專利名稱：一種易切削加釩高鋁氮化鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于合金結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)領(lǐng)域，具體地講，本發(fā)明涉及一種易切削加釩高鋁氮化鋼及其制造方法。
背景技術(shù)：
氮化鋼經(jīng)過滲氮熱處理后具有很高的表面硬度(HV950 1200，相當(dāng)于HRC65 72)、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，并且具有良好的耐熱性和腐蝕性能；而且，氮化鋼的高硬度可以維持到600°C左右。氮化鋼在一些特殊工況顯示了良好的性能，主要用于機(jī)械制造、航空工業(yè)及軍工等領(lǐng)域。近年來對氮化鋼的市場需求上升較快。傳統(tǒng)的氮化鋼38CrMoAl是一種合金結(jié)構(gòu)鋼，而且是一種專用滲氮鋼，該鋼具有良好的淬透性，同時鋼中由于含有Mo而抑制了高溫回火脆性。然而，傳統(tǒng)的氮化鋼中的鋁含 量高，造成鋼中夾雜物多，鋼的表面質(zhì)量差和滲氮熱處理氮化層較脆。具體地講，傳統(tǒng)的氮化鋼38CrMoAl鋼中的Al含量為O. 7% (重量) I. 0% (重量)，Al作為氮化物元素，是增加表面硬度最有效的元素，對氮化處理來說，Al是廉價而有效的元素，但在一般冶煉條件下，過高的Al容易生成鋁非金屬夾雜物，鋼材容易產(chǎn)生發(fā)紋缺陷。因此，對于38CrMoAl鋼而言，其中的Al其含量超出了常規(guī)的脫氧和細(xì)化晶粒范圍；然而，由于Al非?；顫?，易與氧反應(yīng)形成Al2O3非金屬夾雜物，在連鑄時容易堵塞水口 ；同時，在冶煉生產(chǎn)過程中，渣中的氧化硅易于還原，鋼中的鋁易被氧化，造成硅、鋁成分波動大，對鋼種的成分和質(zhì)量控制較為困難。傳統(tǒng)的氮化鋼38CrMoAl由于生產(chǎn)難度高，連續(xù)澆注爐數(shù)少，因此，很多鋼廠仍采用模鑄工藝生產(chǎn)，造成鋼的質(zhì)量和成本控制困難。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決傳統(tǒng)的氮化鋼38CrMoAl中Al含量高導(dǎo)致的工藝和質(zhì)量控制難題，以及Al含量高給鋼的潔凈度造成的不利影響，同時，為了解決單一的Al作為氮化物元素對氮化層深度和性能影響的局限性，本發(fā)明提供了一種新型易切削加釩高鋁氮化鋼及其制造方法，以有效地解決傳統(tǒng)氮化鋼生產(chǎn)工藝、質(zhì)量和使用方面的技術(shù)難題。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種易切削加釩高鋁氮化鋼的制造方法，所述制造方法包括下述步驟采用電弧爐冶煉，配料為重量百分比大于或等于40%的鐵水和重量百分比為40% 60%的廢鋼，控制終點(diǎn)[C]彡O. 15%、[P] ( O. 010%，殘余元素含量符合設(shè)計要求，鋼水的出鋼溫度為1630°C 1640°C，其中，在鋼包內(nèi)進(jìn)行預(yù)脫氧合金化，出鋼過程加入重量百分比為50% 60%的Al ;然后，進(jìn)行LF爐外精煉，精煉過程全程吹氬，保持白渣時間在15 20min ;精煉后進(jìn)行真空處理，真空度小于67Pa，保持時間在20 25min，真空處理后軟吹氬時間大于12分鐘；采用連鑄全程保護(hù)澆注，連鑄中采用電磁攪拌；對連鑄坯進(jìn)行緩冷后軋制，控制加熱爐均熱溫度為1180°C 1250°C，加熱時間為2. 5 3小時，開軋溫度為1080°C 1120°C，終軋溫度為850°C 980°C。根據(jù)本發(fā)明的一方面，在精煉末期，對鋼水進(jìn)行鈣處理，喂入適量的鈣鐵線，控制鋼中的鈣鋁比大于O. 08。根據(jù)本發(fā)明的一方面，在喂入適量的鈣鐵線的步驟可以包括通過控制喂線速度，使鈣鐵線穿透渣層并達(dá)到一定深度，以增加鋼水對鈣的吸收，減少爐渣對鈣的損失。根據(jù)本發(fā)明的一方面，可以控制喂線速度為4. 5 5. 5m/so根據(jù)本發(fā)明的一方面，在連鑄過程中，可以控制中間包的鋼水溫度為1520°C 1530°C，拉速可以控制在O. 50 O. 65mm/min。