一种加压感应冶炼低铝高氮马氏体不锈钢的方法

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明属于高氮不锈钢冶炼技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明的核心思想在于：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。

本发明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：

$\left(\begin{array}{c}\lg \left[\%N\right]=\frac{1}{2}\lg (p/p^{\Theta })-\frac{188}{T}-1.17-\left\{(\frac{3280}{T}-0.75)\right(0.13\left[\%N\right]+0.118\left[\%C\right]+0.043\left[\%Si\right]\\ +0.011\left[\%Ni\right]+3.5\times {10}^{-5}{\left[\%Ni\right]}^2-0.024\left[\%Mn\right]+3.2\times {10}^{-5}{\left[\%Mn\right]}^2-0.01\left[\%Mo\right]\\ +7.9\times {10}^{-5}{\left[\%Mo\right]}^2-0.048\left[\%Cr\right]+3.5\times {10}^{-4}{\left[\%Cr\right]}^2)-0.098[\%V]+0.061g\sqrt{p/p^{\Theta }}\}\end{array}\right)$

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。

本发明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，本发明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。

本发明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，本发明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。

本发明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，本发 明采用真空碳脱氧、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，获得氮含量在0.1～0.6％、铝含量≤0.02％的低铝 高氮马氏体不锈钢。

本发明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：在合金化末期，向钢液中加入镍镁合金能够将硫含量降低到一定程度， 并加入少量稀土铈或镧，用于深脱硫，使得硫含量≤0.002％，可改善钢种的 热加工性能，能够防止在锻造、轧制等热加工过程中开裂。

本发明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：为了防止在钢液中氧含量很高、压力很低的条件下，加入碳发生不可 控制的碳氧反应，可能导致钢液剧烈喷溅，在真空碳脱氧前，向炉内充入 10～50kPa高纯氩气，之后加入占石墨总质量40％～80％的石墨，再启动真空 泵，使碳氧反应在可控条件下进行。充入高纯氩气是因为钢液中氩气比氮气 的溶解度低，充入氮气会使钢液溶解部分氮，在后续抽真空时可能由于氮气 的溢出导致钢液喷溅，进而产生危险。

本发明提供的一种加压感应冶炼低铝高氮马氏体不锈钢的方法，采用真 空碳脱氧结合硅脱氧、镍镁合金脱氧及稀土脱硫的方式，能有效降低钢中的 氧和硫含量，同时避免铝脱氧导致生成大量氮化铝夹杂物；通过合理的冶炼 和浇铸压力，避免产生氮析出、氮气孔等凝固缺陷，精确控制钢中的氮含量， 获得成分均匀、组织致密、氮含量在0.1～0.6％、铝含量≤0.02％、硫含量≤ 0.002％的低铝高氮马氏体不锈钢。

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本发明的具体实施方式，但本发明的具体实施 方式不局限于下述的实施例。

本发明所举实施例中，冶炼设备为25kg加压感应熔炼炉，极限真空度为 0.1Pa，最高压力为6MPa，电源功率为50kW，装炉量为20.0～21.5kg。

本发明所举实施例中所用冶炼原料的主要成分见表1。

表1冶炼原料主要成分/wt.％

实施例一

采用加压感应熔炼21.0kg目标钢种30Cr15MoN0.4，其成分范围如表2 所示。

表2钢种30Cr15MoN0.4成分范围及目标成分/wt.％

(1)确定冶炼及浇铸压力并配料：根据表2中钢种目标成分和冶炼温度 约1550℃，依据公式①、公式②计算得到：冶炼压力p为0.37MPa，浇铸压 力p'为1.0MPa。冶炼原料及其质量如下：工业纯铁17250g、金属铬3240g、 金属钼210g、金属锰90g、工业硅101g、石墨67g。其中石墨和工业硅分别 在目标成分基础上多加6.8％和3.1％，用于脱氧。此外，添加21.0g含镁20％ 的镍镁合金进行深脱氧，并加入10.5g稀土铈进行深脱硫。

(2)布料：将工业纯铁、金属铬、金属钼放入加压感应炉内的坩埚中， 将占石墨总质量60％的石墨、工业硅、金属锰、剩余的40％石墨、镍镁合金、 稀土铈依次置于加料仓中。

(3)炉料熔化：启动真空泵，将感应炉内压力抽至5.2Pa，关闭真空泵； 通电升温，起始功率为4kW，逐渐增大至35kW，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纯度≥ 99.999％的高纯氩气至30kPa，向钢液中加入占石墨总质量60％的石墨，启动 真空泵，开始进行碳脱氧反应，直至真空度到8.5Pa且液面平稳，不再有气 泡产生。之后加入工业硅，进一步脱氧。

(5)合金化：向感应炉内充入纯度≥99.999％的高纯氮气至压力为 0.37MPa，然后通过加料仓向钢液中依次加入金属锰、剩余的40％石墨进行 合金化，之后加入镍镁合金和稀土铈进行深脱氧和深脱硫，并在1545～1555 ℃温度下保温8min，使合金在钢液中均匀分布。

