一种同时提高硫系易切削结构钢机械性能和切削性能的硫化物变性方法及步骤

　　本发明属于炼钢

　　技术领域：

　　，涉及硫系易切削结构钢，具体涉及通过改善硫化物形态而使得硫系易切削结构钢的机械性能和切削性能得到协调提升。

　　背景技术：

　　：机械结构钢是用来制造各种机械零部件，例如轴类、齿轮、紧固件、弹簧、轴承等的深脱氧钢种，这些零部件在使用过程中需承受较大的载荷，并且载荷往往非常复杂，要求零部件具有足够高的强度，良好的塑性、冲击韧性和较好的疲劳性能。同时，制造上述机械零部件一般需要进行大量的机械加工，因此，还要求其具有良好的切削加工性能。目前提高切削性能最常用的方法为使钢水增硫，这种钢种即为硫系易切削结构钢。该钢种最主要的技术难点和研究重点在于机械性能与切削加工性能的协调。在深脱氧的硫系易切削结构钢中，硫化物夹杂以沿晶界分布的簇状或大颗粒状mns或(mn,fe)s的形式存在，这种硫化物具有非常强的变形能力，往往沿钢基体的变形方向延伸成长带状，甚至还保留铸态硫化物的簇状特征。这种形貌和分布的硫化物夹杂不利于零部件机械性能和使用性能的提升，带来了性能的方向性，也不利于切削性能潜力的发挥。同步提高硫系易切削结构钢机械性能和切削性能的关键技术在于使产品中的硫化物夹杂分布均匀、尺寸细小、形貌纺锤。目前，有很多学者研究了钙和稀土等强硫化物形成元素对硫系易切削钢中夹杂物形态的变性效果。但在硫含量较高的钢水中加入钙或稀土，会在钢水浇注之前就析出大量的高熔点硫化物——硫化钙或硫化稀土，严重降低了钢水的浇注能力，阻碍了工业规模化生产。因此，采用钙或稀土来处理硫系易切削结构钢的技术手段还仅仅局限于实验室研究，未见成功的工业规模运用实例。锆与硫也具有较强的亲和能力，但远弱于钙和稀土，而强于锰，硫化锆在钢水凝固过程中析出，不会因高熔点硫化锆的析出而恶化钢水浇注能力。美国专利us6649125b2公布了一种用锆或(和)钛来控制钢中硫化物形态而提高切削加工性能和降低工件粗糙度的方法，该专利提出zr、ti质量百分含量的控制范围为0.01~3.0wt%，t.o质量百分含量的控制范围为0.0005~0.005wt%。该专利（us6649125b2）涉及的是成分（质量百分含量）范围为c=0.03~0.2wt%、mn=0.5~3.0wt%、p=0.02~0.4wt%、s=0.2~1.0wt%、pb<0.01wt%的低碳硫系自动机用钢钢种，该钢种对切削性能要求非常高，而对机械性能则无严格要求，一般用于制造钟表指针、眼镜架、皮带扣等在使用过程中无需承受较大、复杂载荷的产品。该专利（us6649125b2）在低碳硫系自动机用钢中加锆或钛的目的是使钢中同时生成mns和碳硫化物夹杂，从而实现提高刀具寿命和工件表面质量的目的。但是，只有对钢水进行重度的锆或钛合金化时，才会生成碳硫化物夹杂，增加了生产成本；钢中的碳硫化物夹杂容易以板条状的形式存在，以牺牲钢材韧性为代价，提高了钢的切削加工性能。该专利（us6649125b2）还特意使钢水含磷，进一步提升切削性能，但是会进一步使钢变脆，提升韧脆转变温度。综上，该专利（us6649125b2）的发明思路仅适用于对机械性能要求不严格的低碳硫系自动机用钢，而不适用于对机械性能要求严格的易切削结构钢。专利cn102912185a公布了一种高强度易切削钢合金化用的铋锆合金，该合金中含有部分锆。该发明专利的技术核心是通过向钢中添加铋来改善钢的切削性能。可见，钢切削性能的改善主要是铋元素带来的，而非锆之功。但是由于铋的收得率低，且铋危害了钢的机械性能，因此，向钢水中加入锆的主要作用是利用锆元素来提高铋的收得率和通过改善夹杂物形态来弥补钢的机械性能缺陷。该专利并未提及锆改性硫化物形态，而起到同时提高切削性能和机械性能的作用。对本专利不具有任何启发意义。文献（bhattacharyad.effectofsulfurandzirconiumonthemachinabilityandmechanicalpropertiesofaisi1045steels[j].metallurgicalandmaterialstransactionsa,1981,12(6):973-985.）在硫含量为0.04wt%、0.09wt%、0.12wt%的中碳钢中加入锆，使得锆含量分别为0.15wt%、0.19wt%、0.17wt%，钢中的夹杂物形态和机械性能得到了改善，但是钢的切削加工性能几乎未见好转。这可能是由于钢中的氧含量和氮含量较高，分别为0.007~0.008wt%、0.009~0.011wt%，生成了大量的高硬质zro2和zrn夹杂，不利于切削性能的提高，也有可能该文献中的锆、硫含量并未达到最佳的匹配组合，未能使得切削性能显著改善。关于通过采用锆处理来变性硫系易切削结构钢的硫化物夹杂形态，进而协调机械性能和切削性能的相关技术，还未见到相关专利公布和文献报道，暂处于研究空白领域。