（钢铁冶金专业论文）中碳易切削结构钢冶炼工艺与质量控制实验研究.pdf

摘要 摘要 以石钢改善4 5 钢切削性为立题依据，以寻求改善钢材切削性能方法为主要研究 内容在分析研究了改善钢材切削性机理的基础之上，提出针对石钢4 5 钢改善其切 削性能的试验方案及措施。在实验室条件下深入研究了在钢中形成纺锤形及球形有 利于钢材切削性能改善的夹杂物的条件及其实现工艺方案。 研究了钢液增硫及钙处理对钢中夹杂物性质的影响及其进而对钢材切削性能的 影响，得出了合理的试验参数，为制定下一步工厂试验提供可靠的理论依据。 试验分别在1 0 起中频感应炉及l k g 碳管炉中进行，前者主要完成了在实验室条 件下冶炼4 5 钢的成分摸索试验及初步的硫系、硫钙系正式试验，并对试验钢样中 夹杂物进行了金相及扫描电镜观察，总结了试验工艺与钢中夹杂物性质的关系。而 后者是在前者的基础之上深入的研究了钢中形成有利夹杂的工艺条件，并对夹杂物 在钢中的形态、分布、尺寸、成分、组成做了更为细致的研究。 试验结果表明钢中夹杂物的形态与钢中初始氧含量及其脱氧方式有关，从试验 可知钢中初始氧含量为l o o 2 0 0 l o 。4 ，且采用先弱后强的脱氧方式更有利于纺锤 型夹杂物的形成。钢液经钙处理后夹杂物更加细小、球化，纺锤率平均值大大增加 且夹杂物数量也相应减少，其组成主要为芯部是钙铝酸盐外围包裹有硫化物 ( m 1 1 c a ) s 的复合夹杂物，而此类夹杂物既有利于改善钢材切削性能又对钢材力学 性能不会造成过多影响。初步的切削对比试验及力学性能检测试验证实了上述结 论。 图4 5 表2 6 参5 0 关键词：易切削；夹杂物：钙处理；脱氧 分类号：t f 7 4 1 胛f 7 4 1 6 河北理：】：大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e ri sb 髂e do ni m p m v i n g 丘e e c u t t i r i gm a c l l i n a b i l i t yo f 4 5p l a i nc a r b o n 曲lh s h i j i a 曲u 趴gi r o n & s t e e lc o l t d i t sc e n 仃a lc o n t e mi ss e e k i n g l em e t h o do fi m p r o v i n g 丘e e c u 仕i n gm a c h i n a b i l 姆f o rs t e e lp r o d u c t 1 1 1 em e c h a i l i c so fi m p r o v i n g 氐e c 删n g m a c h i n a b i l i t yi s 撇l y z e d 柏ds n l d i e d ，a n d l e t r i a ls c h e m ea i l dm e a s u r e m e mf o r i m p m v m gf h e - c u t t i n gm 孤曲a b i i 时o f4 5p l a i nc 甜b ( ms t e e la p r o p o s e d o nm e c o n m t i o no fl a b - o 掰t o r y ，t l l em s i f o n ni n c l u s i o na n ds p h e r i ci n c l u s i o ni n 咖e lc 锄i m p m v e 舶e c 删n gm a c h i n a b i l i t ) r ，s of o 瑚a t i o nc o n d i t i o n so fi n c l u s i o 眦明di m p l e m e n t a t i o n s c h 咄eo f t e c h n o l o g ya r e 蚰l d i e dd e e p l y t h ee f f e c to f 访c r e a o fs u l 矗l rmm o l t e ns t e e la n dc a l c i u m 廿e 疵n to np r o p e n yo f i n c l u s i o n sa n d 缸t h e rm ee 行e c to f w h i c ho n 舶e c u u i n gm a c h i n a b i l i t yo fs t e e ia r es t u d i e d i n t h i sp a p e r t l l e 硎o n a lt e s tp a r 锄e t e r sa r co b t a i l l e di no r d e rt os u p p l yac r e d i b l e a c a d e m i c 百s tf o rs e t t i t l gd o w nt l l en e x ts t 印o fs h o pt e s t t h et e s t sa