[發明專利]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

有效

• 申請號: 201710313045.8
• 申請日: 2017-05-05
• 公開（公告）號: CN107245662B
• 公開（公告）日: 2019-03-01
• 發明（設計）人: 王謙;郭銀濤;何生平
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: C22C38/14
• 分類號: C22C38/14;C22C38/60;C22C38/02;C22C38/04;C22C38/06;C21C7/06;C21C7/10;C21C7/00
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司 50212
• 代理人: 張先蕓

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。

技術領域

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US 6649125 B2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（US 6649125 B2）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（US 6649125 B2）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（US 6649125 B2）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（US 6649125 B2）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。