一种调控硫系易切削钢中MnS形态的方法

一种调控硫系易切削钢中mns形态的方法
技术领域
1.本发明涉及钢铁材料技术领域，具体而言，尤其涉及一种调控硫系易切削钢中mns形态的方法。


背景技术：

2.硫系易切削钢是指在钢中加入一定数量的易切削元素硫(s)，以改善钢的切削性能，达到降低切削抗力、提高切削质量、改善工件的表面粗糙度、提高刀具的寿命和生产效率的目的。硫系易切削钢是最常见和应用最广的一类易切削钢，占世界与我国易切削钢总产量的比例分别为70％和90％左右。由于其生产成本较低(硫元素价格便宜、来源广泛)、原材料来源方便和易于加工，因而在汽车、仪器、机床及标准件等领域得到广泛应用。
3.但是，硫系易切削钢中存在的大量硫化锰(mns)析出相在改善硫系易切削钢的切削性能的同时，也影响着硫系易切削钢的机械性能。这是因为mns为塑形夹杂物，在锻造、轧制等成型加工过程中会发生变形，最后呈长条形。这种长条形的mns导致硫系易切削钢的机械性能出现各向异性，降低钢的使用性能。


技术实现要素：

4.根据上述提出硫系易切削钢中mns成型过程中发生变形呈长条形导致钢材出现各向异性从而降低钢材使用性能的问题，而提供一种调控硫系易切削钢中mns形态的方法，能够减小mns夹杂物的尺寸和长宽比，从而解决钢的机械性能各向异性的问题，制得的易切削钢具有优良的机械性能和切削性能，同时达到减轻硫化物对力学性能影响和提高切削性的目的，切削加工后表面光洁度高。
5.本发明采用的技术手段如下：
6.一种调控硫系易切削钢中mns形态的方法，具体包括：
7.制备硫系易切削钢的熔炼过程中：在钢水中加入含钛合金；控制钢水中ti含量为0.007-0.20wt％，n含量为0.002-0.01wt％；并将钢水ti/mn质量比值控制在0.01-15，将ti/n质量比值控制在6-20，将ti/s质量比值控制在2-10；
8.熔炼结束后进行浇铸，钢水过热度控制在10-40℃。
9.进一步地，所述硫系易切削钢中硫化物为双层结构硫化物，所述双层结构硫化物的心部为mns；所述双层结构硫化物的外层为tin。
10.进一步地，按重量百分比计，所述硫系易切削钢的化学成分如下：c：0.01-0.95wt％；si≤0.90wt％；mn≤1.80wt％；p≤0.025wt％；s：0.01-0.35wt％；ti：0.007-0.20wt％；n：0.002-0.01wt％；cr≤1.50wt％；mo≤0.60wt％；v≤0.60wt％；ni≤0.60wt％；al≤0.05wt％；其余为fe和不可避免的杂质。
11.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
12.1、本发明提供的调控硫系易切削钢中mns形态的方法，利用tin在mns表面的析出，形成双层结构硫化物，抑制了mns的继续长大，减小其尺寸；钢中生成了数量更大的小尺寸
0.95wt％；si≤0.90wt％；mn≤1.80wt％；p≤0.025wt％；s：0.01-0.35wt％；ti：0.007-0.20wt％；n：0.002-0.01wt％；cr≤1.50wt％；mo≤0.60wt％；v≤0.60wt％；ni≤0.60wt％；al≤0.05wt％；其余为fe和不可避免的杂质。
29.硫系易切削钢的主要技术要点是控制钢中硫化物的形态，并提高其抗变形能力，使其在锻造或轧制等成型加工过程中减少变形或几乎不变形，从而在保证钢的切削性能的同时改善其机械性能各向异性。
30.本技术提供的调控硫系易切削钢中mns形态的方法，通过加入金属钛元素对mns析出相生长过程进行抑制，从而减小其尺寸，原理是在钢液的凝固冷却过程中，金属钛与钢液中的氮元素发生化学反应，形成稳定的tin，并且其析出温度低于mns的析出温度，从而以mns为核心进行异质形核；一方面，tin的生成可以抑制凝固过程mns的继续长大，减小其尺寸；另一方面，在轧制过程中，外层tin的存在可以有效抑制mns的变形，这是因为tin的硬度大于mns，从而使得轧制后的mns长度减小、长宽比减小，最终有利于改善机械性能的各向异性。
31.实施例1
32.本实施例提供的调控硫系易切削钢中mns形态的方法，所述硫系易切削钢的牌号为42crmos4，化学成分为c：0.38-0.45wt％；si≤0.40wt％；mn：0.60-0.90wt％；p≤0.025wt％；s：0.020-0.035wt％；al：0.020-0.050wt％；ti：0.03-0.05wt％；cr：0.90-1.20wt％；mo：0.15-0.30wt％；v≤0.20wt％；ni≤0.2wt％；n≤0.005wt％；其余为fe和不可避免的杂质；