r ep r o c e e d e di l lt l em e d i u m - 行e q u e n c ym d u c t i o nf i l ：m eo fl0 ka l l d ca r = b o nt i l b em m a c eo fl k gr e s p e c t i v e l y i np r e v i o i l sf h m a c e ，t h et e s t sf o r g m p i l l g c o m p o n c mo f4 5p l a i nc 盯b o ns t la f l de k m e n t a r ys u l f u rs y 咖ma i l ds u l f h r c a l c i 啪 s y s t e ma r ep r o c e c d e d i n c l u s i o i ns t e da r co b s e c db ym e t a l l o g m p l l i c 锄a l y s i s 锄d s t c = r e o s c 趾，趾d 廿1 er e l 撕0 1 1 s h i pb 嘶e e nt e s tt e c h n o l o 尉a l l dp r o p e r t yo fi n c l l l s i o n si s g c n e r a l i z e di n m a l l y b u ti i ll a n c rf l l m e ，o nm eb 鹊eo fa b o v et e s t s ，t e c h l o l o g i c a l c o n d i t i o n so ff b m i n gf a v o f a b l ei n c l l l s i o n sa r es t u d 主e dd e 印l y ，a n di n c l u s i o n si ns t e d0 n s h a l ) e ，d i s m b u t i o n ，s i z e ，c o m p o n e ma n dc o m p o s i t i o na r cs t u d i e dm o r cc a r e f m l y t h ee x p e n n e mr c s u ns h o w st l l a tt l l ei n c l u s i o n si i ls t c e lh 嬲l 撕o i l s h i pw i 吐l 抽i t i a l o x y g e nc o n t e n ta 1 1 dd e o x i 血d o nm o d e f r o mt h ee x p e n i l 肌tw ek n o w 血a tt l l e “t i a l o x y g c nc o n t e mi s1 0 0 屯0 0 x1 0 珥姐d “i sb e t 时t o 触1 a t i o no ff i i s i f o r mi n l p 嘣哆b y u s i n gd e o x i d a t i o nm o d eo f w e a l 【l ya tf i 斌a i l ds 仃o n 番ya tl a s t t h ei m p 谢够o f h l o l t e ns t e e l b e c a m e sm o r ef i n e ，m o r e 百o b a i i z i n 岛i n c r e a s i n gs t i d n g l yo nf u s i f o mr a t ea i l dd c c r c 踮i n g o nm 啪e r i c a lm e 粥u r ea c c o f d i n g l yb yc a l c i 啪慨a 恤e i l t n em o s t l yc o m p o s i t i o no f i m p u r i t yi sm c a 0 r l a l 2 0 3 也a ti si n c l o s e db yt 1 1 eo u t e rc o m p l e xi m p u r i t yc o m p o s e db y 也c s u m d e 一( m n ，c a ) s1 1 1 a ti m p 州哆d o e sb e n e f i tf o ri m p r o v m gs t e e lc u t t i n gq u a i i t i e sa n d d o e s n ti i l f l u e n c e dt o om u c ht os t c c lm c c l l a 血c a lp m p e r 哆1 h ei i l i t i a t i v ec u 仕i n gc o n n 鹊t t e s ta n dm e a 嘶n go f m e c h a i l i c a lp m p e n yt e s tc