（冶金工程专业论文）铅硫系易切削结构钢品种开发与冶炼工艺研究.pdf

摘要 摘要 以唐钢开发铅硫复合易切削钢为立题依据，以寻求切削、加工性能良好的钢材为 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，提出针对唐钢铅硫复 合易切削钢的试验方案及措施。在现场实验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施工艺方案。 研究了钢液增硫及加铅工艺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，为下一步工厂生产提供可靠的理论依据。 试验在唐钢技术中心特钢试验厂进行，主要完成了在工厂条件下冶炼铅硫复合 易切削钢的成分控制试验及加硫、铅工业生产的正式试验，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。在此基础 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、成分、 组成做了深入、细致的研究。 试验结果表明钢中夹杂物的形态与钢中硫含量、硫铅的加入方式有关，锰硫比 控制在3 1 3 6 之间时钢中硫化锰平均纺锤率达到5 4 0 9 ；采用喂线机喂入硫化铅 粉芯线方法，在冶金及保护环境方面均取得了良好效果；采用微量钛和硅钙代替铝 脱氧，使得钢材晶粒细化，改善钢的机械性能，其脱氧产物与氧化锰、二氧化硅复 合形成低熔点氧化物：切削及力学性能检测结果显示：钢材切削性能与相同碳含量 的钢种比较得到的较大的提高，且力学性能满足钢材使用用户的需求。 图2 3 表2 1 参4 9 关键词：铅易切削钢；硫易切削钢；夹杂物 分类号：t t 7 4 1 3 5 河北理= 大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t b a s e do nd e v e l o p i n gt h e 骶e c i i n i n gm a c h i n a b i l i t yo fk a d - s u l f u rs t e e li nt a i l g s h a n h o & s t e e lc o 。n d 1 t sc e t r a lc o n t e n ti ss e e “n g 山em e t h o do fi m p r o v i n gf t e e c i l t t i n g m a c h i n a b i l i t yf o rs t e e lp r o d u c t t 1 l em e c h a i l i c so fi m p m v i n g 丘e e c u t t i n gm a c h i n 曲i l i t yi s a l l a i y z e da i l ds t i l d i e d ，a n d l l et r j a ls c h e m ea n dm e a s u r e m e n tf o ri m p r o v i n gf r e e c u t t i n g m a c h i n a b i l i t yo fk a d - s u l f i 王rs t c c la r cp m p o s e d 0 nt h ec o n d i t i o no fi n d u s t r i a le x p e 血n c n t s ， t h ef u s i f o 锄i n d u s i o na n ds p h e f j ci n d u s j o nj ns t e e lc a ni m p r o v e 丘e e c u n i i l gm a c h i n a b j l i t y ， s ot h ef o m a t i o nc o n d i t i o n so fi n c l u s i o sa n di n l p l e m e n t a t i o ns c h e m eo ft e c h n o l q g y 盯e s t u d i e dd e e p l y t h ee f f c c to fi n c r e 嬲eo fs u l f u ri nm o l t e ns t e e la dt h em e t h o do fa d d “i o nl e a do n p r o p e n y o fi n c i u s i o n sa i l df i i 砒e rt h ec f l k to fw h i c ho nf r c e c u t t i n gm a c h i n a b i l i t y o fs t c e l a r es t u d i e di nt h i sp a p e r ，t h er a t i o n a lt e s tp a f a m e t e r sa r eo b t a i n e di no r d e rt os u p p l ya c r e d i b l ea c a d e m i c 百s tf o rs e t i i n gd o w nt h en e x ts t e po fs h o pt c s t 1 1 l et e s t sa r ec a r r i e do u ti nt h et f i a lp l a n tf o rs p e c j a ls t e e li i it h et e c h i c a lc e n t e ro f t a n g s h 卸 i