CN112359170A - 一种细化低碳合金钢退火态晶粒尺寸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种细化低碳合金钢退火态晶粒尺寸的方法，包括加料、熔化、脱氧、加入细化剂、浇铸等工序，关键技术在于向钢液中添加占钢液质量0.05%‑0.3%的商用铝钛硼合金，用作形成细化晶粒的细化剂。所述低碳合金钢化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.01～0.18%，Mn：0.2～1.30%，Si：0.2～0.75%，Ni：0～3.5%，Mo:0～0.8%,V：0～0.15%，Cr：0.15～1.5%，Nb：0～0.05%，Cu：0～0.3%，Al：0.01～0.2%，其余为Fe和不可避免的杂质。采用本发明技术方案制备的低碳合金钢其晶粒尺寸较未添加细化剂时晶粒尺寸减小40%以上。

Description

一种细化低碳合金钢退火态晶粒尺寸的方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种细化低碳合金钢退火态晶粒细化的方法。本发明所指低碳合金钢，是指常温组织为铁素体、贝氏体或马氏体中的一种或多种。

背景技术

低碳合金钢一类钢铁材料，强度高，综合性能好，广泛应用于各个领域，其性能取决于其化学成分、制造工艺，其中强度、韧性是重要的性能指标，而细化晶粒是最为有效的可以同时提高强度和韧性的方法之一。钢的晶粒细化技术多年来一直是材料和冶金工作者的研究热点。

连铸过程中，由于钢坯冷却速度慢，晶粒沿热梯度方向生长形成粗大的柱状晶，粗大的晶粒会遗传到后续热加工前，降低其轧制性能。解决这一问题的关键是细化退火态（既铸态再加热）的晶粒尺寸。现有技术中，获得细晶粒钢的方法主要有利用相变和再结晶的热处理（或形变热处理）、钢液超速冷却、机械合金化等。这些方法一般加工工艺复杂，流程长，对设备能力或生产成本有较高的要求，而采用特定的细化剂对钢的液态进行变质处理，使浇铸的钢锭再加热后得到相对较细小的晶粒，而后续热加工方法和工艺不需改变，是目前研究的趋势。

CN201010131571.0公开了一种含稀土钢铁变质剂及其制备方法，其组份为：5-35％RE、2-6％Mg、2-12％Ti、0-5％B、0.5-5％Ca、0-5％Ba、0-30％Si、其余为Fe及少量杂质元素。由于其成分含有镁，在变质过程中会产生光化烟雾，污染环境；同时，其含有的稀土价格昂贵，且制备方法比较繁琐、耗时，不利于大批量生产。

CN102277523公开了一种Fe-X-C 晶粒细化剂，能提高铸锭等轴晶的比例，但该细化剂制备工艺较繁琐，且未提到对再加热晶粒尺寸的影响。

CN106312026公开了一种用于铸钢晶粒和组织细化处理的变质剂，所述细化剂由钛铁、钒铁、铌铁经雾化法得到的粉末按比例混合再加入10%左右稀土制成，该细化剂虽采用商用合金雾化法，但含有较高比例稀土，制备成本高。

CN101328549A和CN106756156B公开了一种AlTiB中间合金用于铝及铝合金细化的方法，但钢和铝是完全不同的两种合金体系，而且未有AlTiB中间合金用于钢细化的方法公开报道。

本发明要解决的技术问题是，提供一种新型、环保、低成本的细化低碳合金钢退火态（即再加热后）晶粒尺寸的方法。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种细化低碳合金钢退火态晶粒尺寸的方法，采用该方法可以细化低碳合金钢退火态晶粒尺寸40%以上。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：

一种细化低碳合金钢退火态晶粒尺寸的方法，其关键技术在于，向钢液中添加形成细化晶粒的细化剂，其中所述细化剂为商用铝钛硼合金，其常见组分为Al-5Ti-B、Al-3Ti-B。

本发明所述的一种细化低碳合金钢退火态晶粒尺寸的方法，其中：所述细化剂质量占钢液质量的0.05%-0.3%。

本发明所述的一种细化低碳合金钢退火态晶粒尺寸的方法，其中：所述低碳合金钢化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.01～0.18%，Mn：0.2～1.30%，Si：0.2～0.75%，Ni：0～3.5%，Mo:0～0.8%, V：0～0.15%，Cr：0.15～1.5%，Nb：0～0.05%，Cu：0～0.3%，Al：0.01～0.2%，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明所述的一种细化低碳合金钢退火态晶粒尺寸的方法，其具体操作步骤如下：

（1）将表面洁净的纯铁与不易氧化的钢铁料加入非真空感应炉坩埚内，然后持续通入氩气保护，同时供电加热，氩气压力为0.1-0.2MPa；

（2）待加入的钢铁料全部熔清，升温至1550-1600℃后保温1-3min，加入钢液质量分数0-0.2%的铝粒预脱氧，同时通入的氩气压力加大至0.2-0.3MPa，清除表面浮渣；