o n 血m e dm e n t i o n c da b o v ec o n c l u s i o n f i g u r e4 5 ；t a b l e2 6 ；r c f r c n c e5 0 k e y w o r d s ：行e e c u 钍i n g i n c l u s i o nc a l c i 啪t r c 咖c n td e o x i d i z a t i o n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t f 7 4 1 7 厂r f 7 4 1 6 1 i 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：亟丛选日期：碰年互月堑日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：趣1 2 a 主量 导师签 日期：世生年月堕日 引言 引言 钢铁工业是我国的支柱产业，近年来得到了飞速的发展，我国已成为世界钢铁 第一生产大国。然而，目前我国无论是钢材质量，还是品种钢的开发都无法和产钢 第一大国的地位相匹配，无法满足国民经济对钢材生产的要求。尤其是易切削钢及 改善切削性能的钢，在产量和技术水平上，都与世界先进水平存在着较大的差距。 到2 0 0 0 年我国的易切削钢年产量还仅为3 万吨左右，而早在上个世纪9 0 年代日本 的易切削钢产量就突破了1 0 0 万吨，致使我国每年都要从国外进口大量价格昂贵的 易切削钢。而时至今日我国的易切削钢仍然没有形成自己完备的体系；品种比较单 一；易切削元素仍是以硫为主，其它元素的应用开发较少；钢材质量也不太理想。 另一方面随着国民经济的发展，自动机床的数量迅速增加，其应用范围也日益 扩大。同时由于采用新型刀具和新工艺，使切削速度日益提高，要求机加工件的表 面粗糙度和精密度也更加严格【l 】。因此，对易切削钢的要求也越来越严格；需求数 量也越来越大：应用领域越来越广。仅是我国的汽车领域目前的易切削钢需求量就 为1 0 万吨，到2 0 l o 年预计可达4 0 5 0 万吨。再加之拖拉机、摩托车、机械等其它 领域的需求，易切削钢在我国将会有很大的发展潜力，其良好经济效益是可以预见 的。而对于需要切削加工的钢种在尽可能保证其机械性能的基础上，改善钢种的切 削性能也是目前的重要研发内容。 石家庄钢铁有限责任公司( 石钢) 是我国最大的4 5 # 优质碳素结构钢的生产企 业，其产量已由原来的4 0 万吨增加至1 0 0 万吨，占据了国内近3 0 的市场份额，拜 主导了该产品的细分市场价格。为了满足市场需求，石钢拟在原有的基础上采用l d l f c c 生产工艺流程生产易切削4 5 # 钢。此流程的开发成功将会改善4 5 # 钢的切削 加工性能，在获得其好的经济效益的同时也将会获得良好的社会效益。 基于以上背景，本课题拟在石钢转炉厂现有4 5 # 钢的生产基础上，研究开发生 产易切削4 5 # 钢u ) l f c c 工艺流程全程工艺方案。以此为目标深入的研究钢种成 分与钢材机械性能的关系：确定合理的成分范围；l f 炉的精炼工艺及确定加硫方 式、锰硫比，控制合理的夹杂物形态、组成；确定合理的连铸工艺。并开展相关机 理研究，以期本课题的研究最终使l d l f c c 生产流程实现拜顺利进行。 河北理i ：人学硕士学位论文 1 1 易切削钢的研发背景 1 文献综述 1 1 1 易切削钢的概念及其研发历程 所谓易切削钢即：使正常钢种中某些成分变化( 例如适当提高硫含量) 或附加 其它元素( 例如加入铅等) 有意识地获得很高的易切削性能，这样的钢称为易切削 钢。 上个世纪2 0 年代，易切削钢的偶然诞生与战争( 第一次世界大战) 对钢材的急 需和钢的粳制滥造有关( 高硫和高磷含量) 。而这些钢材的可切削性能反而优越， 因此引起人们的注意。自1 9 2 0 年后，英国、美国、原苏联、日本、法国等国相继生 产和使用硫系易切削钢拜逐渐标准化。1 9 3 2 年出现铅易切削钢，1 9 6 0 年原苏联解决 了铅污染的问题。1 9 5 0 年后，日本开始研制易切削不锈钢拜于5 0 年代末取得多项 专利。我国也于1 9 5 0 年开始生产硫系易切削钢，1 9 5 5 年将其纳入重工业部部颁标 准。1 9 6 3 年建立硫系易切削钢系列。1 9 7 0 年开始生产钙系和钛系脱氧控制型易切削 图1 易切削钢的历史 f d e v e j 0 p m e n to f f - c u n i n gs t e e l 结构钢。1 9 7 7 年研制成功稀土易切削钢2 0 c r r e s 、2 0 c r m n t i r e 等钢种。8 0 年代后 至今天，易切削钢已被广泛应用于各个工业部门。随着自动化程度增大、自动化机 床的广泛应用，对材料的可切削加工性要求越来越高。易切削钢的显经济效益使易 切削钢的使用量不断增加，其发展趋势也将会继续保持下去。图l 展示了易切削 钢的历史沿革过程1 2 】。 