CN110129689A - 一种采用碲调控硫化物夹杂形态的非调制钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用碲调控硫化物夹杂形态的非调制钢及其制造方法，通过向钢液中添加少量碲元素达到调控MnS形态的效果，以较低的添加量及成本，来解决非调质钢中硫化物形状的问题，改善硫化物评级。在其含量控制范围中，当碲含量较低时，碲固溶于MnS中增加夹杂物硬度，保证在轧制过程中具有较小的变形量；碲含量高时，析出的MnTe附着在MnS表面，由于MnTe具有较低的表面能，能使MnS夹杂物球化，降低成品钢中长条形MnS夹杂物的比例，从而降低在锻制过程中MnS的变形量。成品中硫化物长宽比≤5，且长宽比在1～3的比例达到90％以上，显著减少了长条状或杆状硫化物，改善钢的切削性能，避免钢在形变时产生硫化物聚集。

Description

一种采用碲调控硫化物夹杂形态的非调制钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种非调制钢及其制造方法，具体涉及一种采用碲调控硫化物夹杂形态的非调制钢及其制造方法。

背景技术

非调质钢在生产过程中无需对产品进行热处理、矫直，简化了工艺操作，提高了产品成材率，降低能耗的同时减少了对环境的污染，故有“绿色钢材”之称。非调质钢主要应用于汽车曲轴、连杆等，这类零件要求具有较高的表面质量，为保证一定的切削性能，向非调质钢中引入S元素以改善钢的切削性能。因此钢中夹杂物以MnS为主。由于MnS夹杂物比钢基体软，因此在锻造(轧制)时会变成细长条，大尺寸长条形的MnS容易导致钢的各向异性，显著降低了钢材的横向力学性能，同时大量长条形MnS夹杂物聚集会导致汽车零部件加工通过性恶化。因此，调控硫化物形态，减轻锻造时钢中硫化物的长宽比，对改善非调质钢MnS夹杂物评级，提升汽车零部件加工通过性，具有重要意义。

控制MnS为主的硫化物夹杂的形态，主要措施为向钢中添加Ca、Mg、Zr等元素。例如，公开号CN 101255535A，名称为“易切削非调质钢及其制造方法”的专利申请中提出向钢中添加Ca-Si合金，钢中Ca含量在0.001～0.010％范围内，可有效改善非调质钢的切削性能。然而实际生产中由于Ca合金的收得率难以保证，操作困难，改质效果有待商榷。

公开号CN 107312908 A，名称为“一种非调质钢中改善MnS夹杂物形态的冶金方法”采取向钢中添加Zr元素的方法控制MnS形态，采取Zr脱氧，利用ZrO2作为凝固过程中MnS的异质形核核心，达到细化MnS的目的。但二氧化锆容易聚集，形成脆性夹杂物，对钢的性能会产生一定危害。

公开号CN 107557531 A，名称为“一种钡合金处理的非调质钢硫化物夹杂控制方法”提出向钢中添加0.0001-0.03％的钡合金，提高含硫非调质钢洁净度的同时，细化硫化物夹杂。钡与钙同族，且其活性更强，收得率较低，操作有困难。

公开号CN 107287504 A，名称为“含硫、碲的中碳易切削非调质钢及其生产工艺方法”采取碲元素主要为改进钢的切削性能，但其碲/硫配比为0.25～2.5，添加碲元素明显偏高，成本较高。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种采用碲调控硫化物夹杂形态的非调制钢，对钢中硫化物形态进行调控，降低硫化物的长宽比，改善硫化物评级，提升汽车零部件加工通过性及横向力学性能。

本发明的另一目的是提供一种上述非调制钢的制造方法。

技术方案：本发明所述的一种采用碲调控硫化物夹杂形态的非调制钢，该钢的元素组成以质量％计含有C：0.37-0.55％，Si：0.20-0.80％，Mn：0.85-1.60％，S：0.03-0.07％，Cr：0.1-0.2％，Ni：0-0.03％，Mo：0-0.05％，Te：0.0021-0.019％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；其中，Te、S、Mn的关系需满足0.40≥Te/S≥0.07，ω[Mn]/ω[S]≥15；钢中硫化物的长宽比≤5，且长宽比在1-3的硫化物比例在90％以上。

本发明确定各种元素的原理如下所述：

C是很强的间隙固溶强化元素，能强烈提高钢的强度。但是C含量増加会使钢中珠光体或脆性碳化物的比例增加，这不利于钢的韧塑性提高，因此为了保证钢具有较高的强度，同时保证其塑韧性，本发明控制C的含量为0.37～0.55wt.％。

