CN113699447A - 一种含硫易切削钢及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种含硫易切削钢及其制备方法与应用，所述含硫易切削钢中的锰硫比为2.5‑3，本发明通过控制锰硫比，将钢中的S从FeS形态与FeO‑FeS共晶体转变成MnS，消除了S的热脆影响。且通过制备方法的控制，使含硫易切削钢中的硫主要以一类硫化物与三类硫化物的形式存在，且成型的MnS在钢材中分布均匀，保证了所得易切削钢的力学性能。
Description
技术领域
本发明属于炼钢技术领域，涉及一种易切削钢，尤其涉及一种含硫易切削钢及其制备方法与应用。
背景技术
易切削钢利用钢材中的硫、磷等元素的作用，改善了钢的切削加工性能，使易切削钢适用于普通机床或自动机床。与普通钢材相比，易切削钢可以延长刀具寿命，减少切削抗力，提高加工表面的光洁度，同时容易排除切屑。易切削钢可以分为硫系、铅系与钙系等类型，相对环保的硫系易切削钢用量越来越大。
钢中的硫元素与锰元素结合会产生硫化锰等产物，硫化锰是钢种最常见的非金属夹杂物之一，对于绝大多数钢来说，这种硫化物夹杂物作为钢的组成部分，它的尺寸、形状和分布严重影响着钢的性能；然而对于易切削钢来讲，硫化锰的存在是增加易切削性能的关键。为了提高易切削钢的性能，需要避免钢种细长条状的硫化物生成，需要使硫化物呈球状或纺锤状，MnS的形态与S、Mn、O、Al等元素的含量以及制备过程中的连铸、轧制温度的控制有关。
CN 108342664A公开了一种高碳硫系易切削钢及其生产方法，所述高碳硫系易切削钢化学成分组成及其质量百分含量为：C为0.43-0.48％，Mn为0.6-0.9％，Si为0.18-0.3％，S≥0.04％，P≤0.025％，Al为0.012-0.03％，其余为铁和不可避免的杂质；生产方法包括转炉冶炼、一次LF炉精炼、RH炉精炼、二次LF炉精炼、板坯连铸、铸坯供轧工序。其通过转炉工艺生产高碳硫系易切削钢，使钢种硫化物夹杂细小、弥散分布。但其需要两次LF炉精炼，提高了易切削钢的生产成本，而且其生产方法不适用于中碳易切削钢。
CN 110468253A公开了一种高硫易切削钢冶炼方法。所述冶炼方法包括：(1)转炉冶炼时采用少渣冶炼，不加白灰，不留渣；(2)出渣过程中控制净空在400-600mm；(3)加入硅钙钡铁，硅钙钡铁加入量控制在1.5-2kg/t，控制钢中氧含量，进而提供S收率；加入含硫铁水预处理渣，含硫铁水预处理渣加入量控制在15-20kg/t；(4)向LF精炼炉中加入100-400kg/t预熔硅灰石、100-300kg/t白灰小粒，顶渣碱度控制在1-2；(5)精炼合金化采用高碳锰铁、磷铁、硫铁调整成分；(6)搬出前定氧。上述技术方案利用钢水预处理拔除的渣替代部分硫铁和脱氧剂，节省了转炉溶剂的成本，但转炉与LF精炼时操作复杂。
CN 110129516A公开了一种控制低碳高硫易切削钢中硫化物形态的方法，包括如下步骤：(1)使用电炉冶炼控制出钢C质量百分数和出钢温度；(2)加入硅锰与低碳锰铁脱氧，加入硫化铁调整硫成分，加入石灰，控制电炉合金化后到达精炼炉初始氧含量100-200ppm；(3)精炼使用硅铁粉、脱氧造渣剂扩散脱氧，控制Si质量百分数≤0.03％，调整Mn质量百分数为1.05-1.33％，调整S质量百分数为0.3-0.38％，控制氧含量达到70-120ppm；(4)浇注后轧制成型。上述方法改善了钢中的硫化物形态，但只能处理单次重量不少于40吨的铁水，且扩散脱氧效率较低，不利于实际应用。
对此，需要提供一种成分便于控制，且制备方法简单易行的含硫易切削钢。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种含硫易切削钢及其制备方法与应用，所述含硫易切削钢通过控制其中的元素含量以及制备方法，使含硫易切削钢中的硫主要以一类硫化物与三类硫化物的形式存在，且成型的MnS在钢材中分布均匀，使所得易切削钢兼具切削性能与力学性能。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种含硫易切削钢，所述含硫易切削钢的锰硫比为2.5-3，例如可以是2.5、2.6、2.7、2.8、2.9或3，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明通过控制含硫易切削钢的锰硫比为2.5-3，将钢中的S从FeS形态与FeO-FeS共晶体转变成MnS，消除了S的热脆影响，为MnS在钢材中分布均匀提供了前提，有利于钢中的硫主要以一类硫化物与三类硫化物的形式存在。
优选地，以质量百分含量计，所述含硫易切削钢包括：C为0.36-0.4wt％，Al为0.015-0.018wt％，S为0.1-0.12wt％，Mn为0.25-0.35wt％，Si为0.3-0.4wt％，Cr为0.12-0.15wt％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
