高碳微合金非调质钢C70S6生产工艺探索_李献忠

高碳微合金非调质钢C70S6生产工艺探索李献忠　(技术中心)摘　要　通过分析高碳微合金非调质钢C70S6中合金元素的作用,设计了C70S6钢的生产工艺。

经过生产试制及对组织、析出相和夹杂物的检测,分析了冶炼过程中存在的问题,提出了工艺优化的意见,明确了提高钢中氮元素含量及控制好轧制温度、轧后冷却速度,有利于得到大量细小弥散的析出相和促进强度的提高。

关键词　微合金非调质钢　带状铁素体　析出相　夹杂物1　前言随着非调质钢微合金化冶炼、控制轧制和轧后冷却速度控制技术的快速发展,非调质钢的生产量越来越大,应用也越来越广泛。

相对于调质钢而言,非调质钢省略热处理工艺,不仅生成周期短,节约能源,没有调质处理的变形、裂纹废损,提高材料收得率,而且质量与同等级调质钢相当,个别特殊要求性能还可以比调质钢控制得更好。

2　钢种简介高碳微合金非调质钢C70S6是用来生产胀断连杆的,要求有较高的抗拉强度、较高的抗扭曲和较好的韧性,若韧性偏低胀断时容易掉渣,但韧性高了又不易胀断,因此还要有一定的脆性,以利于胀断。

生产胀断连杆关键是控制好钢水成分及轧材组织。

2.1　国内同类产品普遍存在的问题材料的金相组织或晶粒度达不到要求,或是材料韧性较好,脆性较低,以致不易胀断,或是连杆胀断后螺栓孔的外壁掉渣严重,或是连杆胀断后变形过量,体和盖的结合面出现明显错位,连杆总成的最内、外侧有侧向和径向的偏离。

2.2　相关组成元素的作用充分了解各元素对材料组织及性能的作用是非常重要的,尤其是对微量元素所起的作用不能以传统的观念去看,比如“氮”和“硫”元素,一般被认为是有害杂质,而实际上在胀断连杆材料中却起着非常关键的作用。

2.2.1　硅的作用硅对钢水脱氧具有良好作用,可以促进铁素体的形成,易使钢中形成带状组织,使横向性能低于纵向性能。

2.2.2　锰的作用锰使钢中的硫形成较高熔点的硫化锰,避免了晶界上产生低熔点的硫化亚铁薄膜,消除钢的热脆性,改善热加工性能;还可降低相变温度、细化珠光体和减小珠光体片间距,提高铁素体和珠光体钢的强度,使延展性有所降低。

2.2.3　铬的作用铬可以降低相变温度、细化铁素体晶粒、减小珠光体片间距,提高钢的强度和硬度,同时显著提高钢的脆性转变温度。

2.2.4　氮的作用高氮钢中形成氮化钒的化学驱动力大,形核密度较高,降低了析出相氮化钒长大速率,有利于弥散的超显微碳氮化物析出,在起到强化和硬化的同时,钢的韧性下降,缺口敏感性增加。

2.2.5　镍的作用镍可以强化铁素体并降低共析珠光体的碳含量,细化和增多珠光体,提高钢的强度,降低钢的低温脆化;还可以提高钢的疲劳抗力,降低钢的缺口敏感性。

2.2.6　钒的作用少量的钒形成细小弥散的稳定难熔的碳氮化物,使钢晶粒细化,在较高温度时仍保持细晶组织,大大减低钢的过热敏感性,韧性增大,在较低温度加工时显著增加变形抗力。

钒量较高导致聚集的碳氮化物出现时,会降低强度。

2.2.7　硫的作用低熔点的硫化亚铁在晶界偏析显著提高钢的热脆性;但细小弥散分布的高熔点的硫化锰夹杂却可以明显改善钢的切削加工性能,而对热脆性影响较小。

3　生产工艺3.1　工艺流程及化学成分铁水+废钢※70t E A F※E B T※L F精炼※软吹※C C M(200×200m m)※铸坯缓冷※加热炉※750连轧机组※轧材缓冷※检验※包装入库化学成分如表1。