Si能够提高钢的强度和硬度，还能够抑制碳化物的形成，增加残余奥氏体的稳定性，但是随着Si含量的增加，容易造成钢中生成马氏体组织，因此，本发明将Si含量控制在0.20～0.60wt.％。

Mn在钢中与铁互溶，形成固溶体，同时与C结合形成渗碳体，提高钢的强度和硬度。锰还能够推迟铁素体-珠光体的转变，并降低贝氏体的转变温度，有利于形成细晶组织，最终达到提高钢的强度和韧性的作用。锰的另一个作用是与钢中的S元素结合形成MnS夹杂物改善钢的切削性能。因此要求Mn/S大于等于15，使钢中主要为MnS夹杂物，减少了低熔点共晶物(Mn，Fe)S的产生，但是，钢的塑性和韧性会随着锰含量地增加明显降低。本发明设计Mn元素含量为0.85～1.60wt.％。

S元素主要作用是提升非调质钢的切削性能，其在钢中与锰元素形成MnS夹杂物，MnS夹杂物在切削时软化时切屑易于碎断，提升切削性能，同时MnS覆盖在刀具表面，保护刀具。由于非调质钢切削性要求高，要求有一定的S元素。本发明控制S含量为0.03～0.07wt.％。

Cr、Ni、Mo元素在非调质钢中的主要作用提升钢的强度同时保证钢的韧性。保证钢的各项性能。在本发明中，Cr、Ni、Mo元素等含量分别为Cr:0.1～0.2wt.％，Ni:0～0.03wt.％，Mo:0～0.05wt.％。

本发明中Te含量控制为0.0021％～0.019wt.％，在此范围内，Te元素含量较低时，碲固溶于MnS夹杂物中增加夹杂物硬度，保证其在轧制过程中具有较小的变形量。碲含量高时，析出的MnTe附着在MnS夹杂物表面，由于MnTe具有较低的表面能，能使MnS夹杂物球化，降低成品钢中长条形MnS夹杂物的比例，从而降低在轧制过程中MnS的变形量。当低于此含量范围时，碲对硫化物形态调控的效果不明显，椭球状夹杂物比例较低；当高于此含量范围时，改善效果增加也不明显，但高成本碲元素的加入量，会导致生产成本增加，且随着碲含量的增高，非调质钢潜在裂纹倾向及疲劳失效的可能性也会增加。

此外，由于碲对硫化物的改质作用与钢液中S、Mn的量有密切关系，钢中碲以MnTe形式存在，并且与MnS保持竞争性析出关系，因此，Te、S、Mn元素需要满足如下比例关系：0.40≥Te/S≥0.07，ω[Mn]/ω[S]≥15。

作为优选，该钢的元素组成以质量％计含有C：0.37-0.38％，Si：0.48-0.50％，Mn：1.2-1.35％，S：0.03-0.041％，Cr：0.15-0.17％，Ni：0-0.02％，Mo：0-0.03％，Te：0.0050-0.012％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

其中，Te、S、Mn的关系需满足0.29≥Te/S≥0.12，ω[Mn]/ω[S]≥29。

进一步的，该钢中的硫化物呈球形或纺锤形。

而对应于上述采用碲调控硫化物夹杂形态的非调制钢，本发明提供的一种制造方法所采用的工艺路线为EAF电弧炉冶炼→LF精炼→VD炉真空处理；在VD炉真空脱气后，向钢液中添加碲锰合金包芯线以调整MnS夹杂物形态。

其中，所述碲锰合金包芯线的药芯中碲的含量以质量百分比计为10-70％，余量为锰和不可避免的杂质元素；所述药芯被0.3-0.5mm的铁皮包裹。

有益效果：该非调制钢通过向钢液中添加少量碲元素达到调控MnS形态的效果，以较低的添加量及成本，来解决非调质钢中硫化物形状的问题，改善硫化物评级。在本发明的碲含量控制范围中，当碲含量较低时，碲固溶于MnS中增加夹杂物硬度，保证在轧制过程中具有较小的变形量；碲含量高时，会析出MnTe，且析出的MnTe附着在MnS夹杂物表面，由于MnTe具有较低的表面能，能使MnS夹杂物球化，降低成品钢中长条形MnS夹杂物的比例，从而降低在锻制过程中MnS的变形量。最终产品中硫化物长宽比≤5，且长宽比在1～3的比例达到90％以上，显著减少了长条状或杆状硫化物，改善钢的切削性能，避免钢在形变时产生硫化物聚集。