技术实现要素：针对现有技术存在的上述不足和空缺，本发明的目的就在于提供一种可同时提高硫系易切削结构钢机械性能和切削性能的硫化物变性方法，采用锆处理来变性硫系易切削结构钢的硫化物夹杂形态，进而达到协调机械性能和切削性能的目的。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种同时提高硫系易切削结构钢机械性能和切削性能的硫化物变性方法，其特征在于，包括如下步骤：在钢水脱氧、去夹杂和调温等精炼功能完成后，向钢水中添加含锆合金，其含锆合金的添加量为钢水总量的0.03~0.15wt%；所述钢水为硫系易切削结构钢钢水，钢水的化学成分wt%为：[c]=0.2~0.5%，[si]=0.1~0.7%，[mn]=0.5~2.0%，[al]=0.01~0.05%，[s]=0.03~0.2%，余量为fe和杂质。同时，为了保证硫化物的变性效果，进一步防止有害夹杂物对钢性能的影响，要求：t.o质量百分含量低于0.005%；进一步保证硫化物夹杂的变性效果，防止析出粗大的zrn而恶化钢材的力学和切削性能，钢中氮的质量百分含量低于0.005%。针对硫系易切削结构钢，提供了能够改善机械性能，同时兼顾切削加工性能的硫化物变性方法。本方案通过向钢中加入适量的锆合金，使得含硫低氧钢水在凝固初期形成硫化锆夹杂，由于硫化锆可与硫化锰进一步形成(mn,zr)s固溶体夹杂，使得沿晶界聚集分布的棒状硫化物夹杂变性为离散分布的颗粒状夹杂，极大改善了铸态钢中硫化物夹杂的形貌和分布，同时由于硫化物中固溶了zr元素，降低了硫化物的热塑性，促进了热轧（锻）棒中的硫化物夹杂纺锤化，从而提高了钢材的机械性能和切削性能。当锆的质量百分含量低于0.03%时，钢中硫化物的锆含量非常低，无法起到改善铸态硫化物夹杂分布和限制硫化物夹杂热变形的作用；然而当锆的质量百分含量高于0.15%后，钢中容易形成大颗粒的硫化锆和沿晶界分布的zr-fe薄膜，在增加生产成本的同时还恶化了硫化物形态，不利于钢机械性能和切削性能的提升，因此锆质量百分含量的合适范围为0.03~0.15%。锆元素属于强烈的氧化物和氮化物形成元素，只有当钢中的氧含量和氮含量降低到较低含量水平时，锆才有机会与硫元素作用，发挥变性硫化物的冶金功能。如果钢中的t.o含量过高，会生成大量的簇状zro2夹杂，将钢中的t.o质量百分含量控制在0.005%以内，可明显减少zro2夹杂的数量，抑制簇状zro2夹杂的生成；如果钢中氮的质量百分含量高于0.005%时，在钢水凝固过程中有析出大尺寸zrn的可能性。不管是zro2夹杂还是zrn夹杂都属于高硬度夹杂物，这些夹杂的存在都会降低钢的机械性能和切削性能。因此，向钢水中加入含锆合金之前，必须对钢水进行深脱氧，使脱氧夹杂充分上浮，同时采用相应的控氮措施，以增加锆合金的有效利用率，降低生成成本，提高钢材性能。相比现有技术，本发明具有如下有益效果：1、本发明利用锆与硫元素之间较强的亲和能力，将钢中簇状的mns或(mn,fe)s夹杂转变为离散分布的(mn,zr)s夹杂，降低了硫化物夹杂在铸态组织中的聚集程度，限制了硫化物在热变形过程中的延伸变形能力，将轧（锻）态的硫化物形貌由长带状转变为纺锤状，改善了硫系易切削结构钢中的硫化物夹杂形貌和分布。由此，达到同时提高机械性能和改善切削性能之目的。2、本发明提出t.o和氮含量的控制目标，并提出了钢水精炼过程中的锆合金化时机和方式，尽量减少与氧、氮结合的锆含量，使锆元素尽可能与硫元素结合形成(mn,zr)s硫化物，使锆处理效果达到最佳化和经济化。3、本发明针对硫系易切削结构钢，提出合理的锆处理强度，保证了硫化物变性效果，达到同时改善钢材机械性能和切削性能的目的。4、与钙、稀土处理手段相比，锆处理手段可避免因产生高熔点硫化物而引起的浸入式水口堵塞问题。附图说明图1是本发明实施例1的铸态钢锭中的夹杂形貌和分布图；图2是本发明实施例1的热锻棒中夹杂物的形貌特征图；图3是本发明实施例1的调质钢棒室温冲击性能与锆含量的关系图；图4是本发明实施例1的调质钢棒室温冲击性能方向性与锆含量的关系图；图5是车削本发明实施例1的调质钢棒时硬质合金刀具后刀面磨损速率与钢棒锆含量的关系图。具体实施方式下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步详细说明。一种同时提高硫系易切削结构钢机械性能和切削性能的硫化物变性方法，包括如下步骤：在钢水脱氧、去夹杂和调温等精炼功能完成后，向钢水中添加含锆合金，其含锆合金的添加量为钢水总量的0.03~0.15wt%；所述钢水为硫系易切削结构钢钢水，钢水的化学成分wt%为：[c]=0.2~0.5%，[si]=0.1~0.7%，[mn]=0.5~2.0%，[al]=0.01~0.05%，[s]=0.03~0.2%，余量为fe和杂质。