非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)技術(shù)及用戶使用技術(shù)研究介紹

南京鋼鐵股份有限公司目錄CONTENT111前言1非調(diào)質(zhì)鋼的生產(chǎn)技術(shù)2非調(diào)質(zhì)鋼的用戶使用技術(shù)3第一頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司非調(diào)質(zhì)鋼是通過微合金化并采用控制熱加工工藝參數(shù)及隨后的冷卻工藝，以達到省略常規(guī)熱處理工序的一類鋼。非調(diào)質(zhì)鋼的上述特點使其與常規(guī)調(diào)質(zhì)鋼相比具有減少用戶加工工序，符合當(dāng)前環(huán)保需求的優(yōu)點；由此，非調(diào)質(zhì)鋼與常規(guī)調(diào)質(zhì)鋼相比，鋼的表面質(zhì)量、力學(xué)性能穩(wěn)定性就顯得尤為重要。同時，針對非調(diào)質(zhì)鋼與傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)鋼的差異，用戶使用技術(shù)研究成為在非調(diào)質(zhì)鋼的推廣應(yīng)用中的重要工作內(nèi)容。本文就當(dāng)前應(yīng)用范圍最廣的珠光體鐵素體型熱鍛用非調(diào)質(zhì)鋼、冷墩用非調(diào)質(zhì)鋼，從鋼鐵廠產(chǎn)品研發(fā)推廣角度，在化學(xué)成分控制、純凈度控制、熱加工工藝、用戶使用工藝等方面進行探討。前言第二頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司非調(diào)質(zhì)鋼的生產(chǎn)技術(shù)111非調(diào)質(zhì)鋼的成分控制1含硫非調(diào)質(zhì)鋼的夾雜物控制2非調(diào)質(zhì)鋼的N添加技術(shù)3非調(diào)質(zhì)鋼的連鑄4非調(diào)質(zhì)鋼的熱加工工藝5第三頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司非調(diào)質(zhì)鋼的成分控制非調(diào)質(zhì)鋼的成分設(shè)計釩(V)、鈦(Ti)、鈮(Nb)釩是非調(diào)質(zhì)鋼中主要添加元素，常規(guī)加入量為0.1%，根據(jù)力學(xué)性能指標(biāo)的差異添加量在0.05-0.20%。固溶于奧氏體中的釩，在冷卻到略高于鋼的Ar3的溫度時，就有少量釩的碳化物析出，隨著釩的添加，沉淀相體積分?jǐn)?shù)增加，沉淀相的密度增加和間距減小。因此添加釩可提高微合金非調(diào)質(zhì)鋼的強度。鈦在鋼中常以TiC或Ti(C,N)形式存在，具有阻止奧氏體長大的作用，可以細化晶粒，常規(guī)添加量在0.01-0.03%。鈮比釩的完全固溶溫度高得多，因此以熱鍛為目標(biāo)的調(diào)質(zhì)鋼通常不宜單獨加入鈮。如鈮和釩復(fù)合添加時，既能提高鋼的強度又能改善鋼的韌性，這是因為釩固溶溫度低可以起沉淀強化作用，而鈮在普通鍛造加熱溫度下大都不溶解，可以起細化晶粒作用。一般鈮的添加量為釩的一半或更少。在一般的鍛造加熱溫度(1050～1150℃)下，含碳量為0.5%含釩鋼中，釩元素幾乎能完全溶于γ－Fe中，很少有未溶碳(氮)化合物殘留，所以無抑制晶粒長大能力，對韌性貢獻較小。鈮和鈦則不同，含碳量為0.3～0.4%時，在1100℃加熱，固溶量不足10%；在1300℃加熱，固溶量亦僅10%，所以有足夠的未溶碳化物或碳氮化物通過釘扎晶界，細化奧氏體晶粒而起韌化作用。第四頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司非調(diào)質(zhì)鋼的成分控制非調(diào)質(zhì)鋼的成分設(shè)計碳(C)碳是最有效的強化元素，增加碳可使組織中珠光體含量增加，碳化物體積分?jǐn)?shù)增多，但同時又造成韌性降低。