根據(jù)本發(fā)明的一方面，在連鑄過程中，可以采用低硅連鑄保護(hù)渣，中間包覆蓋劑與碳化稻殼配合使用；大包開澆時，及時向注流區(qū)加入適量鈣鐵粉；生產(chǎn)操作要嚴(yán)格保證水口對中，保證水口不發(fā)生偏斜。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種易切削加釩高鋁氮化鋼，所述易切削加釩高鋁氮化鋼的組成按重量百分比計為0. 26% O. 40%的C、0. 15% O. 50%的Si、0. 80% I. 50% 的 Mn,O. 80% I. 50% 的 Cr,O. 05% O. 25% 的 V,O. 10% O. 30% 的 Al、不大于 O. 020%的Ρ、0· 015% O. 10%的S、不大于O. 20%的Cu、不大于O. 20%的Ni、不大于O. 015%的Sn、不大于15Χ 10 —4%的0，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述易切削加釩高鋁氮化鋼的組成按重量百分比計可以為0· 32% O. 36% 的 C、0. 20% O. 40% 的 Si、I. 10% I. 40% 的 Mn、I. 10% I. 40% 的 Cr、O. 08% O. 15% 的 V、0. 10% O. 20% 的 Al、不大于 O. 010% 的 Ρ、0· 030% O. 060% 的 S、不大于O. 10%的Cu、不大于O. 10%的Ni、不大于O. 015%的Sn、不大于IOX 10 —4%的0，余量為
Fe和不可避免的雜質(zhì)。因此，根據(jù)本發(fā)明的氮化鋼通過加釩降鋁，鋼具有良好的淬透性和較好的綜合力學(xué)性能，鋼的氮化層表面硬度大于HV1000。因此，根據(jù)本發(fā)明的高鋁氮化鋼適用于滲氮熱處理，滲氮后滲氮層深、表面硬度高，鋼的切削性能良好。


圖I示出了采用本發(fā)明的實(shí)施例的高鋁氮化鋼的刀具的磨損曲線。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的氮化鋼的切削試樣車屑。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明為適應(yīng)氮化鋼技術(shù)發(fā)展以及連鑄工藝生產(chǎn)的需要，提供了一種新型高鋁氮化鋼，通過成分設(shè)計低硫(s:0. 015 O. 10%)易切削、加釩(V:0. 05 O. 25%)降鋁(A1:0. 10 O. 30%),以及優(yōu)化冶煉、連鑄參數(shù)控制，解決了傳統(tǒng)氮化鋼38CrMoAl由于Al含量高(O. 70% I. 10%)導(dǎo)致的鋼質(zhì)純凈度控制困難、冶煉化學(xué)成分波動大以及連鑄工藝技術(shù)的一系列技術(shù)難題。在此需要指出的是，在本發(fā)明中如無特別說明，各物質(zhì)的量均為重量百分?jǐn)?shù)。本發(fā)明提供了一種易切削加釩高鋁氮化鋼，其組成按重量百分比計為0.26% O. 40% 的 C、0. 15% O. 50% 的 Si,O. 80% I. 50% 的 Mn,O. 80% I. 50% 的 Cr,O. 05% O. 25%的 N、Q. 10% O. 30% 的 Al、不大于 O. 020% 的 Ρ、0· 015% O. 10% 的 S、不大于 O. 20% 的 Cu、不大于O. 20%的Ni、不大于O. 015%的Sn、不大于15Χ 10 —4%的0，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
下面將說明根據(jù)本發(fā)明的易切削加釩高鋁氮化鋼的組成限定在上述范圍內(nèi)的原因。要提高零件的耐磨性、疲勞強(qiáng)度等特性，表面硬化處理是有效的處理方法，作為變形量小、耐磨損、抗擦傷、耐腐蝕特性的氮化處理是廣泛采用的方法之一。要充分發(fā)揮氮化處理的特性，設(shè)計選用合適的材料是更重要的。根據(jù)本發(fā)明的氮化鋼的成分是以C、Mn、Cr、A1、V為主要元素；A1是增加表面硬度最有效的元素，但是，因Al與氮的親和力很強(qiáng)，氮被滯留在表面而向內(nèi)擴(kuò)散、固溶量很少，影響氮化層深度，同時，從保證鋼的純凈度(降低鋁系夾雜物)考慮，過高的鋁含量會影響鋼的內(nèi)部質(zhì)量，因此，在本發(fā)明中將Al在氮化鋼中的含量控制為O. 10 O. 30%。