一種熔煉鈦鋼的工藝及所得到的鈦鋼的製作方法

2023-07-25 04:24:01

專利名稱：一種熔煉鈦鋼的工藝及所得到的鈦鋼的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種熔煉鈦鋼的工藝。
在一般的鋼尤其是低合金鋼中添加鈦是眾所周知的一種控制高溫奧氏體晶粒的方法，例如在焊接操作的熱作用區域，並且，合適的情況下，可以硬化經熱處理或機械熱處理所得到的結構。
為了生產這樣的鋼，我們熔煉一種不含鈦的鋼水，這種鋼水經強脫氧處理，例如先加入鋁，然後加入鈦鐵塊，鈦鐵塊逐漸溶解。
當鈦鐵塊溶解時，鈦與鋼中的氮起反應形成相對較粗的析出物(它們的尺寸大約為1μm或更大些)。當鋼凝固後，正是這些析出物阻止奧氏體晶粒的生長。
但是，這些析出物有一些缺點，因為它們的形狀是尖角的，並且相對較粗，因此數量上也相對較少；它們硬化和細化顯微結構的效果是有限的，而且，它們降低了鋼的斷裂韌性。
有人建議，尤其是在EP0,177,851，製造低合金鈦鋼，它的鋁含量很低，鈦以氧化物形式存在。在從奧氏體到鐵素體/珠光體轉變時，這些氧化物作鐵素體成核的優先位置。其結果是它們細化了鐵素體/珠光體組織，這種組織大大改善了韌性，尤其是焊接縫合處的韌性。但是，這種技術有幾個缺陷它要求相當低的鋁含量，這不利於熱處理中控制奧氏體晶粒，而且這要求一個很短的鑄造時間和很短的凝固時間，這增加了生產的複雜性；它只對鐵素體—珠光體結構有效果。
本發明的目的是針地上述缺陷提出了一種生產鈦鋼的工藝，這種鈦鋼既不包含鈦的氧化物，也不含有鋼水中形成的粗大的氮化物。
就此而言，本發明的主題是一種熔煉鈦鋼的工藝，其中—熔煉一種包含超過0.003％的氮且不包含鈦的鋼水；—從包含鈦的氧化相逐漸擴散，將超過0.005％的鈦加入到鋼水中；並且—凝固鋼水。
為了從含有鈦的氧化相中以逐漸擴散的方式加入鈦，可以，舉例來說使未脫氧的鋼水與含鈦的氧化相接觸，然後通過加入至少一種比鈦更具還原性的元素使鋼水脫氧，並且更新鋼水與含鈦氧化相的接觸面。
含鈦的氧化相是，舉例來說，爐渣或粉末覆蓋劑。
為了更新鋼水與含鈦氧化相的接觸面，攪動鋼水可能是必要的。
為了從含鈦的氧化相中逐漸擴散加入鈦，可以在沒有脫氧的鋼水中加入鈦然後在鋼水中加入至少一種比鈦更具還原性的元素。
在把鈦加入脫氧鋼水中之前，鋼水上可覆蓋爐渣。
當鋼含極少的氮時，在逐漸加入鈦之後，鋼中的氮含量通過用氮氣或用隋性氣體如氬氣與氮氣的混和物的攪拌來增加。
本發明也涉及根據該發明的工藝所得到的鋼，它包含重量百分比超過0.005％的鈦和高於0.003％的氮，鈦和氮含量符合(N％)×(Ti％)≤0.0016並且這種鋼在固態時，測量1mm2的區域，尺寸大於0.1μm的氮化鈦析出物的數目小於以氮化物形式析出的鈦總量(以重量％的千分數計)的4倍。
最好是，鋼含有超過0.01％的至少一種選自鋁和鋯的元素，但低於0.5％的鋁且低於0.5％的鋯。
最好是，鋼的化學成分在重量上滿足下列關係0.003％≤N≤0.02％0.010％≤oTi≤0.1％(N％)×(Ti％)≤0.0016本發明特別地涉及到一種鋼，它的化學成分，以重量百分比計，包含0.04％≤C≤0.80％0％≤Si≤2％0％≤Mn≤3％0％≤Ni≤10％0％≤Cr≤10％0％≤Mo≤3％0％≤Cu≤2％0％≤V≤1％0％≤Nb≤0.5％0％≤W≤3％0％≤S≤0.2％P≤0.03％以及任選地至少一種選自Ca，Mg，Se，Te，Bi和B的元素且重量百分比低於0.1％，餘量為鐵和熔煉產生的雜質。
