含硼生鐵冶煉硼鋼新工藝及其硼鋼性能研究

， ，素蘭

(東北大學冶金學院，沈陽110819)

含硼生鐵是利用高爐火法分離硼鐵礦提取硼時產生的另一種重要產品[1]，其含硼量(質量分數)約為 0.1%～0.5%，根據其含硼的特點，開展了以其為原料直接冶煉硼鋼的研究[2].

眾所周知，微量硼能提高鋼的淬透性，因此，硼鋼一直為人們所開發研究和利用[3-6].傳統制備硼鋼的方法主要是以普通生鐵和廢鋼為原料，在鋼水冶煉末期，經嚴格的脫氧去氮后，加入硼鐵合金化為基本特征；而采用含硼生鐵為原料直接冶煉硼鋼還是一個新的嘗試.參照硼鋼標準，對新工藝制備的硼鋼試樣進行了拉伸、沖擊韌性等性能測試，結果表明，用這種方法冶煉的硼鋼，其材料的力學性能接近或超過國標GB/T3077-1999中相近成分的硼鋼性能，研究結果為進一步綜合開發利用硼鐵礦資源提供了新思路.

1 實驗材料和方法

實驗采用的含硼生鐵為硼鐵礦在100 m3級高爐冶煉分離的產品，化學成分(質量分數%)為：B 0.1～0.5，Si 2.0～2.5，C 3.3～3.8，S 0.06～ 0.1，Mn ～0.12，P ～0.065，其中w(Si)，w(S)均很高，約為一般鐵水的3倍，因此，先采取對含硼鐵水進行預脫硫、脫硅處理以得到含硼半鋼，然后再進一步冶煉為硼鋼[7].

含硼鐵水預脫硫、脫硅處理及硼鋼冶煉實驗均采用50 kW中頻感應爐，熔化鐵水采用黏土石墨坩堝，內壁為鎂砂搗打內襯，容量為20 kg；脫硫采用噴吹脫硫劑法，脫硅分別采用固體氧化劑和吹氧脫硅方法[8]，吹氧時采用內徑為Φ2 mm雙孔剛玉管.

硼鋼性能測試及分析：采用標準CMT5105型電子式材料萬能試驗機測試硼鋼試樣的拉伸性能；沖擊韌性則采用美國Instron儀器化沖擊試驗機(9250HV drop tower instrument)和標準擺錘式沖擊試驗機；應用掃描電子顯微鏡(SEM)、光學顯微鏡、XRD等手段，對測試結果進行表征分析.

2 實驗結果及討論

2.1 冶煉制備硼鋼新工藝

2.1.1 含硼鐵水脫硫和脫硅預處理

表1為噴吹法脫硫實驗結果，載氣為工業氮氣，鐵水溫度范圍為1 350～1 400 ℃.可見，由于硼是對脫硫有益的成分，所以，即使采用普通活性氧化鈣脫硫劑也可使硫含量降至小于0.01%，脫硫后硫含量均能滿足硼鋼標準要求.

表1 含硼鐵水預脫硫實驗結果Table 1 Results of pre-desulfurization for the boron containing pig iron

脫硫后再脫硅實驗結果如表2所示，可見，脫硅時硼也同步氧化，二者氧化率幾乎相同[2,9]；脫硅處理后得到的含硼半鋼成分(質量分數/%)大約為：C 3.2～3.4、Si 0.2～0.5、B 0.02～0.06、Mn 0.07～0.09、P 0.06～0.065、S < 0.01，是直接冶煉硼鋼的原料.

表2 含硼鐵水脫硫后再脫硅處理實驗結果(質量分數)Table 2 Results of desilication treatment for the boron containing pig iron after desulfurization (mass fraction) %

2.1.2 含硼半鋼冶煉硼鋼

模擬轉爐冶煉硼鋼工藝，將上述脫硫、脫硅預處理后的含硼半鋼倒入坩堝中，加入造渣劑吹煉.造渣劑為預先混配的由活性石灰、Fe2O3粉和CaF2等組成的混合物，其中，石灰與Fe2O3質量比為4:1～3:1，加入CaF2時，其用量為3%～5%，石灰加入量按終渣堿度(CaO%/SiO2%)R=3計量加入[7].

圖1為冶煉過程中鋼水成分的變化，可見，在吹煉前期主要是硅、硼、錳迅速氧化；隨著硅、硼的降低碳也大量氧化，磷也在吹氧的同時隨硅、硼氧化，而硫幾乎沒有變化；吹煉結束時鋼水溫度約為1 580 ℃，硼含量(質量分數)約為0.002%，基本在硼鋼要求的0.0005%～0.0035%標準范圍內；磷降低到0.019%，滿足硼鋼標準要求.

由冶煉實驗結果可知，在堿性渣的條件下硼很容易氧化，鋼水中殘留量很低，爐渣的XRD分析結果表明硼在渣中的狀態是B2O3.由氧勢圖[10]可知，B2O3的氧勢線位于V2O3與和SiO2之間，接近SiO2的氧勢線，表明硼與氧有較強的親和力，在吹煉過程中很容易氧化為B2O3.

圖1 吹煉實驗過程中含硼鋼水成分的變化Fig.1 Variation of composition in molten steel containing B during smelting

2.2 硼鋼試樣材料的力學性能

對冶煉得到的含硼鋼水加鋁及硅鐵合金脫氧，然后按照GB/T3077-1999中的錳硼合金鋼成分加錳鐵、硅鐵合金化.表3為選擇測試的兩種不同硼含量的硼鋼試樣的化學組成，其中6-27A的硼含量超出硼鋼標準范圍.