m n s t e e lc o n d t 1 l et e s t sf o rc o n t m l l j n g c o m p o n e n to f 骶e c u t 恤g m a c l l i n a b i l i t yo fk a d s u l f l l rs t e e la j l da d d i t i o no fs u h ra n dl e a df o ri n d u s t r i a lp m “c t i o n a r cp m c e e d e d i n c l u s i o n si ns t e e la r co b s e r v e db ym e t a l l o 酽a p h i ca n a l y s i sa i l ds t e r c o s c 强， a l l dt h er e l a t j o n s h i pb e t w e e nt e s tt e c i l i l o l o g ya i l dp r o p e r t yo fi n c l u s i o ni sg e n e r a l i z e d 0 n t h eb a s e o fa b o v et c s t s ，t e c l l i l o l o 舀c a lc o n d i t i o n so ff 0 肿i n gf 打o r a b l ei n c l u s i o n sa f e s t u d i e dd e e p l y ，a n di n d u s i o n si ns t e c lo ns h a p e ，d i s t r i b u t j o n ，s i z e ，c o m p o n e n ta n d c o p o s i t i o na r ca s l os t u d i e dm o r ec a r e f i l l l y i ti ss h o w n 丘o mt h ee x p e r i m e n tr e s u nt h a tt h ea p p e a m n c co fi n d u s i o n si l ls t e e lh 硒 r e l a t i o s h i pw i u lt t l e s u 】f u fc o n t c n t 柚dm em e t h o do fa d d i t i o nl e a 也a l s ot h ca v e r a g c f u s i 妇姐r a t co fm n sj ns t e e l 啪a c h j c v e5 4 0 9 a m o n g h er a n g eb e t w e c n3 1 孤d3 6o f t h er a t i oo fm na i l ds t h eg o o dr e s u l t si nt e 咖so fm e t a l l u r g y 柚de n v i n m e n tp m t e c t i o n h a v e b e e no b t a i n e db yt h em e t h o do ff e e d i n g 】e a ds u l 6 d ec o f c - s p 蛐 y a m 。 t h e m i c r o c o m e n to ft i t a n i u ma n dc a l c i u mc a nb eu s e dt od e o x i d a t ci n s t e a do fa l u m i n i u m s o t h ec r y s t a i 毋a i n si ns t c e la r cr c 矗r l e d ，t h em a c h i n a b i l j t yo fs t e e li si m p f o v e d ，a l l da l s ot h e l o w m d t i go x i d ea r cf o 咖e dc o m p l e x l yw i t hd e o x i d a t i o n ，m h oa n ds i 0 2 i ti sr e p o r t e d f 如mt h er e s u l to fm a c h i n a b i l i t yo fs t e e lt h a t c h em a c h i n a b i l i t yh a sag r c a t c ri m p f 0 v e m e n t t t l a i lt h a to fo t h e r ss t e e l sw i t he q u a lc a r b o nc o n t e n t ，a n dt l l em a c h i n a b i l i t yc a nb es a t i s f i e d w i t hc u s t o m e ro fs t e e l f i g i l r e2 3 ；t a b l e2 l ；r e f e r e n c e4 9 k e y w o r d s ： l e a df r e e - c i l t t i n gs t e e l ；s u l p h l l r 骶e - c u t t i i l gs t e e l ；i n c l u s i o n c b i n e s eb o o k sc a t a l o g ：v 4 1 3 5 1 i 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：! 