此外，在本發(fā)明中，通過添加少量的V對提高表面硬度和硬化層深有顯著效果，Al-V復(fù)合加入不僅增加硬化層深，而且還提高表面硬度，因此，在根據(jù)本發(fā)明的氮化鋼中，將V的含量控制為O. 05% O. 25%。另外，Cr對提高表面硬度和硬化層深兩方面都有效果，同時，為了保證鋼的整體淬透性，Cr、Mn復(fù)合加入，因此，在根據(jù)本發(fā)明的氮化鋼中，將Cr的含量控制為O. 80% I. 50%，并且將Mn的含量控制為O. 80% I. 50%。C對心部硬度、疲勞強(qiáng)度、沖擊值有很大影響，考慮到韌性、切削性，因此，在根據(jù)本發(fā)明的氮化鋼中，將C的含量控制為O. 26% O. 40% ;為了保證鋼的切削性能，將S的含量控制為O. 015% O. 10%。另夕卜，為了提高鋼的純凈度和疲勞壽命，本發(fā)明還對氧提出了控制要求[O] ( 15X10 一 4%。在上述優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ)上，為保證鋼的性能穩(wěn)定一致，優(yōu)選的，根據(jù)本發(fā)明的易切削加釩高鋁氮化鋼的組成按重量百分比計可以為0. 32% O. 36%的C、0. 20% O. 40%的Si、I. 10% L 40% 的 Mn、L 10% L 40% 的 Cr、0. 08% O. 15% 的 N、Q. 10% O. 20% 的 Al、不大于O. 010%的P、0. 030% O. 060%的S、不大于O. 10%的Cu、不大于O. 10%的Ni、不大于
O.015%的Sn、不大于IOX 10 —4%的0，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。下面將詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明的易切削加釩高鋁氮化鋼的制造方法。本發(fā)明提供了一種采用電爐連鑄工藝生產(chǎn)新型易切削加釩高鋁氮化鋼的制造方法，該制造方法包括冶煉、連鑄和軋制步驟，具體地講，包括以下步驟采用電弧爐冶煉，配料為鐵水O 40%)和廢鋼(40 60%)，然后進(jìn)行LF爐外精煉、VD真空脫氣處理；連鑄澆注鑄坯；最后，進(jìn)行軋制工藝，從而生產(chǎn)出根據(jù)本發(fā)明的氮化鋼鋼材。在根據(jù)本發(fā)明的易切削加釩高鋁氮化鋼的制造方法中，在冶煉步驟中，采用電弧爐冶煉，配料為鐵水O 40%)和廢鋼(40 60%)，保持一定比例的鐵水，可以將鋼水中殘余元素的含量降低到較低水平，同時降低冶煉電耗和成本。電爐冶煉過程造好泡沫渣，脫碳量彡O. 30%，加強(qiáng)脫P(yáng)、脫氣操作;在電弧爐冶煉過程中，控制終點(diǎn)[C]彡O. 15%、[P] ( O. 010%，殘余元素含量符合設(shè)計要求，控制鋼水的出鋼溫度為1630°C 1640°C ;為防止Si超過控制要求，電爐出鋼過程嚴(yán)禁下渣；鋼包進(jìn)行預(yù)脫氧合金化，在出鋼過程中加入50% 60%的Al。根據(jù)本發(fā)明，在冶煉步驟中，LF爐外精煉造高堿度、低二氧化硅含量的精煉渣；精煉過程全程吹氬，保持白渣時間在15 20min ;精煉末期，對鋼水進(jìn)行鈣處理，喂入適量鈣鐵線，控制鋼中鈣鋁比大于O. 08，使鋼中高熔點(diǎn)的Al2O3夾雜物與CaO形成低熔點(diǎn)低密度的12CaO*7Al203,保證鋼水的可澆性，從而消除水口蓄流。另外，將鈣加入鋼液時，由于鈣的蒸氣壓小，為提高鈣的收得率，穩(wěn)定鈣處理效果，必須將鈣鐵線喂得深，措施就是增加喂線速度，使鈣鐵線穿透渣層并達(dá)到一定深度，增加鋼水對鈣的吸收，減少爐渣對鈣的損失，控制鈣鐵線喂入速度4. 5 5. 5m/s效果最理想；因?yàn)殇撝蠸含量高，會消耗一部分鈣進(jìn)行脫硫，因此要適當(dāng)增加喂線量，以達(dá)到較好的處理效果。根據(jù)本發(fā)明，在冶煉步驟中，精煉后真空處理，真空度小于67Pa，使該真空度的保持時間20 25min，VD后軟吹氬時間大于12分鐘。將氧含量控制為不大于15X 10_4%，優(yōu)選地,不大于10Χ1(Γ4%。在根據(jù)本發(fā)明的易切削加釩高鋁氮化鋼的制造方法中，在連鑄步驟中，采用連鑄全程保護(hù)澆注，連鑄中采用電磁攪拌。中間包鋼水溫度控制在1520 1530°C，拉速在