最後，本發明涉及一種根據本發明生產的鋼製成的黑色冶金部件或者產品，其結構中包含至少30％的貝氏體。
現在藉助附圖詳細描述本發明，其中—

圖1是一個放大1500倍的根據現有技術生產的具有貝氏體組織的鈦鋼的電子顯微鏡照片。
—圖2是一個放大5000倍的根據現有技術生產的具有貝氏體組織的鈦鋼的電子顯微鏡照片。
—圖3是一個放大1500倍的根據本發明生產的具有貝氏體結構的鋼的電子顯微鏡照片。
—圖4是一個放大5000倍的根據本發明生產的具有貝氏體結構的鋼的電子顯微鏡照片。
—圖5是表示兩個韌脆轉變溫度曲線(用斷裂能表示)，分別對應於本發明的鋼和現有技術生產的鈦鋼。
—圖6表示對應於前面兩條曲線的斷裂韌性曲線，用沿晶斷裂比表示。
本發明涉及一般的鋼，更特別地，涉及一種低合金鋼，其化學成分，以重量百分比計，主要包含—碳，0.04％～0.8％之間；—0％～2％的矽，0.1％～3％的錳，0％～10％的鎳，0％～10％的鉻，0％～3％的鉬，0％～2％的銅，0％～1％的釩，和0％～0.5％的鈮；—氮，高於0.003％，最好在0.005％和0.02％之間；—鈦，高於0.005％，最好在0.010％～0.1％之間；—至少一種比鈦更具還原性的脫氧元素如鋁，鋯，鈣，鎂，鈰，鋰，釷和鈹。
其餘的成分包含鐵和熔煉時產生的雜質。
所有這些化學成分中的化學元素，除鈦之外，對鋼的性能，不管是其硬化性還是其機械性能，都有眾所周知的影響。這些規定的化學成分範圍包括了所有能夠形成至少部分貝氏體組織的鋼種，這種組織期望能提高斷裂韌性。
本發明人很偶然地發現，以下面將要講述的工藝將鈦加入到鋼中時，貝氏體結構的性能大大改善。更詳細地說，發明人觀察到，用這種方法加入鈦，能細化貝氏體結構，也就是說，不僅降低了晶粒大小，同時降低了次結構組成的尺寸，也就是說，碳化物和鐵素體針狀物的尺寸降低了。
這種結構和次結構的細化，使得韌脆轉變溫度降低至少30℃，通常是降低60℃。
舉例來說，發明人根據本發明，熔煉了一種鋼B，其化學成分為，以重量計(10-3％)C Si Mn Ni Cr Mo AlTiN2SP1833251390453139518019257.818這種鋼經過板坯鑄造和熱軋，以製造出20mm厚的鋼板。將鋼板於900℃下奧氏體化，然後空冷，通過這個處理，得到一個馬氏體和貝氏體混合組織，其中，約60％為貝氏體，它的抗拉強度為1180MPa。
作為對比，發明人同樣根據現有技術，熔煉出鋼A，其化學成分為，以重量計(10-3％)CSiMnNi Cr MoAl TiN2SP185 319 1394 451 1401 170 18 237.7 19這種鋼經過板坯鑄造和熱軋，以製造20mm厚的鋼板。將鋼板於900℃下奧氏體化，然後空冷，經過這個處理，得到一個馬氏體—貝氏體的混和結構，其中包含約60％的貝氏體，其抗拉強度為1170MPa。
