(19)国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202210729256.0
(22)申请日 2022.06.25
(71)申请人 苏州大学
地址 215137 江苏省苏州市相城区济学路8
号
(72)发明人 侯栋 王德永 吕铭 刘代润
崔斌 孙海关 屈天鹏 王慧华
田俊 胡绍岩 李向龙
(74)专利代理机构 苏州创元专利商标事务所有
限公司 32103
专利代理师 孙周强 陶海锋
(51)Int.Cl.
C22C 30/00(2006.01)
C22C 1/02(2006.01)
C22B 9/18(2006.01)
C22F 1/10(2006.01)C22C 1/03(2006.01)
(54)发明名称一种超低氮含量的含钛钢及其制备方法(57)摘要本发明公开了一种超低氮含量的含钛钢及其制备方法，提供了一种采用真空感应熔炼、真空自耗、真空感应熔炼、电渣重熔、真空自耗制备超低氮含钛钢的方法，此外，在电渣重熔中开发了新的电渣重熔含钛钢用渣的含钛辅料，该辅料与基础预熔渣混合，可以获得低熔点的CaF 2‑CaO ‑MgO ‑Al 2O 3‑TiO 2渣系，不仅能够实现含钛钢铸锭中铝、钛含量的精准控制，还改善了铸锭的表面质量。现有技术通过真空感应、电渣重熔、真空自耗 生产含钛钢时，由于存在3000℃的高熔点TiN夹杂，使得真空自耗过程脱氮困难，最终产品的氮含量很高；同时现有铸锭中铝、钛含量出现波动，严重时铝、钛超标。本发明开发的真空感应无钛钢、真空自耗脱氮、真空感应加高纯钛、电渣重熔、真空自耗的冶炼步骤，获得了超低氮的含
钛钢铸锭。权利要求书2页 说明书10页 附图3页CN 115109980 A 2022.09.27
C N 115109980
A
1.一种超低氮含量的含钛钢铸锭，其特征在于，按质量百分数，其成分为C<0.06%、Cr 17.00~18.00%、Co 26.50~28.00%、Mo 5.50~6.00%、Nb 1.90~
2.30%、Al 0.18~0.23%、Ti
1.80~
油水冷却器
2.20%、B 0.006~0.01%、Zr 0.005~0.008%、Mg 0.001~0.005%、Y 0.003~0.007%、N<0.0005%、O<0.0008%、余量为Ni。
2.权利要求1所述超低氮含钛钢铸锭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将金属料和/或合金料在真空感应炉中熔化精炼，得到不含钛母锭1#，其中N含量低于0.007%、O含量低于0.003%； （2）将所述不含钛母锭1#作为真空自耗炉的电极，在真空电弧热下熔化脱氮，得到N含量小于0.0005%的母锭2#；
（3）将母锭2#在真空感应炉中熔化，并加入超纯钛，然后浇铸获得母锭3#；其中Ti含量在2.00~2.15%、Al含量在0.18~0.2%、N含量低于0.007%、O含量低于0.002%；
（4）将母锭3#作为电渣炉的电极，进行电渣重熔，得到电渣锭4#；电渣重熔时的预熔渣由低熔点含钛辅料和基础渣组成；
所述低熔点含钛辅料的各个组元及重量百分数如下：
CaF 2 40%~60%ZrO 2 1%~1.5%
Y 2O 3 1.6%~2%
立体声音CaO 20%~30%
TiO 2 余量
所述基础渣的各个组元及重量百分数如下：
CaF 2 50%~53%
CaO 21%~23%
扑克牌纸
MgO 4%~5%
Al 2O 3 余量
（5）将电渣锭4#作为真空自耗炉的电极，经过熔化、冷却、凝固得到超低氮含量的含钛钢铸锭，其中N含量低于0.0005%、O含量低于0.0008%。
3.根据权利要求2所述超低氮含量的含钛钢铸锭的制备方法，其特征在于，将CaF 2、CaO、ZrO 2、Y 2O 3、TiO 2混合后熔融，得到含钛辅料；将CaF 2、CaO、MgO、Al 2O 3混合后熔融，得到基础渣；将含钛辅料和基础渣混合，得到电渣重熔含钛钢用渣。
