李道乾，劉玉庭，王 雷，馬中鋼，郭建亭

（1山東瑞泰新材料科技有限公司，山東 淄博 256100；2中國科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016）

生產(chǎn)技術(shù)

含氮奧氏體氣閥鋼的真空冶煉工藝

李道乾1，劉玉庭1，王 雷1，馬中鋼1，郭建亭2

（1山東瑞泰新材料科技有限公司，山東 淄博 256100；2中國科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016）

利用真空感應(yīng)爐熔煉含氮奧氏體氣閥鋼，多次熔煉試驗(yàn)結(jié)果表明，采用兩次加碳脫氧可使鋼液深度脫氧，氧含量可達(dá)（10～15）×10-6；爐料化清后往真空室通入60%N2+40%Ar可有效抑制N和Mn從鋼液中逸出，準(zhǔn)確控制N和Mn的含量；用含氮金屬錳作N的加入劑，在還原期末鋼液合金化完畢后加入，可以獲得滿意的Mn含量。

氣閥鋼；奧氏體氣閥鋼；氮；真空感應(yīng)熔煉

氣閥鋼是用于制作動力機(jī)械汽油機(jī)或柴油機(jī)氣缸進(jìn)氣閥和排氣閥用的耐熱鋼，可分為馬氏體氣閥鋼和奧氏體氣閥鋼兩類，其工作溫度前者為300～500℃，后者為500～900℃。奧氏體氣閥鋼用于制造排氣閥，需要具有良好的高溫疲勞性能和抗高溫耐腐蝕性能，還需要具有優(yōu)異的耐磨性能和工藝性能。奧氏體氣閥鋼中含有較高的氮，最高可達(dá)0.60%，同時(shí)還含有很高的錳，最高可達(dá)11.50%。傳統(tǒng)的通用冶煉工藝采用的是中頻感應(yīng)爐加電渣重熔組成的雙聯(lián)法[1]。氮是氣體元素，傳統(tǒng)冶煉工藝很難準(zhǔn)確控制其含量，而Mn是易揮發(fā)元素，在冶煉過程中損失大，也不易控制其含量。同時(shí)，在大氣中進(jìn)行的中頻感應(yīng)爐和電渣雙聯(lián)冶煉，空氣中的氧使合金中活潑元素發(fā)生氧化，使鋼液中氧含量增加。經(jīng)多次試驗(yàn)研制出一種新的冶煉工藝，可改善上述缺點(diǎn)。

1 奧氏體氣閥鋼的成分特點(diǎn)

表1給出了4種奧氏體氣閥鋼的化學(xué)成分（GB/ T 12773—1991），各種合金元素多達(dá)10余種，其化學(xué)成分比較復(fù)雜。為了使α-Fe基體形成γ奧氏體，需要加入一定數(shù)量的Ni，但是Ni價(jià)格高，用Mn和N代替部分或大部分Ni，同樣可以擴(kuò)大γ奧氏體相區(qū)范圍并穩(wěn)定奧氏體基體，且價(jià)格低廉，經(jīng)濟(jì)合理[2]。

表1 4種奧氏體氣閥鋼的化學(xué)成分%

N在奧氏體氣閥鋼中的含量可達(dá)到常壓下的最高溶解量0.60%，對穩(wěn)定奧氏體起重要作用。N以碳氮化物、氮化物和固溶態(tài)形式存在于奧氏體中，使鋼的強(qiáng)度和耐蝕性提高，使氧化膜中Cr2O3含量增加，提高膜的致密性，而對鋼的塑性和韌性下降影響較少。Cr2N沿晶界析出，可防止晶粒長大。

表1中，Mn在奧氏體氣閥鋼中的含量為8.0%～11.5%，為奧氏體形成元素，但形成能力很弱，僅為Ni的1/2[1]。Mn能改善氣化閥鋼的塑性和韌性，增加氮在奧氏體中的溶解度。鋼中加入Cr是為了生成Cr2O3為主的氧化膜，以提高抗腐蝕性能，此外，還可以形成碳化物或氮化物，提高合金的強(qiáng)度。W、V和Nb等加入鋼中形成碳化物，提高合金的高溫強(qiáng)度并細(xì)化晶粒組織[2]。

2 奧氏體氣閥鋼冶煉工藝的特點(diǎn)

采用真空冶煉工藝熔煉奧氏體氣閥鋼，真空下隔絕了空氣的有害作用，減弱了爐氣中的氧和鋼液中溶解氧的氧化作用。同時(shí)，充分發(fā)揮真空碳氧反應(yīng)優(yōu)勢，對奧氏體氣閥鋼進(jìn)行脫氧，脫氧反應(yīng)產(chǎn)物為CO，從鋼水中不斷上浮排除，顯著降低鋼中的氧化物夾雜，改善鋼的質(zhì)量和性能。幾次冶煉的試驗(yàn)結(jié)果表明，氣閥鋼的O含量可降低到（30～35）×10-6。為進(jìn)一步降低O含量，采用二次碳脫氧工藝[3]，即第1次將加入總量一半的碳，在裝爐時(shí)放入爐底，當(dāng)鋼液溫度達(dá)1 540～1 560℃開始精煉，時(shí)間15～20 min；第2次在還原后期從料斗中加入另一半碳，進(jìn)行二次碳脫氧，與第1次溫度和時(shí)間相同。這樣可使奧氏體氣閥鋼的O含量降低至（10～20）×10-6，脫氧效果非常明顯。