將兩種鋼板在20℃和160℃下進行KCV斷裂韌性測試。圖5和圖6分別代表鋼A和鋼B的斷裂能(J/cm2)和沿晶斷裂百分比(％)。兩個圖示出，對鋼A來說(根據現有技術)，對應於50％沿晶百分比的轉化溫度TCA約為100℃，而鋼B(根據本發明)的轉化溫度TCB約為22℃，也就是說，鋼B有78℃的差異。其結果是，20℃下鋼B的斷裂能約為100J/cm2，而鋼A僅為約30J/cm2。在60℃下，鋼B到達韌性峰值，斷裂能約為200J/cm2，而鋼A斷裂仍然為80％沿晶斷裂，斷裂能僅為55J/cm2。
在類似熱軋狀態下，用同樣的樣品可得到相似的結果，即，將板坯再加熱到1160℃，熱軋然後空冷。兩種鋼的強度為1190MPa，鋼A的韌脆轉化溫度為90℃，鋼B為30℃。
兩個鋼種斷裂韌性的差別似乎是因為顯微組織和亞結構大小的顯著差別。放大1500和5000倍的掃描電子顯微鏡照片顯示了這個差別。這些照片經過複製如圖1，2，3和4。
圖1是鋼A(現有技術)在1500放大倍數下得到的。它顯示出了約40μm×40μm尺寸的貝氏體晶粒及其片狀亞結構。
圖2也是1500放大倍數下得到的，但是是鋼B的。它顯示出了約20μm×20μm尺寸的貝氏體晶粒以及它們的片狀亞結構。
這些片狀亞結構，在放大倍數5000(圖2和圖4)可以更清楚地看到，鋼B比鋼A細得多，儘管熱處理與化學組成完全一樣。
鋼A與鋼B一樣，氮和鈦含量非常相似，析出的鈦的氮化物的總含量也是相似的。然而，利用圖像分析，測量具有大於0.1μm尺寸的以析出物形式存在的鈦的氮化物，發現，根據現有技術的鋼A的密度為每平方毫米是108個顆粒而根據本發明的鋼B為每平方毫米46個顆粒，少2.3倍，定量分析析出的鈦的氮化物，然後發現，每平方毫米大於0.1μm的TiN顆粒數對所有以氮化物形式析出的鈦的總含量(以重量％的千分數表示)的比率，鋼A為5.1，而鋼B僅為2.1。
我們知道，粗的氮化物是在鋼水狀態下析出得到的，而在固態鋼結構下析出的鈦的氮化物約細100倍，並且，在放大5000倍下的顯微截面中是觀察不到的。
由於固態下析出的非常細小的鈦的氮化物數目很大並且由於相鄰析出物之間的平均距離很小，發明人假設，細小的鈦的氮化物在貝氏體相變時減慢了鐵素體相和奧氏體相之間界面的形成擴展，這樣，尤其對片狀亞結構產生作用，亦即，所有的細小的片狀亞結構聚集靠近非常細小的析出物，也就是說，亞結構的數目將會變得更多。
發明人觀察到，這個結果是可再現的。這樣，根據本發明的鋼是鈦鋼，在此鋼中，尺寸大於0.1μm的鈦的氮化物的數目不超過以氮化物形式析出的鈦的總含量(以重量％的千分數計)的4倍，通常是不超過3倍。
處理這些鋼以得到貝氏體組織時，它們的韌脆轉化溫度比沒有加鈦的同樣的鋼或鈦在鋼水中以粗大氮化物形式析出的鋼的轉化溫度要低至少30℃，通常是低約60℃，後者粗大氮化物尺寸大於0.1μm，以比例來講就是，在一個顯微截面中，每平方毫米大於0.1μm的TiN顆粒的數目比以氮化物形式析出的鈦的總含量(以重量％的千分數計)的4倍大得多。