表3 硼鋼試樣的化學組成(質量分數)Table 3 Composition of boron steel specimens (mass fraction) %

注：A代表熱處理制度：900 ℃，30 min正火→880 ℃，30 min油淬→200 ℃,120 min回火

2.2.1 拉伸性能

圖2和表4為硼鋼試樣拉伸性能測試結果，平均進行了3～4支次拉伸試驗.和大多數金屬材料一樣，硼鋼試樣的拉伸應力-應變曲線表現出連續塑性變形，沒有明顯的屈服點.由表4可見，當硼含量超出硼鋼的標準范圍時，塑性嚴重變壞，這與一般硼鋼文獻[11]介紹的規律一致.

圖2 硼鋼試樣拉伸應力-應變曲線Fig.2 Tensile stress-strain curve of boron steel specimen

硼鋼試樣抗拉強度σb/MPa屈服強度σ0.2/MPa延伸率δ5/%斷面收縮率Ψk/%7-2A104077014.8263.366-27A11508158.4537.09

2.2.2 沖擊性能

圖3和表5為硼鋼試樣沖擊性能測試結果，由沖擊曲線分析，硼含量超標的試樣，裂紋很快形成，并發生斷裂；而硼含量在正常范圍的試樣裂紋形成時間則相對延長了1.5倍，并且經歷了較長一段的裂紋擴展后才斷裂，反映出對沖擊能有一定的吸收.可見，硼含量超出標準范圍，雖然抗拉強度能滿足要求，但材料的塑、韌性嚴重變差.

表5 硼鋼試樣沖擊功測試結果Table 5 Test results of absorbed-in-fracture energy of boron steel specimens

由硼鋼標準，7-2硼鋼試驗材料的綜合機械力學性能指標優于20Mn2、15MnVB，而與40MnB、45MnB結構合金硼鋼相當.可見，在利用含硼生鐵冶煉的鋼水中加錳鐵合金化后，即可經濟的獲得性能超越20Mn2結構合金鋼的材料；通過后期調整其它合金化成分，也完全能達到40MnB、45MnB以及20MnVB、20MnMoB硼鋼的性能標準，關鍵在于控制硼含量在硼鋼標準范圍.

圖3 9250HV沖擊試驗機硼鋼試樣沖擊測試結果Fig.3 Impact test results of boron steel specimen with 9250HV drop tower

3 分析和討論

如上測試結果，利用含硼生鐵為原料冶煉得到的硼鋼，當硼含量在標準范圍時，其拉伸、沖擊性能均能達到硼鋼標準要求；而當硼含量超出標準范圍則沖擊韌性嚴重變壞，對此進行了深入研究和分析.

圖4 硼鋼試樣拉伸斷口SEM形貌Fig.4 SEM micrographs of tensile fracture of boron steel specimens

圖5 硼鋼試樣沖擊斷口SEM形貌(標尺：左10μm，右5μm)Fig.5 SEM micrographs of impact fracture of boron steel specimens

圖4、圖5分別為硼鋼試樣的拉伸和沖擊斷口形貌.可見，7-2A硼鋼試樣拉伸和沖擊斷口處分布著大量沿深度方向呈階梯狀的韌窩，韌窩較深且大小不規則，說明在拉伸和沖擊變形過程中發生了延性斷裂；而硼含量較高的6-27A硼鋼試樣的斷口，微坑少且淺，大部分為解理斷裂面形貌.表明硼含量超出標準范圍時塑性變差，受到拉伸或沖擊時塑性變形量小，將發生脆性斷裂.造成硼鋼發生脆性斷裂的原因主要是在晶界處析出了硼化物相Fe23(C,B)6[12].

圖6為6-27A硼鋼試樣的XRD圖譜，可見有Fe23(C,B)6峰；圖7 為硼鋼試樣經硝酸酒精溶液浸蝕后的金相照片，可見6-27A中分布較多的白色明亮的條片或小點狀物，此即為硼化物相Fe23(C,B)6[12].鋼中含有微量的硼能提高鋼的沖擊韌性，但超過一定含量(w(B)>0.0035%)時，就會生成硼化物相，隨著硼化物相在晶界的析出量增大，沖擊韌性將會大幅度降低[13].由于6-27A硼鋼試樣的硼含量已超出標準范圍，所以，沖擊韌性變差.

■—Fe； ▲—Fe23(C,B)6 圖6 硼含量(質量分數)為0.0051%的硼鋼試樣(6-27A)XRD圖譜 Fig.6 XRD pattern of boron steel specimen of 0.005% boron content

圖7 光學顯微鏡下硼鋼試樣中的硼化物相特征Fig.7 Characteristic of boride phase in boron steel specimens under optical microscope

4 結 論

(1)以含硼生鐵為原料經脫硫、脫硅預處理后冶煉硼鋼的新工藝，硼含量能達到硼鋼的標準.

(2)當硼含量(質量分數)接近0.0005%～0.0035%標準范圍時，其硼鋼試樣拉伸性能、沖擊韌性均能達到硼鋼的標準.

(3)硼含量高于標準范圍時，沖擊韌性顯著降低；晶界上明顯析出了硼化物，這是硼鋼沖擊韌性降低、變壞的主要原因.