以质量百分含量计，所述含硫易切削钢中的C为0.36-0.4wt％，例如可以是0.36wt％、0.37wt％、0.38wt％、0.39wt％或0.4wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
以质量百分含量计，所述含硫易切削钢中的Al为0.015-0.018wt％，例如可以是0.015wt％、0.016wt％、0.017wt％或0.018wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
以质量百分含量计，所述含硫易切削钢中的S为0.1-0.12wt％，例如可以是0.1wt％、0.11wt％或0.12wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
以质量百分含量计，所述含硫易切削钢中的Mn为0.25-0.35wt％，例如可以是0.25wt％、0.27wt％、0.28wt％、0.3wt％、0.32wt％或0.35wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
以质量百分含量计，所述含硫易切削钢中的Si为0.3-0.4wt％，例如可以是0.3wt％、0.32wt％、0.35wt％、0.36wt％或0.4wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
以质量百分含量计，所述含硫易切削钢中的Cr为0.12-0.15wt％，例如可以是0.12wt％、0.13wt％、0.14wt％或0.15wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
含硫易切削钢中的硫含量与氧含量相关，而氧含量则与Al含量相关，因此，含硫易切削钢中的硫含量与铝含量的配合对最终所得含硫易切削钢的性能密切相关。本发明中，需要控制铝含量为0.015-0.018wt％，只有在该质量百分含量范围内，才能使硫化物主要以一类硫化物以及三类硫化物的形式存在，且在含硫易切削钢内分布均匀。
优选地，以质量百分含量计，所述不可避免的杂质包括P与N。
以质量百分含量计，所述含硫易切削钢中的P≤0.01wt％，N≤0.02wt％
第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述含硫易切削钢的制备方法，所述制备方法包括依次进行的：转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、方坯连铸、轧制与入坑缓冷；
所述LF精炼结束时喂入硫磺线调整S含量。
LF精炼开始时添加钙线形成渣系，若其中的S含量较高，则易形成过多的CaS，影响后续加工的进行。因此，需要在LF精炼过程中控制较低的S含量，而在LF精炼结束时再喂入硫磺线调整S含量。
优选地，所述转炉冶炼出钢时的终点氧≤500ppm，例如可以是200ppm、300ppm、400ppm或500ppm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，只要使转炉冶炼出钢时的终点氧≤500ppm即可；所述转炉冶炼出钢时的S含量≤0.01wt％，例如可以是50ppm、60ppm、70ppm、80ppm、90ppm或100ppm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
控制转炉冶炼出钢时的S含量≤0.01wt％，能够调控LF精炼时产生的CaS量，便于后续生产过程中首先析出CaS质点作为MnS的异质形核核心，减少了MnS的形核界面，获得了更好的硫化物形态。同时，还能够使较多的硫化物核心为硬度高于MnS的CaO-Al2O3，使一类硫化物在热处理过程中不易发生变形。
优选地，所述LF精炼开始时喂入铝线脱氧，保持LF精炼过程中的Al含量>0.014wt％，例如可以是0.015wt％、0.016wt％、0.017wt％或0.018wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述LF精炼采用渣系为Al2O3-CaO-SiO2，碱度控制为3-3.5，例如可以是3、3.1、3.2、3.3、3.4或3.5，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述LF精炼结束时吹氩脱氧，然后喂入硫磺线调整S含量。