2 】文献综述 1 1 2 易切削钢的市场需求及我国与世界易切削钢的差距 1 汽车工业的发展对易切削钢的迫切需求 易切削钢是汽车工业的一个重要组成部分，广泛用于多轴自动车床上大量生产 零部件。目前世界上汽车保有量约5 亿多辆，年产5 0 0 0 万辆左右，每年消耗钢材占 世界钢材材料总产量的2 4 左右【3 j 。对于这么大的用钢量单独用在切削加工上的费 用就是很高的。因此，改善钢的切削性能会大大降低其制造成本【4 j 。现在，我国汽 车工业的快速发展已使汽车产业成为我国国民经济的支柱性产业，也是特殊钢材的 主要用户。我国汽车工业，特别是轿车工业的发展速度相当快【5 】。依据我国汽车工 业规划，2 0 0 0 年及2 0 1 0 年汽车产量分别为2 5 0 万辆( 其中轿车占5 0 ) 和6 0 0 万 辆。钢材是汽车肯4 造所需的主要原材料，且消耗量大约占汽车重量的7 0 【6 j 。2 0 0 0 年和2 0 l o 年特殊钢需求量分别为2 9 5 9 万吨和5 7 1 3 万吨，而易切削钢在整车的使 用量上约占整车重量的2 1 ，仅次于碳钢的5 8 ，合金钢的3 7 ，居汽车用钢铁 材料的第三位m 。目前我国汽车用易切削钢的年需量约1 0 万吨( 不包括农用和机械 用钢) 。2 0 1 0 年预计的易切削钢需求量在4 0 5 0 万吨。易切削钢质量要求高，生 产难度大，国内尚在起步阶段，生产厂家和产量都不多，全国产量仅3 万吨左右 肺】。由此可见，我国的易切削钢在供需上存在很大矛盾，国内供应严重不足。因 此，我国也只能花大量外汇购迸价格昂贵的易切削钢。 由此我们不难看出我国的汽车工业对易切削钢有着迫切的需求，我国的易切削 钢有着巨大的发展潜力。 2 易切削钢在其它工业领域的应用 易切削钢除了在汽车工业中被大量应用外，国内许多拖拉机厂也相继使用易切 削钢来代替调质钢，如常州第一拖拉机厂等已多年批量使用易切削钢【8 l 。另外，摩 托车零部件也大量使用易切削钢，使其易于在生产上切削加工。 表l 易切削钢的经济效益 1 a b l e le c o n o m i cr e t 呲so f l l s i n g 舶e _ c u 牡i n gs t e e l 节电，k w h t “节约工时节材节省刀具费用，总经济效益元c 1 7 0 0 9 0 01 0 2 01 1 03 0 4 07 0 0 9 0 0 在机械切削加工工业中，自动机床的数量迅速增加，其应用范围也日趋扩大。 易切削钢在自动机床上的应用可以节约能源，减少生产时间，提高生产率，节约能 3 河北理l ：大学硕士学位论文 耗1 3 ，延长刀具使用寿命1 9 j 从而大大的降低生产成本( 典型的汽车部件总生产成本 下降4 6 6 9 ) 【“。以y f 4 0 m n v 为例其经济效益见表l 【8 】 由此可以看出易切削钢的巨大经济效益，并且也因此使得易切削钢的需求网益 增长。 3 我国易切削钢与国外易切削钢的差距 国外易切削钢的生产和应用已经历了8 0 多年的漫长岁月，而我国从5 0 年代才 开始生产硫系易切削钢【1 】a 表2 是我国与日本易切削钢状况的对比叽 表2 我国与日本易切削钢现状对比 1 a b l e 2f r e e - c u t t i n gs t e e l s “i 蚶i i gc o n d i 矗叩o f c h i n ac 鲫p a 悖t o j 印a 1 1 1 2 钙、硫易切削钢的研发、生产情况 1 2 1 易切削钢的分类 易切削钢从不同的角度考虑有多种分类方法：按易切削元素成分分类有硫系、 铅系、钙系、复合系等，按切削性能分类有一般易切削钢，超易切削钢等，按钢种 分类有碳素易切削钢，不锈易切削钢掣l l 】；按照其在实际生产中的应用可分为：同 时具备高强度的冷锻、机械性能的机械制造用易切削钢和视其切削性能为第一位的 低碳易切削钢i l2 】；日本大同特殊钢厂还从环境的角度出发将钢分为：e ( e c o l o g i c a l ) 钢，即不含铅钢和e e ( e c o l o g i c a la n de a s yc u 仕i n g ) 钢，即既不含铅 又有易切削性的钢【l ”。 此外，还有改善切削性能的钢：( 1 ) 硫系易切削钢( 硫o = o 0 1 5 0 0 3 5 吲硫1 = o 0 4 o 0 7 吲硫2 = o 0 8 o 1 2 ) ( 2 ) 铅系易切削钢( l l = 0 0 4 o 0 9 吲l 2 = o 1 0 o 3 0 ) ( 3 ) 硫+ 铅系易切削钢( 4 ) 钙系易切削钢( 钙，钙+ 硫，钙+ 铅钙+ 铅+ 硫) 。 4 文献综述 相萎纛的 扔：一 一s o 。一挪引 法黜瓣篓燃麟黧 加入方法2 ；：? ：零5 ；鑫：馨尝菜美觜金鬈曩篓曼囊萎麦羿，要蔫妻斧，霎翥 2 0 的硅铁钢丝喂入 7 。8 ” 入锭模中入锭模中 1 2 2 硫系易切削钢 硫是易切削钢中使用最早的易切削元素，并且广泛应用在各类易切削钢中。但 硫能使钢产生较严重的偏析并使冲击韧性降低。