根據(jù)力學(xué)性能指標(biāo)及零部件使用特性，熱鍛用非調(diào)質(zhì)鋼在0.20-0.50%之間設(shè)定一個控制范圍。冷鐓用非調(diào)質(zhì)鋼通常在0.20%以下。氮(N)在微合金非調(diào)質(zhì)鋼中，復(fù)合添加釩、氮可以收到更明顯的強化效果。常規(guī)的鍛造加熱溫度下，氮和鋼中的鋁化合形成的AlN可以細化晶粒。由于NbN和TiN的固溶溫度一般高于常規(guī)鍛造溫度，因此NbN或TiN復(fù)合添加，其強化效果并不明顯。通常熱鍛用非調(diào)質(zhì)鋼氮的范圍在50-200ppm之間。冷鐓用非調(diào)質(zhì)鋼在滿足零件性能條件下盡可能降低。錳(Mn)和鉻(Cr)這兩種元素是弱碳化物形成元素，有一定的固溶強化作用。同時它可以降低相變溫度，增加珠光體含量，使珠光體片層間距變小和滲碳體片變薄，從而導(dǎo)致強度升高，韌性增加。通常Mn的范圍在0.60-1.60%，Cr的范圍在0.05-0.30%。第五頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司非調(diào)質(zhì)鋼的成分控制非調(diào)質(zhì)鋼的成分設(shè)計硫(S)添加硫可以改善鋼的切削性能。更重要的是，它有能細化奧氏體晶粒。硫的缺點是使鋼降低橫向性能。據(jù)鍛造廠反映，粗大的硫化物影響零件的熒光探傷合格率。通常熱鍛用非調(diào)質(zhì)鋼硫的要求范圍在0.040-0.065%。硅(Si)硅可提高抗拉強度和屈服強度，總的說來加硅有利于改善韌性。硅含量在0.5～0.7%時提高韌性；高于0.7%時，增加強度，降低韌性。硅急劇提高鋼的冷作硬化性能，在滿足零件性能指標(biāo)條件下應(yīng)減少添加量。第六頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司非調(diào)質(zhì)鋼的成分控制非調(diào)質(zhì)鋼的窄成分控制技術(shù)由于使用非調(diào)質(zhì)鋼制造的零部件的性能直接取決于鋼的化學(xué)成分及后續(xù)熱變形、冷變形工藝，因此，鋼化學(xué)成分的波動，將增加后續(xù)加工工藝的調(diào)整難度，甚至導(dǎo)致零件性能不合格?；瘜W(xué)成分的波動，主要考察不同爐次的成分差異及棒材橫截面不同部位的碳含量差異（碳偏析）。對碳含量小于0.50%的中碳非調(diào)質(zhì)鋼的成分差異及碳偏析要求。CMnSiCrVNAlS碳偏析±0.01±0.05±0.05±0.05±0.01±0.0020±0.01±0.010≤0.05第七頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司含硫非調(diào)質(zhì)鋼的夾雜物控制通常，鋼材的最終制成品離不開機加工工序，因此，在化學(xué)成分設(shè)計時，多添加適量的硫元素以改善切削性能；另外，對熱鍛用非調(diào)質(zhì)鋼，硫元素的添加，有利于細化鍛造組織提高韌性；但是，硫元素的添加，不利于鋼的橫向性能，降低零部件塑性指標(biāo)，且用戶有粗大條狀硫化物影響零件表面熒光探傷合格率的抱怨。硫化物的細小、彌散、紡錘形分布有助于消除硫化物的不利影響。根據(jù)煉鋼學(xué)原理，采取先脫硫再增硫的方法，減少粗大硫化物的生成幾率，并在連鑄過程中優(yōu)化連鑄工藝參數(shù)，抑制硫化物的偏聚、長大。按照GB/T10561評定硫化物，目前先進鋼鐵廠控制硫化物粗系≤1.5級、細系≤2.5級。第八頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司非調(diào)質(zhì)鋼的N添加技術(shù)在非調(diào)質(zhì)鋼中，為了更好的實現(xiàn)提升材料的使用性能，對鋼中的氮含量多有明確的范圍要求，需要額外添加。