优选地，所述RH精炼的真空度≤200Pa，例如可以是100Pa、120Pa、150Pa、180Pa或200Pa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，只要使RH精炼的真空度≤200Pa即可；真空保持时间为20-30min，例如可以是20min、21min、24min、25min、27min、28min或30min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述方坯连铸的过热度为10-20℃，例如可以是10℃、12℃、15℃、16℃、18℃或20℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明所述方坯连铸时的过热度不宜过高，超过20℃的过热度会降低所得含硫易切削钢的力学性能。
优选地，所述方坯连铸的比水量为0.1-0.2L/kg，例如可以是0.1L/kg、0.12L/kg、0.15L/kg、0.18L/kg或0.2L/kg，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；拉速为0.3-0.5m/min，例如可以是0.3m/min、0.35m/min、0.4m/min、0.45m/min或0.5m/min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述轧制的开轧温度为1080-1120℃，例如可以是1080℃、1090℃、1100℃、1110℃或1120℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；终轧温度为980-1000℃，例如可以是980℃、985℃、990℃、995℃或1000℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述入坑缓冷的温度为420-450℃，例如可以是420℃、430℃、440℃或450℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；入坑缓冷的时间为40-48h，例如可以是40h、42h、45h、46h或48h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
作为本发明第二方面所述制备方法的优选技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
(1)转炉冶炼：配方量的高炉钢水进行转炉冶炼，转炉冶炼出钢时的终点氧≤500ppm；
(2)LF精炼：所述LF精炼开始时喂入铝线脱氧，保持LF精炼过程中的Al含量>0.014wt％；LF精炼采用渣系为Al2O3-CaO-SiO2，碱度控制为3-3.5；LF精炼结束时吹氩脱氧，然后喂入硫磺线调整S含量；
(3)RH精炼：RH精炼的真空度≤200Pa，真空保持时间为20-30min；
(4)方坯连铸：方坯连铸的过热度为10-20℃，比水量为0.1-0.2L/kg，拉速为0.3-0.5m/min；
(5)轧制：轧制的开轧温度为1080-1120℃，终轧温度为980-1000℃；
(6)入坑缓冷至室温：入坑缓冷的温度为420-450℃，入坑缓冷的时间为40-48h。
第三方面，本发明提供了一种如第一方面所述含硫易切削钢用于汽车连杆的应用。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明通过控制含硫易切削钢的锰硫比为2.5-3，将钢中的S从FeS形态与FeO-FeS共晶体转变成MnS，消除了S的热脆影响，为MnS在钢材中分布均匀提供了前提，有利于钢中的硫主要以一类硫化物与三类硫化物的形式存在，且成型的MnS在钢材中分布均匀，保证了所得易切削钢的力学性能；
(2)控制转炉冶炼出钢时的S含量≤0.01wt％，能够调控LF精炼时产生的CaS量，便于后续生产过程中首先析出CaS质点作为MnS的异质形核核心，减少了MnS的形核界面，获得了更好的硫化物形态。同时，还能够使较多的硫化物核心为硬度高于MnS的CaO-Al2O3，使一类硫化物在热处理过程中不易发生变形。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例提供了一种含硫易切削钢，以质量百分含量计，所述含硫易切削钢包括：C为0.38wt％，Al为0.016wt％，S为0.11wt％，Mn为0.3wt％，Si为0.35wt％，Cr为0.14wt％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
所述不可避免的杂质包括P与N，以质量百分含量计，所述含硫易切削钢中的P≤0.01wt％，N≤0.02wt％。
所述含硫易切削钢的制备方法包括如下步骤：
(1)转炉冶炼：配方量的高炉钢水进行转炉冶炼，转炉冶炼出钢时的终点氧≤400ppm；所述转炉冶炼出钢时的S含量≤0.01wt％；
(2)LF精炼：所述LF精炼开始时喂入铝线脱氧，保持LF精炼过程中的Al含量>0.014wt％；LF精炼采用渣系为Al2O3-CaO-SiO2，碱度控制为3.2；LF精炼结束时吹氩脱氧，然后喂入硫磺线调整S含量；
(3)RH精炼：RH精炼的真空度为100Pa，真空保持时间为25min；
