復合精煉與納米變質改性奧錳鋼的方法研究

王仲玨 傅宏江 張芬紅 陳樹立 俞保平

(1.安徽工程大學，安徽241000；2.河北海鉞金屬耐磨材料科技有限公司，河北064400； 3.合肥開爾納米科技有限公司，安徽230000；4.浙江長興震瀚裝備制造科技有限公司，浙江313100； 5.安徽蕪湖和蓄機械制造科技有限公司，安徽241000)

在受較大沖擊應力和擠壓應力的工況條件下，奧錳鋼仍是一種具有較好耐磨性能的材料[1]。由于缺乏有效的精煉方法、變質方法和工藝手段，制約了奧錳鋼耐磨性能的提升和應用。

奧錳鋼金相組織是單相奧氏體組織，在其基體中殘存有形態、大小、數量和分布狀態各異的碳化物和以氧化物、硫化物、硅酸鹽為主的非金屬夾雜物等。在一定的工況條件下，工件受到不同應力的作用，所產生的溫度和環境的酸堿度均有可能使其表層組織發生變化，從而使其具有獨特的力學性能和使用性能。

長期、大量的研究表明：組織、力學性能、加工性能和使用性能相似的奧錳鋼可分為三類：中錳鋼；高錳鋼；超高錳鋼[2]。

針對不同工作環境對奧錳鋼鑄件力學性能、加工性能和使用性能的影響，分別在成分設計、冶金處理工藝、鑄造工藝和熱處理工藝上進行了詳細研究，并利用顯微分析技術對試驗結果進行取證和分析。研究表明，正確的奧錳鋼基本成分設計、微合金化和采取有效的復合精煉是獲得高性能耐磨奧錳鋼的前提和必要條件。利用熔煉條件或爐外精煉條件、利用鑄造成型方法特別是消失模鑄造、利用納米級尺寸的變質劑或孕育劑施以改性處理是獲得高性能耐磨奧錳鋼的充分條件。

1 奧錳鋼鑄件材料研制方法

1.1 材料研究

奧錳鋼材料的主要特性為：

(1)由合金導熱特性確定，在較高溫度下充型和凝固易產生柱狀晶；

(2)凝固方式傾向于中間凝固，易產生成分偏析和形成熱裂；

(3)碳化物易沿晶界呈網狀析出；

(4)在較大沖擊、擠壓應力作用下，表層易產生加工硬化；

(5)具有較高韌度；

(6)熔煉工藝處理不當，易產生較多彌散殘留物存于鋼液中。

奧錳鋼材料改性的主要期望是：

(1)提高不易產生柱狀晶的澆注溫度；

(2)提高工件表面起始硬度；

(3)減少夾雜、偏析，避免熱裂；

(4)消除網狀碳化物，凈化晶界；

(5)提高工作面表層加工硬化速率和加工硬化能力；

(6)提高磨后硬度、強度和韌度。

1.2 工藝研究

1.2.1 控制P含量

奧錳鋼磷含量是影響工件力學性能和使用壽命的最重要因素[3]。控制磷含量的主要工藝途徑為：

(1)控制爐料含磷量(尤其是采用感應爐熔煉時)；

(2)早造渣，造好渣(采用鋇鈣系無機物造高堿度渣料)，勤扒渣，勤造渣；

(3)加強精煉。

1.2.2 凈化鋼液，凈化晶界

(1)沉淀式復合預脫氧應先加錳鐵，避免形成微小高彌散的氧化物污染鋼液，富集晶界[4]；

(2)采用氣體浮游法精煉。

1.2.3 勻晶強化

(1)在實現鋼液高度凈化的前提下，強化實現鑄件凝固溫度場均勻化的鑄造工藝設計內容；

(2)采用有效的孕育劑、變質劑達到增加共晶團數量和改變鑄態結晶組織并使之趨于均勻化。

1.2.4 彌散強化

(1)采用高熔點、未氧化的鋼液活性微粒子在熔煉后期、充型和凝固過程中高度彌散的分布于晶界、晶內。部分與濃度起伏的近程有序的原子集團共同形成有效晶核，起到細化晶粒的作用；

