CN113546966A - 一种减少硫系易切削钢表面凹坑的方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及金属加工领域，尤其涉及到一种减少硫系易切削钢表面凹坑的方法。其通过调整轧制前的加热制度，使得所述硫系易切削钢在轧制过程中处于低熔点硫化物的完全固溶区间并且所述硫系易切削钢的表面无液态低熔点硫化物，避免低熔点的硫化物析出和液化导致的表面凹坑；通过提高加热过程的加热速率，避免大量液态硫化亚铁的析出，进一步减少凹坑出现的概率。通过上述工艺的调整，缩短了总加热时间，提高了每小时的出钢量，增加了产能。

Description

一种减少硫系易切削钢表面凹坑的方法

技术领域

本申请涉及金属加工领域，具体而言，涉及到一种减少硫系易切削钢表面凹坑的方法。

背景技术

易切削钢是一种广泛应用的钢种，其通过控制钢中硫、磷、铅、钙、硒等元素的含量，获得良好的切削性能。目前，易切削钢主要可以分为硫系、铅系、钙系和复合碲、硒、钛系等种类，其中应用最广泛的是硫系易切削钢。硫的作用主要是改善钢材的切屑性能，要有好的易切屑性能，钢中硫化物的形态、分布是很关键的，经过工艺研究，为了达到此目的，必需保持较高含量的氧元素。韶钢生产的易切削钢中主要为MS1215牌号硫系易切削钢，因为含有高硫及高氧，表面质量的控制非常困难，一个比较容易出现表面质量问题是，该牌号的硫系易切削钢在轧制后容易在表面产生小凹坑。表面小凹坑对下游用户的使用带来不便，容易使最终产品出现不合格。

现有技术中，对硫系易切削钢的表面凹坑缺陷的专门研究很少，因此，亟需一种方法解决该技术问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种减少硫系易切削钢表面凹坑的方法，该方法可以减少硫系易切削钢在轧制时产生的表面以及内部缺陷，提高成品合格率。

本申请提供一种减少硫系易切削钢表面凹坑的方法，该方法通过调整轧制前的加热制度，使得硫系易切削钢在轧制过程中处于低熔点硫化物的完全固溶区间并且硫系易切削钢的表面无液态低熔点硫化物。

在上述方案中，将轧制过程控制在硫化物的完全固溶区间，硫化物充分溶解到铁基体中，减少因低熔点硫化物液化导致的硫系易切削钢轧制开裂或表面凹坑等缺陷。

在一种可选的方案中，低熔点硫化物为包含硫化锰、硫化亚铁之一的夹杂物或复合夹杂物。

在一种可选的方案中，加热制度为阶梯式加热。

在一种可选的方案中，阶梯式加热为两阶段阶梯式加热，包括第一加热阶段，第二加热阶段以及均热段。

在一种可选的方案中，硫系易切削钢的组分及含量为：C≤0.09％，Mn 0.75-1.05％，P 0.04-0.09％，S 0.26-0.40％，Cr≤0.30％，Ni≤0.30％，Cu≤0.30％，O 35-65ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。

在一种可选的方案中，硫系易切削钢加热步骤中的均热段温度为1200-1280℃，均热段的保温时间不小于45分钟，不超过85分钟。

在一种可选的方案中，第一加热阶段的具体方式为以不小于30℃/min的速率从室温加热至680-720℃，第二加热阶段为以不小于10℃/min的速率从680-720℃加热至1200℃-1280℃。

优选地，第一加热阶段的升温速率为30-60℃/min，第二加热阶段的升温速率为10-30℃/min。

在上述方案中，采用阶梯式加热，在相变点(约730℃)前快速加热，相变点后较慢加热，可清晰地观察到试样的原位变化。

在一种可选的方案中，均热温度为1240-1260℃，均热段的加热时间为45-60min。

本领域技术人员可以理解的是，该方法还包括在加热后的轧制工艺。

本申请提供的一种减少硫系易切削钢表面凹坑的方法，其有益效果在于：通过对硫系易切削钢加热工艺的调整，提高均热温度，限定高温保温时间，使硫系易切削钢在轧制时处于硫化物的完全固溶区间，避免低熔点的硫化物析出和液化导致的表面凹坑；通过提高加热过程的加热速率，避免大量液态硫化亚铁的析出，进一步减少凹坑出现的概率；通过上述工艺的调整，缩短了总加热时间，提高了每小时的出钢量，增加了产能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1：铸坯中硫化物尺寸和长宽比；