4.根据权利要求2所述超低氮含量的含钛钢铸锭的制备方法，其特征在于，含钛辅料和基础渣的配比量的计算方法为如下公式：
其中，C 为‑3.3，为超低氮含量的含钛钢中钛的质量百分数，
为超低氮含量的含钛钢中铝的质量百分数，
为含钛辅料中TiO 2的质量百分数，为基础渣中Al 2O 3的质量分数；x 为预熔渣中，含钛辅料的质量百分数。
5.根据权利要求2所述超低氮含量的含钛钢铸锭的制备方法，其特征在于，含钛辅料
中，氧化钙与二氧化钛的用量一致；基础渣中，氧化钙与二氧化钛用量一致。
6.根据权利要求2所述超低氮含量的含钛钢铸锭的制备方法，其特征在于，将所述母锭1#表面喷丸抛光后作为真空自耗炉的电极；将所述母锭3#表面喷丸抛光后作为电渣炉的电极；将所述电渣锭4#表面车光后作为真空自耗炉的电极。
7.一种超低氮含钛钢，其特征在于，将权利要求2制备的超低氮含量的含钛钢铸锭经过锻造、轧制和热处理，得到超低氮含钛钢。
8.权利要求7所述超低氮含钛钢的制备方法，其特征在于，将权利要求2制备的超低氮
含量的含钛钢铸锭于1100
~1150℃保温45售检票系统
~
50h，然后于1180
~
1220℃保温70
t100k~
75h，再经5
~
25
火次锻造成棒材，每火次锻造时间为10
~20min，压下量为70
~
100mm，终锻温度控制在1030℃
以上；锻造结束后放入水中进行水冷，在进行热处理，得到超低氮含钛钢。
9.权利要求1所述超低氮含量的含钛钢铸锭在制备超低氮含钛钢产品中的应用。
10.权利要求7所述超低氮含钛钢在制备航空发动机、燃气轮机的零部件中的应用。
一种超低氮含量的含钛钢及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于钢冶金领域，特别属于特种冶金制备的领域，具体涉及一种超低氮含量的含钛钢及其制备方法。
背景技术
[0002]含钛钢是用于600℃以上的一种金属材料，常常被用于制造航空发动机、燃气轮机的零部件。基体中γ`、γ``的Ni
3
(Al, Ti, Nb)强化相使得含钛钢在高温度下具有很高的强度，因此要求合金中钛含量大于0.6，甚至高达5%。由此带来的问题是形成了大颗粒的TiN 夹杂物，成为航空发动机用含钛钢的失效源之一，因此必须将钢中N含量将至0.0005%以下避免TiN夹杂物的产生。但现有的真空感应、电渣重熔、真空自耗的“三联”技术很难实现超低氮的目标。真空自耗炉的电弧热可以将2500℃的物质熔化，但是TiN夹杂物的熔点高达2950℃，真空自耗炉并不具备熔化TiN夹杂物和脱除含钛钢中氮的能力，TiN夹杂物仍存留在最终的铸锭中，影响了含钛钢产品的性能，降低航空发动机的使用寿命。此外，含钛钢在600℃以上使用时，晶界是导致含钛钢失效的薄弱环节，因此需要增强晶界结合力。各类含钛钢根据使用环境和服役性能的不同，其铝钛含量亦不同，但是由于含钛钢中Al、Ti的重要作用，必须严格控制含钛钢中的Al、Ti含量。此外，含钛钢中含有大量的合金元素，其熔点很低，部分含钛钢的熔点甚至低于1400℃，电渣重熔过程中严重影响了电渣锭的表面质量，电渣锭在车光后用于真空自耗的电极母材，电渣锭表面质量差易导致车削量的增加，降低成材率，这是现有渣系客观特性缺陷导致的。
[0003]因此熔渣必须具备低熔点、且能够精准控制铸锭中铝、钛含量的特点，这也是目前制备含钛钢
的难点。很多企业和科研人员对含钛钢的渣系进行了研究，但关于渣系的低熔点特性和铝、钛含量的控制方面，很难同时具备二者，往往是控制了铝、钛含量，铸锭表面质量却很差，或者是表面质量良好，铸锭中铝、钛含量却不达标。开发具备低熔点特性和控制铝、钛含量的渣系已成为电渣重熔制备含钛钢的关键问题。目前电渣重熔含钛钢的生产工艺为，电渣重熔化渣阶段，先将少量的预熔渣置于结晶器底，在自耗电极与底板的电弧热下熔渣逐步熔化，随后持续加入剩余预熔渣和高熔点的钛白粉末进行熔化。在熔渣+钛白粉末