壹型日期：z 丝年竺月蕴日 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。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 刷醛轹辫 ( ”竹 日期碰年勘妇 以牛 迫一 z 垡 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，预计今年年产3 8 亿吨。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。我国易切削钢的生产始于2 0 世纪5 0 年代，但到目前为止 易切钢的产量还不到2 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，且平均年增长 率在1 0 左右1 1 j 。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：易切削元素仍以是以硫为主，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，使切削速度同益提高，要求机加工件的表 面粗糙度和精密度也更加严格【2 l o 因此，人们极希望通过提高钢材及加工性能来降 低成本；对易切削钢的质量要求也越来越严格；需求数量也越来越大；应用领域越 来越广。易切削钢大部分用于我国的汽车工业、农业、机械、机床、家用电器、精 密仪表和国防工业。 目前，我国易切削钢产量满足不了国内需求，每年还要进口一部分。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 1 0 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，易切削钢在我国钢材市场上有一 定的竞争力，并且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。因此，为配合我公司品种开发，提高产品的竞争力，以唐钢 技术中心特钢试验厂为依托，进行易切削钢的品种开发与工艺优化。 唐钢技术中心特钢试验厂作为国家级技术中心的试验厂，以谋划新品种开发试 验为目的生产电炉钢和铸件的企业。根据市场用户需求，我厂拟在原有的基础上通过 生产工艺的优化生产铅硫系复合易切削钢。研究生产试验、优化铅硫系复合系易切 削钢电炉全程工艺方案，并以此为目标深入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；加硫、铅的方式、锰硫比；控制合理的夹杂物形态、组成； 河l e 理下大学硕士学位论文 确定合理的浇铸工艺。拜开展相关机理研究，以期本课题的研究最终使电炉生产铅 系易切钢流程达到优化拜保证顺利进行。 - 2 l 文献综述 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 众所周知，提高钢的切削性能的元素有s 、p b 、s e 、t e 、b i 、c a 、t i 等，最早 研制出的是添加多量硫的硫易切削钢。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 急需和钢的粗制滥造有关( 高硫和高磷含量) 。而这些钢材的可切削性能反丽优 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并逐渐标准化。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 图1 易切削钢的发展历史 f i g 1d e v e l o p m e n to ff t e e c u t t i n gs t e e l 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 型易切削结构钢。1 9 7 7 年研制成功稀土易切削钢2 0 c ，兄醯、2 0 撇e 等钢种。8 0 3 河北理工人学硕士学位论文 年代后至今天，易切削钢己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。易切削钢的显著的经 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【刁。图1 展 示了易切削钢的历史沿革过程【3 】：。 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。目骑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【4 】。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【”。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【6 】。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。钢材是汽车制造所需的主要原材料，且消耗量大约占汽车重量的7 0 p j 。2 0 0 0 年和2 0 1 0 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【8 】。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) ，另外，精密仪表行业对易切削钢的需求也日益增加。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【”。