10.9级紧固件用钢ML35CrMo洁净度研究1

魏崇一　吴华杰,2　岳峰,2　张漓

(1.北京科技大学冶金工程研究院;　2.钢铁共性技术协同创新中心)

10.9级紧固件用钢ML35CrMo洁净度研究1

魏崇一1吴华杰1,2岳峰1,2张漓1

(1.北京科技大学冶金工程研究院;2.钢铁共性技术协同创新中心)

联系人：吴华杰，博士，副研究员，北京市(100083)，北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心；收稿日期：2015—9—13

摘要分析了国内某钢厂铁水预处理→转炉→氩站→LF精炼→钙处理→连铸工艺下生产的10.9级高强度汽车用紧固件冷镦钢的洁净度水平。试验结果显示，铸坯的T[O]含量在0.0013%左右，N含量在0.0047%左右；铸坯中主要夹杂物类型为Al2O3-CaO-CaS复合夹杂物，同时还有少量纯Al2O3和Al2O3-MgO-CaO-CaS复合夹杂物；铸坯中大型夹杂物主要类型有SiO2型，Al2O3型，含Na、K复杂成分型。

关键词ML35CrMo显微夹杂物洁净度Ca处理

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

冷镦钢是一种在室温条件下，利用冷镦工艺生产紧固件的钢种。广泛用于生产螺钉、销钉、螺母等标准件。冷镦用钢必须具有良好的冷顶锻性能，钢中夹杂物含量低，对钢材的洁净度要求严格[1]。10.9级高强度紧固件盘条可用做汽车螺栓、螺杆、螺钉等标准紧固件的生产。脆性Al2O3是造成冷镦开裂的原因之一，可以通过钙处理工艺使夹杂物变性，转变成塑性夹杂从而提高钢的质量[2]。ML35CrMo相当于日本的SCM435，但相对于SCM435国内的ML35CrMo的洁净度控制水平仍有很大的差距。

1研究方法和生产工艺

针对某钢厂铁水预处理→转炉→氩站→LF精炼→钙处理→连铸工艺下生产的10.9级ML35CrMo冷镦钢，对其冷镦钢洁净度水平进行研究，同时分析其夹杂物热力学成因。选取该厂生产的两炉次(分别标为A和B)ML35CrMo冷镦钢分析其洁净度水平，采用氧氮分析法、金相试样法和大样电解法为主要研究方法[3]。

2试验结果和分析

2.1铸坯中氧氮含量分析

该厂A和B炉次生产的ML35CrMo氧氮结果如图1所示。

图1　ML35CrMo氧氮含量

从图1中可以看出,两炉次生产的冷镦钢氧氮含量差异不大，T[O]含量在0.0013%左右，N含量在0.0047%左右。国内先进钢企冷镦钢铸坯氧氮含量[4-6]见表1。

表1　国内外钢企冷镦钢铸坯氧氮含量

从表1可以看出，国内钢企的冷镦钢氧氮水平可以控制在较低的含量，但是数值波动比较大，稳定的氧氮含量是夹杂物控制水平的关键。

2.2钢中显微夹杂物分析

典型夹杂物形貌及元素分布如图2所示，夹杂物成分、类型和尺寸信息见表2。

图2　ML35CrMo冷镦钢中典型夹杂物形貌及元素分布

序号元素(质量分数)/%AlOCaSMg类型尺寸/μm146.7951.46Al2O310219.7625.1433.2423.55Al2O3-CaO-CaS11313.1540.5625.729.81Al2O3-CaO-CaS1048.1924.3353.4812.401.60Al2O3-MgO-CaO-CaS6

从表2可以看出，ML35CrMo冷镦钢中主要夹杂物类型为Al2O3-CaO-CaS复合夹杂物，同时还有少量纯Al2O3和Al2O3-MgO-CaO-CaS复合夹杂物；从图2中可以看出，ML35CrMo冷镦钢夹杂物主要类型有纯氧化铝夹杂和复合夹杂，形貌为带棱角和近似于球形，复合夹杂物成分特征为：以Al2O3-CaO或MgO-Al2O3为核外部包裹CaS，但包裹可能不完全，尺寸都在10 μm左右，也有大量小尺寸夹杂物。

2.3钢中大型夹杂物分析

冷镦钢中大型夹杂物样品信息和电解结果见表3。

表3　ML35CrMo冷镦钢中大型夹杂物电解结果

通过大样电解法分析ML35CrMo钢中大型夹杂物重量，420号试样夹杂物重量为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号试样夹杂物重量为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钢中大型夹杂物总体形貌如图3所示，典型大型夹杂物显微形貌如图4所示，典型大型夹杂物成分见表4。

