一种加压感应冶炼低铝高氮马氏体不锈钢的方法技术

本发明专利技术公开了一种加压感应冶炼低铝高氮马氏体不锈钢的方法，属于冶金领域，适用于冶炼包括0.1～0.6％的碳、0～0.5％的锰、12～24％的铬、不超过1％的硅、0～3％的钼、0.1～0.6％的氮、0～2％的镍、0～1％的钒、不超过0.02％的铝、不超过0.002％的硫、余量为铁及不可避免的杂质的高氮马氏体不锈钢，具体包括：配料、布料；抽真空后升温；原料熔清后充高纯氩气，加石墨脱氧；抽真空至10Pa加工业硅脱氧；充氮气合金化；加镍镁合金和稀土保温5～10min；充氮浇铸等。

【技术实现步骤摘要】
一种加压感应冶炼低铝高氮马氏体不锈钢的方法
本专利技术属于高氮不锈钢冶炼
，具体涉及一种加压感应冶炼低铝高氮马氏体不锈钢的方法。
技术介绍
高氮马氏体不锈钢是指钢材中氮含量大于0.08％的马氏体不锈钢。在马氏体不锈钢中氮的加入扩大了奥氏体相区温度范围，有效地抑制了δ-铁素体形成；在保证间隙固溶强化的同时，可使碳化物细化，并伴有氮化物等的弥散析出，不仅显著提高了马氏体不锈钢的强度、硬度，而且仍能保证马氏体不锈钢的原有韧性。另外，氮的加入有利于提高含氮马氏体钢的耐腐蚀性能。由于具有以上的优异综合性能，高氮马氏体不锈钢可应用于滚动轴承、刀具以及发动机等领域。例如，高氮马氏体不锈轴承钢1.4108(0.3％C-15％Cr-1％Mo-0.4％N)，可应用于航天飞机燃料泵轴承、航空发动机主轴承和滚珠丝杠的齿轮轴等；另一种典型的高氮马氏体不锈钢是耐蚀塑料模具钢M340(0.54％C-17.3％Cr-1.1％Mo-0.2％N)，主要满足高端耐蚀镜面塑料模具的市场需求。常压下，氮在体心立方的马氏体钢中溶解度较低，因此在常压下难以获得氮含量较高和成分均匀的马氏体不锈钢，加压冶金是制备性能优异的含氮和高氮马氏体不锈钢的重要途径。由于我国加压冶金设备的缺失，严重制约了含氮和高氮马氏体不锈钢的品种开发和应用。目前高氮不锈钢的生产主要采用加压电渣重熔工艺，现有工艺存在以下缺点：存在氮元素分布不均匀，有时需二次重熔；另外还有添加氮化硅但导致增硅、制备复合电极但成本明显增高；还有，向渣中加入氮化物导致熔渣沸腾，干扰熔化过程，可能导致电极端头金属膜暴露在高压氮气中，无法控制液态金属对氮的吸收等。与此相比，采用加压感应熔炼制备含氮和高氮马氏体不锈钢，可通过感应搅拌创造良好的吸氮动力学条件，加快氮在钢液中的扩散，缩短钢液中氮在特定压力下达到平衡的时间。但由于马氏体钢中氮的溶解度很低，如何合理控制冶炼及浇铸两阶段压力，精确控制高氮马氏体不锈钢中的氮含量，避免凝固缺陷，是一个迫切需要解决的问题。对用作轴承、齿轮、模具的高氮马氏体钢，采用铝脱氧会使钢中产生大量的氮化铝，沿晶界析出过多氮化铝会导致钢的热脆而引起锻造横向裂纹，并且易成为疲劳裂纹源，明显降低其疲劳性能。如何有效降低高氮马氏体不锈钢中的氧含量，减少有害氮化铝夹杂物的生成，也是加压感应熔炼高氮马氏体不锈钢必须解决的问题。另外，由于氮的加入使高氮马氏体不锈钢的变形抗力增大，为了改善高氮马氏体不锈钢的热加工性能，必须将钢中硫含量控制在较低水平。
技术实现思路
本专利技术提供的一种加压感应冶炼低铝高氮马氏体不锈钢的方法，适用于冶炼成分为：C：0.1～0.6％，Mn：0～5％，Cr：12～24％，Si：≤1％，Mo：0～3％，N：0.1～0.6％，Ni：0～2％，V：0～1％，Al≤0.02％，S≤0.002％，Fe：余量的目标钢种。本专利技术的核心思想在于：在加压感应炉内将冶金原料熔清后，首先采用真空碳脱氧工艺将钢液中的氧含量降低到一定的水平；加入硅和镍镁合金进一步深脱氧，同时镍镁合金的加入具有一定的脱硫效果；最后加入一定量的稀土，进行深脱硫，同时也能将氧含量降低到较低的水平。该工艺避免铝脱氧导致生成大量氮化铝夹杂物，同时能够有效降低钢中的硫含量。通过合理匹配冶炼和浇铸压力，避免凝固缺陷，精确控制钢中的氮含量，获得氮含量在0.1～0.6％、铝含量≤0.02％、成分均匀、组织致密的低铝高氮马氏体不锈钢。本专利技术为一种利用加压感应冶炼低铝高氮马氏体不锈钢的方法，其具体步骤如下。