加压感应冶炼低铝高氮马氏体不锈钢的方法及注意事项

　　一种加压感应冶炼低铝高氮马氏体不锈钢的方法

　　【技术领域】

　　[0001] 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】

　　[0002] 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S-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UlOSWJ^C-lS^Cr-l^Mo-Oj^N)，可应用于航天飞机燃料栗轴承、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-l. 1 %M〇-0.2% N)，主要满足高端耐蚀镜面塑料模具的市场需求。

　　[0003]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。

　　[0004]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】

　　[0005]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%，Μη:0~5%，Cr:12~24%，Si: < 1%，M〇:0~3%，Ν:0·1~0.6%，Ni:0~ 2%，￥:0~1%41<0.02%，5<0.002%，卩6:余量的目标钢种。

　　[0006]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 氮含量在〇. 1~0.6%、错含量< 0.02%、成分均勾、组织致密的低错高氮马氏体不锈钢。

　　[0007]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。

　　[0008] (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计算饶铸压力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、 稀土铺或镧等;钢锭中，在目标碳含量基础上再多加3~10%的碳，在目标娃含量基础上再 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。

　　[0009]钢种目标成分按质量百分数计分别为：C:0.1~0.6%，Μη:0~5%，Cr:12~24%， Si: < 1%，M〇:0~3%，Ν:0·1~0.6%，Ni:0~2%，V:0~1%，A1 <0.02%，S<0.002%，Fe: 余量。

　　[0010]冶炼压力p的计算公式①：

　　[0012] 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。

　　[0013]饶铸压力P'的计算公式②：

　　[0015] 式中:p'为饶铸压力，单位为MPa。

　　[0016] (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。

　　[0017] ⑶炉料恪化：启动真空栗，将加压感应炉内压力抽至10Pa以下，关闭真空栗;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。

　　[0018] (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，启动真空栗，开始进行碳脱氧反应， 直至真空度到lOPa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 栗、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 入工业娃，进一步脱氧。

　　[0019] (5)合金化：向加压感应炉内充入纯度2 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 °C温度下保温5~lOmin，使合金元素在钢液中均匀分布。

　　[0020](6)加压浇铸：向加压感应炉内充入纯度2 99.999%的高纯氮气至炉内压力为P'， 然后在1540~1580°C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。

　　[0021] 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。

　　[0022] 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。

　　[0023] 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20X10-6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。

　　[0024] 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< 〇. 002%，可改善钢种的热加工性能，能够防止在锻造、乳制 等热加工过程中开裂。

　　[0025] 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 致钢液剧烈喷派，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，再启动真空栗，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。

　　[0026] 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、氮含量在〇. 1~〇. 6 %、错含量 <0.02%、硫含量<0.002%的低铝高氮马氏体不锈钢。

　　【具体实施方式】

　　[0027] 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。

　　[0028]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.IPa，最 高压力为6MPa，电源功率为50kW，装炉量为20 · 0~21 · 5kg。

　　[0029]本发明所举实施例中所用冶炼原料的主要成分见表1。

　　[0030] 表1冶炼原料主要成分/wt. %

　　[0031]

　　[0032] 实施例一

　　[0033] 采用加压感应熔炼21.0kg目标钢种30Crl5MoN0.4，其成分范围如表2所示。

　　[0034] 表2钢种30Crl5MoN0.4成分范围及目标成分/wt. %

　　[0035]

　　[0036] (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°C， 依据公式①、公式②计算得到：冶炼压力P为〇 · 37MPa，浇铸压力p'为1 ·OMPa。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。

　　[0037] (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。 [0038] (3)炉料熔化：启动真空栗，将感应炉内压力抽至5.2Pa，关闭真空栗;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。

　　[0039] (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2 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，启动真空栗，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。

　　[0040] (5)合金化：向感应炉内充入纯度2 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°C温度下保温8min，使合金在钢液中均匀分 布。

　　[0041 ] (6)加压浇铸：向加压感应炉内充入纯度2 99.999%的高纯氮气至炉内压力为 1.OMPa，然后在1550°C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。

　　[0042]冶炼所得高氮马氏体不锈钢30Crl5MoN0.4铸锭无氮气孔，组织致密，成分如表3所 不。

　　[0043] 表3冶炼所得30Crl5MoN0 · 4成分/wt· %

　　[0044]

