马氏体时效钢的生产方法和夹杂物的微细化方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及马氏体时效钢的生产方法和马氏体时效钢中的夹杂物的微细化方法。
【背景技术】
[0002] 马氏体时效钢具有约2,OOOMPa的非常高的拉伸强度，因此用于包括需要高强度 的部件如金属模具（metalcrucibles)和火箭用部件、离心分离机部件、航空机部件和汽车 发动机的无级变速机用部件等各种目的。
[0003] 马氏体时效钢通常包含适量的Mo和Ti作为强化元素，并且通过由时效处理 (agingtreatment)引起诸如Ni3Mo、Ni3Ti和Fe2Mo等金属间化合物析出可实现高强度。 如上所述包含Mo和Ti的马氏体时效钢的代表组成包括按质量百分数计的18%Ni-8% Co-5%Mo-0. 45%Ti-0. 1%Al-bal.Fe〇
[0004] 然而，虽然马氏体时效钢具有非常高的拉伸强度，但是其疲劳强度不一定高。包含 氮化物和碳氮化物如TiN和TiCN的非金属夹杂物（non-metallieinclusions)(下文中， 非金属夹杂物可简称为〃夹杂物〃）已被认为是劣化疲劳强度的主因。特别地，TiN经常以 具有尖角部（sharpcornerportions)的长方体形状存在。长方体形状的尖角部可成为裂 纹（cracks)传播至金属基体（基质）的起点。随着裂纹传播，金属材料可能断裂。如果夹 杂物具有小尺寸，则它们可几乎不会成为金属材料疲劳破坏的起点。然而，如果此类夹杂物 在金属材料中长大，可能会以此类夹杂物为起点发生疲劳破坏。
[0005] 为了减少上述夹杂物的量，已使用真空电弧重熔（下文中可称作〃VAR")。通过采 用VAR生产的马氏体时效钢具有钢的组分均匀偏析（distributed)而且夹杂物的量变得较 小的优点。
[0006] 然而，即使在通过使用真空电弧重熔设备生产的马氏体时效钢中，包含氮化物和 碳氮化物如TiN和TiCN的相对大的夹杂物残留为残渣，并且残留的大的夹杂物将照原样残 留在经历了在VAR后进行的热锻（hotforging)、热处理、热乳和冷乳的材料中。此类残留 的大的夹杂物为可由于充当起点的夹杂物而发生疲劳破坏的原因。
[0007] 关注由夹杂物引起的上述问题，已提出夹杂物微细化的提案。例如，JP 2001-214212A(专利文献1)提出含Ti钢的生产方法，其中在真空感应炉中将不包括TiN 系夹杂物的含Ti钢的原料（stock)熔融并铸造为电极，通过使用含Ti钢电极进行VAR，从 而使TiN系夹杂物微细化。
[0008] 另外，已提出Ti系夹杂物如TiN和TiCN的精制或微细化方法。例如，JP4692282 B1 (专利文献2)讨论了钢锭的生产方法，所述方法包括在一次真空熔融期间将Mg添加至 熔融金属中调整混合在钢水中的氧化物的组成而使MgO为主组分的Mg氧化物形成工序；在 Mg氧化物形成工序后通过凝固钢水使Mg氧化物残留的自耗电极（consumableelectrode) 获得工序；和在与Mg氧化物形成工序的压力相比大气压力减少下重熔自耗电极、以使熔融 金属中的Mg氧化物解离为Mg和氧并使Mg含量低至Mg氧化物形成工序中的Mg含量的50 % 以下的解离工序。
[0009] 现有技术文献
[0010] [专利文献]
[0011][专利文献 1]JP2001-214212A
[0012] [专利文献 2]JP4692282B1
【发明内容】
[0013] 发明要解决的问题
[0014] 专利文献1提出的方法的特征在于通过使用不包含Ti系夹杂物如TiN和TiCN的 含Ti钢成分可使Ti系夹杂物微细化。管理成分自身的品质是减少Ti系夹杂物的量的手 段之一，然而，用这种方法，可能的问题是高成本，这是因为高品质的成分必然是昂贵的。Ti 系夹杂物根据熔融条件等产生。因此，根据熔融条件等在生产过程中Ti系夹杂物有可能长 大。因此，管理成分可能解决不了问题。
[0015] 相反，专利文献2中讨论的夹杂物的微细化方法利用Mg，并且该方法是非常有效 的，这是因为Ti系夹杂物可变得显著微细化。如果已由专利文献2中讨论的方法微细化的 Ti系夹杂物可进一步微细化，或者如果经历重熔后取决于钢锭内位置的不同而尺寸各异的 Ti系夹杂物可更加均一化，则马氏体时效钢制品的品质和特性可进一步稳定化。
[0016] 本发明的目的在于提供马氏体时效钢的生产方法和能够使Ti系夹杂物进一步微 细化并使Ti系夹杂物的根据钢锭内位置而变化的尺寸更加均一化的夹杂物的微细化方 法。
