本發明屬于煉鋼

　　技術領域：

　　，涉及硫系易切削結構鋼，具體涉及通過改善硫化物形態而使得硫系易切削結構鋼的機械性能和切削性能得到協調提升。

　　背景技術：

　　：機械結構鋼是用來制造各種機械零部件，例如軸類、齒輪、緊固件、彈簧、軸承等的深脫氧鋼種，這些零部件在使用過程中需承受較大的載荷，并且載荷往往非常復雜，要求零部件具有足夠高的強度，良好的塑性、沖擊韌性和較好的疲勞性能。同時，制造上述機械零部件一般需要進行大量的機械加工，因此，還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為使鋼水增硫，這種鋼種即為硫系易切削結構鋼。該鋼種最主要的技術難點和研究重點在于機械性能與切削加工性能的協調。在深脫氧的硫系易切削結構鋼中，硫化物夾雜以沿晶界分布的簇狀或大顆粒狀mns或(mn,fe)s的形式存在，這種硫化物具有非常強的變形能力，往往沿鋼基體的變形方向延伸成長帶狀，甚至還保留鑄態硫化物的簇狀特征。這種形貌和分布的硫化物夾雜不利于零部件機械性能和使用性能的提升，帶來了性能的方向性，也不利于切削性能潛力的發揮。同步提高硫系易切削結構鋼機械性能和切削性能的關鍵技術在于使產品中的硫化物夾雜分布均勻、尺寸細小、形貌紡錘。目前，有很多學者研究了鈣和稀土等強硫化物形成元素對硫系易切削鋼中夾雜物形態的變性效果。但在硫含量較高的鋼水中加入鈣或稀土，會在鋼水澆注之前就析出大量的高熔點硫化物——硫化鈣或硫化稀土，嚴重降低了鋼水的澆注能力，阻礙了工業規模化生產。因此，采用鈣或稀土來處理硫系易切削結構鋼的技術手段還僅僅局限于實驗室研究，未見成功的工業規模運用實例。鋯與硫也具有較強的親和能力，但遠弱于鈣和稀土，而強于錳，硫化鋯在鋼水凝固過程中析出，不會因高熔點硫化鋯的析出而惡化鋼水澆注能力。美國專利us6649125b2公布了一種用鋯或(和)鈦來控制鋼中硫化物形態而提高切削加工性能和降低工件粗糙度的方法，該專利提出zr、ti質量百分含量的控制范圍為0.01~3.0wt%，t.o質量百分含量的控制范圍為0.0005~0.005wt%。該專利（us6649125b2）涉及的是成分（質量百分含量）范圍為c=0.03~0.2wt%、mn=0.5~3.0wt%、p=0.02~0.4wt%、s=0.2~1.0wt%、pb<0.01wt%的低碳硫系自動機用鋼鋼種，該鋼種對切削性能要求非常高，而對機械性能則無嚴格要求，一般用于制造鐘表指針、眼鏡架、皮帶扣等在使用過程中無需承受較大、復雜載荷的產品。該專利（us6649125b2）在低碳硫系自動機用鋼中加鋯或鈦的目的是使鋼中同時生成mns和碳硫化物夾雜，從而實現提高刀具壽命和工件表面質量的目的。但是，只有對鋼水進行重度的鋯或鈦合金化時，才會生成碳硫化物夾雜，增加了生產成本；鋼中的碳硫化物夾雜容易以板條狀的形式存在，以犧牲鋼材韌性為代價，提高了鋼的切削加工性能。該專利（us6649125b2）還特意使鋼水含磷，進一步提升切削性能，但是會進一步使鋼變脆，提升韌脆轉變溫度。綜上，該專利（us6649125b2）的發明思路僅適用于對機械性能要求不嚴格的低碳硫系自動機用鋼，而不適用于對機械性能要求嚴格的易切削結構鋼。專利cn102912185a公布了一種高強度易切削鋼合金化用的鉍鋯合金，該合金中含有部分鋯。該發明專利的技術核心是通過向鋼中添加鉍來改善鋼的切削性能。可見，鋼切削性能的改善主要是鉍元素帶來的，而非鋯之功。但是由于鉍的收得率低，且鉍危害了鋼的機械性能，因此，向鋼水中加入鋯的主要作用是利用鋯元素來提高鉍的收得率和通過改善夾雜物形態來彌補鋼的機械性能缺陷。該專利并未提及鋯改性硫化物形態，而起到同時提高切削性能和機械性能的作用。