O.50 O. 65mm/min ;采用低娃連鑄保護(hù)洛，中間包覆蓋劑與碳化稻殼配合使用；大包開燒時，及時向注流區(qū)加入適量鈣鐵粉；生產(chǎn)操作要嚴(yán)格保證水口對中，保證水口不發(fā)生偏斜。在根據(jù)本發(fā)明的易切削加釩高鋁氮化鋼的制造方法中，在軋制步驟中，對連鑄坯進(jìn)行緩冷后軋制，控制加熱爐均熱溫度為1180°C 1250°C，加熱時間2. 5 3小時，開軋溫度為1080°C 1120°C，終軋溫度為850°C 980°C。以上制備方法中未加限定的工藝條件均可參照本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)。下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不局限于此。實(shí)施例I至實(shí)施例3制造易切削加釩高鋁氮化鋼，采用UHP超過功率電爐、LF爐外精煉、VD真空脫氣處理工藝冶煉，連鑄澆注鑄坯、軋制成材工藝生產(chǎn)鋼材。實(shí)施例是以O(shè)80mm規(guī)格鋼材的生產(chǎn)工藝來具體說明本發(fā)明的各實(shí)施例是如何實(shí)施的。生產(chǎn)工藝如下(I)冶煉采用電弧爐冶煉,鐵水加入量為60 65%,余量為廢鋼。在電弧爐冶煉過程中，控制終點(diǎn)[C] ^ O. 15%, [P] < O. 010%，殘余元素含量符合設(shè)計要求，鋼水的出鋼 溫度1630°C 1640°C ;在鋼包內(nèi)進(jìn)行預(yù)脫氧合金化,在出鋼過程中加入55wt% 60wt%的Al。然后，進(jìn)行LF爐外精煉，白渣保持時間18分鐘。精煉后進(jìn)行VD真空處理，真空度小于67Pa，保持時間20 22分鐘，VD真空處理后軟吹氬時間為15 17分鐘，將氧含量控制為8 10X10 — 4%。(2)澆注采用連鑄全程保護(hù)澆注，連鑄中采用電磁攪拌。中間包鋼水溫度穩(wěn)定控制在1520°C 1525°C，拉速在O. 55±0. 02mm/min，鑄坯質(zhì)量良好。(3)軋制對連鑄坯進(jìn)行緩冷后軋制，控制加熱爐均熱溫度為1180°C 1220°C，力口熱時間為2. 5 3小時，開軋溫度為1080°C 1100°C，終軋溫度為850°C 950°C。在軋制完成后，采用如下熱處理工藝900±5°C正火，870°C ±5°C淬火/水，鋼的末端淬透性如表5所示。實(shí)施例I至實(shí)施例3的冶煉工藝條件和連鑄、軋制工藝條件分別見下面的表I至表3所示。對實(shí)施例I至實(shí)施例3的氮化鋼進(jìn)行測試，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定有關(guān)成分、性能數(shù)據(jù)列于表4和表5中，測試方法采用國際通用方法。表I實(shí)施例I至實(shí)施例3的冶煉工藝條件
權(quán)利要求
1.一種易切削加釩高鋁氮化鋼的制造方法，其特征在于所述制造方法包括下述步驟冶煉采用電弧爐冶煉，配料為重量百分比大于或等于40%的鐵水和重量百分比為40% 60%的廢鋼，控制終點(diǎn)[C]彡O. 15%、[P] ( O. 010%，殘余元素含量符合設(shè)計要求，鋼水的出鋼溫度為1630°C 1640°C，其中，在鋼包內(nèi)進(jìn)行預(yù)脫氧合金化，出鋼過程加入重量百分比為50% 60%的Al ;然后，進(jìn)行LF爐外精煉，精煉過程全程吹氬，保持白渣時間在 15 20min ;精煉后進(jìn)行真空處理，真空度小于67Pa，保持時間在20 25min，真空處理后軟吹氬時間大于12分鐘；澆注采用連鑄全程保護(hù)澆注，連鑄中采用電磁攪拌；軋制對連鑄坯進(jìn)行緩冷后軋制，控制加熱爐均熱溫度為1180°C 1250°C，加熱時間為2. 5 3小時，開軋溫度為1080°C 1120°C，終軋溫度為850°C 980°C。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制造方法，其特征在于在精煉末期，對鋼水進(jìn)行鈣處理，喂入適量的鈣鐵線，控制鋼中的鈣鋁比大于O. 08。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法，其特征在于在喂入適量的鈣鐵線的步驟包括通過控制喂線速度，使鈣鐵線穿透渣層并達(dá)到一定深度，以增加鋼水對鈣的吸收，減少爐渣對鈣的損失。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造方法,其特征在于控制喂線速度為4.5 5. 5m/so