若硫含量过高则会导致热脆性，给 热加工造成困难，所以在采用硫进行合金化时要注意严格控制其上限( 硫一般为 o 0 8 0 3 0 ) 并选定适当的锰硫比，尽可能使硫全部形成硫化锰，其形状最好控 制为纺锤状或球状【i 】o 图2 条状夹杂物形态 图3 纺锤状夹杂物形态 f i g 2a p p e 啪n c e so f b 卸d j n gi n c l u s i o n f i g 3a p p e a 瑚c e so f 觚f o mi n c l u s i o n 硫化物的形态是硫易切削钢的最重要的特性，s 与m n 在钢中形成非金属夹杂 物h 缸s ，它们使切屑易于折断，从而提高切削加工性能。且m n s 具有润滑作用， 本身硬度低，能减少对刀具的磨损。此外，硫化物夹杂的成分、形态( 长宽比) 和 5 一 河北理一大学硕士学位论文 分布情况都对硫易切削钢的切削力阻、切削刀具的磨损以及被加工件的表面光洁度 有明显的影响。硫化物在钢中典型的形态如图2 ，图3 所示【1 5 】 钢在锻造或轧制过程中硫化锰很容易被仲长从而使钢( 特别是易切削钢) 的横 向性能明显降低出现各向异性【1 6 j ，而对于图3 的纺锤形( 或球形) 夹杂便成为获得 高质量易切削钢的前提，然而仅仅让硫化锰球形化还是不够，钢材的机械性质也会 因其尺寸过大而大大降低，所以另一方面还要保证纺锤形( 或球形) 的硫化锰夹杂 能细小弥散的分布于钢的肌体之中【1 7 】。 另外，值得一提的是无论是那种夹杂物都有一个明显的特点，即它们的尖端在 轧制的过程中会出现锥形空洞，有时会出现微裂纹。如图4 所示。空洞产生的原因 是由于钢在轧制的过程中，m n s 不能随着基体一起去延伸，限制了钢基体的流变， 图4 锥形空洞的形成 f l g 4e m p l y 脚n a t i o no f t 印 致使夹杂物与基本表面产生应力。当基体界面强度经受不住周围基本变形所引起的 纵向拉应力时，界面即发生分离而形成裂纹，也就是萌芽性的空洞，随着空洞在轧 制方向上的扩展，垂直的压应力就不平衡了，因而形成了特有的锥形空洞【1 8 】。 改善硫化物形态的途径： 1 氧的作用 氧在钢中溶解度很小，主要是以氧化物形态存在或者是氧熔解在硫化物中以s 0 化物形态存在。熔解在硫化物中的氧对夹杂物的形核条件和形态有重要影响。s o 化物塑性小，在轧制过程中不变形而保持为球形。钢中氧含量对切削性有重要影 响，脱氧的钢中s o 化物为( l 、f e ) ( s 、o ) 的球形夹杂物。这对改善其切削 性能特别有效。而氧化物夹杂中的氧对切削工具有保护作用，有利于提高工具寿 命，因而用硅、锰脱氧的钢较好f 1 9 】。钢中全氧含量与硫化物形状( 长直径) 关系见 图5 与表面缺陷指数的关系见图6 f 2 0 1 。可见氧浓度的差别影响着m n s 的大小、形状 及变形，而正是这些因素可以通过影响加工刀具前端的硫化物的塑性变形过程来影 - 6 l 文献综述 响积屑瘤的生成、脱落、及其沿工具的附着、与工具的润滑作用，最终影响所加工 的工件表面粗糙度川。 ， 耀 蘸 餐 蓄 裴 率 羹 理 建 警 囊 【o 】t ，1 0 4 q 1 ，1 矿 图5 钢中全氧含量与硫化物形态的关系 图6 钢中全氧含量与表面缺陷指数的关系 f i g 5w h o l eo x y g c nc o n t 嘶ta n ds u l p h i d e f i g 6w h o l eo x y g c o n t e n t 锄ds u r 胁e a p p e a r 拍c er e l a t 船i ns t e e ib l e m i s hi n d e xr e l a 把si ns t e e l 所以对于铸坯来说为得到纺锤形的硫化物，氧含量最好在1 0 0 1 0 4 以上，同时 又考虑到氧含量高易引起铸坯的表面缺陷或材料的表面裂纹等缺陷的原因，氧含量 应控制在合适的范围内。 2 钙的作用1 1 5 l 钢中添加钙后，一方面钙同硫的亲合力高于锰，一部分钙形成稳定的硫化钙， 其在钢液中的反应如下【2 2 】： c a + o = ( c a o ) ( 1 ) c a + s = ( c a s ) ( 2 ) 将( 1 ) ( 2 ) 式叠加后为： ( c a o ) + s 兰( c a s ) + o ( 3 ) 硫化钙固熔在硫化锰中提高了硫化锰的强度，使硫化锰不易变形。另一方面， 形成了2 c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 可使条状分布的硫化锰变形为纺锤状或球状。为了研究钙 对夹杂物的变质作用，在不含钙的硫化锰形态为图2 的情况下加入钙，经变质后变 为图3 所示。图7 、图8 分别为变质前后它们的能谱曲线，其中e 为x 射线光子能 - 7 - 河北理【：大学硕士学位论文 ， 姜 e f 耙霹y 2 ，l 誉 逛 0 曲】 l爻 p e 八 2 4 b8 8 l h y 图7 条状夹杂物的能谱曲线图8 纺锤状夹杂物的能谱曲线 f i g 7b a n d i n gi n c i u s i o n se f 酣s p e c 打u mc u r v ef i g 8f 璐i f o l l ni n c l u s i o n se n e r g ys p e c t m mc u 九，e 量，i 为强度，由此可知夹杂物形态由条状变为纺锤状是由于钙的变质作用。