對本專利不具有任何啟發意義。文獻（bhattacharyad.effectofsulfurandzirconiumonthemachinabilityandmechanicalpropertiesofaisi1045steels[j].metallurgicalandmaterialstransactionsa,1981,12(6):973-985.）在硫含量為0.04wt%、0.09wt%、0.12wt%的中碳鋼中加入鋯，使得鋯含量分別為0.15wt%、0.19wt%、0.17wt%，鋼中的夾雜物形態和機械性能得到了改善，但是鋼的切削加工性能幾乎未見好轉。這可能是由于鋼中的氧含量和氮含量較高，分別為0.007~0.008wt%、0.009~0.011wt%，生成了大量的高硬質zro2和zrn夾雜，不利于切削性能的提高，也有可能該文獻中的鋯、硫含量并未達到最佳的匹配組合，未能使得切削性能顯著改善。關于通過采用鋯處理來變性硫系易切削結構鋼的硫化物夾雜形態，進而協調機械性能和切削性能的相關技術，還未見到相關專利公布和文獻報道，暫處于研究空白領域。技術實現要素：針對現有技術存在的上述不足和空缺，本發明的目的就在于提供一種可同時提高硫系易切削結構鋼機械性能和切削性能的硫化物變性方法，采用鋯處理來變性硫系易切削結構鋼的硫化物夾雜形態，進而達到協調機械性能和切削性能的目的。為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：一種同時提高硫系易切削結構鋼機械性能和切削性能的硫化物變性方法，其特征在于，包括如下步驟：在鋼水脫氧、去夾雜和調溫等精煉功能完成后，向鋼水中添加含鋯合金，其含鋯合金的添加量為鋼水總量的0.03~0.15wt%；所述鋼水為硫系易切削結構鋼鋼水，鋼水的化學成分wt%為：[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%，余量為fe和雜質。同時，為了保證硫化物的變性效果，進一步防止有害夾雜物對鋼性能的影響，要求：t.o質量百分含量低于0.005%；進一步保證硫化物夾雜的變性效果，防止析出粗大的zrn而惡化鋼材的力學和切削性能，鋼中氮的質量百分含量低于0.005%。針對硫系易切削結構鋼，提供了能夠改善機械性能，同時兼顧切削加工性能的硫化物變性方法。本方案通過向鋼中加入適量的鋯合金，使得含硫低氧鋼水在凝固初期形成硫化鋯夾雜，由于硫化鋯可與硫化錳進一步形成(mn,zr)s固溶體夾雜，使得沿晶界聚集分布的棒狀硫化物夾雜變性為離散分布的顆粒狀夾雜，極大改善了鑄態鋼中硫化物夾雜的形貌和分布，同時由于硫化物中固溶了zr元素，降低了硫化物的熱塑性，促進了熱軋（鍛）棒中的硫化物夾雜紡錘化，從而提高了鋼材的機械性能和切削性能。當鋯的質量百分含量低于0.03%時，鋼中硫化物的鋯含量非常低，無法起到改善鑄態硫化物夾雜分布和限制硫化物夾雜熱變形的作用；然而當鋯的質量百分含量高于0.15%后，鋼中容易形成大顆粒的硫化鋯和沿晶界分布的zr-fe薄膜，在增加生產成本的同時還惡化了硫化物形態，不利于鋼機械性能和切削性能的提升，因此鋯質量百分含量的合適范圍為0.03~0.15%。鋯元素屬于強烈的氧化物和氮化物形成元素，只有當鋼中的氧含量和氮含量降低到較低含量水平時，鋯才有機會與硫元素作用，發揮變性硫化物的冶金功能。如果鋼中的t.o含量過高，會生成大量的簇狀zro2夾雜，將鋼中的t.o質量百分含量控制在0.005%以內，可明顯減少zro2夾雜的數量，抑制簇狀zro2夾雜的生成；如果鋼中氮的質量百分含量高于0.005%時，在鋼水凝固過程中有析出大尺寸zrn的可能性。