CN110055374A - 一种外加氧化物控制易切削钢硫化物形态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金领域，具体涉及一种外加氧化物控制易切削钢硫化物形态的方法，步骤包括：向钢液中同时加入硫源和低熔点区氧化物。具体为将硫源与低熔点区氧化物的混合物作芯料、低碳钢作包芯管，制作而成的硫线加入钢液中；或者，将以硫源为芯料、低碳钢为包芯管的硫线和以低熔点区氧化物为芯料、低碳钢为包芯管的氧化物线同时加入钢液中。低熔点区氧化物包括Al₂O₃‑SiO₂‑MnO、CaO‑Al₂O₃‑SiO₂及Na₂O‑Al₂O₃‑SiO₂中任意一种或组合。本发明方法喂硫线时添加的氧化物可控制硫化物的析出，改善硫化物的形态，提高刀具寿命，节约生产成本，协同提高硫系易切削钢的机械性能和切削性能，具有极好的经济效益。

Description

一种外加氧化物控制易切削钢硫化物形态的方法

技术领域

本发明属于冶金领域，具体涉及一种外加氧化物控制易切削钢硫化物形态的方法。

背景技术

易切削钢在切削过程中能够有效降低切削抗力、减缓刀具磨损、提高作业效率，在机械行业得到了越来越广泛的应用。硫系易切削钢是目前应用最广的易切削钢种。硫系易切削钢切削性能的改善主要源于硫化物破坏了基体的连续性使切屑易断，以及润滑刀具降低了刀具磨损，其中硫化物的形态对易切削钢的切削性能以及机械性能都有较大影响。目前国内市场常用的易切削钢中存在很多长带状硫化物，长带状硫化物会显著降低钢材的横向机械性能，因此，国内的硫系易切削钢仍然存在机械性能和切削性能不易于协调控制的难点。相对于长带状的硫化物，近圆形或纺锤形的硫化物有利于获得更好的切削性能，并且对机械性能影响较小。

为了控制硫化物的析出形态，目前的主流方法是在硫系易切削钢中添加合金(Ca、Mg)或者稀土元素对硫化物进行改质，其机理为通过形成的脱氧产物作为硫化物的形核核心，从而得到形态较好的硫化物并提高其分布均匀性，如添加钙和镁改善硫化物的形态(CN105671434A)。但是，这种方法只适用于低硫易切削钢。对中、高硫易切削钢进行同类处理工艺时(钙处理或者稀土处理时)，钢液中会生成大量的高熔点硫化物(CaS、MgS或者硫化稀土)，严重恶化了钢水的浇铸性能，阻碍了大规模生产的进程。另外，Mg合金收得率低且熔点低，大幅度增加了冶炼成本和操作危险系数。为避免此类问题，现有专利(CN107245662B)提出通过锆处理对硫化物形貌进行控制的方法，但是，锆处理对于锆的添加量要求严格，过高或者过低都不能达到改质效果，另外，目前各学者提出的锆处理添加量推荐范围，理论依据不足，不具备普遍适用性。

刀具的寿命是评价钢材切削性能的重要指标。低速切削时，刀具的主要破坏形式为后刀面磨损，钢材中近球形的夹杂物应力集中效应大，易于断屑，有利于获得高的刀具寿命。高速切削时，刀具的主要破坏形式是前刀面磨损，钢材中存在的低熔点、高粘度及玻璃态的氧化物夹杂能润滑刀具和切屑的接触面，有利于提高刀具寿命。应用热力学模型控制钢夹杂物以提高低碳易切削钢的机械加工性能(Application of thermodynamic modelfor inclusion control in steelmaking to improve the machinability of lowcarbon free cutting steelsSteel,Research International,2004,75(5):314-321.)指出通过调整钢液成分，可获得润滑刀具和切屑接触面的低熔点氧化物夹杂。这种方法的难点是氧化物的类型、数量及尺寸很难实现精准控制，不同钢种铝和氧的控制范围差别大，钢材质量稳定性不好，并且长条形硫化物对钢材机械性能的危害没有得到缓解。

硫系易切削钢的增硫方法主要有硫磺直接加入法、工业纯硫化亚铁粉加入法、硫磺或硫化亚铁合金芯线加入法等。其中芯包喂线加硫法具有操作简单、增硫工艺时间短及污染小等优点而获得了较为广泛的应用，但是无法控制所形成的硫化物形貌。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种外加氧化物控制易切削钢硫化物形态的方法，该方法为芯包喂线加硫法，喂硫线时添加氧化物，不仅改善硫化物形态为近圆形或纺锤形，不危害机械性能，还可以形成氧化物润滑膜提高刀具的寿命和切削性能，通过氧化物外加控制硫化物的形态，具有类型、成分及尺寸可控、针对性强及稳定性好等优点。外加氧化物控制易切削刚中硫化物的形态不仅协同提高钢的机械性能和切削性能，还具有极好的经济效益。