　　[0045] 实施例二

　　[0046] 采用加压感应熔炼20.Okg目标钢种50Crl8MoVN0.36，其成分范围如表4所示。

　　[0047] 表4钢种50Crl8MoVN0.36成分范围及目标成分/wt. %

　　[0048]

　　[0049] (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°C， 依据公式①、公式②计算得到：冶炼压力P为〇 · 22MPa，浇铸压力p'为1 ·OMPa。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ll〇g。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。

　　[0050](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。

　　[0051 ] (3)炉料熔化:启动真空栗，将感应炉内压力抽至6.5Pa，关闭真空栗;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。

　　[0052] (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2 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，启动真空栗，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。

　　[0053] (5)合金化：向感应炉内充入纯度2 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°C温度下保温10min，使合金在钢液中 均匀分布。

　　[0054] (6)加压浇铸：向加压感应炉内充入纯度2 99.999%的高纯氮气至炉内压力为 1.OMPa，然后在1553°C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。

　　[0055] 冶炼所得高氮马氏体不锈钢50Cr18M〇VNO. 36铸锭无氮气孔，组织致密，成分如表5 所示。

　　[0056] 表5冶炼所得50Crl8MoVN0 ·36成分/wt· %

　　[0057]

　　[0058] 实施例三

　　[0059]采用加压感应熔炼20.5kg目标钢种12Crl6MoNiVN0.5，其成分范围如表6所示。[0060]表6钢种12Crl6MoNiVN0.5成分范围及目标成分/wt.%

　　[0062] (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°C， 依据公式①、公式②计算得到：冶炼压力P为〇 · 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。

　　[0063] (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。

　　[0064] (3)炉料熔化：启动真空栗，将感应炉内压力抽至6·3Pa，关闭真空栗;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。

　　[0065] (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2 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，启动真空栗，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。

　　[0066] (5)合金化：向感应炉内充入纯度2 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°C温度下保温12min，使合金在钢液中 均匀分布。

　　[0067] (6)加压浇铸：向加压感应炉内充入纯度2 99 · 999 %的高纯氮气至炉内压力为 1.2MPa，然后在1548°C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。

　　[0068] 冶炼所得高氮马氏体不锈钢12Crl6MoNiVN0.5铸锭无氮气孔，组织致密，成分如表 7所示。

　　[0069] 表7冶炼所得 12Crl6MoNiVN0 · 5成分/wt· %

　　[0070]

　　[0071] 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。

　　【主权项】

　　1. 一种利用加压感应冶炼低铝高氮马氏体不锈钢的方法，其特征在于，所述方法包括 以下步骤： (1) 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;加入所要冶炼钢 锭质量0.04~0.2%含镁为20%的镍镁合金，收得率为10~30%，进行深脱氧;加入所要冶 炼钢锭质量〇. 004~0.03%稀土铈或镧，收得率为20~40%，用于深脱硫； 冶炼压力P的计算公式①：式中：P为冶炼压力，单位为MPa; ρΘ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) 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) 启动真空栗，将加压感应炉内压力抽至10Pa以下，关闭真空栗;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) 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，启动真空栗，开始进行碳脱氧反应，直至真空度到 l〇Pa以下且液面平稳，不再有气泡产生;期间若反应过于剧烈，关闭真空栗、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) 向加压感应炉内充入纯度2 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°C温度下保温5 ~lOmin，使合金元素在钢液中均匀分布； (6) 向加压感应炉内充入纯度2 99 · 999 %的高纯氮气至炉内压力为p '，然后在1540~ 1580°C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。2. 根据权利要求1所述的利用加压感应冶炼低铝高氮马氏体不锈钢的方法，其特征在

　　【专利摘要】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。

　　【IPC分类】C22C33/06, C22C38/44, C21C7/10, C22C38/22, C22C38/40, C21C7/064, C21C7/06, C22C38/24, C22C38/46

　　【公开号】CN105463298

　　【申请号】CN201510864235

　　【发明人】李花兵, 姜周华, 冯浩, 张彬彬, 张树才, 李鑫旭, 韩宇, 任翠东, 朱红春, 祝君辉

　　【申请人】东北大学

　　【公开日】2016年4月6日

　　【申请日】2015年12月1日