作為例子，根據本發明熔煉出鋼D和G，作為對比，根據現有技術熔煉鋼C，E，F。這些鋼的化學成分如下(以重量％的千分數計)CSi Mn NiCrMo Al Ti N2S PC 68 265 351 109 8300 950 25 0 111 18D 71 250 363 150 8450 935 23 32 11.5 1 19E 360 210 520 3950 1755 360 18 0 7.2 2 12F 365 255 495 4030 1750 355 22 18 6.8 1 10G 368 195 438 3940 1810 350 21 20 7 2 10另外，鋼E，F和G含有釩，含量分別為(以重量％的千分數計)E＝42；F＝38；G＝40鋼試樣C和D在950℃下奧氏體化，然後以120℃/小時冷卻到室溫，得到一個貝氏體—馬氏體結構，貝氏體含量低些；鋼試樣E、F和G在850℃下奧氏體化，以200℃/小時冷卻到室溫，得到完全貝氏體結構。鋼D和G的大於0.1μm尺寸的鈦的氮化物的數目(每平方毫米)比以氮化物形式析出的鈦的總含量(以％的千分數計)的4倍要小，而對鋼C，E和F來說，這個比例大於5。
貝氏體結構的抗拉強度和韌脆轉化溫度為室溫，MPa TcC現有技術1050-10℃D本發明 1055-65℃E現有技術1540+10℃F現有技術1535+15℃G本發明1545-35℃為了製造這些鋼，其中，它必須含有超過0.005％的鈦和超過0.003％的氮，最好是0.010％到0.10％之間的鈦，0.003％到0.02％之間的氮，並且氮和鈦含量符合(N％)×(Ti％)≤0.0016為了限制鋼水中鈦的氮化物析出，通過在電爐中熔煉廢鐵或在轉爐中精煉鑄鐵或用其它方法熔煉不含有鈦的鋼水，然後，鈦從含有鈦的氧化相中逐步擴散到鋼水中，然後將鋼澆注，以便凝固得到鑄錠，板坯，薄帶，方坯，短條或線材。
為了從含有鈦的氧化相中擴散鈦，必需加入比鈦更有還原性的元素以對鋼進行脫氧，也就是說，加入鋁，鈣，鍶，鋯，鎂，鋰，釷或鈹中至少一種元素。
作為例子，鋼水可以用一種已知的方式熔煉並且在仍為氧化狀態下進行澆注，也就是說，含有約0.01％的溶解在鋼水中的氧，進入鋼包，然後，在鋼水面上覆蓋一層含有鈦的鋼渣或者一層鈦以氧化物粉末或以金屬化合物粉末形式存在加入的鋼渣，接著，通過逐步加入至少0.02％的鋁或鋯使鋼水脫氧，然後，通過吹入隋性氣體如氬氣，或通過電磁攪拌或其它方法對鋼水進行攪拌，以更新鋼水和渣之間的接觸表面，最後，澆注鋼水以進行凝固。
鋼水也可以用一種已知的方法進行熔煉，然後，在沒有脫氧狀態下澆注到鋼包中，鋼包中含有鈦鐵，可以形成鈦的氧化物；當鈦的氧化物形成後，加入比鈦更具還原性的元素以溶解鈦的氧化物，然後，澆注以進行凝固。在這個實施方案中，鈦的氧化物有沉澱的趨勢，為了提高加入鈦的效力，在脫氧之前，鋼包可以覆蓋一層吸收部分鈦的氧化物的鋼渣；這樣，鋼渣就富含鈦，在脫氧過程中，鈦逐步返回到鋼水中。
鈦的加入也可以用粉末覆蓋劑的方法，例如，連鑄時就用這個方法。
鋼熔煉時，如在轉爐中，鋼的氮含量通常比在電爐熔煉小得多。這樣，在加入鈦這後，例如，可以用氮氣或一種隋性氣體如氬氣和氮氣的混和氣體對鋼水進行攪拌來提高氮的含量。
用這個工藝，可能製造出如鑄件，鍛件，板材，帶材，圓鋼，型鋼，槽鋼，鋼軌，線材或任何其黑色冶金產品，它們的化學成份與本發明相符，並且，當這個鋼具有一個含有至少30％貝氏體結構時，這種結構由熟悉本領域的技術人員利用一種已知的方法得到，它的韌脆轉化溫度比具有相同成分，相同顯微結構但是利用現有技術熔煉的鋼的產品的轉化溫度低至少30℃，通常低60℃。