(1)依据公式确定冶炼及浇铸压力并配料：根据钢种目标成分和冶炼温度，依据氮在钢中的溶解度公式①，计算冶炼压力p，并依据公式②计算浇铸压力p'；结合冶炼原料成分和所要冶炼钢锭质量计算所需原料的质量，配制冶炼原料，原料包括：工业纯铁、金属铬或铬铁、金属钼或钼铁、金属镍、金属锰或电解锰、工业硅、金属钒或钒铁、石墨、镍镁合金、稀土铈或镧等；钢锭中，在目标碳含量基础上再多加3～10％的碳，在目标硅含量基础上再多加1～5％的硅，用于脱氧；加入质量为所要冶炼钢锭质量0.04～0.2％的含镁为20％的镍镁合金，收得率为10～30％，进行深脱氧，并降低硫含量；加入质量为所要冶炼钢锭质量0.004～0.03％的稀土铈或镧，收得率为20～40％，用于深脱硫。钢种目标成分按质量百分数计分别为：C：0.1～0.6％，Mn：0～5％，Cr：12～24％，Si：≤1％，Mo：0～3％，N：0.1～0.6％，Ni：0～2％，V：0～1％，Al≤0.02％，S≤0.002％，Fe：余量。冶炼压力p的计算公式①：式中：p为冶炼压力，单位为MPa；为标准大气压，为0.101325MPa；T为冶炼温度，单位为K。浇铸压力p'的计算公式②：式中：p'为浇铸压力，单位为MPa。(2)布料：将已经按照所要冶炼钢锭质量计算好的工业纯铁、金属铬或铬铁、金属钼或钼铁、金属镍放入加压感应炉内的坩埚中，将占石墨总质量40％～80％的石墨、工业硅、金属锰或电解锰、金属钒或钒铁、剩余的20％～60％石墨、镍镁合金、稀土铈或镧等依次置于加料仓中。(3)炉料熔化：启动真空泵，将加压感应炉内压力抽至10Pa以下，关闭真空泵；通电升温，逐渐增大感应炉的功率，对坩埚中冶炼原料进行熔化。(4)脱氧：待坩埚中冶炼原料熔清之后，向加压感应炉内充入高纯氩气至10～50kPa，向钢液中加入占石墨总质量40％～80％的石墨，启动真空泵，开始进行碳脱氧反应，直至真空度到10Pa以下且液面平稳，不再有气泡产生；期间若反应过于剧烈，可关闭真空泵、适当降低功率并充入少量高纯氩气，液面平稳后再继续抽真空。真空碳脱氧结束后，加入工业硅，进一步脱氧。(5)合金化：向加压感应炉内充入纯度≥99.999％的高纯氮气至压力为冶炼压力p，然后通过加料仓向钢液中依次加入金属锰或电解锰、金属钒或钒铁、剩余的20％～60％石墨进行合金化，之后加入镍镁合金及稀土铈或镧进行深脱氧和深脱硫，并在1540～1580℃温度下保温5～10min，使合金元素在钢液中均匀分布。(6)加压浇铸：向加压感应炉内充入纯度≥99.999％的高纯氮气至炉内压力为p'，然后在1540～1580℃下进行浇铸；浇铸结束后，保持20分钟以上，之后逐渐减低炉内压力，取出钢锭。本专利技术提供的一种加压感应冶炼低铝高氮马氏体不锈钢的方法，其特征在于：由于钒可以提高马氏体钢的硬度、耐磨性，细化晶粒，且能显著提高氮的溶解度，本专利技术结合氮溶解度热力学分析及实验研究，提出考虑钒对氮溶解度作用的冶炼压力计算公式①。在钢种目标成分和冶炼温度确定的条件下，可计算获得冶炼压力p。本专利技术提供的一种加压感应冶炼低铝高氮马氏体不锈钢的方法，其特征在于：为避免高氮马氏体不锈钢凝固过程中，由于经过氮溶解度很低的高温铁素体区，导致钢中氮溶解度下降，导致产生氮气孔，通过提高浇铸压力可避免该问题的发生。根据试验研究，本专利技术提出针对氮溶解度更低的高氮马氏体不锈钢浇铸压力p'计算公式②。本专利技术提供的一种加压感应冶炼低铝高氮马氏体不锈钢的方法，其特征在于：为避免脱氧剂铝加入钢中，与氮结合生成有害的氮化铝夹杂物，本专利技术采用真空碳脱氧、硅脱氧及镍镁合金脱氧相结合，能够有效的将钢中的氧含量控制在20×10-6以内，获本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用加压感应冶炼低铝高氮马氏体不锈钢的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)根据钢种目标成分和冶炼温度，依据氮在钢中的溶解度公式①，计算冶炼压力p，并依据公式②计算浇铸压力p'；结合冶炼原料成分和所要冶炼钢锭质量计算所需原料的质量，配制冶炼原料，原料包括：工业纯铁、金属铬或铬铁、金属钼或钼铁、金属镍、金属锰或电解锰、工业硅、金属钒或钒铁、石墨、镍镁合金、稀土铈或镧等；钢锭中，在目标碳含量基础上