含鎂合金的制備及在煉鋼中的應用

王 承，龔 偉，姜周華

(東北大學 材料與冶金學院，沈陽110819)

近年來，隨著鎂處理鋼液的研究越來越深入，鎂在冶金領(lǐng)域應用越來越廣泛，利用鎂生產(chǎn)超純凈鋼以及微合金化改善鋼的顯微組織和機械性能越來越受到重視．不少冶金工作者對鎂在鋼中的應用做了大量研究［1～11］，Saxena［12］做了Mg 作為煉鋼精煉劑的研究，Mg 處理后簇狀Al2O3夾雜變成小的、隨機彌散的尖晶石型(MgO·Al2O3)夾雜;鎂和氧、硫親和力強，更容易發(fā)生脫硫、脫氧反應，減輕MnS 夾雜對鋼性能的影響［13］;鎂合金脫氧使鋼液中氧含量降到極低，夾雜物呈細小顆粒狀并在鋼中均勻分布［14］．

常壓下，鎂的沸點是1 095 ℃，在煉鋼溫度下蒸氣壓很高(約20 MPa)，因此金屬鎂要加入到鋼液中非常困難，其溶解度和利用率都很低［15］．為了解決鎂加入鋼液的問題，人們對加鎂的方法進行了大量的研究［16，17］．但是鎂的利用率仍然很低．

為了深入研究鋼中鎂對鋼性能的影響機理，必須精確地控制鋼中的鎂含量．因此提高鎂在鋼液中的溶解度和利用率是首要問題．目前應用廣泛的Ni－Mg 合金(鎂的質(zhì)量分數(shù)在20%左右)加入鋼液中，反應十分劇烈，鎂的收得率很低，也不穩(wěn)定，無法滿足實驗的要求．

本文采用降低含鎂合金中鎂的質(zhì)量分數(shù)的辦法，使鎂在鋼中反應過程趨于平穩(wěn)，從而解決鎂的反應性和收得率問題．然而，目前國內(nèi)市場上尚沒有可以利用的鎂質(zhì)量分數(shù)小于5%的含鎂合金．鑒于此，擬利用金屬粉末針對超高強度鋼300M，制備Ni－Mg－Fe 系和Ni－Mg－Mo－Fe 系中間合金，并采用電阻爐小坩堝實驗，通過測定加鎂前后鋼液中Mg、O、S 和N 等元素的變化以及終點鋼中夾雜物的形貌和成分變化，來考察含鎂合金體系加入鋼液后，鎂的反應性和收得率情況．

1 實驗材料與過程

1.1 實驗過程

本實驗主要開發(fā)了Ni－Mg－Fe 系和Ni－Mg－Mo－Fe 系兩類含鎂中間合金材料．表1 和表2分別給出了兩種材料的設(shè)計成分．利用機械粉末壓片機將配好的合金粉末壓成片，控制最大壓力為10 MPa，保持壓力時間為10 min．

表1 Ni-Mg-Fe 系含鎂中間合金設(shè)計成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Designed composition of the intermediate alloy of Ni-Mg-Fe system (mass fraction)%

表2 Ni-Mg-Mo-Fe 系含鎂中間合金設(shè)計成分(質(zhì)量分數(shù))Table 2 Designed composition of the intermediate alloy of Ni-Mg-Mo-Fe system (mass fraction)%

本實驗以300 M 鋼為研究鋼種，利用實驗室二硅化鉬爐(如圖1所示)進行熱模擬實驗．兩類合金分別按照設(shè)計0.001%和0.003%的目標鎂質(zhì)量分數(shù)添加到鋼中進行實驗，每個目標成分進行兩組平行試驗，再加一爐空白樣，故共計9 爐實驗，實驗爐次安排如表3所示．

圖1 MoSi2 爐示意圖Fig.1 Schematic diagram of MoSi2 furnace

表3 實驗爐次安排Table 3 Arrangement of the experiments

每爐鋼的設(shè)計質(zhì)量為800 g，利用工業(yè)純鐵和所需合金進行熔煉．熔煉時，除Si、Mn、Al 和含Mg合金外，其他的合金都和工業(yè)純鐵一起隨爐加入，待其熔清后，依次加入Al、Si 和Mn，待其再次完全熔清，整個過程都在Ar 氣氛圍下進行;2 min后，用內(nèi)徑4 mm 的石英管取樣，空冷，記為a#鋼樣(鎂處理前);然后將鎂合金插入坩堝底部，攪拌均勻，3 min 后用內(nèi)徑4 mm 的石英管取樣，標記為b#鋼樣(鎂處理后)．恒溫15 min 后，實驗結(jié)束，關(guān)掉二硅化鉬爐，剩余的鋼液隨爐冷卻．