本发明的技术方案为，一种外加氧化物控制易切削钢硫化物形态的方法，步骤包括：向钢液中同时加入硫源和低熔点区氧化物。

加入硫源和低熔点区氧化物后，钢液中硫元素的质量为0.04％～0.6％，钢液中氧元素的质量为100～150ppm，硫元素与氧元素的质量比为1：0.04～0.38。

加入硫源和低熔点区氧化物后，以机械性能为主切削性能为辅的易切削钢，钢液中硫元素质量为0.04％～0.15％；其他种类易切削钢，钢液中硫元素质量为0.2％～0.6％，优选0.2％～0.4％。

加入硫源和低熔点区氧化物后，低硫易切削钢，钢液中硫元素与氧元素的质量比为1：0.1～0.38；中高硫易切削钢，钢液中硫元素与氧元素的质量比为1：0.04～0.08。

易切削钢中全氧主要来自氧化物，游离氧含量极少，通常视氧化物中氧含量为易切削钢中全氧含量，故，加入硫源和低熔点区氧化物后，低熔点区氧化物含量即为钢液中氧元素的含量，为100～150ppm；钢液中硫元素与低熔点区氧化物中氧元素的质量比为1：0.04～0.38。

具体地，将硫源与低熔点区氧化物的混合物作芯料、低碳钢作包芯管，制作而成的硫线加入钢液中；或者，将以硫源为芯料、低碳钢为包芯管的硫线和以低熔点区氧化物为芯料、低碳钢为包芯管的氧化物线同时加入钢液中。

硫源为硫磺或二硫化亚铁(FeS₂)。

低熔点区氧化物的粒径小于5μm，低熔点区氧化物包括Al₂O₃-SiO₂-MnO、CaO-Al₂O₃-SiO₂及Na₂O-Al₂O₃-SiO₂中任意一种或组合。Al₂O₃-SiO₂-MnO中各氧化物的质量为ω(Al₂O₃)＝5％～25％，ω(SiO₂)＝30％～55％，ω(MnO)＝30％～58％。CaO-Al₂O₃-SiO₂中各氧化物的质量为ω(CaO)＝20％～50％，ω(Al₂O₃)＝10％～30％，ω(SiO₂)＝30％～70％；或者ω(CaO)＝45％～70％，ω(Al₂O₃)＝25％～55％，ω(SiO₂)＝0％～15％。Na₂O-Al₂O₃-SiO₂中各氧化物的质量为ω(Na₂O)＝26％～45％，ω(Al₂O₃)＝0％～10％，ω(SiO₂)＝55％～74％。

低熔点区氧化物加入钢液前进行硫化热处理，步骤包括：将低熔点区氧化物置于硫蒸气气氛中硫化热处理。具体地，采用NBD-O1200型可编程控制的石英管式炉对低熔点区氧化物进行硫化热处理。硫化热处理既可以增加低熔点区氧化物与钢液的润湿性避免颗粒团聚，又可以增加氧化物上硫化物的形核位点。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

1.相较于现有技术内加金属单质控制生成目标脱氧产物，本发明采用的氧化物外部加入法，氧化物类型已知，克服脱氧生成的氧化物类型不稳定及难以精准控制的缺陷；硫化物附着在氧化物外侧，附着厚度2μm左右，通过加入的氧化物尺寸控制硫化物尺寸，具有可控性好、针对性强、适用范围广等优点。

2.采用本发明方法冶炼的硫系易切削钢中，无需添加其他合金元素，节约生产成本。

3.采用本发明方法生产的硫系易切削钢，硫化物能够很好的与氧化物复合，形貌为近圆形及纺锤形，协同提高了易切削钢的切削性能和机械性能。

4.相较于添加Ca合金对硫化物进行变性处理，本发明可避免因产生高熔点的硫化物带来的浸入式水口堵塞问题。

5.相较于添加Mg合金对硫化物进行变性处理，本发明生产成本低，安全性高。

6.本发明氧化物在加入钢液前进行表面的硫化热处理，改善氧化物与钢液的润滑性，改善外加氧化物的团聚现象，使得加入钢液的氧化物能够均匀分布、易于硫化物复合及形成自润滑膜。

本发明外加氧化物控制易切削钢硫化物形态的方法，通过在喂硫线时添加氧化物，控制易切削钢中硫化物形态为纺锤形或圆形，解决现有技术硫系易切削钢长带状硫化物形态导致机械性能横向异性的问题，提高硫系易切削钢的切削性能和机械性能，低成本，高效益。