[0017]用于解决问题的方案
[0018] 本发明的发明人已研究了使马氏体时效钢中的Ti系夹杂物进一步微细化的方 法。结果，本发明人发现，通过基于真空电弧重熔的方法，可进一步微细化Ti系夹杂物，并 且可使Ti系夹杂物的随钢锭内不同位置而不同的尺寸更加均一化，同时通过将由包含镁 氧化物的马氏体时效钢制成的自耗电极熔融而产生钢锭，将热导率高的气体导入钢锭与坩 埚之间以冷却钢锭，从而改进钢锭的冷却效率，因此完成本发明。
[0019] 具体地，根据本发明的一个方面，通过使用真空电弧重熔和真空电弧重熔设备生 产马氏体时效钢的方法，至少包括在设备的坩埚中将由包含镁氧化物的马氏体时效钢制成 的自耗电极熔融来生产钢锭的钢锭生产工序，其中钢锭生产工序包括用导入钢锭与坩埚之 间的稀有气体冷却钢锭的冷却工序。
[0020] 根据本发明的另一方面，使用真空电弧重熔和真空电弧重熔设备使马氏体时效钢 中的夹杂物微细化的方法，至少包括在设备的坩埚中将由包含镁氧化物的马氏体时效钢制 成的自耗电极熔融来生产钢锭的钢锭生产工序，其中钢锭生产工序包括用导入钢锭与坩埚 之间的稀有气体冷却钢锭的冷却工序。
[0021] 发明的效果
[0022] 根据本发明，残留在马氏体时效钢中的Ti系夹杂物可微细化并且可使夹杂物的 尺寸均一。结果，可抑制由于Ti系夹杂物作为起点而引起的疲劳破坏。
【附图说明】
[0023]图1为说明根据本发明的导入稀有气体的真空电弧重熔设备的结构实例的示意 图。
【具体实施方式】
[0024]以下将描述本发明的实施方案。然而本发明不在任何方面受限于下述实施方案。
[0025]本发明马氏体时效钢的生产方法的最重要特征在于在重熔工序中将稀有气体导 入将经历VAR的坩埚与钢锭之间。
[0026] 在包含Ti的马氏体时效钢中，钢中形成的Ti系夹杂物具有高熔点，因此在自耗电 极的重熔期间部分夹杂物残存为残渣并且在钢水池（moltensteelpool)中以固体存在。 当钢水池凝固时部分夹杂物生长并产生钢锭。如果可增加钢锭的冷却速度，随着钢锭内部 快速凝固，可缩短Ti系夹杂物的生长时间，从而能够使Ti系夹杂物精制或微细化。然而，在 VAR期间，即使自耗电极的熔融速度变化，在相同直径的钢锭的凝固期间仍难以使冷却速度 大幅变化。这是因为在VAR期间，当钢锭凝固收缩时在钢锭与水冷铜i甘埚（water-cooled coppercrucible)之间生成气体，并且由于间隙使传导热传递变得中断。另一个原因为根 据常规技术，因为上述间隙处在减压气氛下而几乎不发生对流热传递，因此主要仅通过辐 射热传递释放热，从而不会适当推进钢锭的冷却。根据常规技术，因为热从钢锭的释放速度 受限于钢锭与坩埚之间的热传递，所以VAR期间钢锭的冷却速度很大程度上取决于钢锭的 直径。
[0027]因此，根据本发明的生产方法包括冷却工序，其中当生产钢锭时，通过使用气体导 入喷嘴如稀有气体导入管将稀有气体导入钢锭与坩埚之间的间隙来冷却钢锭，以通过钢锭 与坩埚之间的对流热传递从钢锭释放热，从而增加凝固中的钢锭的冷却速度。结果，控制 VAR期间Ti系夹杂物的生长，因此使Ti系夹杂物微细化。此外，由于可通过从VAR熔融 初期开始导入稀有气体来增加整个钢锭的冷却速度，所以可防止沿钢锭的纵向和径向的Ti 系夹杂物的粗大化，并且能够使得可根据钢锭中不同位置而不同的Ti系夹杂物的尺寸更 均一。
[0028]根据本发明，如上所述，将稀有气体导入钢锭与坩埚之间的间隙。由于稀有气体不 与钢水或钢锭化学反应，不会新生成夹杂物。此外，使用稀有气体可防止可能由于化学反应 而发生的爆炸风险。考虑到钢锭的冷却速度，优选的是使用在各种稀有气体中具有高热导 率的稀有气体，并且最优选He，这是因为其具有它们中最高的热导率。此外，应当使用以与 钢水和钢锭的化学反应的程度（chance)可忽略的量包含杂质气体的氦气。为了确保此类 He气的冷却效果，He的纯度优选为99. 9体积％以上。
[0029]图1为说明根据本发明的导入稀有气体的真空电弧重熔设备的结构实例的示意 图。使用该图，描述包括经由稀有气体导入管将稀有气体导入至真空电弧重熔设备中的坩 埚的冷却工序。参考图1，当启动真空电弧重熔设备10的操作时，将重熔用自耗电极1熔融 并滴下以形成钢水池2,并形成钢锭3。水冷铜坩埚4冷却钢锭3。将稀有气体A经由气体 导入喷嘴5从稀有气体罐（未示出）导入至钢锭3与水冷铜坩埚4之间以