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(xué)冶金學(xué)院，沈陽(yáng)110819)

含硼生鐵是利用高爐火法分離硼鐵礦提取硼時(shí)產(chǎn)生的另一種重要產(chǎn)品[1]，其含硼量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))約為 0.1%～0.5%，根據(jù)其含硼的特點(diǎn)，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(fā)研究和利用[3-6].傳統(tǒng)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(jīng)嚴(yán)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(gè)新的嘗試.參照硼鋼標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)新工藝制備的硼鋼試樣進(jìn)行了拉伸、沖擊韌性等性能測(cè)試，結(jié)果表明，用這種方法冶煉的硼鋼，其材料的力學(xué)性能接近或超過國(guó)標(biāo)GB/T3077-1999中相近成分的硼鋼性能，研究結(jié)果為進(jìn)一步綜合開發(fā)利用硼鐵礦資源提供了新思路.

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)采用的含硼生鐵為硼鐵礦在100 m3級(jí)高爐冶煉分離的產(chǎn)品，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)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(duì)含硼鐵水進(jìn)行預(yù)脫硫、脫硅處理以得到含硼半鋼，然后再進(jìn)一步冶煉為硼鋼[7].

含硼鐵水預(yù)脫硫、脫硅處理及硼鋼冶煉實(shí)驗(yàn)均采用50 kW中頻感應(yīng)爐，熔化鐵水采用黏土石墨坩堝，內(nèi)壁為鎂砂搗打內(nèi)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(shí)采用內(nèi)徑為Φ2 mm雙孔剛玉管.

硼鋼性能測(cè)試及分析：采用標(biāo)準(zhǔn)CMT5105型電子式材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試硼鋼試樣的拉伸性能；沖擊韌性則采用美國(guó)Instron儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)(9250HV drop tower instrument)和標(biāo)準(zhǔn)擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)；應(yīng)用掃描電子顯微鏡(SEM)、光學(xué)顯微鏡、XRD等手段，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行表征分析.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yù)處理

表1為噴吹法脫硫?qū)嶒?yàn)結(jié)果，載氣為工業(yè)氮?dú)?，鐵水溫度范圍為1 350～1 400 ℃.可見，由于硼是對(duì)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(biāo)準(zhǔn)要求.

表1 含硼鐵水預(yù)脫硫?qū)嶒?yàn)結(jié)果Table 1 Results of pre-desulfurization for the boron containing pig iron

脫硫后再脫硅實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，可見，脫硅時(shí)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(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)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(shí)驗(yàn)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))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(zhuǎn)爐冶煉硼鋼工藝，將上述脫硫、脫硅預(yù)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(yù)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(zhì)量比為4:1～3:1，加入CaF2時(shí)，其用量為3%～5%，石灰加入量按終渣堿度(CaO%/SiO2%)R=3計(jì)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(shí)隨硅、硼氧化，而硫幾乎沒有變化；吹煉結(jié)束時(shí)鋼水溫度約為1 580 ℃，硼含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))約為0.002%，基本在硼鋼要求的0.0005%～0.0035%標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；磷降低到0.019%，滿足硼鋼標(biāo)準(zhǔn)要求.

由冶煉實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)果表明硼在渣中的狀態(tài)是B2O3.由氧勢(shì)圖[10]可知，B2O3的氧勢(shì)線位于V2O3與和SiO2之間，接近SiO2的氧勢(shì)線，表明硼與氧有較強(qiáng)的親和力，在吹煉過程中很容易氧化為B2O3.

圖1 吹煉實(shí)驗(yàn)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(xué)性能

對(duì)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(cè)試的兩種不同硼含量的硼鋼試樣的化學(xué)組成，其中6-27A的硼含量超出硼鋼標(biāo)準(zhǔn)范圍.

表3 硼鋼試樣的化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))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(cè)試結(jié)果，平均進(jìn)行了3～4支次拉伸試驗(yàn).和大多數(shù)金屬材料一樣，硼鋼試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出連續(xù)塑性變形，沒有明顯的屈服點(diǎn).由表4可見，當(dāng)硼含量超出硼鋼的標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)，塑性嚴(yán)重變壞，這與一般硼鋼文獻(xiàn)[11]介紹的規(guī)律一致.

圖2 硼鋼試樣拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Tensile stress-strain curve of boron steel specimen

硼鋼試樣抗拉強(qiáng)度σb/MPa屈服強(qiáng)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(cè)試結(jié)果，由沖擊曲線分析，硼含量超標(biāo)的試樣，裂紋很快形成，并發(fā)生斷裂；而硼含量在正常范圍的試樣裂紋形成時(shí)間則相對(duì)延長(zhǎng)了1.5倍，并且經(jīng)歷了較長(zhǎng)一段的裂紋擴(kuò)展后才斷裂，反映出對(duì)沖擊能有一定的吸收.可見，硼含量超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，雖然抗拉強(qiáng)度能滿足要求，但材料的塑、韌性嚴(yán)重變差.

表5 硼鋼試樣沖擊功測(cè)試結(jié)果Table 5 Test results of absorbed-in-fracture energy of boron steel specimens

由硼鋼標(biāo)準(zhǔn)，7-2硼鋼試驗(yàn)材料的綜合機(jī)械力學(xué)性能指標(biāo)優(yōu)于20Mn2、15MnVB，而與40MnB、45MnB結(jié)構(gòu)合金硼鋼相當(dāng).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(jīng)濟(jì)的獲得性能超越20Mn2結(jié)構(gòu)合金鋼的材料；通過后期調(diào)整其它合金化成分，也完全能達(dá)到40MnB、45MnB以及20MnVB、20MnMoB硼鋼的性能標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)鍵在于控制硼含量在硼鋼標(biāo)準(zhǔn)范圍.

圖3 9250HV沖擊試驗(yàn)機(jī)硼鋼試樣沖擊測(cè)試結(jié)果Fig.3 Impact test results of boron steel specimen with 9250HV drop tower

3 分析和討論

如上測(cè)試結(jié)果，利用含硼生鐵為原料冶煉得到的硼鋼，當(dāng)硼含量在標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)，其拉伸、沖擊性能均能達(dá)到硼鋼標(biāo)準(zhǔn)要求；而當(dāng)硼含量超出標(biāo)準(zhǔn)范圍則沖擊韌性嚴(yán)重變壞，對(duì)此進(jìn)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(biāo)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(guī)則，說明在拉伸和沖擊變形過程中發(fā)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(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)塑性變差，受到拉伸或沖擊時(shí)塑性變形量小，將發(fā)生脆性斷裂.造成硼鋼發(fā)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(jīng)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(diǎn)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(shí)，就會(huì)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(huì)大幅度降低[13].由于6-27A硼鋼試樣的硼含量已超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，所以，沖擊韌性變差.

■—Fe； ▲—Fe23(C,B)6 圖6 硼含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))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(xué)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(jié) 論

(1)以含硼生鐵為原料經(jīng)脫硫、脫硅預(yù)處理后冶煉硼鋼的新工藝，硼含量能達(dá)到硼鋼的標(biāo)準(zhǔn).

(2)當(dāng)硼含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))接近0.0005%～0.0035%標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)，其硼鋼試樣拉伸性能、沖擊韌性均能達(dá)到硼鋼的標(biāo)準(zhǔn).

(3)硼含量高于標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)，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.