對氮的合金化，多采用含氮合金在精煉后期加入，如通過氮錳合金、氮鉻合金，同時實現(xiàn)氮錳、氮鉻的合金化。此法適合冶煉高錳、高鉻等含大量固氮元素的不銹鋼等高合金鋼，對含錳1％左右、鉻殘余的非調(diào)質(zhì)鋼，因缺少固氮元素，氮平衡溶解度較低，導(dǎo)致氮的收得率偏低且波動較大，增加了冶煉的困難。另外，因含氮合金在精煉后期加入，含氮合金中的雜質(zhì)同時進入鋼液，對鋼液造成污染。直接采用氮氣部分取代氬氣底吹，可穩(wěn)定氮的收得率，減少合金消耗，提高生產(chǎn)效率。氮氣增氮通常在VD脫氣末期和/或真空畢進行。增氮效率與真空度、氮氣流量、爐底透氣磚透氣效果等相關(guān)。第九頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司非調(diào)質(zhì)鋼的連鑄對含硫、鋁的高氮100－200ppm非調(diào)質(zhì)鋼，存在連鑄水口結(jié)瘤現(xiàn)象，嚴(yán)重影響連澆爐數(shù)。某鋼廠對水口所結(jié)冷鋼的化學(xué)成分連鑄可澆性CMnPSSiNiCrCuMoVAlTiCa水口0.391.250.0200.750.590.050.090.110.010.090.110.010.93熔煉0.391.270.0190.0520.580.050.250.110.010.090.0190.01－對比生產(chǎn)鋼熔煉成分和水口冷鋼化學(xué)成分，兩者之間存在較大的成分差異，冷鋼含有大量的Ca、Al、S，說明連鑄過程中鋼液與水口發(fā)生物質(zhì)交換，引起水口壁附近鋼流存在嚴(yán)重的成分偏聚，而生成的高熔點物質(zhì)在水口壁堆積，導(dǎo)致水口開度增加，直至停澆。第十頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司非調(diào)質(zhì)鋼的連鑄連鑄可澆性第十一頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司非調(diào)質(zhì)鋼的連鑄連鑄可澆性譜圖COMgAlSiSCaCrMnFePo譜圖12.6914.155.3112.3325.8334.812.201.870.79譜圖216.744.031.283.493.124.600.531.3964.82譜圖32.4031.528.3022.7313.3519.350.951.39譜圖42.520.631.3895.48譜圖51.6229.427.7519.3213.1220.062.076.63譜圖62.0331.1110.0321.8512.7715.701.804.72譜圖77.030.831.064.281.5285.29電鏡觀察水口所結(jié)冷鋼存在大量非金屬夾雜物，夾雜物數(shù)量從緊靠水口壁處向緊臨鋼流處依次減少。夾雜物為含Ca、Al、Mg、Mn金屬元素和O、S、C非金屬元素的復(fù)合非金屬夾雜物。Mg、C來源于水口材質(zhì)，Ca、Al、Mn、O、S源于鋼的內(nèi)生夾雜物。第十二頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司非調(diào)質(zhì)鋼的連鑄連鑄可澆性原因：VD后補加Al與O結(jié)合形成的氧化物不能及時上浮。此時鋼中的夾雜物種類主要有氧化鋁、硫化錳；鈣處理后，夾雜物種類主要有氧化鋁、硫化錳、鈣鋁酸鹽、含鈣硫化物或含硫、鋁等元素的復(fù)合夾雜物。當(dāng)鋼中氧含量高，硫含量低時，鈣鋁酸鹽優(yōu)先生成；由于鎂的氧化性優(yōu)于鋁，鈣鋁酸鹽和氧化鋁同水口材料鎂、碳發(fā)生反應(yīng)、消耗。因濃度梯度關(guān)系，鈣鋁酸鹽、氧化鋁和含硫、鋁等元素的復(fù)合夾雜物不斷向水口壁運動，反應(yīng)產(chǎn)物不斷在水口處堆積，造成開度增加，液面波動嚴(yán)重，直至停澆。