对于钙 的变质作用日本的大同特钢做了进一步的研究工作阿，其实验用的钢样成分见表4 2 锄 h 量1 ￥ 釜 荽 l1 0 为 梃蠢比 图9 钙处理s c s 钢中硫化物长宽比和粒度的关系图1 0 锻压比和变性夹杂的长宽比的关系 f i g 9r e l a t i o nb e t 、v e e na s p e c tr 嘶。锄da r o f f l g l or e l 商o nb e t w e e nf o 曙i n gr a t i o 肿d s u l 6 d ei nc a l c i u mt r e a t m e ms c sf k e - c u n i n gs t c e l 够p e mr 鲥o “d u p i e xj n c l u s i o n s 其夹杂物形态如图9 所示，从图中可以看出变性后夹杂物更趋于球形化且粒度也有 所变小。在轧制的过程中其形态也保持的非常稳定，如图l o 所示。在切削性方面也 有很大的改善，切削刀具的磨损明显降低。 而另一方面根据炼钢反应的推荐平衡值，在高硫钢钢液中不低的钙浓度下即生 成硫化钙夹杂物。但是在凝固时夹杂物又发生变化，在c a s 中含有m n s 的( c a 、 m n l s 。因此为使钢锭中的硫完全形成c a s ，钢中的钙浓度就必须高于0 0 2 。但是 一8 丑懈半g露球掣僦 l 文献综述 钢中钙的饱和浓度却低于这个浓度，所以并不能满足这一条件。为此则应提高钢锭 中的钙浓度，使( c a 、l 缸) s 夹杂物中的c a s 浓度增高【2 4 】。 表4 实验用钢样的化学成分 t 曲i “c h e m i c a lc o m p o s n i 仰s0 f t e s t e ds t l s 塑塑 【曼】笾【凹坐巴凼坐【旦】堑f 璺】坐【璺幽丝匹】笾旦量堑 钙处理s c s o 4 40 2 0o 8 00 ，0 15o 0 4 2o 0 0 2o 0 0 9 7l5 0 易切削钢 o 4 50 2 00 8 00 0 1 5o 0 4 50 0 0 2 5o 0 0 8 07 1 0 0 硫易切削钢 o 4 60 2 00 7 90 0 1 5 o 0 4 5 - o 0 0 8 91 5 0 3 变形量及变形温度对硫化锰夹杂物的影响【2 5 】。 从变形量来看，随变形量的增加，长，宽( 九) 在l 2 之间的m n s 数量减少， 而 2 时m n s 数量逐渐增多。也即当变形量达到一定程度时，m n s 发生碎化，使 九在1 2 之间的比例又增加，整个变形过程呈周期性变化，图1 1 为不同温度，不 同变形量的情况下，硫化锰夹杂物的形态比例。 2 ( a ) 9 0 0 z ( b ) 1 0 0 0 图1 1 不同变形温度下硫化锰夹杂物的形态及其分布 ( c ) 1 1 5 0 f i g 1 1s h a p e 柚dd i s 砸b u t l o no fm n s u n d e rt l n e r e md e 胁a t i o nt e m p e r 咖r e 从变形温度来看，当变形温度为9 0 0 时，开始碎化的变形点出现在7 0 ，此 时 为l 2 的m n s 数量明显增多。而 较大的m n s 数量减少。温度为1 0 0 0 时m n s 开始碎化的变形点出现在3 5 ，而1 1 5 0 时碎化起始变形量约在3 5 5 0 之间。从m n s 碎化程度看，l o o o 时变形m n s 的碎化程度最大。由此可见在 不同温度下，m n s 的塑性有一定的差异【刈。 综合来看，对于钢材的轧制温度和轧制变形量，都将对s 的形态产生影响， 即可以通过控制这两个参数，以期形成m n s 的理想形态一纺锤形或球形。 9 河北理t 大学硕十学位论文 1 2 3 钙系易切削钢 钙易切削钢改善切削性的机理则是通过钙调整钢中氧化物的成分，使钙系氧化 物附着于切削工具表面，延长工具寿命【2 ”。从x 线衍射分析结果来看，钢中的易切 削夹杂物被证明是c a 、a l 、s i 等的氧化复合物，称为钙铝硅酸盐。成分为 3 4 7 c a o + 4 1 8 a 1 2 0 3 + 1 7 6 s i 0 2 熔融点在1 3 0 0 1 6 0 0 之间。形成这种钙铝硅酸 盐c a 0 朋2 0 3 2 s i 0 2 后，大大改善了高速下的切削性能。高速切削时，能防止刀具 磨损并生成具有润滑作用的某种保护膜。使刀具寿命显著延长。但使用高速钢刀具 时效果不显著【l ”，这是因为高速钢刀具切削时形成温度不够高，没有达到 c a o a 1 2 0 3 2 s i 0 2 复合氧化物熔点，没有形成切屑瘤，不能防止切屑与刀具的直接 接触，抑制刀具的磨损。