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进价格 昂贵的易切削钢。 由此我们不难看出我国的汽车工业、家电行业、精密仪表等对易切削钢有着迫 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【9 1 。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。 在机械切削加工工业中，自动机床的数量迅速增加，其应用范围也曰趋扩大。 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 d 1 文献综述 耗1 3 ，延长刀具使用寿命【10 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 ) 【1 1 】。以y f 4 0 m n v 为例其经济效益见表1 【9 】 表1 使用易切削非调钢的经济效益 t a b l e1e c o n o m j cr e i u m so fu s i n g 丘e e c l l l t i n gs t e e l 节电k w h i i l节约工时 = 肖材，节省刀具费用总经济效益元，i 。1 7 0 0 9 0 0 1 0 2 01 1 03 0 加7 0 0 9 0 0 由此可以看出易切削钢的市场需求潜力很大，并能产生可观的经济效益，因此 使得易切削钢的需求日益增长。 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；我国生产的易切钢系列，虽经几次标准的修订，成为现行 的g b 8 7 3 l 一8 8 的9 种钢，但大部分确实沿袭前苏联1 9 5 4 年标准，能生产的品种也 十分有限| 1 “，尽管如此，我国对易切钢的研究还是取得了明显进展：重庆特钢、抚 顺特钢、上海钢铁研究所、天津特钢等都试产过易切钢，河北省尚无先例，含铅易 切钢生产厂家寥寥无几。 由表2 是我国与日本易切削钢状况的对比1 2 】。 表2我国与日本易切削钢现状对比 t a b l e2c o m p a r i s o no fc x i t i n gc o n d i t i o no f f r e e - c l i t i i n gs t e e lb e t w e e nc h i i l aa dj 印a n 1 2 易切削钢分类及铅、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、 5 河北理工大学硕十学位论文 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，不锈易切削钢等 1 3 】；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自4 性能为第一位的 低碳易切削钢1 1 4 j ；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 百c a la i l de a s yc u t t i n g ) 钢，即既不含铅 又有易切削性的钢f 1 5 】。 此外，还有改善切削性能的钢：( 1 ) 硫系易切削钢( 硫o = 0 0 1 5 o 0 3 5 锄硫】= 0 0 4 0 0 7 硫2 = o 0 8 0 1 2 ) ( 2 ) 铅系易切削钢( l l = 0 0 4 0 0 9 k = o 1 0 o 3 0 ) ( 3 ) 硫+ 铅系易切割钢( 4 ) 钙系易切削钢( 钙钙+ 硫，钙+ 铅钙+ 铅+ 硫) 。 对于各类易切肖钢要充分考虑其易切削元素的特点、加入方式、易切削元素量的控 制，形成夹杂物的类型、夹杂物的形状大小、分布、数量，同时还要考虑该钢种的热加 工、冷加工工艺、热处理工艺等。表3 是一些常用易切肖元素的特点及加入方式f 2 l 表3 常用的易切削元素的特点及加入方法 t a b l e3p r o p e r t i e s 皿df e e 由gs l ( i t l s0 fn o n n a l 舶e 删t t i n ge l e i i 豫n t s 1 2 2 铅易切削钢的特点及其研发历程 由于含硫钢的热脆作用，使硫易切削钢的应用受到限制，为了改善其机械性 能，既弥补硫系易切削钢的缺点，发展了铅系易切削钢，铅易切削钢的特点是在很 少降低钢的机械性能的前提下可以显著的提高其切削性1 1 6 1 。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【r 丌。 铅易切削钢在欧美的发展是沿着在硫易切削钢中复合添加铅的方向进行的，目 6 一 l 文献综述 的在于进一步提高原硫易切钢的切削性，而日本是沿着单独加铅的方向，逐渐普及 应用。 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， 拜具有减磨的作用。如何使微粒铅均匀分布于钢中就成为制造铅易切钢的关键。 1 9 3 7 年美国发明了铅系易切钢，随后日本德国也相继生产；我国从上世纪7 0 年代就开始研制铅系易切钢，在碳素结构钢和合金结构钢中，一般加入铅0 1 5 0 3 5 ；在工具钢和不锈钢中，一般加入铅o 0 5 o 3 0 。与不含铅韵易切钢相 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，井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 l l ”。