图2：1050℃保温前试样中夹杂物的形貌(a)，1050℃保温10min后试样中夹杂物的形貌(b)；

图3：1050℃保温10min后电镜图和能谱分析图；

图4：1100℃保温前试样中夹杂物的形貌(a)，1050℃保温10min后试样中夹杂物的形貌(b)；

图5：1100℃保温10min后电镜图片；

图6：1150℃保温前试样中夹杂物的形貌(a)，1150℃保温10min后试样中夹杂物的形貌(b)；

图7：1150℃保温10min后的电镜图；

图8：1200℃保温前试样中夹杂物的形貌(a)，1200℃保温10min后试样中夹杂物的形貌(b)；

图9：1200℃保温10min后的电镜图；

图10：1250℃保温前试样中夹杂物的形貌(a)，1250℃保温10min后试样中夹杂物的形貌(b)；

图11：1250℃保温10min后的电镜图；

图12：硫系易切削钢中低熔点硫化物转变示意图；

图13：实施例1的线材表面(a)，对比例1的线材表面(b)。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。以下“％”均指质量百分比。

本发明人关注硫系易切削钢表面质量的改进，并对此进行了大量的调查和研究。

硫系易切削钢由于含有较高的硫含量，其表面容易产生裂纹，结疤，劈裂，气孔和凹坑等缺陷。目前已知的技术对硫系易切削钢缺陷中的裂纹，结疤，劈裂，气孔等缺陷的研究较多，但是对于轧制中产生凹坑的研究很少。

本发明人针对硫系易切削钢在轧制过程中，容易产生表面凹坑的问题，首次进行了系统和深入研究：

(1)试验材料

试验材料为MS1215硫系易切削钢，其化学成分为C≤0.09％，Mn 0.75-1.05％，P0.04-0.09％，S 0.26-0.40％，Cr≤0.30％，Ni≤0.30％，Cu≤0.30％，O 35-65ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。

(2)铸坯中硫化物形貌分析

从连铸坯中取纵向试样，表面抛光后分别观察钢中硫化物形貌、测量硫化物尺寸。铸坯中硫化物基本呈球形或椭球形，平均尺寸约为6um，边部硫化物尺寸较小，芯部次之，1/4处最大。其中硫化物尺寸和长宽比如图1所示，铸坯中不存在长条状硫化锰，长条状硫化锰主要是在后续轧制过程中硫化物形变形成的。由于铸坯表面冷却速率大，促进硫化锰的析出，同时抑制硫化锰长大，形成细小分布的硫化物质点，随着凝固层的增加，冷却速率逐步降低，析出的硫化物逐渐长大。

(3)加热过程中硫化物转变机理

结合现有加热工艺，从铸坯上取样，制定不同的加热工艺，观察加热过程中硫化物的转变和形貌变化，试验方案分别为：将试样以30℃/min加热至700℃，以10℃/min加热至1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃，保温10min，然后以60℃/min冷却至常温。

按上述工艺进行试验，原位观察到的现象见图2-图11。

图2展示了1050℃下保温10min前后的金相图，可以发现，保温过程中MnS明显长大。图3展示了1050℃保温10min后电镜和能谱分析结果，从中可以看出，经过保温后的夹杂物为复合夹杂物，原MnS位置以带触角的MnO为主，而MnS/FeS则以碎块状分布于MnO外围，这是因为MnO膨胀系数较大，导致MnS/FeS外溢。另外，个别原MnS位置有球状MnO，这是因为钢水凝固时以MnO为形核形成长大为硫化物复合夹杂物。

图4展示了1100℃保温10min前后的金相图，图5展示了1100℃保温10min后电镜图片。从中可以看出，在1100℃下保温10min时，MnS迅速长大，此时，MnS边缘出现液态物质，保温后明显增多液态物质析出，带触角的MnO减少，部分MnS变成孔坑，MnS/FeS以碎块状(溢出状)分布于MnS孔坑外围外围。

图6展示了1150℃保温前和保温10min后的金相图片，图7展示了1150℃保温10min后的电镜图，在加热保温过程中观察到，在1150℃下保温10min时，在温度达到1077℃时，MnS出现触角。而在1122℃、1137℃左右观察到突然流出液体，MnS变成孔坑，孔坑外围为溢出状物为MnS/FeS，个别孔坑内有球状MnO。

图8展示了1200℃保温前和保温10min后的金相图片，图9展示了1200℃保温10min后的电镜图，在加热保温过程中观察到，在1200℃下保温10min时，1107℃～1176℃，MnS迅速长大，MnS边缘出现液态物质，1185℃～1200℃保温结束，MnS边缘液态溢出物质减少，1149℃、1160℃左右观察到突然流出液体，MnS变成孔坑，少量孔坑外围有溢出物。

