10.9級緊固件用鋼ML35CrMo潔凈度研究1

魏崇一　吳華杰,2　岳峰,2　張漓

(1.北京科技大學冶金工程研究院;　2.鋼鐵共性技術協同創新中心)

10.9級緊固件用鋼ML35CrMo潔凈度研究1

魏崇一1吳華杰1,2岳峰1,2張漓1

(1.北京科技大學冶金工程研究院;2.鋼鐵共性技術協同創新中心)

聯系人：吳華杰，博士，副研究員，北京市(100083)，北京科技大學鋼鐵共性技術協同創新中心；收稿日期：2015—9—13

摘要分析了國內某鋼廠鐵水預處理→轉爐→氬站→LF精煉→鈣處理→連鑄工藝下生產的10.9級高強度汽車用緊固件冷鐓鋼的潔凈度水平。試驗結果顯示，鑄坯的T[O]含量在0.0013%左右，N含量在0.0047%左右；鑄坯中主要夾雜物類型為Al2O3-CaO-CaS復合夾雜物，同時還有少量純Al2O3和Al2O3-MgO-CaO-CaS復合夾雜物；鑄坯中大型夾雜物主要類型有SiO2型，Al2O3型，含Na、K復雜成分型。

關鍵詞ML35CrMo顯微夾雜物潔凈度Ca處理

THE RESEARCH ON CLEANINESS OF ML35CrMo COLD HEADING STEEL FOR 10.9 GRADE WIRE ROD FASTENER

Wei Chongyi1Wu Huajie1,2Yue Feng1,2Zhang Li1

(1.Engineering Research Institute, University of Science and Technology Beijing;2.Collaborative Innovation Center of Steel Technology)

ABSTRACTAnalysis of the cleanliness level of 10.9 high strength automotive fasteners cold heading steel produced by hot metal pretreatment processing→converter→argon station→LF refining→calcium treatment→continuous casting process in a domestic steel plant is carried out. The experimental results show that, the content of T [O] is about 0.0013% and the content of N is about 0.0047% in this casting blank; the main inclusions in the casting blank is Al2O3-CaO-CaS compound inclusions with some pure Al2O3and Al2O3-MgO-CaO-CaS compound inclusions; the big inclusions in casting blank are type of SiO2,type of Al2O3and complex type of Na and K.

KEY WORDSML35CrMomicroscopic inclusionscleaninessCa treatment

0前言

冷鐓鋼是一種在室溫條件下，利用冷鐓工藝生產緊固件的鋼種。廣泛用于生產螺釘、銷釘、螺母等標準件。冷鐓用鋼必須具有良好的冷頂鍛性能，鋼中夾雜物含量低，對鋼材的潔凈度要求嚴格[1]。10.9級高強度緊固件盤條可用做汽車螺栓、螺桿、螺釘等標準緊固件的生產。脆性Al2O3是造成冷鐓開裂的原因之一，可以通過鈣處理工藝使夾雜物變性，轉變成塑性夾雜從而提高鋼的質量[2]。ML35CrMo相當于日本的SCM435，但相對于SCM435國內的ML35CrMo的潔凈度控制水平仍有很大的差距。

1研究方法和生產工藝

針對某鋼廠鐵水預處理→轉爐→氬站→LF精煉→鈣處理→連鑄工藝下生產的10.9級ML35CrMo冷鐓鋼，對其冷鐓鋼潔凈度水平進行研究，同時分析其夾雜物熱力學成因。選取該廠生產的兩爐次(分別標為A和B)ML35CrMo冷鐓鋼分析其潔凈度水平，采用氧氮分析法、金相試樣法和大樣電解法為主要研究方法[3]。

2試驗結果和分析

2.1鑄坯中氧氮含量分析

該廠A和B爐次生產的ML35CrMo氧氮結果如圖1所示。

圖1　ML35CrMo氧氮含量

從圖1中可以看出,兩爐次生產的冷鐓鋼氧氮含量差異不大，T[O]含量在0.0013%左右，N含量在0.0047%左右。國內先進鋼企冷鐓鋼鑄坯氧氮含量[4-6]見表1。

表1　國內外鋼企冷鐓鋼鑄坯氧氮含量

從表1可以看出，國內鋼企的冷鐓鋼氧氮水平可以控制在較低的含量，但是數值波動比較大，穩定的氧氮含量是夾雜物控制水平的關鍵。

2.2鋼中顯微夾雜物分析

典型夾雜物形貌及元素分布如圖2所示，夾雜物成分、類型和尺寸信息見表2。

圖2　ML35CrMo冷鐓鋼中典型夾雜物形貌及元素分布

序號元素(質量分數)/%AlOCaSMg類型尺寸/μm146.7951.46Al2O310219.7625.1433.2423.55Al2O3-CaO-CaS11313.1540.5625.729.81Al2O3-CaO-CaS1048.1924.3353.4812.401.60Al2O3-MgO-CaO-CaS6

從表2可以看出，ML35CrMo冷鐓鋼中主要夾雜物類型為Al2O3-CaO-CaS復合夾雜物，同時還有少量純Al2O3和Al2O3-MgO-CaO-CaS復合夾雜物；從圖2中可以看出，ML35CrMo冷鐓鋼夾雜物主要類型有純氧化鋁夾雜和復合夾雜，形貌為帶棱角和近似于球形，復合夾雜物成分特征為：以Al2O3-CaO或MgO-Al2O3為核外部包裹CaS，但包裹可能不完全，尺寸都在10 μm左右，也有大量小尺寸夾雜物。