铅易切钢切削加工时，切削刀具和铁屑间产生强烈的摩擦、使分布于钢中的铅 微粒呈熔融状念析出，结果产生润滑作用，起减摩作用，使铅易切削钢的切屑细 碎，刀具寿命延长。铅易切削钢异向性小，故其机械性能比硫易切削钢好。 表4 铝系易切削钢的种类和特征 t a b l e4s p e c i e sa 1 1 dp m p c n i e so f l e a d 舶e q t gs t e e l 但铅的比重大，而且毒性也大，易切削钢中偏析大。上世纪6 0 年代日本铅易切 钢发展较快，后来由于环境污染问题限制了生产。进入8 0 年代后，采用新工艺后铅 易切钢又得到新的发展。铅系易切削钢的种类和特征( 日本分类) 见表4 【1 8 】 7 - 河北理f 大学硕十学位论文 1 2 3 生产中较为理想的铅加入方法 1 电渣重熔加铅法【1 卅 该方法是利用电渣重熔过程中保护渣在电流作用下产生强烈搅动，并带动下面 的钢液，在钢液动力学条件持续良好的条件下，加入纯铅丸，搅动着的钢液使纯铅 丸溶化并破碎细化。在1 0 0 蚝电渣炉使用电渣重熔加铅法冶炼低碳铅钢的实践表 明：此法可以获得均匀的铅分布，钢锭中铅含量偏析在0 0 2 范围内波动，钢中铅 微粒达到7 um 以下。而且，由于电渣炉操作的特点，使挥发出的铅蒸汽也容易收 集排除，不会对环境造成污染。此法适用于生产量不大，质量要求高的低碳铅钢生 产。但电渣炉生产率低，生产工序复杂，吨钢电耗高，故该法不适于大批量，低成 本生产低碳铅钢的要求。 2 钢包喷吹加铅法【1 9 j 该法是利用专门的喷吹粉剂装置，以惰性气体一氩气为载气，直接把含铅粉剂 喷入钢液中。由于氩气流及氨气本身都对钢液产生强烈的搅动作用，使喷入钢液中 的铅很容易被破碎、细化，并均匀分布于钢液中，喷吹加铅结束后，再继续进行钢 包底吹氩搅拌，达到使钢液中铅更加细化，均匀的目的。在1 0 吨电弧护的钢包中， 采用此法冶炼了几千吨低碳铅钢的实践结果表明：钢包喷吹加铅法可获得钢锭中均 匀分布的铅，实测分析钢锭中铅的偏析在0 0 1 o 0 2 的范围内，钢中铅微粒小 于5pm ，铅收得率稳定在7 0 一8 0 ，尤其是在喷吹加铅装置上配有专门的防尘 装置，使喷吹加铅过程中挥发出的少量铅蒸汽很容易地被收集处理，实测结果，铅 蒸汽溢出量远小于国家环保要求的标准。该加铅工艺法适合大批量生产铅钢。 1 2 4 铅易切削钢的轧制 由于铅易切削钢的生产往往复合着硫易切削元素的加入，所以其热加工性能就 比较较。以y 1 5 p b 为例，钢中硫含量高达0 2 3 o 3 2 ，p b 含量达0 1 5 0 3 5 。由于s 的含量高，冶炼时钢水凝固过程中选分结晶突出，往往会出现大量 的硫化物集中在粗大的树枝晶之间，降低钢的热塑性。同时f c 与s 形成f e s ，熔点较 低( 1 1 9 0 ) ，与铁形成的共晶体的共晶温度更低( 9 8 8 ) ，在热加工温度范围富 集于奥氏体晶界的f e + f e s 共晶体首先熔化，使钢出现脆性，造成热加工时钢坯及钢 材的开裂。但如果钢种加适量的锰元素，由于m n 与s 的亲和力大于f c 与s 的亲和 1 文献综述 力，使m n 与s 充分化和形成高熔点( 1 6 1 0 ) 的m n s ，是热脆性得以改善。据资 料介绍1 2 0 j ，钢中的铅由于其的特点是在钢中弥散分布，对机械性能各向异性的不利 影响小，对其热加工性无明显的影响。 因此易切削钢的加热温度及保温时问要按其特点来进行控制，即应重点控制高 温段的加热温度与加热时间。当加热工艺不当时，易造成钢坯头部开裂，最长可达 o 5 米，个别钢坯甚至能出现缠辊现象。确定轧制工艺，既要考虑轧制最终产品的质 量，使其满足性能要求，又考虑了必须适应其热塑性低的特点。 从理论和实践表明，在高于1 2 0 0 轧制时，m n s 随基体变形而不易被拉长，有 利于切削加工。当轧制温度低于1 1 0 0 时，m n s 的塑性相对较大。轧制时随基体变 形而易被拉长，降低切削性能。硫化物的脆化敏感温度在8 3 0 一1 0 5 0 ，因此开坯 时加热温度必须高于1 0 5 0 ，控制在1 1 5 0 1 2 0 0 之间，轧材时加热温度控制在 1 1 0 0 1 1 5 0 。因此，轧制易切削钢时，开轧温度或轧制温度高非常重要【2 1 】。轧制 过程中还需要进行控制压下量及每道次的轧制温度，注意控制节奏。严格控制终轧 温度，保证轧材获得均匀细小的铁素体+ 珠光体组织 2 2 1 。 轧制时应关闭所有冷却水管，调整好导卫输送辊道，以防止因碰撞而产生裂 纹。钢材进入冷床冷却到适当温度后应及时下冷床进行堆冷。 b 一 一 钮 鹏 三 p b 图2 不同铅含量对接触疲劳强度的影响 f 弛2e 虢c to f v a r i o u sc o n t e n to f1 e a d0 nc o n t a c tf a 廿g u er e s i s t a c e 一9 一 河北理工人学硕士学位论文 实践中发现，y 1 5 p b 高温轧制，易出现打滑，不宜咬入，其解决办法是钢锭出 炉后在辊道上停留片刻使其表面温度降低：钢锭在粗轧道次咬入前，表面覆盖氧化 铁皮，增加摩擦系数；轧辊表面刻痕，改善咬入；实际操作采用高温快轧，抢温轧 制；遇轧件开裂，要及时切头等。 1 2 5 铅易切削钢存在的问题 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： 1 钢中铅微粒小到什么程度，分散均匀到什么程度成为炼钢的关键； 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v 、ak 都有所降低，特别是使钢的a 。