再多加3～10％的碳，在目标硅含量基础上再多加1～5％的硅，用于脱氧；加入所要冶炼钢锭质量0.04～0.2％含镁为20％的镍镁合金，收得率为10～30％，进行深脱氧；加入所要冶炼钢锭质量0.004～0.03％稀土铈或镧，收得率为20～40％，用于深脱硫；冶炼压力p的计算公式①：lg[%N]=12lg(p/pΘ)-188T-1.17-{(3280T-0.75)(0.13[%N]+0.118[%C]+0.043[%Si]+0.011[%Ni]+3.5×10-5[%Ni]2-0.024[%Mn]+3.2×10-5[%Mn]2-0.01[%Mo]+7.9×10-5[%Mo]2-0.048[%Cr]+3.5×10-4[%Cr]2)-0.098[%V]+0.061gp/pΘ}]]>式中：p为冶炼压力，单位为MPa；pΘ为标准大气压，为0.101325MPa；T为冶炼温度，单位为K；浇铸压力p'的计算公式②：式中：p'为浇铸压力，单位为Mpa；(2)将已经按照所要冶炼钢锭质量计算好的工业纯铁、金属铬或铬铁、金属钼或钼铁、金属镍放入加压感应炉内的坩埚中，将占石墨总质量40％～80％的石墨、工业硅、金属锰或电解锰、金属钒或钒铁、剩余的20％～60％石墨、镍镁合金、稀土铈或镧等依次置于加料仓中；(3)启动真空泵，将加压感应炉内压力抽至10Pa以下，关闭真空泵；通电升温，逐渐增大感应炉的功率，对坩埚中冶炼原料进行熔化；(4)待坩埚中冶炼原料熔清之后，向加压感应炉内充入高纯氩气至10～50kPa，向钢液中加入占石墨总质量40％～80％的石墨，启动真空泵，开始进行碳脱氧反应，直至真空度到10Pa以下且液面平稳，不再有气泡产生；期间若反应过于剧烈，关闭真空泵、适当降低功率并充入少量高纯氩气，液面平稳后再继续抽真空；真空碳脱氧结束后，加入工业硅，进一步脱氧；(5)向加压感应炉内充入纯度≥99.999％的高纯氮气至压力为冶炼压力p，然后通过加料仓向钢液中依次加入金属锰或电解锰、金属钒或钒铁、剩余的20％～60％石墨进行合金化，之后加入镍镁合金及稀土铈或镧进行深脱氧和深脱硫，并在1540～1580℃温度下保温5～10min，使合金元素在钢液中均匀分布；(6)向加压感应炉内充入纯度≥99.999％的高纯氮气至炉内压力为p'，然后在1540～1580℃下进行浇铸；浇铸结束后，保持20分钟以上，之后逐渐减低炉内压力，取出钢锭。...

【技术特征摘要】
1.一种利用加压感应冶炼低铝高氮马氏体不锈钢的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)根据钢种目标成分和冶炼温度，依据氮在钢中的溶解度公式①，计算冶炼压力p，并依据公式②计算浇铸压力p'；结合冶炼原料成分和所要冶炼钢锭质量计算所需原料的质量，配制冶炼原料，原料包括：工业纯铁、金属铬或铬铁、金属钼或钼铁、金属镍、金属锰或电解锰、工业硅、金属钒或钒铁、石墨、镍镁合金、稀土铈或镧等；钢锭中，在目标碳含量基础上再多加3～10％的碳，在目标硅含量基础上再多加1～5％的硅，用于脱氧；加入所要冶炼钢锭质量0.04～0.2％含镁为20％的镍镁合金，收得率为10～30％，进行深脱氧；加入所要冶炼钢锭质量0.004～0.03％稀土铈或镧，收得率为20～40％，用于深脱硫；冶炼压力p的计算公式①：式中：p为冶炼压力，单位为MPa；pΘ为标准大气压，为0.101325MPa；T为冶炼温度，单位为K；浇铸压力p'的计算公式②：式中：p'为浇铸压力，单位为MPa；(2)将已经按照所要冶炼钢锭质量计算好的工业纯铁、金属铬或铬铁、金属钼或钼铁、金属镍放入加压感应炉内的坩埚中，将占石墨总质量40％～80％的石墨、工业硅、金属锰或电解锰、金属钒或钒铁、剩余的20％～60％石墨、镍镁合金、稀土铈或镧等依次置于加料仓中；(3)启动真空泵，将加压感应炉内压力抽至10Pa以下，关闭真空泵；通电升温，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李花兵，姜周华，冯浩，张彬彬，张树才，李鑫旭，韩宇，任翠东，朱红春，祝君辉，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21