不管是zro2夾雜還是zrn夾雜都屬于高硬度夾雜物，這些夾雜的存在都會降低鋼的機械性能和切削性能。因此，向鋼水中加入含鋯合金之前，必須對鋼水進行深脫氧，使脫氧夾雜充分上浮，同時采用相應的控氮措施，以增加鋯合金的有效利用率，降低生成成本，提高鋼材性能。相比現有技術，本發明具有如下有益效果：1、本發明利用鋯與硫元素之間較強的親和能力，將鋼中簇狀的mns或(mn,fe)s夾雜轉變為離散分布的(mn,zr)s夾雜，降低了硫化物夾雜在鑄態組織中的聚集程度，限制了硫化物在熱變形過程中的延伸變形能力，將軋（鍛）態的硫化物形貌由長帶狀轉變為紡錘狀，改善了硫系易切削結構鋼中的硫化物夾雜形貌和分布。由此，達到同時提高機械性能和改善切削性能之目的。2、本發明提出t.o和氮含量的控制目標，并提出了鋼水精煉過程中的鋯合金化時機和方式，盡量減少與氧、氮結合的鋯含量，使鋯元素盡可能與硫元素結合形成(mn,zr)s硫化物，使鋯處理效果達到最佳化和經濟化。3、本發明針對硫系易切削結構鋼，提出合理的鋯處理強度，保證了硫化物變性效果，達到同時改善鋼材機械性能和切削性能的目的。4、與鈣、稀土處理手段相比，鋯處理手段可避免因產生高熔點硫化物而引起的浸入式水口堵塞問題。附圖說明圖1是本發明實施例1的鑄態鋼錠中的夾雜形貌和分布圖；圖2是本發明實施例1的熱鍛棒中夾雜物的形貌特征圖；圖3是本發明實施例1的調質鋼棒室溫沖擊性能與鋯含量的關系圖；圖4是本發明實施例1的調質鋼棒室溫沖擊性能方向性與鋯含量的關系圖；圖5是車削本發明實施例1的調質鋼棒時硬質合金刀具后刀面磨損速率與鋼棒鋯含量的關系圖。具體實施方式下面通過實施例，對本發明的技術方案作進一步詳細說明。一種同時提高硫系易切削結構鋼機械性能和切削性能的硫化物變性方法，包括如下步驟：在鋼水脫氧、去夾雜和調溫等精煉功能完成后，向鋼水中添加含鋯合金，其含鋯合金的添加量為鋼水總量的0.03~0.15wt%；所述鋼水為硫系易切削結構鋼鋼水，鋼水的化學成分wt%為：[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%，余量為fe和雜質。加入含鋯合金后，鋼水的化學成分wt%滿足：[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%，余量為fe和雜質。實施例1：在真空感應爐上熔煉出不同鋯含量的硫系易切削結構鋼鋼水，采用mgo質坩堝。根據一般的硫系易切結構鋼的鋼種成分要求，在工業純鐵中加入適量的單質硅和鋁粒，以達到深脫氧的目的；當鋼水熔化均勻后，再加入石墨、硫化亞鐵調整碳、硫含量，最后加入電解錳和海綿鋯，鋼水攪拌3min后，注入直徑為130mm、高度約為300mm的鋼錠模中，凝固冷卻后破空。鋼水成分基體為fe，其余成份如表1所示。表1.鋼水中主要元素的質量百分含量/wt%編號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圖1示出了鋼錠中的硫化物夾雜的形貌和分布特征。從圖1中可看出，隨著鋼中鋯的質量百分含量的增加，硫化物形貌先由聚集型的條簇狀夾雜（mns或(mn,fe)s）轉變為離散分布的顆粒狀夾雜（(mn,zr)s固溶體））；然而，當鋯的質量百分含量高于0.15%后，鋼中開始出現數量較多，尺寸較大的白色顆粒狀夾雜，經能譜檢測發現，這種夾雜為硫化鋯。當鋯的質量百分含量高于0.15%后，在二維平面和斷口還可分別觀察到板條狀夾雜和沿晶界分布的薄片狀夾雜，這類夾雜為zr-fe合金相。由于鋼錠中的t.o和氮的質量百分含量均低于0.005%，在鋼錠中未觀察到簇狀的或單獨的zro2夾雜，也未發現大尺寸的zrn夾雜。