附图说明

图1是传统非调质钢金相中硫化物的形态；

图2是传统非调质钢中硫化物的扫描照片；

图3是实施例1中碲改质后的非调质钢的金相图片；

图4是实施例1中碲改质后的非调质钢的显微形貌；

图5是实施例2中碲改质后的非调质钢的金相图片；

图6是实施例2中碲改质后的非调质钢的显微形貌；

图7非调质钢实施例中硫化物长宽比统计；

图8是实施例3中碲改质后的非调质钢中硫化物的金相图片；

图9是实施例3中碲改质后的非调质钢中硫化物的显微形貌；

图10是实施例4中碲改质后的非调质钢中硫化物的金相图片；

图11是实施例4中碲改质后的非调质钢中硫化物的显微形貌；

图12是实施例5中碲改质后的非调质钢中硫化物的金相图片；

图13是实施例5中碲改质后的非调质钢中硫化物的显微形貌；

图14是实施例6中碲改质后的非调质钢中硫化物的金相图片；

图15是实施例6中碲改质后的非调质钢中硫化物的显微形貌；

图16是对比例1中碲改质后的非调质钢中硫化物的金相图片；

图17是对比例1中碲改质后的非调质钢中硫化物的显微形貌；

图18是对比例2中碲改质后的非调质钢中硫化物的金相图片；

图19是对比例2中碲改质后的非调质钢中硫化物的显微形貌；

图20是对比例3中碲改质后的非调质钢中硫化物的金相图片；

图21是对比例3中碲改质后的非调质钢中硫化物的显微形貌；

图22是对比例4中碲改质后的非调质钢中硫化物的金相图片；

图23是对比例4中碲改质后的非调质钢中硫化物的显微形貌。

具体实施方式

下面，结合实施例对本发明做进一步详细的说明。

实施例1：一种采用碲调控硫化物夹杂形态的非调制钢，采用100吨EAF电弧炉冶炼→LF精炼→VD炉真空处理，在VD炉真空脱气后，向钢液中添加药芯被0.3-0.5mm的铁皮包裹的碲锰合金包芯线以调整MnS夹杂物形态，该包芯线的药芯中碲的含量以质量百分比计为30％。。

具体的，该实施例中，非调制钢的元素组成以质量百分比计含有C：0.38％、Si：0.50％、Mn：1.20％、S：0.041％、Cr：0.15％、Ni：0.02％、Mo：0.03％、Te：0.0050％，余量为铁及不可避免的杂质。Te/S＝0.12，ω[Mn]/ω[S]＝29。

对得到的非调制钢进行分析，检测轧制后的MnS形态，并与传统不含Te轧材中MnS夹杂物进行对比。传统轧材金相中MnS宏观分布如附图1所示，MnS微观形貌如附图2所示；本实施例中轧材金相中MnS夹杂物宏观分布如附图3所示，MnS夹杂物微观形貌的扫描照片如附图4所示。可见，非调质钢中硫化物的形态明显改善，由原来的长条形转变为纺锤形或球形。经过测量，本实施例的钢中硫化物的长宽比≤5，且长宽比在1-3的硫化物比例在92％。

按国标GB/T10561-2005评级，钢中硫化物由原来的：粗系2.5级、细系3.5级，改善为：细系1.5级、粗系1.5级，效果显著。

实施例2：一种采用碲调控硫化物夹杂形态的非调制钢，采用100吨EAF电弧炉冶炼→LF精炼→VD炉真空处理，在VD炉真空脱气后，向钢液中添加药芯被0.3-0.5mm的铁皮包裹的碲锰合金包芯线以调整MnS夹杂物形态，该包芯线的药芯中碲的含量以质量百分比计为60％。。

具体的，该实施例中，非调制钢的元素组成以质量百分比计含有C：0.37％、Si：0.48％、Mn：1.35％、S：0.041％、Cr：0.17％、Ni：0.01％、Mo：0.02％、Te：0.012％，余量为铁及不可避免的杂质。Te/S＝0.29，ω[Mn]/ω[S]＝33。

对得到的非调制钢进行分析，检测轧制后的MnS形态，并与传统不含Te轧材中MnS夹杂物进行对比。本实施例中轧材金相中MnS夹杂物宏观分布如附图5所示，MnS夹杂物微观形貌的扫描照片如附图6所示。对比结果可见，非调质钢中硫化物的形态明显改善，由原来的长条形转变为纺锤形或球形。经过测量，本实施例的钢中硫化物的长宽比≤5，且长宽比在1-3的硫化物比例在95％。