表1C70S6的化学成分 (%)元素C M n S i P S C r N i V N M i n0.680.540.17--0.0600.100.040.030.012 M a x0.730.640.230.030.0700.150.080.040.018目标0.700.600.20≤0.0250.0650.130.060.0350.0153.2　炼钢工艺要点1)硫含量的控制:控制L F精炼渣量,降低精炼过程脱硫率,减少硫线喂入量,降低生产成本;严把硫线质量关(长时间存放的硫线被腐蚀),确保硫含量控制准确以避免对钢水的污染;防止后期钢包顶渣吸硫导致硫含量偏低,L F炉钢水终点样硫含量按上限控制。

2)氮含量的控制:钢的氮含量受碳含量影响较大,碳含量越高氮含量越低。

由于本钢种含碳量较高,在精炼过程中不断吹氩搅拌,钢水的氮含量逐步降低。

为了确保钢中氮含量,E A F出钢后,采取钢水大氩量搅拌,提高钢水入L F炉氮含量(可达到160p p m),精炼后期采用V-N合金调整钢水含氮量。

3)钢水洁净度的控制:精炼炉采用白渣操作,确保白渣时间大于15m i n,保证钢水脱氧效果;保证软吹氩时间大于8m i n,促进钢水中夹杂物充分上浮排除至顶渣中。

4)铸坯质量控制:严格控制钢水过热度在15～30℃之间,控制铸坯中心疏松和偏析;采用典型拉速制度,控制中间包和结晶器液面稳定;严格控制浸入式水口插入深度及对弧对中,保证连铸机设备精度,防止结晶器钢水卷渣、铸坯冷却不均匀。

3.3　轧钢工艺要点1)加热温度的控制:该钢种碳高、硫高,在连铸过程中很容易产生偏析和疏松缺陷,适当提高加热温度,延长均热时间,确保成分组织均匀化;同时考虑到该钢裂纹热敏感性,必须控制好预热温度。

2)轧制温度的控制:通过控制开轧温度及入精轧温度,促进氮化物在控制轧制过程中的应变诱导析出,通过钉扎晶界和亚晶界的作用,阻止奥氏体再结晶和晶粒长大,经过多道次轧制,最终在γ※α相变时得到细化的铁素体组织。

3)轧后冷却速度的控制:合适的轧后冷却速度,既增大相变过冷度,显著提高新相形核率,降低相变温度,使相变产物晶粒细化,增加碳氮化钒析出相和弥散度,避免由于冷却过快产生贝氏体组织,保证形成所需要的珠光体+铁素体组织,以获得良好的强度、韧性及合适的脆性。

4)入缓冷坑温度及出坑温度的控制:控制好入缓冷坑温度和出坑温度,不仅是为了释放轧制过程中产生的应力,避免轧后快速冷却产生的热应力,也是根据产品要求,以获得足够比例的珠光体,因为在一定的温度范围内快速冷却能有效抑制铁素体的析出,有利于获得更多的珠光体组织。

4　生产试制4.1　冶炼2009年4月中旬试制1炉C70S6,操作正常,成分控制得较好(表2)。

8月底又试制3炉,由于硫线质量问题,生产不顺利,成分控制不稳定(表2)。

4炉钢的铸坯低倍检验均正常,其中缩孔1级、中心偏析0.5级、中心疏松1.5级、中间裂纹0.5级、角裂0.5级、非金属夹杂0.5级、皮下裂纹0.5级、皮下气泡0.5级(图1)。

表2试制4炉C 70S 6的化学成分 (%)元素C M n S i P S C r N i V N 目标0.700.600.20≤0.0250.0650.130.060.0350.015第1炉0.6840.600.200.0140.0670.140.050.030.011第2炉0.6710.560.180.0100.0800.140.050.030.013第3炉0.7370.580.190.0200.0650.120.050.030.012第4炉0.6830.570.200.0150.0600.130.050.030.012图1 铸坯低倍4.2　轧制第1次轧制Υ38m m 棒材1炉(60t ),轧材缓冷后取样检验,各项性能指标均合格(表3、4)。