第十三頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司非調(diào)質(zhì)鋼的連鑄連鑄可澆性措施：VD前喂鋁量增加，實現(xiàn)真空脫氣后Al分析值在規(guī)格下限，不再補喂鋁。達到較少夾雜物總量的目的。澆注前先喂硫后喂鈣，形成的夾雜物是以含鈣硫化物為主，液面波動無，水口內(nèi)無“冷鋼管”，實現(xiàn)連澆爐數(shù)在3爐以上。第十四頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司非調(diào)質(zhì)鋼的連鑄坯料表面質(zhì)量控制非調(diào)質(zhì)鋼含有釩、鈮、鈦等微合金化元素，在奧氏體溫度區(qū)域緩慢冷卻易形成碳化物或氮化物沿奧氏體晶界沉淀，減弱晶界處結(jié)合力，使連鑄坯的表面裂紋發(fā)生率顯著高于普通鋼連鑄坯。采取的工藝措施有：對含鈮鋼，添加少量的鈦固氮，抑制氮化鈮的生成；根據(jù)高溫脆性試驗，調(diào)整拉速、二冷參數(shù)，避免校直裂紋；定期檢查坯型、連鑄機噴嘴，確保冷卻均勻。第十五頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司非調(diào)質(zhì)鋼的熱加工工藝化學(xué)成分是微合金非調(diào)質(zhì)鋼性能的內(nèi)在因素，而合適的熱加工制度則是其外部條件。熱加工條件包括加熱溫度、變形量、變形速率、熱加工溫度和軋(鍛)后的冷卻速率等。中碳微合金非調(diào)質(zhì)鋼的韌化主要是通過在不同熱加工條件的加熱溫度下，固溶微合金原子對晶界推移的拖拽作用和析出的微合金元素碳化物和碳氮化物釘扎晶界的晶粒細化貢獻來對沖擊韌性和脆性轉(zhuǎn)變溫度產(chǎn)生影響。對于鐵素體而言，強度的主要來源是鐵素體晶粒尺寸d。而珠光體的強度主要取決于珠光體片間距S，珠光體的韌性包括了珠光體片間距S、珠光體團尺寸p、滲碳體片厚度t的影響。第十六頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司非調(diào)質(zhì)鋼的熱加工工藝加熱溫度升高，碳化物和氮化物按釩、鈮、鈦的順序逐漸溶入奧氏體中，奧氏體晶粒粗大。這就導(dǎo)致相變后珠光體百分?jǐn)?shù)、珠光體團直徑和滲碳體片厚增大，鐵素體含量減小，溶解在奧氏體中的微合金元素碳氮化物在冷卻過程中析出。故隨著加熱溫度的升高，鋼的強度增加，塑性和韌性降低，韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。變形量和變形速率增大引起奧氏體晶粒更加碎化，鐵素體百分?jǐn)?shù)增加，鐵素體和珠光體團尺寸減小，細小的組織使強度和韌性同時上升。終軋溫度降低，奧氏體再結(jié)晶不充分，轉(zhuǎn)變后組織為細小的鐵素體晶粒和珠光體團。屈服強度和韌性提高，而抗拉強度基本不變或略有降低，終軋溫度應(yīng)根據(jù)鋼的化學(xué)成分來選定。第十七頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司非調(diào)質(zhì)鋼的熱加工工藝加工溫度和變形量既影響到再結(jié)晶和奧氏體晶粒尺寸，又影響到形變誘發(fā)析出的程度。加工溫度高，再結(jié)晶速度快，奧氏體晶粒變大，冷卻后強度升高，韌性下降；加工溫度低，再結(jié)晶驅(qū)動力小，并產(chǎn)生形變誘發(fā)析出，細化晶粒，強度變化不大，但韌性有很大提高。在同一溫度下變形量增加，強度和韌性同時提高。熱加工后快冷，珠光體百分?jǐn)?shù)增加，同時鐵素體晶粒尺寸、珠光體片間距和滲碳體片厚降低。需特別指出的是冷卻速率對析出強化的影響：冷卻速率增加，析出物彌散程度增大，但當(dāng)冷卻速率超過一定值后，析出不充分，反而降低析出強化作用。