加入含锆合金后，钢水的化学成分wt%满足：[c]=0.2~0.5%，[si]=0.1~0.7%，[mn]=0.5~2.0%，[al]=0.01~0.05%，[s]=0.03~0.2%，[zr]=0.03~0.15%，余量为fe和杂质。实施例1：在真空感应炉上熔炼出不同锆含量的硫系易切削结构钢钢水，采用mgo质坩埚。根据一般的硫系易切结构钢的钢种成分要求，在工业纯铁中加入适量的单质硅和铝粒，以达到深脱氧的目的；当钢水熔化均匀后，再加入石墨、硫化亚铁调整碳、硫含量，最后加入电解锰和海绵锆，钢水搅拌3min后，注入直径为130mm、高度约为300mm的钢锭模中，凝固冷却后破空。钢水成分基体为fe，其余成份如表1所示。表1.钢水中主要元素的质量百分含量/wt%编号cmnsiszralt.onb-10.301.300.140.081-0.0180.00440.0019b-20.381.480.180.0910.0080.0130.00450.0016b-30.391.500.190.0940.0240.0150.00480.0016b-40.351.330.220.0850.0390.020.00370.0019b-50.421.520.230.0970.0870.0220.00580.0028b-60.401.490.150.0950.140.0190.00400.0029b-70.351.460.170.1100.250.0230.00350.0015图1示出了钢锭中的硫化物夹杂的形貌和分布特征。从图1中可看出，随着钢中锆的质量百分含量的增加，硫化物形貌先由聚集型的条簇状夹杂（mns或(mn,fe)s）转变为离散分布的颗粒状夹杂（(mn,zr)s固溶体））；然而，当锆的质量百分含量高于0.15%后，钢中开始出现数量较多，尺寸较大的白色颗粒状夹杂，经能谱检测发现，这种夹杂为硫化锆。当锆的质量百分含量高于0.15%后，在二维平面和断口还可分别观察到板条状夹杂和沿晶界分布的薄片状夹杂，这类夹杂为zr-fe合金相。由于钢锭中的t.o和氮的质量百分含量均低于0.005%，在钢锭中未观察到簇状的或单独的zro2夹杂，也未发现大尺寸的zrn夹杂。图2示出了钢锭经热锻后的夹杂物形态特征，图中的钢平面平行于钢热变形方向。从图2中可看出，随着钢中锆含量的增加，锻态夹杂物的聚集程度明显减弱；当锆的质量百分含量大于0.039%时，夹杂物的长宽比明显减小，基本达到了纺锤化的目的，钢中灰黑色的夹杂物即为(mn,zr)s固溶体夹杂；当锆的质量百分含量大于0.15%后，棒材中出现了白色串链状夹杂，这是由硫化锆和zr-fe合金相在热变形过程碎裂而形成的。调质态钢棒的室温拉伸性能与锆含量无明显关系，但冲击韧性和冲击韧性的方向性，以及切削性能与锆含量密切相关。图3和图4分别示出了冲击韧性、冲击韧性的方向性与锆含量的关系。由图3和图4中可见，对硫系易切削结构钢进行合适的锆处理能提高冲击韧性，降低冲击韧性的方向性，合适的锆含量（质量百分数）为0.03~0.15%。图5为锆含量对硬质合金刀具后刀面磨损速率的影响，可见当钢中锆的质量百分含量处于上述范围（0.03~0.15%）时，还可显著降低后刀面的磨损速率，提高切削加工性能。通过实施例1可知，采用合适的锆处理强度，将锆的质量百分含量控制在0.03~0.15%范围内，可使得[s]≈0.1%的硫系易切削结构钢中的硫化物形态控制合理，能同时改善钢的机械性能和切削性能。实施例2：在钢铁企业按以下冶炼模式进行了工业试验。钢水的精炼工艺流程为bof→lf→vd→cc，在出钢过程采用铝脱氧，并加入石灰和cao-al2o3系预熔渣进行渣洗，在lf炉喂入铝线进行深脱氧和微调铝含量，同时调整其他合金成分，加大底吹搅拌钢渣促进脱氧夹杂上浮和变性，vd炉抽真空脱气，先后喂入硫磺芯线和si-zr合金芯线，软吹20~30min后，吊往连铸平台进行浇注。单中间包的钢水连浇能力可稳定达到6炉以上，浇注过程中未发生浸入式水口蓄瘤的现象。针对多个硫系易切削结构钢种进行了上述工业试验，钢包容量为50~150t，钢种的成分范围（质量百分含量）覆盖：[c]=0.2~0.5%，[si]=0.1~0.7%，[mn]=0.5~2.0%，[al]=0.01~0.05%，[s]=0.03~0.2%，其中锆含量为0.03~0.15%，[n]≤0.005%、全氧(t.o)≤0.005%，余量为fe和杂质。与原产品相比，铸坯中和轧材中的硫化物形貌和分布得到了显著改善，轧材中a类夹杂的评级由原产品的4.0级降低至现有的2.5级以下，轧材中的纺锤夹杂物比例提高了30%以上，轧材的室温冲击韧性提升20%以上，冲击韧性的方向性降低了35%以上，车削加工所用的硬质合金刀具寿命至少提升10%。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。当前第1页12