（3）加入易氧化的钢铁料；

（4）合金化完成后，加入钢液质量分数0.05%-0.3%的细化剂；

（5）升温至1600-1650℃后保温2-5min；

（6）停止供电后进行浇铸，得到成分精确、内部致密均匀的铸锭。

本发明的设计思路是：本发明采用商用的含细化相的中间合金，利用中频冶炼低碳合金钢，将所述细化剂加入钢液后，不仅可以起到一定的脱氧、脱氮作用，而且在脱除氧氮的同时，可以原位形成AlN、TiC、TiN、TiB₂等细小的形核质点，这些质点弥散分布在钢中，可以阻碍晶粒在随后的加热过程中的过分长大，得到热加工前较细的原始组织，也可以直接得到退火态的细晶粒钢。

采用上述技术方案所产生的有益效果为：

本发明适用于低碳合金钢的晶粒细化，可将所述钢铸锭加热后的晶粒尺寸细化40%-70%。

本发明将商用铝钛硼中间合金在钢铁料熔炼过程中加入到钢液，脱氧、脱氮、细化晶粒形核等冶金过程一次完成，操作简单，并减少了熔炼工序和时间。

本发明提供的方法新型、环保、低成本，有利于生产推广。

附图说明

图1是实施例1所得低碳合金钢显微组织图；

图2是实施例2所得低碳合金钢显微组织图；

图3是实施例3所得低碳合金钢显微组织图；

图4是实施例4所得低碳合金钢显微组织图；

图5是实施例5所得低碳合金钢显微组织图；

图6是实施例6所得低碳合金钢显微组织图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例所述的一种细晶粒低碳合金钢的制备方法包括如下步骤：

（1）将表面洁净的纯铁与不易氧化的钢铁料加入非真空感应炉坩埚内，然后持续通入氩气供电加热，氩气压力为0.2MPa；

（2）加入的钢铁料全部熔清，升温至1550℃后保温3min，加入钢液质量分数0.2%的铝粒预脱氧，同时通入的氩气压力加大至0.3MPa，清除表面浮渣；

（3）加入易氧化的钢铁料；

（4）合金化完成，加入钢液质量分数0.05%的铝钛硼合金细化剂；

（5）升温至1600℃后保温2min；

（6）清除表面浮渣，停止供电后进行浇铸，得到成分精确、内部致密均匀的铸锭。

经检测，所制备铸锭化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.09%，Mn：1.3%，Si：0.2%，Ni：2.8%，Mo:0.7%, V：0.03%，Cr：0.58%，Nb：0.03%，Cu：0.2%，Al：0.12%，其余为Fe和不可避免的杂质。

铸锭取样经随炉加热至温度1150℃，保温2h，研磨、抛光后，使用4%硝酸酒精腐蚀，其晶粒尺寸74.5μm。

实施例2

本实施例所述的一种细晶粒低碳合金钢的制备方法包括如下步骤：

（1）将表面洁净的纯铁与不易氧化的钢铁料加入非真空感应炉坩埚内，然后持续通入氩气供电加热，氩气压力为0.1MPa；

（2）加入的钢铁料全部熔清，升温至1600℃后保温1min，加入钢液质量分数0.1%的铝粒脱氧，同时通入的氩气压力加大至0.2MPa，清除表面浮渣；

（3）加入易氧化的钢铁料；

（4）合金化完成，加入钢液质量分数0.1%的铝钛硼合金细化剂；

（5）升温至1650℃后保温4min；

（6）清除表面浮渣，停止供电后进行浇铸，得到成分精确、内部致密均匀的铸锭。

经检测，所制备铸锭化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.12%，Mn：0.82%，Si：0.38%，Ni：3.5%，Mo:0.74%, V：0.03%，Cr：0.58%，Nb：0.03%，Cu：0.22%，Al：0.14%，其余为Fe和不可避免的杂质。

铸锭取样经随炉加热至温度1150℃，保温2h，研磨、抛光后，使用4%硝酸酒精腐蚀，其晶粒尺寸37.5μm。

实施例3

本实施例所述的一种细晶粒低碳合金钢的制备方法包括如下步骤：

（1）将表面洁净的纯铁与不易氧化的钢铁料加入非真空感应炉坩埚内，然后持续通入氩气供电加热，氩气压力为0.1MPa；

（2）加入的钢铁料全部熔清，升温至1580℃后保温2min，加入钢液质量分数0.1%的铝粒脱氧，同时通入的氩气压力加大至0.2MPa，清除表面浮渣；

（3）加入易氧化的钢铁料；

（4）合金化完成，加入钢液质量分数0.3%的铝钛硼合金细化剂；

（5）升温至1600℃后保温5min；

（6）清除表面浮渣，停止供电后进行浇铸，得到成分精确、内部致密均匀的铸锭。

经检测，所制备铸锭化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.18%，Mn：0.79%，Si：0.37%，Ni：2.85%，Mo:0.75%, V：0.04%，Cr：0.58%，Nb：0.03%，Cu：0.22%，Al：0.2%，其余为Fe和不可避免的杂质。