(4)方坯连铸：方坯连铸的过热度为15℃，比水量为0.15L/kg，拉速为0.4m/min；
(5)轧制：轧制的开轧温度为1100℃，终轧温度为990℃；
(6)入坑缓冷至室温：入坑缓冷的温度为440℃，入坑缓冷的时间为45h。
实施例2
本实施例提供了一种含硫易切削钢，以质量百分含量计，所述含硫易切削钢包括：C为0.36wt％，Al为0.015wt％，S为0.1wt％，Mn为0.25wt％，Si为0.3wt％，Cr为0.12wt％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
所述不可避免的杂质包括P与N，以质量百分含量计，所述含硫易切削钢中的P≤0.01wt％，N≤0.02wt％。
所述含硫易切削钢的制备方法包括如下步骤：
(1)转炉冶炼：配方量的高炉钢水进行转炉冶炼，转炉冶炼出钢时的终点氧≤300ppm；所述转炉冶炼出钢时的S含量≤0.01wt％；
(2)LF精炼：所述LF精炼开始时喂入铝线脱氧，保持LF精炼过程中的Al含量>0.014wt％；LF精炼采用渣系为Al2O3-CaO-SiO2，碱度控制为3；LF精炼结束时吹氩脱氧，然后喂入硫磺线调整S含量；
(3)RH精炼：RH精炼的真空度为133Pa，真空保持时间为20min；
(4)方坯连铸：方坯连铸的过热度为10℃，比水量为0.1L/kg，拉速为0.3m/min；
(5)轧制：轧制的开轧温度为1080℃，终轧温度为980℃；
(6)入坑缓冷至室温：入坑缓冷的温度为420℃，入坑缓冷的时间为48h。
实施例3
本实施例提供了一种含硫易切削钢，以质量百分含量计，所述含硫易切削钢包括：C为0.4wt％，Al为0.018wt％，S为0.12wt％，Mn为0.35wt％，Si为0.4wt％，Cr为0.15wt％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
所述不可避免的杂质包括P与N，以质量百分含量计，所述含硫易切削钢中的P≤0.01wt％，N≤0.02wt％。
所述含硫易切削钢的制备方法包括如下步骤：
(1)转炉冶炼：配方量的高炉钢水进行转炉冶炼，转炉冶炼出钢时的终点氧≤300ppm；所述转炉冶炼出钢时的S含量≤0.01wt％；
(2)LF精炼：所述LF精炼开始时喂入铝线脱氧，保持LF精炼过程中的Al含量>0.014wt％；LF精炼采用渣系为Al2O3-CaO-SiO2，碱度控制为3.5；LF精炼结束时吹氩脱氧，然后喂入硫磺线调整S含量；
(3)RH精炼：RH精炼的真空度为150Pa，真空保持时间为30min；
(4)方坯连铸：方坯连铸的过热度为20℃，比水量为0.2L/kg，拉速为0.5m/min；
(5)轧制：轧制的开轧温度为1120℃，终轧温度为1000℃；
(6)入坑缓冷至室温：入坑缓冷的温度为450℃，入坑缓冷的时间为40h。
实施例4
本实施例提供了一种含硫易切削钢，所述含硫易切削钢的元素组成与实施例1相同。
所述含硫易切削钢的制备方法中，除步骤(1)所述转炉冶炼出钢时S的含量为0.012wt％外，其余均与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供了一种含硫易切削钢，所述含硫易切削钢的元素组成与实施例1相同。
所述含硫易切削钢的制备方法中，除步骤(4)所述方坯连铸时的过热度为30℃外，其余均与实施例1相同。
实施例6
本实施例提供了一种含硫易切削钢，所述含硫易切削钢的元素组成与实施例1相同。
所述含硫易切削钢的制备方法中，除步骤(4)所述方坯连铸时的比水量为0.25L/kg外，其余均与实施例1相同。
实施例7
本实施例提供了一种含硫易切削钢，所述含硫易切削钢的元素组成与实施例1相同。
所述含硫易切削钢的制备方法中，除步骤(5)所述轧制时的终轧温度为950℃外，其余均与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供了一种含硫易切削钢，以质量百分含量计，所述含硫易切削钢包括：C为0.38wt％，Al为0.016wt％，S为0.11wt％，Mn为0.35wt％，Si为0.35wt％，Cr为0.14wt％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
所述不可避免的杂质包括P与N，以质量百分含量计，所述含硫易切削钢中的P≤0.01wt％，N≤0.02wt％。
所述含硫易切削钢的制备方法与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供了一种含硫易切削钢，以质量百分含量计，所述含硫易切削钢包括：C为0.38wt％，Al为0.016wt％，S为0.11wt％，Mn为0.25wt％，Si为0.35wt％，Cr为0.14wt％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