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，如图2 【1 3 】所示，因此用来 制造接触应力高的零件时，要充分考虑这一问题： 4 在加铅过程中产生的铅蒸汽污染环境对人体有害，拜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。 1 2 6 硫易切削钢 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 o 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。 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m n 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 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3 ，图4 所示。 1 0 1 文献综述 图3 条状夹杂物形态图4 纺锤状夹杂物形态 f i g 3a p p e 蛐c c so f b 姐d i n gi n c l u s i o n s f i g 4a p p c a 砌so f f i l s i f 0 皿i c l u s i o n s 钢在锻造或轧制过程中硫化锰很容易被伸长从而使钢( 特别是易切削钢) 的 横向性能明显降低出现各向异性 吲，而对于图4 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【2 “。 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5 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，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【卅。 图5 锥形空洞的形成 f i g 5f o 皿a t i o no ft h ec o i cc a v i 缸e s 改善硫化物形态的途径： 1 ) 氧的作用 裹皋蛔 空呐 河北理上人学硕士学位论文 墨 一 罐 蘸 曩 墨 馐 攘 t 羹 萋 瞳 掣 蜂 捺 d d 】t ，p 砌 0 】t ，胁i 图6 钢中氧含量与硫化物形态的关系图7 钢中全氧含量与表面缺陷指数的关系 f i g 7r e l a t i o n s h i p b e t w e e n0 x y g e nc o n t e n tf i g 7r e l a t i o n s l l i pb e t w e e n w h o l eo x y g e n a 1 1 ds u l p h i d ea p p e a r 柚c e s c o n f e n t 柚ds l i f l a c eb l e i n i s hi d e x 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 d 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( m n 、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、锰脱氧的钢较好冽。钢中全氧含量与硫化物形状( 长直径) 关系见 图6 与表面缺陷指数的关系见图7 【2 9 1 。可见氧浓度的差别影响着m n s 的大小、形状 及变形能，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【州。 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 酽以上，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【2 4 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【3 1 】： + d = ( o d ) ( 1 ) c h + s = ( c h 5 ) ( 2 ) 将( 1 ) ( 2 ) 式叠加后为： ( c 口d ) + s = ( c h s ) + d ( 3 ) 1 2 1 文献综述 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 口d 爿f ：d 3 彤d ：，它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3 的情况下加入钙，经变质 后变为图4 所示。图8 、图9 分别为变质前后它们的能谱曲线，其中e 为x 射线光 子能量，l 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。 2 - 5 乓 s 05 ，p i捌u i 2 5 ，l5 罄 s o5 鼍n l j f e 研 2 4b日 2468 e f 妇fe f 妇y 图8 条状夹杂物的能谱曲线 图9 纺锤状夹杂物的能谱曲线 f i g 8e n e 唱ys p e c t m m c u r v eo f f i g 9e n e r g ys p e c 咖c u r v eo f b 卸d i i l gi n d u s i 0 璐 f i l s 渤蛐i n c l u s i o n s 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【3 2 l ，其实验用的钢 样成分见表5 ，其夹杂物形态如图1 0 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1 1 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。 