加入过程中，由于钛白粉末的挥发，造成CaF
2‑CaO‑MgO‑Al
2
O
3
‑TiO
2
熔渣中TiO
2
含量的不稳
定；同时还存在熔渣的混合不均匀现象，这是铝、钛含量波动的因素之一。
[0004]鉴于以上分析，需要研发新一代含钛钢提高其使用温度和使用寿命，同时需要研发新工艺获得超低氮的含钛钢铸锭。此外，还需研发新的低熔点含钛辅料，不仅需要解决钛白粉的稳定加入问题和含钛辅料的快速熔化问题，同时还需满足加入任意比例的含钛辅料后的熔渣成分具备低熔点特性。
发明内容
[0005]本发明提供了一种超低氮含量的含钛钢及其制备方法，通过在含钛钢中加入适量的钇、锆等元素，从而增加含钛钢的晶界结合力、服役温度和使用寿命，并通过工艺控制氮、
氧含量达到含钛钢的稳定服役效果。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超低氮含量的含钛钢铸锭，按质量百分数，其成分
为C<0.06%、Cr 17.00~18.00%、Co 26.50~28.00%、Mo 5.50~6.00%、Nb 1.90~2.30%、Al 0.18~0.23%、Ti 1.80~2.20%、B 0.006~0.01%、Zr 0.005~0.008%、Mg 0.001~0.005%、Y 0.003~0.007%、N<0.0005%、O<0.0008%、余量为Ni。
[0007]一种超低氮的含钛钢的冶炼方法，用于制备上述超低氮含量的含钛钢铸锭，解决现有真空感应、电渣重熔、真空自耗三联工艺无法降低TiN夹杂物和氮含量的问题。本发明采用真空感应熔炼、真空自耗、真空感应熔炼、电渣重熔、真空自耗制备上述超低氮含量的含钛钢；具体制备方法包括以下步骤：
（1）将金属料和/或合金料在真空感应炉中熔化精炼，得到不含钛母锭1#，其中N含量低于0.007%、O含量低于0.003%；具体的，将超低氮的含钛钢所需的各个合金料或者金属料在真空感应炉中熔化精炼（除了钛），控制各个元素含量，其中N低于0.007%、O低于0.003%；
（2）将所述母锭1#作为真空自耗炉的电极，在真空电弧热下熔化脱氮，得到N含量小于0.0005%的母锭2#；优选将母锭1#表面喷丸抛光后作为真空自耗炉的电极，在真空电弧热下熔化脱氮，得到氮含量小于0.0005%的低氮无钛母锭2#；本发明的优点之一在于加钛之前，利用真空自耗炉的真空电弧高温将氮含量将至0.0005%，从而避免了加钛后形成2950℃高熔点TiN夹杂物而无法在真空自耗炉中脱氮的问题；
（3）将母锭2#在真空感应炉中熔化，并加入超纯钛金属，然后浇铸获得母锭3#；优选将母锭2#放入纯净的真空感应炉中熔化、并加入超纯钛金属，浇铸获得含钛低氮母锭3#；其中主要元素Ti含量在2.00~2.15%、Al含量在0.18~0.2%、N含量低于0.007%、O含量低于0.002%；
（4）将母锭3#作为电渣炉的电极，进行电渣重熔，得到电渣锭4#；优选的，将母锭3#表面喷丸抛光后作为电渣炉的电极，在熔渣焦耳热下熔化出去大颗粒夹杂物并脱氧，得到夹杂物细小的低氧、低氮的含钛电渣锭4#；
（5）将电渣锭4#作为真空自耗炉的电极，在真空电弧热下熔化、在真空电弧炉的水冷结晶器中冷却并凝固得到超低氮含量的含钛钢铸锭，其中N含量低于0.0005%、O含量低于0.0008%。
[0008]本发明中，电渣重熔时的预熔渣由低熔点含钛辅料和基础渣组成；
所述低熔点含钛辅料的各个组元及重量百分数如下：
CaF 2 40%~60%
ZrO 2 1%~1.5%Y 2O 3 1.6%~2%
CaO 20%~30%TiO 2 余量
服务器部署所述基础渣的各个组元及重量百分数如下：
CaF 2 50%~53%
CaO 21%~23%
MgO 4%~5%
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