應該注意的是，根據本發明的鋼偶而還會含有以氧化物形式析出的少量鈦。
權利要求
1.一種熔煉含有超過0.005％鈦的鈦鋼的工藝，其特徵為—熔煉一種含有超過0.003％的氮和不含有鈦的鋼水；—將沒有脫氧的鋼水與含有鈦的氧化相接觸；—至少加入一種元素，這種元素比鈦元素更具有還原性，對鋼水進行脫氧；—更新鋼水和氧化相之間的接觸面；然後，—凝固鋼水。
2.根據權利要求1的工藝，其特徵為，含有鈦的氧化相是一種爐渣。
3.根據權利要求1的工藝，其特徵為，包含鈦的氧化相是一種粉末覆蓋劑。
4.根據權利要求1的工藝，其特徵是，為了更新鋼水和含有鈦的氧化相之間的接觸表面，對鋼水進行攪拌。
5.一種熔煉含有超過0.005％鈦的鈦鋼的工藝，其特徵為—熔煉含有超過0.003％的氮和不含有鈦的鋼水；—將鈦加入到沒有脫氧的鋼水中；以及—將至少一種比鈦更具有還原性的元素加入到鋼水中。
6.一種根據權利要求5的工藝，其特徵為，在將鈦加入到沒有脫氧的鋼水之前，在鋼水上覆蓋一層爐渣。
7.根據權利要求1到6中任一項要求的工藝，其特徵為，在將鈦逐漸加入到鋼中之後，通過用氮氣或用一種隋性氣體如氬氣和氮氣的混和氣體攪拌來增加鋼的氮含量。
8.根據權利要求1到7任一項的工藝而得到的鋼，其特徵為，它含有，以重量計，超過0.005％的鈦和超過0.003％的氮，鈦和氮的含量滿足(N％)×(Ti％)≤0.0016同時，在固態下測量1mm2的顯微截面，尺寸超過0.1μm的氮化鈦析出物的數量，小於以氮化物形式析出的鈦的總含量(以重量％的千分數計)的4倍。
9.根據權利要求8的鋼，其特徵為，測量1mm2的顯微截面，尺寸超過0.1μm的氮化鈦析出物的數量，小於以氮化物形式析出的鈦的總含量(以重量％的千分數計)的3倍。
10.根據權利要求8或9的鋼，其特徵為，它包含鋁和鋯中至少一種元素，含量為0.01％以上，但鋁小於0.5％，鋯小於0.5％。
11.根據權利要求8到10中任一項所述的鋼，其特徵為，它的化學組成，以重量計，滿足如下關係式0.003％≤N≤0.02％0.010％≤Ti≤0.1％(N％)×(Ti％)≤0.0016
12.根據權利要求8到11中任一項的鋼，其特徵為，它的化學組成，以重量計，包括0.04％≤C≤0.80％0％≤Si≤2％0％≤Mn≤3％0％≤Nio≤10％0％≤Cr≤10％0％≤Mo≤3％0％≤Cu≤2％0％≤V≤1％0％≤Nb≤0.5％0％≤W≤3％0％≤S≤0.2％P≤0.03％以及任選至少一種選自Ca，Mg，Se，Te，Bi和B的元素，其量小於0.1％，餘量為鐵和熔煉時產生的雜質。
13.根據權利要求8到11中任一項的鋼製成的黑色冶金部件或產品，其特徵為，它的結構中，含有至少30％的貝氏體。
全文摘要
一種熔煉鈦鋼的工藝熔煉包含超過0.003％的氮和不包含鈦的鋼水，然後，從含有鈦的氧化相逐漸將超過0.005％的鈦加入到鋼水中，將鋼凝固。以及用此工藝獲得的鋼。
文檔編號C21C7/068GK1132796SQ95118099
公開日1996年10月9日 申請日期1995年11月29日 優先權日1994年11月30日
發明者J·貝古諾特, J-L·博, M-L·內克託克斯 申請人:克羅索·洛利工業責任有限公司