采用的另一重要工藝是爐料化清后，往真空室通入惰性氣體保護(hù)，有利于合金化[3]。保護(hù)氣體不是單一氬氣，也不是單一氮?dú)?，?jīng)多次試驗(yàn)結(jié)果表明，單純通氬氣雖然可以防止Mn的揮發(fā)損失，但氮的回收率下降，而單純通氮?dú)饪梢苑乐沟膿]發(fā)損失，但錳的回收效果不理想。只有通入60%氮?dú)饧?0%氬氣，可有效抑制氮和錳逸出，準(zhǔn)確控制氮和錳含量。

利用含氮金屬錳作為氮的加入劑，它的熔點(diǎn)低，僅1 200℃左右，而含氮鉻鐵熔點(diǎn)高，達(dá)1 600℃，不易熔化，因此不采用這種鐵合金。控制氮和錳的一個(gè)關(guān)鍵因素是掌握鋼液加氮的時(shí)機(jī)和條件。含氮金屬錳應(yīng)在還原期末鋼液合金化完畢后加入，鋼液溫度應(yīng)保持（1 450±10）℃[3]。由于Cr、Mn、Mo、V和Nb加入鋼液增加氮在鋼中的溶解度，而C、Ni、Si等元素能降低氮的溶解度，因此，配料時(shí)前者應(yīng)按上限，而后者應(yīng)取下限。

3 奧氏體氣閥鋼的新工藝冶煉

以X-60奧氏體含氮?dú)忾y鋼的冶煉新工藝為例，采用200 kg真空感應(yīng)爐熔煉。原材料的純度為：石墨碳≥99%，1號金屬鉻≥99.99%，燒結(jié)鉬≥99.99%，電解鎳≥99.99%，工業(yè)純鐵≥99.8%，金屬鈮≥99.9%，含氮金屬錳（N≥10%），釩鐵（FeV80A），錳鐵（FeMn88C0.2）。按比例稱量好各合金重量，將一半的碳加入到坩堝底部，再加入工業(yè)純鐵、金屬鉻、金屬鉬和金屬鎳。在合金加料斗內(nèi)分別放入剩余的一半碳、鈮、釩鐵、錳、含氮金屬錳。開始抽真空，待真空度達(dá)到10 Pa時(shí)，送電進(jìn)行合金熔煉。待合金開化后，關(guān)閉真空爐抽氣閥門，開始對真空室充惰性氣體，即60%N2+40%Ar，進(jìn)行冶煉氣體保護(hù)。待合金全熔，且溫度達(dá)到1 540～1 560℃時(shí)，降低功率（80 kW）精煉15～20 min，還原期后期，從料斗中加入另一半碳進(jìn)行二次高溫精煉，深度脫氧，精煉溫度和時(shí)間與第一次精煉相同。然后降溫到（1 450 ±10）℃，開始加入合金，加入順序是金屬鈮、釩鐵、金屬錳、含氮金屬錳。重要的是每次加入一種合金后都要以最大功率（120 kW）進(jìn)行快速熔化后停電降溫，再加入下一種合金，反復(fù)進(jìn)行，直到全部加完為止。含氮金屬錳一定要在最后加入，待合金全部熔化后，用最大功率攪拌30～60 s，之后將功率降到80 kW進(jìn)行澆注。合金澆注完畢應(yīng)在真空爐內(nèi)保溫10 min后破真空出爐。合金澆注成直徑50或80 mm、長0.8 m棒料。取樣進(jìn)行化學(xué)分析，X-60合金配料成分及化學(xué)分析結(jié)果完全合格，見表2。

表2 X-60合金配料成分及化學(xué)分析結(jié)果%

4 結(jié)論

4.1 采用真空冶煉新工藝熔煉奧氏體氣閥鋼，通過兩次加碳使鋼液深度脫氧，氧含量可降低至（10～15）×10-6，從而可顯著降低鋼中的氧化夾雜，改善鋼的質(zhì)量。

4.2 爐料化清后往真空室通入60%N2+40%Ar，有效抑制N和Mn從鋼液中逸出，準(zhǔn)確控制氮和錳含量。

4.3 利用含氮金屬錳作氮的加入劑，在還原期末鋼液合金化完畢后加入，鋼液溫度應(yīng)保持在（1 450 ±10）℃，可以獲得滿意的Mn含量。

[1]王振東.感應(yīng)爐冶煉工藝技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：249-274.

[2]郭建亭.高溫合金材料學(xué)（上）（應(yīng)用基礎(chǔ)理論）[M].北京：科學(xué)出版社，2008：81-134.

[3]李道乾，劉玉庭，王雷，等.含氮奧氏體氣閥鋼真空冶煉工藝：中國，201510152199.4[P].2015-04-02.

Technology of Smelting Nitrogen Alloyed Austenitic Valve Steel

LI Daoqian1,LIU Yuting1,WANG Lei1,MA Zhonggang1,GUO Jianting2
（1 Shandong Roitie New Material Science and Technology Co.Ltd.,Zibo 256100,China；2 Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China）

A technology of smelting nitrogen alloyed austenitic steel used for valve by vacuum induction furnace was investigated.The results of repeatedly smelting experiment show that twice carbon-adding during melting can result in the deoxidation of molten steel with oxygen content of(10-15)×10-6.Supplying of 60%N2and 40%Ar into vacuum chamber will suppress the escape of nitrogen and manganese from the molten steel efficiently and easy to control the content of nitrogen and manganese precisely.Being added to the molten steel at the end of reducing period after the finish of alloying,the element manganese with N containing will lead to an appropriate content of manganese in the austenitic steel.

valve steel;austenitic valve steel;N;vacuum induction smelt

TF764+.2

B

1004-4620（2015）04-0019-02

2015-06-29

李道乾，男，1968年生，2002年畢業(yè)于中共山東省委黨校經(jīng)理管理專業(yè)?，F(xiàn)為山東瑞泰新材料科技有限公司總經(jīng)理，高級工程師，從事絕緣耐磨合金和高溫合金材料研制及生產(chǎn)。