　　技术特征：

　　技术总结

　　本发明提供一种同时提高硫系易切削结构钢机械性能和切削性能的硫化物变性方法，是在钢水脱氧、去夹杂、调温等精炼功能完成后，向硫系易切削结构钢钢水中添加含锆合金，使钢水的化学成分（质量百分含量）满足：[C]=0.2~0.5%，[Si]=0.1~0.7%，[Mn]=0.5~2.0%，[Al]=0.01~0.05%，[S]=0.03~0.2%，[Zr]=0.03~0.15%，[N]≤0.005%、全氧(T.O)≤0.005%，余为铁和杂质。本发明利用锆与硫元素之间较强的亲和能力，将钢中簇状的MnS或(Mn,Fe)S夹杂转变为离散分布的(Mn,Zr)S夹杂，降低了硫化物夹杂在铸态组织中的聚集程度，限制了硫化物在热变形过程中的延伸变形能力，将轧（锻）态的硫化物形貌由长带状转变为纺锤状，改善了硫系易切削结构钢中的硫化物夹杂形貌和分布。由此，达到同时提高机械性能和改善切削性能之目的。

　　技术研发人员：王谦;郭银涛;何生平

　　受保护的技术使用者：重庆大学

　　技术研发日：2017.05.05

　　技术公布日：2017.10.13