析出物的細化有利于強度和韌性的提高。第十八頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司非調(diào)質(zhì)鋼的熱加工工藝對連鑄坯，應(yīng)根據(jù)化學(xué)成分制訂較高的加熱溫度，足夠的均熱時間，確保鑄態(tài)釩鈮鈦的碳化物和氮化物固熔到奧氏體中，在隨后的軋制過程彌散、細小析出；在成品軋制或鍛造時，降低加熱溫度和終軋(鍛)溫度，增大變形量和變形速率，較快的冷卻速率均有利于提高強度和韌性。第十九頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司非調(diào)質(zhì)鋼產(chǎn)品研發(fā)實例分析將試樣迅速加熱到鍛造加熱溫度保溫t1＝7分鐘，然后以80℃/分鐘的冷卻速度冷卻至T2＝750℃。冷卻過程中試樣在不同溫度下進行三道次軸向壓縮變形，總變形量0.7(ε1＝0.13、ε2＝0.4、ε3＝0.17)，變形速率為10S-1。選擇15℃/分鐘、25℃/分鐘、35℃/分鐘、45℃/分鐘、55℃/分鐘、65℃/分鐘六個冷卻速度V，控制相變區(qū)間(T2～T3＝750℃～550℃)內(nèi)試樣冷卻速度，相變終了后試樣空冷至室溫。熱鍛用非調(diào)質(zhì)鋼鍛造工藝模擬溫度℃時間t(分鐘)T1t1ε1ε2ε3t2=(T1-T2)/80T2t3=(T3-T2)/VT3第二十頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司非調(diào)質(zhì)鋼產(chǎn)品研發(fā)實例分析熱鍛用非調(diào)質(zhì)鋼鍛造工藝模擬第二十一頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司非調(diào)質(zhì)鋼產(chǎn)品研發(fā)實例分析（1）硫化物上析出的釩、鈦的碳、氮化物形成晶內(nèi)鐵素體，增加鐵素體晶粒個數(shù)，減小鐵素體晶粒平均直徑；再加熱冷卻過程硫化物相變產(chǎn)生的貧錳區(qū)增加鐵素體晶粒個數(shù)，減小鐵素體晶粒平均直徑。（2）在忽略硫化物的組織細化作用情況下：在相同的加熱溫度下，隨著冷卻速度的增加，單位面積內(nèi)鐵素體晶粒個數(shù)增多，鐵素體晶粒平均直徑變小，也就是鋼中鐵素體彌散分布。由于冷卻速度越大，冷卻過程中鐵素體析出越不充分，所以鐵素體百分含量降低。同一冷卻速度下，加熱溫度越高，奧氏體晶粒越粗大?？勺鳛殍F素體形核位置的晶界減小，單位體積內(nèi)的鐵素體晶粒個數(shù)減少，珠光體百分含量增加，鐵素體百分含量減小而鐵素體晶粒平均直徑變化不大。（3）鐵素體晶粒數(shù)目、鐵素體晶粒平均直徑、鐵素體百分含量是加熱溫度、冷卻速度、硫化物分布及成分變化、釩、鈦的碳、氮化物析出相、變形量等參數(shù)的函數(shù)，其中加熱溫度、冷卻速度是主要影響因素。硫化物成分變化和釩、鈦的碳、氮化物析出相大小受加熱溫度、冷卻速度的影響而變化，在特定加熱溫度、冷卻速度條件下，成為鐵素體晶粒數(shù)目、鐵素體晶粒平均直徑、鐵素體百分含量的主要影響因素。熱鍛用非調(diào)質(zhì)鋼鍛造工藝模擬第二十二頁，共二十七頁。南京鋼鐵股份有限公司非調(diào)質(zhì)鋼產(chǎn)品研發(fā)實例分析以中碳鋼45鋼為基本成分，添加0.3%硫，采用控制軋制手段實現(xiàn)鋼中硫化物形態(tài)控制，研究硫化物對鋼組織的影響。發(fā)現(xiàn)，硫化物能夠釘扎奧氏體晶界，細化奧氏體晶粒組織，并且硫化物顆粒大小與奧氏體晶粒大小滿足Zener關(guān)系。計算及試驗表明采用硫化物控制的含硫非調(diào)質(zhì)鋼鍛件，能夠?qū)崿F(xiàn)組織晶粒小于等于5級。節(jié)約資源型熱鍛非調(diào)質(zhì)鋼冷卻方式溫度(℃)9009501000105011001150