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制造方法，其特征在于在連鑄過程中，控制中間包的鋼水溫度為 1520°C 1530°C，拉速控制在 O. 50 O. 65mm/min。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或5所述的制造方法，其特征在于在連鑄過程中，采用低硅連鑄保護(hù)渣，中間包覆蓋劑與碳化稻殼配合使用；大包開澆時，及時向注流區(qū)加入適量鈣鐵粉；生產(chǎn)操作要嚴(yán)格保證水口對中，保證水口不發(fā)生偏斜。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制造方法，其特征在于所述易切削加釩高鋁氮化鋼的組成按重量百分比計為0. 26% O. 40% 的 C、0. 15% O. 50% 的 Si,O. 80% I. 50% 的 Mn,O. 80% I. 50% 的 Cr,O. 05% O. 25% 的 V,O. 10% O. 30% 的 Al、不大于 O. 020% 的 Ρ、0· 015% O. 10% 的S、不大于O. 20%的Cu、不大于O. 20%的Ni、不大于O. 015%的Sn、不大于15Χ 10 —4%的0， 余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
8.一種易切削加釩高鋁氮化鋼，其特征在于所述易切削加釩高鋁氮化鋼的組成按重量百分比計為0. 26% O. 40% 的 C、0. 15% O. 50% 的 Si,O. 80% I. 50% 的Mn,O. 80% I. 50% 的 Cr、0. 05% O. 25% 的 V、0. 10% O. 30% 的 Al、不大于 O. 020% 的 Ρ、0· 015% O. 10% 的S、不大于O. 20%的Cu、不大于O. 20%的Ni、不大于O. 015%的Sn、不大于15Χ 10 —4%的0，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的易切削加釩高鋁氮化鋼，其特征在于所述易切削加釩高鋁氮化鋼的組成按重量百分比計可以為0. 32% O. 36%的C、0. 20% O. 40%的Si、l. 10% I.40% 的 Mn、I. 10% I. 40% 的 Cr,O. 08% O. 15% 的 V,O. 10% O. 20% 的 Al、不大于 O. 010% 的P、0. 030% O. 060%的S、不大于O. 10%的Cu、不大于O. 10%的Ni、不大于O. 015%的Sn、 不大于IOX 10 —4%的0，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種易切削加釩高鋁氮化鋼及其制造方法，這種鋼的組成按重量百分?jǐn)?shù)為0.26%～0.40%的C、0.15%～0.50%的Si、0.80%～1.50%的Mn、0.80%～1.50%的Cr、0.05%～0.25%的V、0.10%～0.30%的Al、不大于0.020%的P、0.015%～0.10%的S、不大于0.20%的Cu、不大于0.20%的Ni、不大于0.015%的Sn、不大于15×10－4%的O，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。制造方法包括冶煉及合金化、連鑄澆注鑄坯、熱軋制工藝，其中，在電弧爐冶煉的過程中，控制終點(diǎn)[C]≥0.15%、[P]≤0.010%，在鋼包內(nèi)預(yù)脫氧合金化，出鋼加入50%～60%的Al；LF精煉全程吹氬，保持白渣時間在15～20min；VD真空脫氣處理；采用全程保護(hù)連鑄澆注鑄坯，熱軋制成材。根據(jù)本發(fā)明的高鋁氮化鋼適用于滲氮熱處理，滲氮后滲氮層深、表面硬度高，鋼的切削性能良好。
文檔編號C22C33/04GK102925811SQ20121045164
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者戈文英, 翟正龍, 李泰 , 王建軍, 袁淑君 申請人:萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司