(a) 300 μm以上大型夹杂物(b) 140 μm～300 μm大型夹杂物(c) 80 μm～140 μm大型夹杂物(d) 小于80 μm大型夹杂物

图3ML35CrMo钢中大型夹杂物总体形貌和尺寸

(a) SiO2类　　　　　　　　(b) 含K,Na复合类　　　　　(c) Ca-Mg-Al复合类　　　　　　(d) Al2O3类

编号成分(质量分数)/%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

通过SEM分析两炉次大型夹杂物形貌，发现铸坯中大型夹杂物主要类型有SiO2型，Al2O3型，含Na、K复杂成分型。其来源可能为引流沙，水口聚集物脱落，含Na、K保护渣，内生或者耐火材料脱落。

3夹杂物生产热力学分析与讨论

该钢厂生产的ML35CrMo冷镦钢主要成分见表5。冷镦钢为铝脱氧钢种，Al-O反应为主要的脱氧反应，同时生产高等级冷镦钢的难点在于夹杂物变性过程，因为主要脱氧产物Al2O3为脆性夹杂物，在冷镦过程，很容易因应力集中造成冷镦开裂，而影响产品质量。冷镦钢夹杂物的变性主要方法为Ca处理，通过生成塑性的低熔点钙铝酸盐类夹杂物，来减少脆性氧化铝，从而提高质量。

表5　ML35CrMo化学成分

精炼过程发生的Al-O反应及其，见(1)式，(2)为反应平衡常数，

2[Al]+3[O]=(Al2O3),△G10=-1225000

+393.8TJ·mol-1[7]

(1)

计算T=1873 K，平衡时铝氧平衡曲线，如图5所示。

图5铝氧平衡曲线(1873 K)

从图5可以看出，当酸溶铝含量在0.02%～0.05%时，钢中的溶解氧含量为(4～6)×10-6左右。

钙处理是冷镦钢生产的重要工艺，将钙线喂到钢包深处，钙释放气化(钙沸点1482 ℃),Pca=0.19 MPa)形成气泡柱往上浮，在该过程中发生以下反应[8]：

nCavap+n[O]+(Al2O3)=(nCao·Al2O3)

(2)

(3)

CaO和Al2O3系夹杂物有5个中间相，Ca处理的目的就是为了得到其中低熔点钙铝酸盐，即3CaO·Al2O3、12CaO·7Al2O3和CaO·Al2O3。

4结论

从钢中氧氮含量、钢中显微夹杂物和大型夹杂物三个方面分析了10.9级高强度汽车用紧固件ML35CrMo冷镦钢铸坯的洁净度水平，同时从热力学角度分析夹杂物的成因，得出以下结论。

(1)国内外先进水平的ML35CrMo10.9级高强度紧固件用冷镦钢的T[O]含量应在0.0013%以下，N含量应在0.0047%以下。

(2)从显微夹杂物分析结果可以得出ML35CrMo冷镦钢中主要夹杂物类型为Al2O3-CaO-CaS复合夹杂物，同时还有少量纯Al2O3和Al2O3-MgO-CaO-CaS复合夹杂物；ML35CrMo冷镦钢夹杂物主要类型有纯氧化铝夹杂和复合夹杂，形貌为带棱角和近似于球形，复合夹杂物成分特征为：以Al2O3-CaO或MgO-Al2O3为核外部包裹CaS，但包裹可能不完全，尺寸都在10 μm左右，也有大量小尺寸夹杂物。反应出冷镦钢钙处理工艺的重要性，应尽可能的减少纯Al2O3。

(3)大型夹杂物分析结果表示，发现铸坯中大型夹杂物主要类型有SiO2型，Al2O3型，含Na、K复杂成分型，CaO-MgO型。其来源可能为引流沙，水口聚集物脱落，含Na、K保护渣，内生或者耐火材料脱落。应该加强连铸过程的保护浇铸防止二次氧化，减少结晶器液面波动防止卷渣，以减少大型夹杂物进入钢液。

(4)通过计算Al-O平衡反应，得出当酸溶铝含量在0.02%～0.05%时，

ML35CrMo高强冷镦钢中的溶解氧含量为(4～6)×10-6左右，采用铝脱氧结合优化的钙处理工艺有利于提高该钢种的洁净度水平。

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基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-UM-15-002)