1.2 分析方法

采用直讀光譜測定鋼中Si、Cr、Mn、V、Mo、Ni、Al 和P 的含量，采用紅外C/S 分析儀測定鋼中C 和S 的含量，采用Leco TC 500 N2/O2分析儀測定鋼中O 和N 的含量，采用iCAP 6300 ICP－OES 分析儀測定鋼中Mg 的含量．表4 為實驗鋼的化學成分．利用SSX－550 型掃描電鏡對夾雜物的形貌和成分進行分析．

表4 實驗鋼終點樣的主要化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 4 Chemical composition of point sample of the experimental steel (mass fraction) %

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 鎂處理后鋼中［Mg］的質(zhì)量分數(shù)

圖2 給出了各爐次鎂處理后鋼中［Mg］的質(zhì)量分數(shù)．圖3 是各爐次鎂元素的收得率對比．

圖2 鎂處理后鋼中鎂的質(zhì)量分數(shù)Fig.2 Mg mass fraction of steels after Mg treatment

圖3 鎂處理后鎂的收得率Fig.3 Yield of Mg after Mg treatment

從圖3 可以看出，無論是Ni－Mg－Fe 系含鎂合金壓塊，還是Ni－Mg－Mo－Fe 系的含鎂合金壓塊，鎂的收得率都遠遠超過了預設(shè)的5 %，并且從圖2 可見，8 爐實驗的終點鋼樣中鎂的質(zhì)量分數(shù)相差不大，說明8 爐實驗中，坩堝熔池中在加入合金壓塊后鎂的溶解量基本處于穩(wěn)定狀態(tài)．因此，加入更多的鎂，只會變成鎂蒸氣從鋼液中逸出，降低鎂的收得率．

2.2 鎂處理后，鋼中［S］的質(zhì)量分數(shù)變化

圖4 是鎂處理后，8 爐實驗鎂的脫硫率的比較．

從圖4 可見，加入合金壓塊后，坩堝熔池內(nèi)S的質(zhì)量分數(shù)降低明顯，鎂處理保持了較穩(wěn)定的脫硫率，8 爐鎂的脫硫率在24 %～46 %之間．進一步證明了鎂有效地加入到熔池的鋼液內(nèi)．

圖4 各爐脫硫率比較Fig.4 Desulfurization ratios of all samples

2.3 鎂處理前后鋼中氣體成分的變化

圖5 給出了各爐實驗鎂處理前后鋼中氣體成分(O 和N)的變化．

從圖5 可以看出，鎂處理后鋼中的全氧質(zhì)量分數(shù)w［T.O］降低明顯，鎂的加入起到顯著的脫氧效果．同時，從［N］的質(zhì)量分數(shù)測試結(jié)果可知，鎂處理前后幾乎沒有變化，這也可以證明實驗過程中氣氛的保護較好，坩堝熔池沒有吸入空氣．實驗過程中鎂的脫氧和脫硫效果，可以從終點樣品中夾雜物的成分分析結(jié)果進一步獲得驗證．

圖5 鎂處理前后鋼中氣體質(zhì)量分數(shù)變化Fig.5 Gaseous mass fraction after Mg treatment

2.4 鎂處理后鋼中夾雜物形貌和成分的變化

鎂處理前典型夾雜物的形貌和成分如圖6所示．

因為鎂處理前，在坩堝熔池內(nèi)采用鋁粒進行了沉淀脫氧操作，所以從圖6 可以看出，夾雜物基本上是鋁脫氧產(chǎn)物Al2O3和MnS 以及它們的復合產(chǎn)物．

圖7 是鎂處理后鋼中典型夾雜物的形貌和成分．

從圖7 可見，經(jīng)過鎂處理后，鋼中的夾雜物成分變化明顯，單相的Al2O3和MnS 夾雜物基本消失，取而代之的是大量的MgS 或者MgO 為核心的夾雜物，有些外面包裹著MnS 形成復合產(chǎn)物;或者是以MgO·Al2O3尖晶石為核心，外面包裹著低熔點MnS 的復合夾雜物．夾雜物內(nèi)Cr、V、Ni 等的合金氧化物非常少，幾乎沒有．說明活潑的鎂將這些金屬元素從其氧化物中還原出來了(也包括一部分的Al)．

鎂處理后鋼中夾雜物的成分變化，有力地證明了課題開發(fā)的含鎂合金體系適用于熔煉超高強度鋼300M 過程的鎂處理實驗過程．

圖6 鎂處理前典型夾雜物的形貌和成分Fig.6 Morphology and composition of the typical inclusions before Mg treatment

圖7 鎂處理后典型夾雜物的形貌和成分Fig.7 Morphology and composition of the typical inclusions after Mg treatment

3 結(jié) 論

(1)應用課題開發(fā)的含鎂合金體系對鋼液進行鎂處理，無論是Ni－Mg－Fe 系含鎂合金壓塊，還是Ni－Mg－Mo－Fe 系的含鎂合金壓塊，鎂的收得率都遠遠超過了預設(shè)的5%，鎂的溶解量基本達到穩(wěn)定狀態(tài)．