表3　第1次轧制C 70S6的力学性能R e L (M P a )R m (M P a )A (%)Z (%)HB 57091513.026.0256表4　C 70S 6组织、脱碳层、晶粒度和夹杂物组 织脱碳层(m m )晶粒度(级)夹杂物(级)A B C D 珠光体+铁素体0.1973.51 第2次轧制Υ36m m 棒材1炉(60t ),工艺没变,但轧材缓冷后取样检验,发现表面裂纹较多,最深达0.6m m ,而且屈服强度偏低(表5)。

表5　第2次轧制C 70S 6的力学性能R e L (M P a )R m (M P a )A (%)Z (%)4808901425 5　轧材检测5.1　显微组织在显微镜下观察拉伸试样纵截面组织,断口黑色部位对应呈窄带状或宽带状的非正常组织,窄带中铁素体为短条状,宽带中铁素体多为块状(图2)。

a 正常组织b 纵向组织c 纵向带状组织图2 轧材组织5.2　析出相用二次复型法制成透射电镜样,通过透射电镜观察,并用I N C A能谱仪对两次的轧材进行析出相分析,结果如下。

第1次:析出相数量很少,较大颗粒为不规则形状,大小120n m左右,类型为V C。

尺寸大小为20～60n m的较小颗粒形状分为2类,不规则形状以V为主,方形以T i为主,类型均为V、T i、C r的碳化物或碳氮化物,如图3。

第2次:析出相数量较多,分布均匀,形态为球形或不规则形,尺寸主要为10～50n m和90～270n m,少量大于270n m。

其中10～50n m的细小析出相主要成分为V,90n m以上的主要成分为M n+C u+S或C u +S,部分含有少量的V。

偶尔有微米级的条状M n S 聚集呈带状分布。

图3　析出相形貌及能谱图5.3　夹杂物通过电子探针对试样进行观察分析,夹杂物形貌为条状或粒状,主要是硫化锰和铝酸钙。

条状M n S 夹杂物最长达151μm,铝酸钙颗粒夹杂物直径最大约32.5μm,如图4。

图4 夹杂物6　分析与讨论6.1　炼钢生产存在的问题1)硫含量的控制:存在硫线存放时间过长被腐蚀,喂丝操作不能正常进行(丝线经常拉断);喂丝系统喂丝效果差,硫的收得率很低,硫含量控制不准。

建议对喂丝系统进行改进,提高丝线进入钢包的穿透能力。

2)氮含量的控制:由于精炼后期依靠V-N合金调整钢水氮含量的效果不明显,而精炼过程中吹氩搅拌降氮量较大(30～60p p m),以致原生产工艺对氮成分控制很不稳定。

建议精炼末期采用氮气软吹的工艺。

3)铸坯质量控制:铸坯低倍分析比较好,说明铸坯冷却均匀,但取铸坯表面样酸洗后发现外弧面中心线附近存在纵向微裂纹,结合轧材夹杂物分析结果和第2次冶炼不顺看,可能是铸坯皮下大颗粒夹杂物导致应力集中形成表面微裂纹。

6.2　轧材表面裂纹形成原因电镜扫描铸坯表面样微裂纹区,分析夹杂物成分主要为F e O、M n S 等(轧材基体组织高倍观察时,发现局部C 类粗系非金属夹杂物达到3级,在5.3夹杂物检测中发现长达151μm 的M n S 夹杂和直径达32.5μm 铝酸钙颗粒夹杂物);高倍观察发现材样裂纹附近组织有明显的脱碳现象(图5)。

说明轧材表面裂纹主要是由铸坯缺陷造成的。

图5　轧材截面样上裂纹附近组织的脱碳特征6.3　带状铁素体形成原因一方面由于连铸过程中磷硫在枝晶间偏析导致碳偏析,在加热过程中受到温度和时间限制没有充分扩散均匀化,轧制时伸长形成低碳带状区,在轧后冷却过程中低碳带中析出先共析铁素体,形成带状铁素体。