添加劑有利于硫化物球化 的復合硫氧化物，同時為細化組織提供有利的形核質點，將多個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化的任務。故本 發明工藝過程簡單、工序時間短(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度鋼抗拉強度為500 900MPa。本發明適用于原油儲罐、建筑用 鋼、船舶軍艦等大型結構、設備、設施等韌性要求高的低合金高強度鋼，尤其適用低碳硫易 切削高強度鋼、機械結構用含硫易切削高強度鋼。
具體實施方式
下面結合具體實施方式
對本發明作進一步描述，并非對其保護范圍的限制。
為避免重復，先將具體實施方式
中所加入的Ti、Zr和Nd分別描述如下，實施例中 不再贅述Ti是以Ti磁鐵礦高爐渣為原料經提煉而成的Ti合金(Lr:為海綿金屬ττ或為 Si-Zr合金或為金屬rLr ；Nd為金屬Nd或為 ^-Nd合金。
實施例1
一種用于鋼中硫化物球化和分散的復合添加劑及使用方法。該復合添加劑的化學 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。
該復合添加劑的制備方法是按上述成分，以Si-Ca合金為基礎，加入Ti、^ 和 Nd ；經真空感應爐熔煉并澆鑄而成。
本實施例的脫氧與復合復合合金化的工藝是采用轉爐或者電弧爐將鐵水經煉鋼 后進行精煉和調整鋼水成分，在加入復合添加劑前保持鋼水中的氧含量為10 120ppm，然 后用復合添加劑進行脫氧與復合合金化，復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，最后按常規工藝進行連鑄和熱軋，澆鑄成厚度為250mm的鑄坯。
本實施例的鑄坯化學成分及其含量是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。
熱軋工藝是，鑄坯加熱至1150 1250°C，均熱2 3小時進行熱軋，軋制為40 60mm厚的鋼板；然后以5 15°C /s的冷卻速度進行在線冷卻。
所軋制的低合金高強度鋼板的抗拉強度為500 700MPa，鋼中的硫化物呈細小彌 散分布，其大小為200 500納米；鋼板韌性優異，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，焊接后不需進行熱 處理，具有優良的焊接性能，其焊接熱影響區的沖擊功不低于母材沖擊功的2/3。
實施例2
一種用于鋼中硫化物球化和分散的復合添加劑及使用方法。該復合添加劑的化 學成分及其含量是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。
該復合添加劑的制備方法是按上述成分，以Si-Ca合金為基礎，加入Ti、^ 和 Nd ；經真空感應爐熔煉并澆鑄而成。
本實施例的脫氧與合金化的工藝是采用電弧爐將廢鋼經煉鋼后進行精煉和調整 鋼水成分，在加入復合添加劑前保持鋼水中的氧含量為120 200ppm，然后用復合添加劑 進行脫氧與復合合金化，復合添加劑以塊狀合金形式加入鋼水，加入量為每噸鋼1 3kg， 最后按常規工藝進行連鑄，澆鑄成為150mm的方坯。
本實施例鑄坯的化學成分及其含量是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。
熱軋工藝是，先將鑄坯加熱至1250 1350°C，均熱1. 5 2. 5小時，再進行熱軋， 軋制為直徑為6. 5mm的盤條。
所制造的盤條的抗拉強度為600 SOOMPa，由于采用上述工藝，鋼中的MnS呈細小 彌散分布，其顆粒直徑為200 800納米，其切削性能優良。
實施例3
一種用于鋼中硫化物球化和分散的復合添加劑及使用方法。該復合添加劑的化 學成分及其含量是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。
該復合添加劑的制備方法是按上述成分，以Si-Ca合金為基礎，加入Ti、^ 和 Nd，經真空感應爐熔煉并澆鑄而成。
本實施例的脫氧與復合合金化的工藝是采用轉爐將鐵水與廢鋼經煉鋼后進行精 煉和調整鋼水成分，在加入復合添加劑前保持鋼水中的氧含量為150 300ppm，然后用復 合添加劑進行脫氧與復合合金化，復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，最后按常規工藝進行連鑄，澆鑄成150mm的方坯。
本實施例鑄坯的化學成分及其含量是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。
熱軋工藝是，鑄坯加熱至1250 1350°C，均熱1. 5 2. 5小時，進行熱軋，軋制為 直徑為6. 5mm的盤條。
本實施例所制造的盤條的抗拉強度為700 900MPa，由于采用上述工藝，鋼中的 MnS呈細小彌散分布，其顆粒直徑為200 1200納米，其切削性能優良。
本具體實施方式
以Si、Ca、Ti、Zr和Nd為主要成分，經真空感應爐熔煉并澆鑄而成，故具有成本低廉、工藝過程簡單。所制備的復合添加劑有利于硫化物球化的復合硫氧化 物，同時為細化組織提供有利的形核質點，按將多個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化的任務。故本具體實施方 式工藝過程簡單、工序時間短(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度鋼抗拉強度為500 900MPa。本具體實施方式
可廣泛適用原 油儲罐、建筑用鋼、船舶軍艦等大型結構、設備、設施等韌性要求高的低合金高強度鋼。尤其 適用低碳硫易切削高強度鋼、機械結構用含硫易切削高強度鋼。
權利要求
1.一種用于鋼中硫化物球化和分散的復合添加劑，其特征在于該復合添加劑的化學成 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；該復合添加劑的制備方法是按上述成 分，以Si-Ca合金為基礎，加入Tijr和Nd ；經真空感應爐熔煉并澆鑄而成。
2.根據權利要求1所述的用于鋼中硫化物球化和分散的復合添加劑，其特征在于Ti是 以Ti磁鐵礦高爐渣為原料經提煉而成的Ti合金。
3.根據權利要求1所述的用于鋼中硫化物球化和分散的復合添加劑，其特征在于ττ為 海綿金屬rLx或為Si-灶合金或為金屬ττ。
4.根據權利要求1所述的用于鋼中硫化物球化和分散的復合添加劑，其特征在于Nd為 金屬Nd或為 ^-Nd合金。
5.如權利要求1 4所述的用于鋼中硫化物球化和分散的復合添加劑的使用方法，其 特征在于采用轉爐或者電弧爐將鐵水、或廢鋼、或鐵水與廢鋼經煉鋼后進行精煉和調整鋼 水成分，在加入復合添加劑前保持鋼水中的自由氧含量為10 300ppm，再用復合添加劑進 行脫氧與復合合金化，復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，然后按常規工藝進行連鑄和熱軋。
全文摘要
本發明涉及一種用于鋼中硫化物球化和分散的復合添加劑及使用方法。其技術方案是該復合添加劑的化學成分及其含量是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；按上述成分以Si-Ca合金為基礎，加入Ti、Zr和Nd，經真空感應爐熔煉并澆鑄而成。復合添加劑的使用方法是在加入復合添加劑前保持鋼水中的自由氧含量為10～300ppm，然后用復合添加劑進行脫氧與復合合金化，復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。本發明具有成本低廉、工藝過程簡單、成分命中率高的特點。用該復合添加劑冶煉后經軋制的鋼韌性好、加工性能好和切削性能好。
文檔編號C22C30/00GK102031441SQ20101052866
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月1日 優先權日2010年11月1日
發明者萬響亮, 呂霞, 吳開明, 張佩, 張莉芹, 李廣艷, 王博, 王學新, 王紅鴻, 韓文習, 魏然, 黃剛 申請人:武漢科技大學, 萊蕪鋼鐵集團有限公司