2.3鋼中大型夾雜物分析

冷鐓鋼中大型夾雜物樣品信息和電解結果見表3。

表3　ML35CrMo冷鐓鋼中大型夾雜物電解結果

通過大樣電解法分析ML35CrMo鋼中大型夾雜物重量，420號試樣夾雜物重量為6.18 mg/10kg，其中小于80 μm占5%，80 μm～140 μm占16%，140 μm～300 μm占37%，大于300 μm占42%。421號試樣夾雜物重量為2.95 mg/10kg，其中小于80 μm占22%，80 μm～140 μm占33%，140 μm～300 μm占22%，大于300 μm占33%。

ML35CrMo鋼中大型夾雜物總體形貌如圖3所示，典型大型夾雜物顯微形貌如圖4所示，典型大型夾雜物成分見表4。

(a) 300 μm以上大型夾雜物(b) 140 μm～300 μm大型夾雜物(c) 80 μm～140 μm大型夾雜物(d) 小于80 μm大型夾雜物

圖3ML35CrMo鋼中大型夾雜物總體形貌和尺寸

(a) SiO2類　　　　　　　　(b) 含K,Na復合類　　　　　(c) Ca-Mg-Al復合類　　　　　　(d) Al2O3類

編號成分(質量分數)/%尺寸/μm11-O:61.43,Si:38.5712021-K:3.98,Na:2.23,O:63.84,Si:21.50,Al:3.71,Ca:2.26,Ti:2.4830031-O:51.58,Mg:7.60,Al:18.16,Si:3.70,Ca:4.86,Zr:14.103502-O:36.89,Mg:0.66,Al:14.31,Si:9.33,Ca:4.55,Cr:34.2541-O:48.58,Al:49.97350

通過SEM分析兩爐次大型夾雜物形貌，發現鑄坯中大型夾雜物主要類型有SiO2型，Al2O3型，含Na、K復雜成分型。其來源可能為引流沙，水口聚集物脫落，含Na、K保護渣，內生或者耐火材料脫落。

3夾雜物生產熱力學分析與討論

該鋼廠生產的ML35CrMo冷鐓鋼主要成分見表5。冷鐓鋼為鋁脫氧鋼種，Al-O反應為主要的脫氧反應，同時生產高等級冷鐓鋼的難點在于夾雜物變性過程，因為主要脫氧產物Al2O3為脆性夾雜物，在冷鐓過程，很容易因應力集中造成冷鐓開裂，而影響產品質量。冷鐓鋼夾雜物的變性主要方法為Ca處理，通過生成塑性的低熔點鈣鋁酸鹽類夾雜物，來減少脆性氧化鋁，從而提高質量。

表5　ML35CrMo化學成分

精煉過程發生的Al-O反應及其，見(1)式，(2)為反應平衡常數，

2[Al]+3[O]=(Al2O3),△G10=-1225000

+393.8TJ·mol-1[7]

(1)

計算T=1873 K，平衡時鋁氧平衡曲線，如圖5所示。

圖5鋁氧平衡曲線(1873 K)

從圖5可以看出，當酸溶鋁含量在0.02%～0.05%時，鋼中的溶解氧含量為(4～6)×10-6左右。

鈣處理是冷鐓鋼生產的重要工藝，將鈣線喂到鋼包深處，鈣釋放氣化(鈣沸點1482 ℃),Pca=0.19 MPa)形成氣泡柱往上浮，在該過程中發生以下反應[8]：

nCavap+n[O]+(Al2O3)=(nCao·Al2O3)

(2)

(3)

CaO和Al2O3系夾雜物有5個中間相，Ca處理的目的就是為了得到其中低熔點鈣鋁酸鹽，即3CaO·Al2O3、12CaO·7Al2O3和CaO·Al2O3。

4結論

從鋼中氧氮含量、鋼中顯微夾雜物和大型夾雜物三個方面分析了10.9級高強度汽車用緊固件ML35CrMo冷鐓鋼鑄坯的潔凈度水平，同時從熱力學角度分析夾雜物的成因，得出以下結論。

(1)國內外先進水平的ML35CrMo10.9級高強度緊固件用冷鐓鋼的T[O]含量應在0.0013%以下，N含量應在0.0047%以下。

(2)從顯微夾雜物分析結果可以得出ML35CrMo冷鐓鋼中主要夾雜物類型為Al2O3-CaO-CaS復合夾雜物，同時還有少量純Al2O3和Al2O3-MgO-CaO-CaS復合夾雜物；ML35CrMo冷鐓鋼夾雜物主要類型有純氧化鋁夾雜和復合夾雜，形貌為帶棱角和近似于球形，復合夾雜物成分特征為：以Al2O3-CaO或MgO-Al2O3為核外部包裹CaS，但包裹可能不完全，尺寸都在10 μm左右，也有大量小尺寸夾雜物。反應出冷鐓鋼鈣處理工藝的重要性，應盡可能的減少純Al2O3。

(3)大型夾雜物分析結果表示，發現鑄坯中大型夾雜物主要類型有SiO2型，Al2O3型，含Na、K復雜成分型，CaO-MgO型。其來源可能為引流沙，水口聚集物脫落，含Na、K保護渣，內生或者耐火材料脫落。應該加強連鑄過程的保護澆鑄防止二次氧化，減少結晶器液面波動防止卷渣，以減少大型夾雜物進入鋼液。

(4)通過計算Al-O平衡反應，得出當酸溶鋁含量在0.02%～0.05%時，

ML35CrMo高強冷鐓鋼中的溶解氧含量為(4～6)×10-6左右，采用鋁脫氧結合優化的鈣處理工藝有利于提高該鋼種的潔凈度水平。

5參考文獻

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基金項目：中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(FRF-UM-15-002)