附图说明

图1为实施例1MnS在xAl₂O₃·SiO₂(x＝0～10％)上复合析出成近球形扫描电镜图。

图2为实施例2MnS在xAl₂O₃·SiO₂(x＝30～40％)上复合析出成近球形扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

1、将xAl₂O₃·SiO₂(x＝4～10％)粉末用酒精清洗，烘干机烘干；采用BT-2001(湿法)型激光粒度分布仪测量球磨后的氧化物尺寸，选取<5μm的xAl₂O₃·SiO₂(x＝4～10％)粉末；选择纯度为99％颗粒为200目的铁粉，碳硫分析仪分析其硫含量为90ppm；将纯铁粉、锰粉、xAl₂O₃·SiO₂(x＝4～10％)粉末、Fe₂S粉末按一定比例混合，利用液压机将混料压制成块，块状混合物中，硫元素的质量控制在0.2％～0.4％，氧元素的含量控制在100～150ppm，硫元素与氧元素的质量比为1：0.04～0.08，在MoSi2高温竖式管式炉中进行熔炼。

2、熔炼得到的样品，镶嵌后采用常规机械磨抛工艺对样品表面进行处理，利用扫描电镜研究MnS与xAl₂O₃·SiO₂(x＝4～10％)的复合析出特征，如图1所示，MnS包裹在xAl₂O₃·SiO₂(x＝4～10％)的外层，形貌为近球形，实现了硫化物形态的改质。

实施例2

1、将xAl₂O₃·SiO₂(x＝30～40％)粉末用酒精清洗，烘干机烘干；采用BT-2001(湿法)型激光粒度分布仪测量球磨后的氧化物尺寸，选取<5μm的xAl₂O₃·SiO₂(x＝30～40％)粉末；选择纯度为99％颗粒为200目的铁粉，碳硫分析仪分析其硫含量为90ppm；将纯铁粉、锰粉、xAl₂O₃·SiO₂(x＝30～40％)粉末、Fe₂S粉末按一定比例混合，利用液压机将混料压制成块，块状混合物中，硫元素的质量控制在0.2％～0.4％，氧元素的含量控制在100～150ppm，硫元素与氧元素的质量比为1：0.04～0.08，在MoSi2高温竖式管式炉中进行熔炼。

2、熔炼得到的样品，镶嵌后采用常规机械磨抛工艺对样品进行表面处理，利用扫描电镜研究MnS与xAl₂O₃·SiO₂(x＝30～40％)的复合析出特征，如图2所示，MnS包裹在xAl₂O₃·SiO₂(x＝30～40％)的外层，形貌为近球形，实现了硫化物形态的改质。

本发明中外加的氧化物能够成功与MnS复合，形成圆形或者纺锤形夹杂。

Claims (9)

1.一种外加氧化物控制易切削钢硫化物形态的方法，其特征在于，步骤包括：向钢液中同时加入硫源和低熔点区氧化物。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，加入硫源和低熔点区氧化物后，钢液中硫元素的质量为0.04％～0.6％，钢液中氧元素的质量为100～150ppm，硫元素与氧元素的质量比为1：0.04～0.38。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，加入硫源和低熔点区氧化物后，钢液中低熔点区氧化物的氧元素质量为100～150ppm，硫元素与氧元素的质量比为1：0.04～0.38。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，加入硫源和低熔点区氧化物后，以机械性能为主切削性能为辅的易切削钢，钢液中硫元素质量为0.04％～0.15％；其他种类易切削钢，钢液中硫元素质量为0.2％～0.6％。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，加入硫源和低熔点区氧化物后，低硫易切削钢，钢液中硫元素与氧元素的质量比为1：0.1～0.38；中高硫易切削钢，钢液中硫元素与氧元素的质量比为1：0.04～0.08。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将硫源与低熔点区氧化物的混合物作芯料、低碳钢作包芯管，制作而成的硫线加入钢液中；或者将以硫源为芯料、低碳钢为包芯管的硫线和以低熔点区氧化物为芯料、低碳钢为包芯管的氧化物线同时加入钢液中。

7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，低熔点区氧化物加入钢液前进行硫化热处理，步骤包括：将低熔点区氧化物置于硫蒸气气氛中硫化热处理。

8.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，低熔点区氧化物的粒径小于5μm，低熔点区氧化物包括Al₂O₃-SiO₂-MnO、CaO-Al₂O₃-SiO₂及Na₂O-Al₂O₃-SiO₂中任意一种或组合。

9.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，硫源为硫磺或二硫化亚铁。