(2)采用具有珠光體細化和促進碳化物溶解呈彌散化分布的水韌處理工藝。

1.2.5 減少應力

(1)正確設計澆注系統、鑄件引液位置。設計冷卻系統和排氣系統，制定可最大程度減少殘余應力的鑄造工藝；

(2)采用可最大程度減少應力的熱處理工藝。

1.2.6 成分設計

在基本成分按中錳鋼、高錳鋼、超高錳鋼設定的前提下，微合金化體現于：

(1)加鉻主要是增加工件淬透性；

(2)加稀土、鈦和硼主要是細化晶粒和增加工件工作面表層加工硬化速率和加工硬化能力。

1.2.7 提高表面起始硬度和磨后硬度

(1)在工件韌度大為提高的前提下，最大程度增加工件碳含量；

(2)利用消失模鑄造實現工件工作面耐磨合金鑄滲處理。

2 復合精煉提高奧錳鋼的純凈度

奧錳鋼鑄件的工藝研究和生產實踐證明，提高奧錳鋼的純凈度是進行材料改性處理和提高鑄件力學性能、加工性能和使用壽命的前提。熔池底部吹氬精煉、熔池頂面覆蓋精煉和轉包沖入精煉均是效果顯著的精煉方法。

2.1 底部吹氬精煉

底部吹氬是高效便捷的精煉方法。

在爐底部安裝透氣磚及吹氬裝置進行吹氬處理，得到極好的精煉效果。感應爐底吹氬裝置安裝示意圖如圖1所示。

1 —透氣磚 2 —不銹鋼殼 3 —石英砂 4 —不銹鋼漸擴室 5 —剛玉坐磚 6 —陶瓷管7 —石棉板 8 —中頻爐底板 9 —石棉墊片 10 —螺母 11 —金屬軟管圖1 感應爐底吹氬裝置安裝示意圖Figure 1 The schematic drawing of induction furnace bottom argon blowing device installation

2.2 熔池頂面覆蓋精煉

熔池頂面覆蓋精煉主要有兩種方法：

(1)熔煉后期，可移式吹氬氣膜裝置(圖2)在感應爐爐殼上端形成致密的氬氣膜，它不僅起到鋼液與大氣的隔絕作用，且與熔池上形成的稀渣配合將熔池中鋼液內的各種氣體和可上浮的夾雜和冶金渣充分逸出和集聚。

(2)熔煉后期，將復合精煉劑均勻加入液面。精煉劑有兩個作用：通過不斷翻動鋼液，發生系列冶金反應，完成造渣過程；形成的精煉渣與鋼液的接觸面應具有吸蓄氣體和粘附上浮夾雜和冶金渣的能力。

當然，這兩種覆蓋精煉方法既可單獨使用也可聯合使用。聯合使用時，應控制渣的稀稠度。

1 —球閥 2 —儲氣腔體 3 —滾輪 4 —螺釘孔 5 —金屬墊片 6 —螺釘圖2 吹氬氣膜裝置Figure 2 Argon blowing film device

1 —磁性警示板 2 —閘閥1 3 —止回閥1 4 —管路1 5 —蝶閥 6 —球閥1 7 —球閥2 8 —罐體 9 —透視鏡1 10 —閘閥2 11 —回料管 12 —球閥3 13 —橡膠管 14 —球閥4 15 —支架小車 16 —透視鏡2 17 —止回閥2 18 —球閥5 19 —負壓裝置 20 —球閥6 21 —管路2 22 —壓力表圖3 吹氬噴粉裝置Figure 3 Argon blowing powder-spraying device

2.3 轉包沖入精煉

在鋼液沖入前將干燥處理的0.1%～0.2%無機脫氧、脫硫礦物質放入包底，加少許產生高蒸氣壓的活性物質后，即刻進行鋼液沖包。沖包結束后，應立即將攪渣扒入鋼包液面約100 mm處快速施以攪拌，以提高精煉效果[7]。

3 納米變質改性奧錳鋼

近年來，國內已有多家科研單位和企業采用納米級粉料、納米晶合金塊、非晶態納米級粉料等微量添加劑改性奧錳鋼，但效果一直不穩定。

經過大量分析研究，發現在實現奧錳鋼高度純凈化的前提下，采用底部噴粉變質、喂絲插入變質、轉包沖入變質和消失模鑄造白模浸涂、流涂、刷涂變質可獲得較好的效果。

3.1 底部噴粉變質

采用如圖3所示的吹氬噴粉裝置，將35 nm～65 nm的TiN經無氧處理后，置于負壓吸送，納米粉體在拉應力狀態下通過狹縫型透氣磚裝置從感應爐底部噴射到熔池。

底部噴粉變質的工藝特點主要是：感應爐爐料熔化到1/4左右時，開始少量吹氬，一般吹氬精煉時間以20 min為宜。繼而，以0.45 MPa～0.65 MPa壓力吹氬噴粉1 min左右后，靜置2 min～3 min后出鋼。吹氬噴粉裝置實現智能控制后，此方法可適用于大中小熔池。