因而也就不能有效的降低刀具的磨损1 2 8 】。 钙系易切削钢主要适合于傲机械结构，含钙量一般为0 o l 0 0 5 。单纯加钙 的钙易切削钢较少使用，而复合添加的复合易切削钢c a - s 、c a - s p b 、c a - s - a l 使用 较为普遍。 钙与氧的亲合力很强，所以钙常用作炼钢脱氧和脱硫剂。炼钢时温度很高，蒸 汽压很高，因而加钙很困难。另外，如脱氧时生成了钙铝酸盐( m c a o n a l 2 0 3 ) 夹 杂，则将使切削性能大为变坏。因此，生产钙系易切削钢的关键就在于在其冶金工 艺过程中如何将钙有效的加入和得到铝硅酸盐。 表5 喷吹参数 t 曲l e 5b l o w i n g 口黜e t e l 3 炉号钢中 塑廑竺 喷吹压喷吹时喷吹深喷吹 喷粉强庠 喷吹前喷吹后力， l p a 问m i n 度，m m 量，g ，g m i n 。 s 3y 4 0 c 疋a 1 6 5 0 1 6 2 02 50 2 表面层 3 0 0 1 5 0 0 5 4y 4 0 c 虻a s1 5 7 71 5 1 21 21 _ 31 0 03 0 02 3 5 5 y 4 0 c 陀a s 1 6 0 91 5 5 01 3 2 01 1 51 0 03 0 02 6 5 6 y 4 0 c 庀a s 1 5 7 7 1 0o 81 0 03 0 03 7 5 5 7y 4 0 c r c a s1 5 1 21 5 3 4l o1 91 0 01 5 07 9 针对以上情况从7 0 年代开始，引入喷粉技术并且工业化后，钙处理得到突破， 近年来又引入喂丝技术，进一步推进了钙处理技术的发展。例如在冶炼y 4 0 c r c a s 易切削钢时，滕梅、邢卫红等人就在钢铁研究总院的1 0 0 奴中频感应炉上进行了如 下的喷吹试验，其喷吹参数见表5 1 2 9 】；又例如日本神户钢铁公司在开发c a s 新型易 切削钢时就采用了喷入c a s 及c a c 2 混合粉末和喂入c a 丝相结合的方法来提高钙的 收得率，并且试验还证明先喷入混合粉末然后再添加钙丝的利用率较高【2 4 j 。 1 0 1 文献综述 1 2 4 铅系易切削钢 在易切削钢中，铅系的产量仅次于硫系而居于第二位。仅是在日本国内年产约 1 0 0 万吨的易切削钢中铅易切削钢的生产量就占了其总产量的5 0 还要多【3 0 】。 铅在钢中多呈直径为几微米的单质金属颗粒分散存在，在钢中不固熔，它的易 切削机理就在于这些微小颗粒在机械加工时作为应力集中源，使切削加工力减小， 并具有减磨的作用【3 ”。铅在钢中的含量一般为o 1 0 0 3 5 ，与不含铅的钢相比， 含铅钢的切削性能可提高2 0 5 0 ，而机械性能与热处理性能基本不变。此外， 加铅对冷、热加工性和焊接性也无影响。因此，含铅钢研制出来以后，立即发展为 主要的易切削钢系，并使易切削钢的品种和用途不断扩大，广泛的用来制造精密仪 表零件、汽车零件、各种机械的重要零件，拜作为多种特殊用途的易切削钢【1 1 l 。铅 系易切削钢的种类和特征( 日本分类) 见下表6 【3 2 】 表6 铅系易切削钢的种类和特征 t a b l e 6k i n d s 锄dc h a r a c t e ro f p b 舶e c 嘣n gs t e e i 然而铅易切削钢在具有良好切削性与机械性能的同时也存在其诸多问题这些关键问 题能否很好解决直接影响着铅易切削钢的应用，这些问题主要有嘲： 1 钢中铅粒小到什么程度，分散到什么程度： 2 钢液在凝固过程中易引起比重偏析； 3 在3 0 0 以上时随着铅粒熔化，使w 、nk 都有所降低，特别是使钢的nk 有 较大的降低。这使钢的接触疲劳强度由于铅的存在而降低，因此用来制造接触应力 高的零件时，要充分考虑这一问题： 河北理t ：大学硕士学位论文 4 在加铅过程中产生的铅蒸汽污染环境对人体有害，并在废钢回收熔炼时有危 害作用。对此，随着全球对环境意识的提高，要求减少对重金属铅的使用的呼声越 来越高。 由于上述铅易切削钢存在的种种不利因素，因此在世界范围内对其开发和利用 也越来越少。 1 2 5 复合型易切削钢 单一的易切削元素加入钢中都不能得到较为满意的易切削钢，它们或多或少的都 存在这样或那样的诸如钢的机械性质、疲劳强度等一些问题，为此人们将不同的易 切削元素复合的加入钢中以期得到性能更好的钢种。 为此人们研究在硫系钢中加入钙或稀土元素( r e ) 或是钙和稀土元素同时加 入，其试验钢样成分如表7 【蚓 表7 试验钢样成分 t a b i e 7c h e m i c a ic o m p o s i t i o no f t e s ts 啪p i e 研究结果表明复合以后的易切削钢无论在切削性还是在机械性能方面都要优于 单一的硫易切削钢。