(2)加入合金壓塊后，坩堝熔池內(nèi)S 的質(zhì)量分數(shù)降低明顯，鎂處理保持了較穩(wěn)定的脫硫率，8爐鎂的脫硫率在24%～46%之間．

(3)鎂處理后鋼中的全氧質(zhì)量分數(shù)w［T.O］降低明顯，鎂的加入起到顯著的脫氧效果．

(4)經(jīng)過鎂處理后，鋼中的夾雜物成分變化明顯，單相的Al2O3和MnS 夾雜物基本消失，取而代之的是大量的MgS 或者MgO 為核心的夾雜物，有些外面包裹著MnS 形成復合產(chǎn)物;或者是以MgO·Al2O3尖晶石為核心，外面包裹著低熔點MnS 的復合夾雜物．

［1］Yang J，Yamasaki T，Kuwabara M．Behavior of inclusions in deoxidation process of molten steel with in situ produced Mg vapor［J］．ISIJ International，2007，47(5):699－708．

［2］Takata R，Yang J，Kuwabara M．Characteristics of inclusions generated during Al－Mg complex deoxidation of molten steel［J］．ISIJ International，2007，47(10):1379－1386．

［3］Isobe K．Effect of Mg addition on solidification structure of low carbon steel［J］．ISIJ International，2010，50(12):1972－1980．

［4］Yang J，Kuwabara M，Sakai T，et al．Simultaneous desulfurization and deoxidation of molten steel with in situ produced magnesium vapor［J］．ISIJ International，2007，47(3):418－426．

［5］Zhu K，Yang Z G．Effect of magnesium on the austenite grain growth of the heat－affected zone in low－carbon high－strength steels［J］．Metallurgical and Materials Transactions A，2011，42A:2207－2213．

［6］Liu L，Xiao L，F(xiàn)eng J C，et al．The mechanisms of resistance spot welding of magnesium to steel［J］．Metallurgical and Materials Transactions A，2010，41A:2651－2661．

［7］Ge H L，Youdelis W V，Chen G L．Effect of interfacial segregation magnesium high carbon(18% Cr)cast steel［J］．Material Science and Technology，1989(5):1207－1211．

［8］Yu Y G，F(xiàn)u J，Wang A R，et al．Effect of Mg on mechanical properties of 35CrNi3MoV steel［J］．Journal of Materials Science and Technolog，1998，14:104－108．

［9］Fu J，Yu Y G，Wang A R，et al．Inclusion modification with Mg treatment for 35CrNi3MoV steel［J］．Journal of Materials Science and Technolog，1998，14:53－56．

［10］Yang J，Zhu K，Shen J G，et al．Improvement of steel cleanliness by deoxidation with Mg vapor［C］//Proceedings of the 4# International Conference on Continuous Casting of Steel in Developing Countries．675－680．

［11］Kim H S，Chang C，Lee H．Evolution of inclusions and resultant microstructural change with Mg addition in Mn/Si/Ti deoxidized steels［J］．Scripta Materialia，2005，53:1253－1258．

［12］Saxena S K．Refining reaction of magnesium in steel at steelmaking temperature［C］//Proceedings International Symposium on the Physical Chemistry of Iron and Steelmaking．Conference of Metallurgists Toronto，1982:VII 17－22．

［13］王恒，知水．鎂系合金在鋼水精煉中作用的研究［J］．鋼鐵研究學報，1989(S):21－30．

(Wang H，Zhi H．Study on the potential of magnesium－containing alloys in refining treatment of liquid steel［J］．Journal of Iron and Steel Research，1989(S):21－30．)

［14］歐陽德剛，王慶方，劉守堂．KR 脫硫攪拌器的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向［J］．武鋼技術(shù)，2005，43(5):55－58．

(Ouyang D G，Wang Q F，Liu S T．Present conditions and trend of technological development about stirring devices of KR desulphurization［J］．Wuhan Iron and Steel Corporation Technology，2005，43(5):55－58．

［15］Tomita Y．Improved fracture toughness of ultrahigh strength steel through control of non－metallic inclusions［J］．Journal of Materials Science，1993，28(4):853－859．

［16］Tomita Y．Effect of sulphide inclusion shape on plane－strain fracture toughness (KIC)of heat－treated structural low－alloy steels［J］．Journal of Materials Science，1990，25(2A):950－956．

［17］馬鵬程，劉濤，袁磊，等．Y2O3對燒結(jié)鎂砂致密性的影響［J］．材料與冶金學報，2013，12(3):173－176，202．

(Ma Pengcheng，Liu Tao，Yuan Lei，et al．Effect of yttria on densification of sintered magnesia［J］．Journal of Materials and Metallurgy，2013，12(3):173－176，202．)