3.2 喂絲插入變質

采用08Al制殼，內芯為納米變質劑 + 固體中性汽化劑，采用普通型冶金用自動喂絲機構。操作前，調好喂絲速度和喂絲時間即可。此方法一般適用于中小熔池。

3.3 轉包沖入變質

在鋼液轉包前，將納米晶或含納米變質劑的壓片(內含脫氧劑+低熔點無機中性高氣化粘結劑)置于包底，并立即沖入鋼液。此方法僅限于小熔池。

3.4 消失模鑄造白模浸涂、流涂、刷涂變質

在白模的工件工作面選用高碳鉻鐵作鑄滲層增強相，并用納米級還原鐵粉作調節劑，稀土Ce作表面活性劑，粘結劑為PAF改性淀粉，溶劑選用硼砂。將涂料攪拌均勻后涂掛在聚苯乙烯泡沫模型上，干燥后與澆注系統粘結到一塊。為防止粘砂，再涂掛一層高透氣性自制耐火涂料，在烘房內烘干，其后埋在砂箱中振動緊實，負壓澆注。

4 結論

初步的研究表明，復合精煉對純凈奧錳鋼液和充分發揮納米變質對奧錳鋼的改性效果具有十分重要的。

文中所述復合精煉與納米變質對奧錳鋼實施改性處理的方法是三年來的工作體會。為了更好的將科研成果應用到實際中，河北省金屬耐磨材料工程技術中心擬對如下幾個專題開展進一步的深入研究并進行較全面的實踐驗證與成果完善：

(1)在研究復合精煉奧錳鋼的工藝中，突出對感應爐爐底吹氬工藝的進一步研究，解決使用狹縫型透氣磚裝置一體化完成復合精煉和納米變質的工藝成熟性，并解決與高爐齡爐襯使用壽命保持同步的問題；

(2)在現行使用的吹氬噴粉裝置基礎上，開發吹氬壓力、納米流質流量、納米流質吹入時間、納米粉體脫氧程度等重要參數的信息傳感檢測和動態處理；采用智能元件完成復合精煉工藝內容到納米變質工藝內容的邏輯程序、時間特性的自動化控制和對運行過程出現的故障實施報警、適時排除等智能化功能控制的內容；

(3)加強實驗室試驗研究，加強電子顯微結構分析，尋找復合精煉與納米變質對材料改性作用的客觀實據；

(4)深入研究針對不同類型奧錳鋼使之具有珠光體細化和促進碳化物溶解呈彌散化分布的水韌處理工藝，并探討其組織形成機制；

(5)在研究復合精煉與納米變質改性奧錳鋼的成熟化進程中，開展在其它鋼鐵材料改性處理上的應用推廣研究。

[1] 李衛.耐磨鋼鐵件的市場與生產[J].鑄造，2004，53(12)：958-961.

[2] 謝敬佩，李衛，宋延沛. 耐磨鑄鋼及其熔煉[M].北京：機械工業出版社，2003：84-210.

[3] 杜西靈，杜磊.鋼鐵耐磨鑄件鑄造技術[M].廣州：廣州科技出版社，2005：20-33.

[4] 劉世永，史雅琴，李世軍.碳化物彌散分布耐磨高錳鋼的研究[J].機械工程材料.1996,20(4):18-19.

[5] 呂宇鵬，李士同，王嘵燕，等.變質處理對超高錳鋼鑄態和熱處理組織的影響[J].鋼鐵.1998.33(12): 48-51.

[6] Ollilainen V，kasprzakW，Holappa L. The effect of silicon，vanadiumand nitrogen on the microstructure and hardness of air cooledmedium carbon low alloy steels [J]. Materials Processing Technology，2003，134 (10)：405-412.

[7] 何力，伍玉嬌，張嘵燕，等.錳系奧氏體鋼的發展及前景[J].現代機械.1999(2):12-17.