按国标GB/T10561-2005评级，钢中硫化物由原来的：粗系2.5级、细系3.5级，改善为：细系1.0级、粗系1.5级，效果显著。

同时，在本发明的制造方法及各元素的控制范围内，还设置四组实施例，并对各组实施例的技术效果进行验证。

表1实施例3-6的元素质量百分比组成

表2实施例3-6的技术效果

根据实施例1-6，以本发明的元素组成控制范围及制造方法生产的非调制钢中，硫化物夹杂的形态均得到改善，当钢的元素组成以质量％计含有C：0.37-0.38％，Si：0.48-0.50％，Mn：1.2-1.35％，S：0.03-0.041％，Cr：0.15-0.17％，Ni：0-0.02％，Mo：0-0.03％，Te：0.0050-0.012％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，并且其中Te、S、Mn的关系需满足0.29≥Te/S≥0.12，ω[Mn]/ω[S]≥29时，对硫化物夹杂的形态具有更好的改善效果。

进一步的，还设置如下四组对比例，来突出本发明具有的优势。对比例中各元素组成以质量百分比计大致与实施例6一致，所不同的是Te的含量。

表3对比例1-4的元素质量百分比组成

其中，对比例1中不含有Te，按国标GB/T10561-2005评级，其硫化物仍为原来的粗系2.5级、细系3.5级，效果未有改善，金相中MnS宏观分布如附图16所示，MnS微观形貌如附图17所示。对比例2中加入了Te，但是加入量较少，Te/S仅为0.025，检测其MnS夹杂物形态仍旧以长条形为主，夹杂物长宽比甚至大于10，低于1-3的仅为25％，对形态的改善效果较差，金相中MnS宏观分布如附图18所示，MnS微观形貌如附图19所示。对比文件3加入的Te超出本发明的控制范围，Te/S达到0.75，其MnS夹杂物形态有所改善，但是改善效果相对已经变差，夹杂物长宽比可以达到6.5，其中在1-3的仅占74％，金相中MnS宏观分布如附图20所示，MnS微观形貌如附图21所示。对比文件4加入的Te远远超出本发明的控制范围，Te/S达到1.75，其MnS夹杂物形态也有所改善，硫化物的长宽比在1-3的占86％左右，金相中MnS宏观分布如附图22所示，MnS微观形貌如附图23所示，但是相对于其改善效果，Te加入量过高导致成本大大增加，经济性较差。

Claims (6)

1.一种采用碲调控硫化物夹杂形态的非调制钢，其特征在于，元素组成以质量％计含有C：0.37-0.55％，Si：0.20-0.80％，Mn：0.85-1.60％，S：0.03-0.07％，Cr：0.1-0.2％，Ni：0-0.03％，Mo：0-0.05％，Te：0.0021-0.019％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；其中，

Te、S、Mn的关系需满足0.40≥Te/S≥0.07，ω[Mn]/ω[S]≥15；

钢中硫化物的长宽比≤5，且长宽比在1-3的硫化物比例在90％以上。

2.根据权利要求1所述的采用碲调控硫化物夹杂形态的非调制钢，其特征在于，元素组成以质量％计含有C：0.37-0.38％，Si：0.48-0.50％，Mn：1.2-1.35％，S：0.03-0.041％，Cr：0.15-0.17％，Ni：0-0.02％，Mo：0-0.03％，Te：0.0050-0.012％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

3.根据权利要求2所述的采用碲调控硫化物夹杂形态的非调制钢，其特征在于，Te、S、Mn的关系需满足0.29≥Te/S≥0.12，ω[Mn]/ω[S]≥29。

4.根据权利要求1所述的采用碲调控硫化物夹杂形态的非调制钢，其特征在于，钢中的硫化物呈球形或纺锤形。

5.一种根据权利要求1-4任一项所述的采用碲调控硫化物夹杂形态的非调制钢的制造方法，其特征在于，所采用的工艺路线为EAF电弧炉冶炼→LF精炼→VD炉真空处理；在VD炉真空脱气后，向钢液中添加碲锰合金包芯线以调整MnS夹杂物形态。

6.根据权利要求5的制造方法，其特征在于，所述碲锰合金包芯线的药芯中碲的含量以质量百分比计为10-70％，余量为锰和不可避免的杂质元素；所述药芯被0.3-0.5mm的铁皮包裹。