(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1.0MPa，然后在1550℃下进行浇铸；浇铸结束后保持30min后，逐渐 减低炉内压力，取出钢锭。

冶炼所得高氮马氏体不锈钢30Cr15MoN0.4铸锭无氮气孔，组织致密， 成分如表3所示。

表3冶炼所得30Cr15MoN0.4成分/wt.％

实施例二

采用加压感应熔炼20.0kg目标钢种50Cr18MoVN0.36，其成分范围如表 4所示。

表4钢种50Cr18MoVN0.36成分范围及目标成分/wt.％

(1)确定冶炼及浇铸压力并配料：根据表4中钢种目标成分和冶炼温度 约1550℃，依据公式①、公式②计算得到：冶炼压力p为0.22MPa，浇铸压 力p'为1.0MPa。冶炼原料及其质量如下：工业纯铁15950g、金属铬3529g、 金属钼220g、金属锰64g、工业硅97g、金属钒40g、石墨110g。其中石墨 和工业硅分别在目标成分基础上多加5.7％和4.8％，用于脱氧。此外，添加 25.0g含镁20％的镍镁合金进行深脱氧，添加12.0g稀土镧进行深脱硫。

(2)布料：将工业纯铁、金属铬、金属钼放入加压感应炉内的坩埚中， 将占石墨总质量55％的石墨、工业硅、金属锰、金属钒、剩余的45％石墨、 镍镁合金、稀土镧依次置于加料仓中。

(3)炉料熔化：启动真空泵，将感应炉内压力抽至6.5Pa，关闭真空泵； 通电升温，起始功率为4kW，逐渐增大至34kW，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纯度≥ 99.999％的高纯氩气至20kPa，向钢液中加入占石墨总质量55％的石墨，启动 真空泵，开始进行碳脱氧反应，直至真空度到6.5Pa且液面平稳，不再有气 泡产生。之后加入工业硅，进一步脱氧。

(5)合金化：向感应炉内充入纯度≥99.999％的高纯氮气至压力为 0.22MPa，然后通过加料仓向钢液中依次加入金属锰、金属钒、剩余的45％ 石墨进行合金化，之后加入镍镁合金和稀土镧进行深脱氧和深脱硫，并在 1548～1558℃温度下保温10min，使合金在钢液中均匀分布。

(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1.0MPa，然后在1553℃下进行浇铸；浇铸结束后保持35min后，逐渐 减低炉内压力，取出钢锭。

冶炼所得高氮马氏体不锈钢50Cr18MoVN0.36铸锭无氮气孔，组织致密， 成分如表5所示。

表5冶炼所得50Cr18MoVN0.36成分/wt.％

实施例三

采用加压感应熔炼20.5kg目标钢种12Cr16MoNiVN0.5，其成分范围如 表6所示。

表6钢种12Cr16MoNiVN0.5成分范围及目标成分/wt.％

(1)确定冶炼及浇铸压力并配料：根据表6中钢种目标成分和冶炼温度 约1550℃，依据公式①、公式②计算得到：冶炼压力p为0.46MPa，浇铸压 力p'为1.2MPa。冶炼原料及其质量如下：工业纯铁16470g、金属铬3349g、 金属钼205g、金属镍205g、金属锰110g、工业硅77g、金属钒61.5g、石墨 26g。其中石墨和工业硅分别在目标成分基础上多加7.0％和3.0％，用于脱氧。 此外，添加20.5g含镁20％的镍镁合金进行深脱氧，添加10.3g稀土镧进行脱 硫。

(2)布料：将工业纯铁、金属铬、金属钼、金属镍放入加压感应炉内的 坩埚中，将占石墨总质量70％的石墨、工业硅、金属锰、金属钒、剩余的30％ 石墨、镍镁合金、稀土镧依次置于加料仓中。

(3)炉料熔化：启动真空泵，将感应炉内压力抽至6.3Pa，关闭真空泵； 通电升温，起始功率为4kW，逐渐增大至36kW，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纯度≥ 99.999％的高纯氩气至25kPa，向钢液中加入占石墨总质量70％的石墨，启动 真空泵，开始进行碳脱氧反应，直至真空度到5.5Pa且液面平稳，不再有气 泡产生。之后加入工业硅，进一步脱氧。

(5)合金化：向感应炉内充入纯度≥99.999％的高纯氮气至压力为 0.46MPa，然后通过加料仓向钢液中依次加入金属锰、金属钒、剩余的30％ 石墨进行合金化，之后加入镍镁合金和稀土镧进行深脱氧和深脱硫，并在 1546～1554℃温度下保温12min，使合金在钢液中均匀分布。

(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1.2MPa，然后在1548℃下进行浇铸；浇铸结束后保持25min后，逐渐 减低炉内压力，取出钢锭。

冶炼所得高氮马氏体不锈钢12Cr16MoNiVN0.5铸锭无氮气孔，组织致 密，成分如表7所示。

表7冶炼所得12Cr16MoNiVN0.5成分/wt.％

同时，通过控制浇注和凝固压力可获得无气孔、成分均匀的铸锭。