圖2示出了鋼錠經熱鍛后的夾雜物形態特征，圖中的鋼平面平行于鋼熱變形方向。從圖2中可看出，隨著鋼中鋯含量的增加，鍛態夾雜物的聚集程度明顯減弱；當鋯的質量百分含量大于0.039%時，夾雜物的長寬比明顯減小，基本達到了紡錘化的目的，鋼中灰黑色的夾雜物即為(mn,zr)s固溶體夾雜；當鋯的質量百分含量大于0.15%后，棒材中出現了白色串鏈狀夾雜，這是由硫化鋯和zr-fe合金相在熱變形過程碎裂而形成的。調質態鋼棒的室溫拉伸性能與鋯含量無明顯關系，但沖擊韌性和沖擊韌性的方向性，以及切削性能與鋯含量密切相關。圖3和圖4分別示出了沖擊韌性、沖擊韌性的方向性與鋯含量的關系。由圖3和圖4中可見，對硫系易切削結構鋼進行合適的鋯處理能提高沖擊韌性，降低沖擊韌性的方向性，合適的鋯含量（質量百分數）為0.03~0.15%。圖5為鋯含量對硬質合金刀具后刀面磨損速率的影響，可見當鋼中鋯的質量百分含量處于上述范圍（0.03~0.15%）時，還可顯著降低后刀面的磨損速率，提高切削加工性能。通過實施例1可知，采用合適的鋯處理強度，將鋯的質量百分含量控制在0.03~0.15%范圍內，可使得[s]≈0.1%的硫系易切削結構鋼中的硫化物形態控制合理，能同時改善鋼的機械性能和切削性能。實施例2：在鋼鐵企業按以下冶煉模式進行了工業試驗。鋼水的精煉工藝流程為bof→lf→vd→cc，在出鋼過程采用鋁脫氧，并加入石灰和cao-al2o3系預熔渣進行渣洗，在lf爐喂入鋁線進行深脫氧和微調鋁含量，同時調整其他合金成分，加大底吹攪拌鋼渣促進脫氧夾雜上浮和變性，vd爐抽真空脫氣，先后喂入硫磺芯線和si-zr合金芯線，軟吹20~30min后，吊往連鑄平臺進行澆注。單中間包的鋼水連澆能力可穩定達到6爐以上，澆注過程中未發生浸入式水口蓄瘤的現象。針對多個硫系易切削結構鋼種進行了上述工業試驗，鋼包容量為50~150t，鋼種的成分范圍（質量百分含量）覆蓋：[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%，其中鋯含量為0.03~0.15%，[n]≤0.005%、全氧(t.o)≤0.005%，余量為fe和雜質。與原產品相比，鑄坯中和軋材中的硫化物形貌和分布得到了顯著改善，軋材中a類夾雜的評級由原產品的4.0級降低至現有的2.5級以下，軋材中的紡錘夾雜物比例提高了30%以上，軋材的室溫沖擊韌性提升20%以上，沖擊韌性的方向性降低了35%以上，車削加工所用的硬質合金刀具壽命至少提升10%。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。當前第1頁12

　　技術特征：

　　技術總結

　　本發明提供一種同時提高硫系易切削結構鋼機械性能和切削性能的硫化物變性方法，是在鋼水脫氧、去夾雜、調溫等精煉功能完成后，向硫系易切削結構鋼鋼水中添加含鋯合金，使鋼水的化學成分（質量百分含量）滿足：[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%，余為鐵和雜質。本發明利用鋯與硫元素之間較強的親和能力，將鋼中簇狀的MnS或(Mn,Fe)S夾雜轉變為離散分布的(Mn,Zr)S夾雜，降低了硫化物夾雜在鑄態組織中的聚集程度，限制了硫化物在熱變形過程中的延伸變形能力，將軋（鍛）態的硫化物形貌由長帶狀轉變為紡錘狀，改善了硫系易切削結構鋼中的硫化物夾雜形貌和分布。由此，達到同時提高機械性能和改善切削性能之目的。

　　技術研發人員：王謙;郭銀濤;何生平

　　受保護的技術使用者：重慶大學

　　技術研發日：2017.05.05

　　技術公布日：2017.10.13