其机械性能见表8 【蚓 表8 复合易切削钢与单一元素易切削钢机械性能对比 t a b l e 8m e c h a n i c a lp r o p e r c yc o m p a r i s o nb e t w e e nu 1 1 i o n ds i n g l ee l e m e m 仃e e - c u n i n gs t e e l o 州p ao 舯p a 6 膈 v 臃 ak t ，ok l a1 2 0 l1 1 5 2 9 74 3 0o 2 4 b1 2 1 81 1 4 71 0 14 3 6o 3 9 c 1 1 9 21 1 2 29 54 1 90 1 6 d1 1 7 7l 1 0 69 54 2 70 4 0 复合易切削钢中夹杂物的形态及其分布也表现的较为理想，如图1 2 、图1 3 为 国外a i s l l 2 l 1 4 s p b 复合易切削钢中的夹杂物分布情况【3 酗。 1 2 1 文献综述 图1 2 钢材纵向夹杂物分布1 0 0 图1 3 钢材横向夹杂物分稚1 0 0 f j g l 2p o n t a t d i s 删) u t i n go f i n c l u s i o nf i g 1 3l 柚d s c 印e o r i e n t a t i o nd i s t r i b u t i n g i ns t e e i 1 0 0o f i n c i u s i o ni ns t e e l l o o 综上所述，各类易切削钢种都有其优劣，如硫磺易切削钢的机械强度下降；铅 易切削钢的疲劳强度下降，且污染环境；脱氧调整易切削钢虽无强度下降，但制造 时，其产品合格率比其它材料低，成本高。为此我们应开发新型易切削钢、并努力 提高其性能以满足人们对钢材质量要求越来越严格的趋势【3 6 】。 1 3 铝脱氧及对易切削钢夹杂物的变性 1 3 1 变性剂选择 由于m n s 夹杂物高温塑性良好，对增硫钢的热加工起决定性影响。因此，应该 采取措施促使m n s 类夹杂物转变为高熔点、低塑性、硬度大的单相或多相物质，使 其尽早析出，呈球状或近球状分布；变性剂与硫亲合力应大于锰，并能与脆性氧化 物夹杂起反应生成复相；变性剂及硫化物在初生m n s 相中应有较高固熔度。考虑到 变性的目的及生产成本，一般选用含钙2 5 的s i - c a 合会作变性剂。日本神户钢铁 图1 4 添加m g 或m g + c a 前后硫化物形态对比 f _ 9 1 4c o n n 砸to f s u l p h j d es h a p eb c t w e e nb e f 0 糟a d d i n gm g o rm g + c a 锄d 亦e r 1 3 河北理 ：大学硕十学位论文 公司试验用m g ( 十c a ) 作为硫化物的变性剂也使得硫化物夹杂的分布更为均匀、形态 也更趋球形化。变性前后的硫化物形态见图1 4 。并且m g ( + c a ) 变质莉的加入使得钢 材的切削性得以改善、切削工具的寿命得以提高。其变质的机理也是生成氧化物核 心而后硫化物附着于其上【3 9 】。 1 3 2 过程脱氧 以铝脱氧y 1 2 钢( 含硫o 0 8 0 1 5 ) 作研究对象，1 6 0 0 下，对m n c a a i o s 五元系统，有如下反应生成： c 取g ) + c i 】= c a o ( s ) g = 一1 5 8 6 6 0 + 4 4 9 1 r ( 4 ) c a ( g ) + s 】= c a s ( s ) g = 一1 3 6 3 8 0 + 4 0 9 4 r ( 5 ) 【c a 】+ 【o 】= c a o ( s ) ( 6 ) 【c a 】+ s 1 = c a s ( s ) ( 7 ) 2 】+ 3 【o 】刊2 0 3 ( 8 ) 对于( 4 ) ( 5 ) 式，由热力学计算可知，在出钢温度1 5 5 0 下，只有钢中氧浓 度低于o 0 0 0 3 7 时才能生成稳定的c a s 。实验钢经碱性还原渣脱氧后造酸性保护渣， 并深插铝脱氧，经取样光谱分析，钢中残铝平均含量为0 0 1 2 ，钢水中氧含量较 s i o 蛆，竹) 噌： ) 图1 5c a o s j q a 1 2 0 3 相幽 f i g 1 5c a 凸s i 0 2 - a 1 2 0 3p h 笛ed i a 岬m 低，能生成稳定的c a s 。由( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) 式在1 6 0 0 时的活度积常数 a a 2 a 0 3 = 4 3 lo - h 、a c a a o = 9 l o 、a c a a s = i 7 l o 一，可看出，与钙平衡的氧 活度比与铝平衡的氧活度低，将发生如下反应： x 【c a 】+ y ( a 1 2 0 3 ) 夹杂： x ( c a o ) ( y l 3 x ) a 1 2 0 3 夹杂+ 2 3 x a l ( 9 ) 由于钢中硫活度很高，由( 6 ) ( 7 ) 式联立，将发生反应( 1 0 ) ： 1 4 t 文献综述 ( c a 0 ) 夹杂+ s 】= ( c a s ) 夹杂+ 【o 】( 1 0 ) 钙在钢中溶解度极低，蒸汽压极高，大多数钙进入钢流后立即气化，形成气泡 上浮。上