图10展示了1250℃保温前和保温10min后的金相图片，图11展示了1250℃保温10min后的电镜图，在加热保温过程中观察到，在1250℃下保温10min时，1117℃～1183℃，MnS迅速长大，MnS边缘出现液态物质，1250℃，MnS边缘液态溢出物质减少，765℃有黑色点状物析出，751℃发生相变，析出的S在升温到1250℃过程中就基本溶入到基体了，在1250℃保温约4min测全部溶入，1141℃左右观察到突然流出液体，MnS全部变成孔坑，孔坑外围无溢出物，孔坑内残留少量硫化物。

从上述的试验可以发现：

硫系易切削钢中的夹杂物主要以三种方式存在：硫化锰、硫化锰与氧化物复合、硫化锰与氧化物和硫化亚铁复合。夹杂物随着温度升高，都有明显的长大过程。在1050℃时进行保温，夹杂物明显长大较多，变的更粗，在1100℃保温过程在MnS夹杂物边缘出现液态物质，保温后明显增多液态物质析出，通过电镜证明是含单质S的物质，说明硫化物有分解析出溶解现象。另外，夹杂物在1077℃左右有氧化“触角”形成，成分以MnO为主。

除了在1100℃下夹杂物的边缘产生液体物质外，有些夹杂物在升温到1122℃、1141℃、1147℃左右也突然观察到流出液体，说明夹杂物是复合夹杂物，成分不同熔点也不同，而且所述液体应该是低熔点的硫化物夹杂物，即以FeS为主的物质。

夹杂物中约1110℃开始有S向周边析出(电镜能谱证明了成分)，随着升温及保温，析出的硫又会溶入到基体中去，升温到1240℃时已经全部S溶入到基体中了。

升温到1050℃保温的工艺试验，试验结束后还是以夹杂物形式存在；升温到1100℃保温10min的工艺试验，试验结束后部分MnS变成孔坑。

本发明人对部分试样进行继续保温，示例性地，保温20min，结果发现形成孔坑的趋势更加明显，试验结束后大部分MnS都变成孔坑。在夹杂物变成孔坑内，有个别有球状MnO存在，说明原先的夹杂物是复合夹杂物，原球状MnO熔点高结合紧，所以不会熔化。

所以在上述温度区域轧制的线材可能会产生表面凹坑现象：因为在此区域硫化物全部分解，硫并未溶入基体中，这样表面就会不平整，并且表面成分含量也不同，形成氧化铁皮的厚度也可能不同，在轧制过程中就有可能形成表面凹坑现象；如果在硫已经完全溶入基体时的较高温度下轧制，则表面已经较平整、表面成分含量也相同了形成氧化铁皮的厚度也相同了，在轧制过程中就会形成平整的表面。

基于上述研究，发明人发现，硫系易切削钢中，随着加热温度的升高，其中的硫化物总体呈现出先逐渐长大，后固溶到钢基体中的现象。当加热温度达到析出区间的下限温度时，开始有液态的硫化物析出，其主要成分为硫化亚铁，当加热温度继续上升，达到析出区间的上限温度时，液态硫化物析出完毕。随着加热温度的逐渐增加，当温度达到固溶区间的下限温度时，硫化亚铁开始固溶，当温度达到固溶区间的上限温度时，固溶完毕(钢中硫化物的转变图如图12所示)。在不同温度下随着保温时间的延长，也呈现出硫化物先析出长大后固溶的现象，与加热温度呈现的规律一致，而硫化物对温度的敏感度远大于时间。

发明人发现，硫系易切削钢中的表面凹坑产生的主要原因在于，轧制时温度控制不当，例如在温度在析出区间或者温度在固溶区间或者在析出区间和固溶区间的中间区域，由于析出的低熔点液态硫化物没有完全固溶到基体中，则在轧制中，钢材的表面(也包括内部)始终存在液态物质，这种液态物质在轧制结束后将在钢材表面产生凹坑。

硫系易切削钢必定会存在夹杂物，夹杂物主要以三种方式存在：硫化锰、硫化锰与氧化物复合、硫化锰与氧化物和硫化亚铁复合；其中硫化亚铁夹杂物的熔点较低(其它的夹杂物熔点较高)，在一定的温度会发生熔化现象，如果在此温度下轧制，刚好在钢材表面有随机存在的硫化亚铁夹杂物存在，可能就会产生表面小凹坑。

因此，为了减少硫系易切削钢的表面凹坑，其方法的关键在于，控制硫系易切削钢在轧制过程中处于硫化物的完全固溶区间。在该完全固溶区间内，析出的液体硫化物将重新完全固溶到基体中，也就是说，在轧制过程中，硫系易切削钢的表面和内部均不存在液态低熔点夹杂物。