33.所述硫系易切削钢的制备工艺流程为：转炉初炼、lf钢包精炼、rh真空精炼、在钢水中加入含钛合金、连铸、轧制；具体包括以下步骤：
34.转炉初炼：原料采用铁水与废钢的混合物，所述混合物中所述废钢的质量分数为20-25％；向钢液中吹入氧气来进行脱碳；转炉熔炼结束后，将转炉中钢水倒入钢包中；
35.lf钢包精炼：对转炉初炼得到的钢液进行精炼；在初炼炉出钢过程中，向钢包中添加脱氧剂和造渣材料；脱氧剂为金属al；造渣材料为56wt.％cao、24wt.％al2o3、7wt.％mgo、3wt.％caf2、10wt.％sio2，其余为不可避免的杂质；在钢包底部吹入惰性气体对钢液进行搅拌，搅拌气体流量为200nl/min-500nl/min；精炼温度在1560℃-1670℃之间；当造渣材料完全熔化后，检测钢液成分，并根据检测结果加入适量的si、mn、cr、mo等合金元素；
36.rh真空精炼：lf钢包精炼后将钢液送入rh真空精炼炉中进行真空处理；控制真空处理时间为15min-30min，控制真空度≤40pa；在钢水中加入含钛合金；在加入所述含钛合金前，取样分析钢液成分中的铝和氮含量；当所述钢液中铝的含量大于0.02wt％时，向钢包内的所述钢水中加入含钛合金，并控制钢水中ti含量为0.007-0.20wt％，n含量为0.002-0.007wt％；将钢水中ti/n质量比值控制在6-20；真空处理末期对钢液成分进行微调，将钢水中ti/mn质量比值控制在0.01-15；真空精炼后喂入硫线，并将ti/s质量比值控制在3-8；
37.连铸：将所述rh真空精炼后的钢液在氩气保护下进行连续浇注得到铸坯；控制钢液过热度为20-40℃；连铸拉坯速度为0.7-1.2m/min，结晶器电磁搅拌运行电流为250-280a，频率为2.5-3.5hz；
38.轧制：将所述铸坯进行轧制；钢坯在加热炉的均热温度为1050-1300℃，开轧温度为1100-1150℃，终轧温度为900-1000℃。
39.采用扫描电镜对本实施例制备的所述硫系易切削钢进行金相组织观察，铸态钢和轧态钢中的硫化物分别如图1和图2所示。
40.对比例1
41.对比例1采用实施例1提供的硫系易切削钢制备工艺流程，区别在于，省略了本发明所述的调控硫系易切削钢中mns形态的方法，熔炼过程中并未加入含钛合金，对比例1得到钛含量极低的42crmos4钢，钛含量≤0.003wt％。
42.采用扫描电镜对对比例1得到的钢进行金相组织观察，铸态钢和轧态钢中的硫化物分别如图3和图4所示。
43.比较实施例1与对比例1中两种钢中的mns特征如表，结果如表1所示：
44.表1实施例1与对比例1中钢中mns尺寸统计
[0045][0046]
表1的结果表明，实施例1的铸态钢中mns长度最大值从34.7μm减小到14.3μm、长宽比最大值从15.1减小到7.9；轧态钢中mns长度最大值从112.4μm减小到22.6μm、长宽比最大值从20.0减小到11.8，说明实施例1中的mns尺寸更小、长宽比更小。
[0047]
实施例2
[0048]
本实施例提供的调控硫系易切削钢中mns形态的方法，所述硫系易切削钢的牌号为fas2225，化学成分为c：0.22-0.28wt％；si：0.20-0.40wt％；mn：1.80-2.10wt％；p≤0.025wt％；s：0.035-0.065wt％；al：0.010-0.030wt％；ti：0.03-0.06wt％；cr：0.38-0.57wt％；v：0.10-0.15wt％；mo≤0.05wt％；ni≤0.20wt％；n≤0.004wt％；其余为fe和不可避免的杂质；
[0049]
所述硫系易切削钢的制备工艺流程为：电弧炉初炼、lf钢包精炼、rh真空精炼、钢液中加入含钛合金、连铸、轧制；具体包括以下步骤：
[0050]
电弧炉初炼：原料采用铁水与废钢的混合物，所述混合物中所述废钢的质量分数为90-100％；熔炼结束后，将钢水倒入钢包中；
[0051]
lf钢包精炼：对转炉初炼得到的钢液进行精炼；在初炼炉出钢过程中，向钢包中添加脱氧剂和造渣材料；脱氧剂为金属al；造渣材料为55wt.％cao、25wt.％al2o3、7wt.％mgo、3wt.％caf2、10wt.％sio2，其余为不可避免的杂质；在钢包底部吹入惰性气体对钢液进行搅拌，搅拌气体流量为200nl/min-500nl/min；精炼温度在1560℃-1670℃之间；当造渣材料完全熔化后，检测钢液成分，并根据检测结果加入适量的si、mn、cr、mo等合金元素；
