[发明专利]一种非调质钢中改善MnS夹杂物形态的冶金方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种中碳含硫非调质钢中改善MnS夹杂物形态的冶金方法，具体是为了控制MnS夹杂物在钢中细小、均匀地分布。

技术背景

非调质钢由于其不经过调质处理，具有工序简单、金属利用率高、节能环保等特点，广泛应用于汽车零部件的生产。为保证一定的切削性能，大部分非调质钢都加入了一定量的S元素。例如最新的非调质机械结构钢国家标准GB/T 15712-2016中总共规定了16个非调质钢牌号，其中14个牌号中规定添加S元素，含量范围为0.035～0.075％。由于MnS夹杂物一般在钢液凝固末期生成，容易偏聚晶界，且尺寸较大。此外，MnS夹杂物高温下容易变形，钢坯(锭)在轧制或者锻造过程中，MnS容易和钢基体一起沿着材料变形方向延伸，其长度通常达到几百甚至上千微米。大量长条状的MnS夹杂物聚集在一起，容易导致钢材严重的各向异性，显著降低了钢材的横向力学性能。因此，如何减小钢中的MnS夹杂物的尺寸，并使其在钢中均匀分布，对提高非调质钢的力学性能十分必要。

目前，控制钢中MnS夹杂物的尺寸和分布主要集中在冶炼和加工阶段。例如中国专利CN 102732667 A“高速重轨钢中MnS夹杂物的控制方法”提出在冶炼过程中添加少量Ti元素，在MnS夹杂物周围形成钛硫化物或者Mn-S-Ti的复合夹杂物，降低MnS的数量和尺寸，达到控制MnS夹杂物尺寸的目的。然而，该专利主要针对的是S含量较低的重轨钢，更高S含量的非调质钢未涉及。另外，非调质钢中一般N元素含量较高，加入Ti元素之后会形成大颗粒有害的TiN类的夹杂物，不会形成钛硫化物或者Mn-S-Ti的复合夹杂物。

中国专利CN 101255535A“易切削非调质钢及其制造方法”中提出向钢中添加Ca-Si合金，控制钢中Ca含量在0.001～0.010％范围内，可有效改善非调质钢的切削性能。然而实际生产中由于Ca元素较为活泼，Ca合金的收得率难以保证，操作困难。

中国专利CN 103667647A“重轨钢中MnS夹杂物的优化控制方法”提出在轧制过程中控制加热温度和时间，让MnS夹杂物的形貌从长条状变成短条状，从而达到优化控制MnS的目的。然而，该专利对设备依赖较高，加热时间过长，对实际生产节奏有一定影响，并且未解决MnS夹杂物分布不均匀的问题。

特别的，在中碳含硫非调质钢中如何控制MnS夹杂物特征的研究很少报导，传统工艺生产中碳含硫非调质钢主要以Al脱氧为主，钢锭中MnS夹杂物主要以沿晶界分布的II类形式存在，分布不均且尺寸较大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种在非调质钢中控制MnS夹杂物形态的冶金方法。本发明第一次提出向非调质钢中加入Zr元素进行脱氧，并严格控制钢中的Zr、Al、O、Ca、Mg元素含量，在钢液中形成主要成分为ZrO₂的细小氧化物夹杂，其尺寸范围在0.5～2μm。利用该类型氧化物为凝固过程中形成的MnS夹杂物提供形核核心，达到细化均匀MnS夹杂物的目的。

本发明是通过以下内容实现的：

一种改善非调质钢中MnS夹杂物形态的冶金方法，冶炼过程中在钢液中添加Zr元素，并控制钢液中的Zr、Al、O、Ca、Mg元素成分，使得钢液中的脱氧产物为ZrO₂，利用ZrO₂作为凝固过程中MnS的异质形核核心，从而在钢中得到细小、均匀分布的MnS夹杂物，显著改善由于钢中MnS夹杂物尺寸大、分布不均匀对钢材力学性能带来的不利影响。

冶炼结束最终钢液成分为：ω[C]：0.25～0.5％、ω[Si]：0.15～0.6％、ω[Mn]：0.8～1.5％、ω[S]：0.035～0.075％、ω[P]：<0.035％、ω[Al]：<0.0050％、ω[O]：0.001～0.004％、ω[Zr]：0.005～0.02％、ω[Ca]<0.0006％、ω[Mg]<0.0005％。此外，钢液成分需满足：ω[Zr]/ω[O]≥3，ω[Zr]/ω[Al]≥2。其余为Fe和不可避免的杂质元素，其中，ω为质量分数。

本发明中各元素化学成分范围确定依据具体如下：

C、Si、Mn元素是保证钢的各项力学性能的主要元素，其含量范围为ω[C]：0.25～0.5％、ω[Si]：0.15～0.6％、ω[Mn]：0.8～1.5％。钢中的P元素为杂质元素，应保证ω[P]：<0.035％。