表5 实验用钢样的化学成分 t a b l c5c h e m i c a lc o 驴s m o 璐o ft e s t e ds t e e l s 1 3 河北理1 ：人学硕士学位论文 长宽比 图1 0 钙处理s c s 钢中硫化物长宽比和粒度的关系图1 1 锻压比和变性夹杂的长宽比的关系 f i g 1 0r e l a t i o n s h i pb e t 、e e na s p e c tr a 廿oa n dp a r t t c l e f i 昏1 1r e l a 缸。璐h i p b e n e c nr a t i oo ff o r g i n g o fs u 嫡d ei nc a i c i u mt f e a t m e n ts c sf r - c u t t i gs t e e l r e d u c i n g 柚da s p e c tr a t i 00 fd u p l e xi n d u s i o 腿 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 、 ) 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o 0 2 。但是 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 、m n ) s 夹杂物中的c a s 浓度增高【3 3 】。 爨 g 占 aa兄 ( a ) 9 ( 1 0 ：( b ) 1 0 0 0 ： ( c ) 1 1 5 0 图1 2 不同变形温度下硫化锰夹杂物的形态及其分布 f i g 1 2s h a p ea n dd i s i d b u d o no fm n sl i n d c rd i f f e r e n ti e m p e r a t u f e0 fd e f o m a t i o n 3 ) 变形量及变形温度对硫化锰夹杂物的影响【3 4 。 从变形量来看，随变形量的增加，长宽( 九) 在1 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 1 4 卯 帅 0 一喜，k雾荦嚣 1 文献综述 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 2 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。 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 时九为1 2 的m n s 数量明显增多。而 较大的m 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 之问。从m n s 碎化程度看，1 0 0 0 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【3 5 1 。 综合来看，对于钢材的轧制温度和轧制变形量，都将对m n 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。 1 2 7 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6 【3 6 】 表6 试验钢样成分 t a b l e6c o m d o n e n 虹o ft e s i e ds t e e l 8 钢cs im nspm oc rva l sonc ar e 译隔嘛i | 慨| 陬i a0 0 40 1 91 4 50 1 00 0 2 9o 2 2 1 3 7 0 1 2 o 0 1 10 0 0 5 5 0 0 0 5 0 0 0 0 3 0 b 0 0 4o 2 01 4 30 1 00 0 2 80 2 21 3 70 1 2o 0 2 00 0 0 5 00 0 0 5 0o 0 0 2 30 0 2 7 c o 3 9o 1 91 5 50 1 00 0 2 80 1 81 4 00 1 00 0 0 50 0 0 6 0 o 0 0 5 0 d 0 3 9o 2 11 5 0o 1 00 0 2 90 1 81 4 00 1 00 0 1 3o 0 0 5 00 0 0 5 0o 0 5 0 a l s ，酸性可熔性铝 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7 【3 6 l 表7 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 e7c o m p a r i s o n0 fm e c h a n i c a lp m p e r t yb e 研e e nu n i o na n ds i n 翊ee l e m e n tf f e e - c u t t i n gs t e e l o 删p a os 1 讧p a 6 1 l r o ，ok l a1 2 0 11 1 5 29 74 3 00 2 4 b1 2 1 81 1 4 71 0 14 3 60 _ 3 9 c1 1 9 21 1 2 2 9 54 1 90 1 6 d 1 1 7 71 1 0 69 54 2 70 4 0 1 5 河北理r 大学硕士学位论文 1 3 改善切削性机理 1 3 1 一般性机理 现在易切削钢中常使用的易切削元素