[0052]
rh真空精炼：lf钢包精炼后将钢液送入rh真空精炼炉中进行真空处理；控制真空处理时间为15min-30min，控制真空度≤40pa；在钢水中加入含钛合金；在加入所述含钛合金前，取样分析钢液成分中的铝和氮含量；当所述钢液中铝的含量大于0.02wt％时，向钢包内的所述钢水中加入含钛合金，并控制钢水中ti含量为0.007-0.20wt％，n含量为0.002-0.007wt％；将钢水中ti/n质量比值控制在6-20；真空处理末期对钢液成分进行微调，将钢水中ti/mn质量比值控制在0.01-15；真空精炼后喂入硫线，并将ti/s质量比值控制在3-8；
[0053]
连铸：将所述rh真空精炼后的钢液在氩气保护下进行连续浇注得到铸坯；控制钢
液过热度为20-40℃；连铸拉坯速度为0.7-1.2m/min，结晶器电磁搅拌运行电流为250-280a，频率为2.5-3.5hz；
[0054]
轧制：将所述铸坯进行轧制；钢坯在加热炉的均热温度为1050-1300℃，开轧温度为1100-1150℃，终轧温度为900-1000℃。
[0055]
对比例2
[0056]
对比例2采用实施例2提供的硫系易切削钢制备工艺流程，区别在于，省略了本发明所述的调控硫系易切削钢中mns形态的方法，熔炼过程中并未加入含钛合金，对比例2得到钛含量极低的fas2225钢，钛含量＜0.0030wt％。
[0057]
采用扫描电镜对对比例2得到的钢进行金相组织观察。
[0058]
比较实施例2与对比例2中两种钢中的mns特征，结果如表2所示：
[0059]
表2实施例2与对比例2中钢中mns尺寸统计
[0060][0061]
表2的结果表明，实施例2的铸态钢中mns长度最大值从27.1μm减小到13.5μm、长宽比最大值从31.4减小到7.8；轧态钢中mns长度最大值从138.2μm减小到16.6μm、长宽比最大值从46.0减小到9.1，说明实施例2中的mns尺寸更小、长宽比更小。
[0062]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种调控硫系易切削钢中mns形态的方法，其特征在于，具体包括：制备硫系易切削钢的熔炼过程中：在钢水中加入含钛合金；控制钢水中ti含量为0.007-0.20wt％，n含量为0.002-0.01wt％；并将钢水ti/mn质量比值控制在0.01-15，将ti/n质量比值控制在6-20，将ti/s质量比值控制在2-10；熔炼结束后进行浇铸，钢水过热度控制在10-40℃。2.根据权利要求1所述的调控硫系易切削钢中mns形态的方法，其特征在于，所述硫系易切削钢中硫化物为双层结构硫化物，所述双层结构硫化物的心部为mns；所述双层结构硫化物的外层为tin。3.根据权利要求1所述的调控硫系易切削钢中mns形态的方法，其特征在于，按重量百分比计，所述硫系易切削钢的化学成分如下：c：0.01-0.95wt％；si≤0.90wt％；mn≤2.20wt％；p≤0.025wt％；s：0.01-0.35wt％；ti：0.007-0.20wt％；n：0.002-0.01wt％；cr≤1.50wt％；mo≤0.60wt％；v≤0.60wt％；ni≤0.60wt％；al≤0.05wt％；其余为fe和不可避免的杂质。

技术总结
本发明提供一种调控硫系易切削钢中MnS形态的方法，具体包括：制备硫系易切削钢的熔炼过程中：在钢水中加入含钛合金；控制钢水中Ti含量为0.007-0.20wt％，N含量为0.002-0.01wt％；并将钢水Ti/Mn质量比值控制在0.01-15，将Ti/N质量比值控制在6-20，将Ti/S质量比值控制在2-10；熔炼结束后进行浇铸，钢水过热度控制在10-40℃。本发明的技术方案解决了硫系易切削钢中MnS成型过程中发生变形呈长条形导致钢材出现各向异性从而降低钢材使用性能的问题。的问题。的问题。


技术研发人员：高小勇 张立峰 任强 陈威 朱坦华 任刚 鲁晓旭 肖国华 徐斌
受保护的技术使用者：北方工业大学 河钢股份有限公司邯郸分公司
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/8/28