铸锭取样经随炉加热至温度1150℃，保温2h，研磨、抛光后，使用4%硝酸酒精腐蚀，其晶粒尺寸37.3μm。

实施例4

本实施例作为实施例1-3的对比，未加入细化剂。

本实施例所述的一种低碳合金钢的制备方法包括如下步骤：

（1）将表面洁净的纯铁与不易氧化的钢铁料加入非真空感应炉坩埚内，然后持续通入氩气供电加热，氩气压力为0.2MPa；

（2）加入的钢铁料全部熔清，升温至1550℃后保温3min，加入钢液质量分数0.2%的铝粒脱氧，同时通入的氩气压力加大至0.3MPa，清除表面浮渣；

（3）加入易氧化的钢铁料；

（4）合金化完成，继续升温；

（5）升温至1600℃后保温2min；

（6）清除表面浮渣，停止供电后进行浇铸，得到成分精确、内部致密均匀的铸锭。

经检测，所制备铸锭化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.09%，Mn：0.79%，Si：0.37%，Ni：2.82%，Mo:0.73%, V：0.04%，Cr：0.55%，Nb：0.03%，Cu：0.22%，Al：0.14%，其余为Fe和不可避免的杂质。

铸锭取样经随炉加热至温度1150℃，保温2h，研磨、抛光后，使用4%硝酸酒精腐蚀，其晶粒尺寸120.8μm。

实施例5

本实施例所述的一种细晶粒低碳合金钢的制备方法包括如下步骤：

（1）将表面洁净的纯铁与不易氧化的钢铁料加入非真空感应炉坩埚内，然后持续通入氩气供电加热，氩气压力为0.1MPa；

（2）加入的钢铁料全部熔清，升温至1580℃后保温2min，加入钢液质量分数0.1%的铝粒脱氧，同时通入的氩气压力加大至0.2MPa，清除表面浮渣；

（3）加入易氧化的钢铁料；

（4）合金化完成，加入钢液质量分数0.1%的铝钛硼合金细化剂；

（5）升温至1620℃后保温3min；

（6）清除表面浮渣，停止供电后进行浇铸，得到成分精确、内部致密均匀的铸锭。

经检测，所制备铸锭化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.01%，Mn：1.1%，Si：0.75%，Cr：0.1%，Al：0.01%，其余为Fe和不可避免的杂质。

铸锭取样经随炉加热至温度1250℃，保温2h，研磨、抛光后，使用4%硝酸酒精腐蚀，其晶粒尺寸62.3μm。

实施例6

本实施例作为实施例5的对比，未加入细化剂。

本实施例所述的一种细晶粒低碳合金钢的制备方法包括如下步骤：

（1）将表面洁净的纯铁与不易氧化的钢铁料加入非真空感应炉坩埚内，然后持续通入氩气供电加热，氩气压力为0.2MPa；

（2）加入的钢铁料全部熔清，升温至1580℃后保温2min，加入钢液质量分数0.15%的铝粒脱氧，同时通入的氩气压力加大至0.3MPa，清除表面浮渣；

（3）加入易氧化的钢铁料；

（4）合金化完成，继续升温；

（5）升温至1620℃后保温3min；

（6）清除表面浮渣，停止供电后进行浇铸，得到成分精确、内部致密均匀的铸锭。

经检测，所制备铸锭化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.03%，Mn：1.3%，Si：0.7%，Cr：0.14%，Al：0.03%，其余为Fe和不可避免的杂质。

铸锭取样经随炉加热至温度1250℃，保温2h，研磨、抛光后，使用4%硝酸酒精腐蚀，其晶粒尺寸150.3μm。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种细化低碳合金钢退火态晶粒尺寸的方法，其特征在于，向钢液中添加形成细化晶粒的细化剂，其中所述细化剂为商用铝钛硼合金，其常见组分为Al-5Ti-B、Al-3Ti-B。

2.根据权利要求1所述的一种细化低碳合金钢退火态晶粒尺寸的方法，其特征在于，所述细化剂添加量占钢液质量的0.05%-0.3%。

3.根据权利要求1所述的一种细化低碳合金钢退火态晶粒尺寸的方法，其特征在于，所述低碳合金钢化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.01～0.18%，Mn：0.2～1.30%，Si：0.2～0.75%，Ni：0～3.5%，Mo:0～0.8%, V：0～0.15%，Cr：0.15～1.5%，Nb：0～0.05%，Cu：0～0.3%，Al：0.01～0.2%，其余为Fe和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的一种细化低碳合金钢退火态晶粒尺寸的方法，其特征在于，具体操作步骤如下：

（1）将表面洁净的纯铁与不易氧化的钢铁料加入非真空感应炉坩埚内，然后持续通入氩气保护，同时供电加热，氩气压力为0.1-0.2MPa；

（2）待加入的钢铁料全部熔清，升温至1550-1600℃后保温1-3min，加入钢液质量分数0-0.2%的铝粒预脱氧，同时通入的氩气压力加大至0.2-0.3MPa，清除表面浮渣；

（3）加入易氧化的钢铁料；

（4）合金化完成后，加入钢液质量分数0.05%-0.3%的细化剂；

（5）升温至1600-1650℃后保温2-5min；

（6）停止供电后进行浇铸，得到成分精确、内部致密均匀的铸锭。

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