需要说明的是，所述完全固溶区间与钢种成分相关，不同的钢种，其完全固溶温度区间也不相同。此外，当温度较低时，可以通过长时间的保温使钢材中的硫化物达到完全固溶状态，当温度较高时，可以在较短时间内达到完全固溶状态。

为了提高作业效率，可以提高均热温度，从而缩短保温时间。

例如，将均热段温度设置为约1250℃，保温时间的下限设置由原来的60分钟缩短为45分钟，总加热时间由原来的100分钟缩短为85分钟。工艺调整后6.5mm至7.5mm规格轧制时小时出钢量由41支增加至46支，小时产量提高约10吨；8.0mm及以上规格轧制时小时出钢量由41支增加至50支，小时产量提高约18吨。增加产能的同时，也能获得较好的表面质量，表面凹坑的现象完全消失。

除了对保温温度和保温时间的控制外，为了生产提高效率，可以采用阶梯式加热的方式将硫系易切削钢加热到目标温度。

同时，为了避免大量的固溶硫的析出，在加热过程中，较快的加热速率是必须的。例如，第一加热阶段的具体方式为以不小于30℃/min的速率从室温加热至700℃，第二加热阶段为以不小于10℃/min的速率从700℃加热至1250℃-1280℃。示例性地，第一加热阶段以30℃/min、40℃/min、50℃/min、60℃/min的速率进行加热；第二加热阶段以10℃/min、20℃/min、30℃/min的速率进行加热。

实施例1

以MS1215硫系易切削钢为原材料，采用两阶段阶梯式加热方式进行加热，第一加热阶段以32℃/min的加热速率从室温加热到700℃，第二加热阶段以13℃/min的加热速率从700℃加热到1250℃，保温时间为50min，加热后的钢材进行轧制、冷却后，其表面如图13(a)所示，由于在该温度下进行保温后，可以确保轧制过程中钢材处于低熔点硫化物的完全固溶区间，因此，轧制之后的钢材表面非常平整，没有凹坑。

对比例1

同样以MS1215硫系易切削钢为原材料，采用两阶段阶梯式加热方式进行加热，第一加热阶段以30℃/min的加热速率从室温加热到700℃，第二加热阶段以10℃/min的加热速率从700℃加热到1150℃，保温时间为45min，加热后的钢材进行轧制、冷却后，其表面如图13(b)所示，由于在该温度下进行保温后，钢材在轧制过程中不处于低熔点硫化物的完全固溶区间，因此，轧制之后的钢材表面出现了凹坑。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种减少硫系易切削钢表面凹坑的方法，其特征在于，通过调整轧制前的加热制度，使得所述硫系易切削钢在轧制过程中处于低熔点硫化物的完全固溶区间并且所述硫系易切削钢的表面无液态低熔点硫化物。

2.根据权利要求1所述的一种减少硫系易切削钢表面凹坑的方法，其特征在于，所述低熔点硫化物为包含硫化锰、硫化亚铁之一的夹杂物或复合夹杂物。

3.根据权利要求1所述的一种减少硫系易切削钢表面凹坑的方法，其特征在于，所述加热制度为阶梯式加热。

4.根据权利要求3所述的一种减少硫系易切削钢表面凹坑的方法，其特征在于，所述阶梯式加热为两阶段阶梯式加热，包括第一加热阶段，第二加热阶段以及均热段。

5.根据权利要求4所述的一种减少硫系易切削钢表面凹坑的方法，其特征在于，所述硫系易切削钢的组分及含量为：C≤0.09％，Mn 0.75-1.05％，P 0.04-0.09％，S 0.26-0.40％，Cr≤0.30％，Ni≤0.30％，Cu≤0.30％，O 35-65ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。

6.根据权利要求5所述的一种减少硫系易切削钢表面凹坑的方法，其特征在于，所述均热段的加热温度为1200-1280℃，均热段的加热时间≥45min。

7.根据权利要求6所述的一种减少硫系易切削钢表面凹坑的方法，其特征在于，所述第一加热阶段的具体方式为以不小于30℃/min的速率从室温加热至680-720℃，所述第二加热阶段为以不小于10℃/min的速率从680-720℃加热至1200℃-1280℃。

8.根据权利要求7所述的一种减少硫系易切削钢表面凹坑的方法，其特征在于，所述均热温度为1240-1260℃，均热段的加热时间为45-60min。

9.根据权利要求7所述的一种减少硫系易切削钢表面凹坑的方法，其特征在于，所述第一加热阶段的升温速率为30-60℃/min，所述第二加热阶段的升温速率为10-30℃/min。

10.根据权利要求7所述的一种减少硫系易切削钢表面凹坑的方法，其特征在于，所述第二加热阶段和均热阶段的加热总时间为85-120min。

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