所述不可避免的杂质包括P与N，以质量百分含量计，所述含硫易切削钢中的P≤0.01wt％，N≤0.02wt％。
所述含硫易切削钢的制备方法与实施例1相同。
对比例3
本对比例提供了一种含硫易切削钢，除含硫易切削钢中Al的质量百分含量为0.013wt％外，其余均与实施例1相同。
对比例4
本对比例提供了一种含硫易切削钢，除含硫易切削钢中Al的质量百分含量为0.02wt％外，其余均与实施例1相同。
对实施例1-7以及对比例1-4提供的含硫易切削钢的力学性能及切削性能进行测试，力学性能按照本领域常规方法测试抗拉强度、屈服强度以及延伸率；切削性能按照GB/T8731-2008公开的方法测试刀具寿命、试样表面粗糙度以及断屑性能；所得结果如表1所示。
表1
综上所述，本发明通过控制含硫易切削钢的锰硫比为2.5-3，将钢中的S从FeS形态与FeO-FeS共晶体转变成MnS，消除了S的热脆影响，为MnS在钢材中分布均匀提供了前提，有利于钢中的硫主要以一类硫化物与三类硫化物的形式存在，且成型的MnS在钢材中分布均匀，保证了所得易切削钢的力学性能；控制转炉冶炼出钢时的S含量≤0.01wt％，能够调控LF精炼时产生的CaS量，便于后续生产过程中首先析出CaS质点作为MnS的异质形核核心，减少了MnS的形核界面，获得了更好的硫化物形态。同时，还能够使较多的硫化物核心为硬度高于MnS的CaO-Al2O3，使一类硫化物在热处理过程中不易发生变形。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种含硫易切削钢，其特征在于，所述含硫易切削钢的锰硫比为2.5-3。
2.根据权利要求1所述的含硫易切削钢，其特征在于，以质量百分含量计，所述含硫易切削钢包括：C为0.36-0.4wt％，Al为0.015-0.018wt％，S为0.1-0.12wt％，Mn为0.25-0.35wt％，Si为0.3-0.4wt％，Cr为0.12-0.15wt％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的含硫易切削钢，其特征在于，所述不可避免的杂质包括P与N；
以质量百分含量计，所述含硫易切削钢中的P≤0.01wt％，N≤0.02wt％。
4.一种如权利要求1-3任一项所述含硫易切削钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括依次进行的：转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、方坯连铸、轧制与入坑缓冷；
所述LF精炼结束时喂入硫磺线调整S含量。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述转炉冶炼出钢时的终点氧≤500ppm；
优选地，所述转炉冶炼出钢时的S含量≤0.01wt％；
优选地，所述LF精炼开始时喂入铝线脱氧，保持LF精炼过程中的Al含量>0.014wt％；
优选地，所述LF精炼采用渣系为Al2O3-CaO-SiO2，碱度控制为3-3.5；
优选地，所述LF精炼结束时吹氩脱氧，然后喂入硫磺线调整S含量。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述RH精炼的真空度≤200Pa，真空保持时间为20-30min。
7.根据权利要求4-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述方坯连铸的过热度为10-20℃；
优选地，所述方坯连铸的比水量为0.1-0.2L/kg，拉速为0.3-0.5m/min。
8.根据权利要求4-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述轧制的开轧温度为1080-1120℃，终轧温度为980-1000℃；
优选地，所述入坑缓冷的温度为420-450℃，入坑缓冷的时间为40-48h。
9.根据权利要求4-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)转炉冶炼：配方量的高炉钢水进行转炉冶炼，转炉冶炼出钢时的终点氧≤500ppm；所述转炉冶炼出钢时的S含量≤0.01wt％；
(2)LF精炼：所述LF精炼开始时喂入铝线脱氧，保持LF精炼过程中的Al含量>0.014wt％；LF精炼采用渣系为Al2O3-CaO-SiO2，碱度控制为3-3.5；LF精炼结束时吹氩脱氧，然后喂入硫磺线调整S含量；
(3)RH精炼：RH精炼的真空度≤200Pa，真空保持时间为20-30min；
(4)方坯连铸：方坯连铸的过热度为10-20℃，比水量为0.1-0.2L/kg，拉速为0.3-0.5m/min；
(5)轧制：轧制的开轧温度为1080-1120℃，终轧温度为980-1000℃；
(6)入坑缓冷至室温：入坑缓冷的温度为420-450℃，入坑缓冷的时间为40-48h。
10.一种如权利要求1-3任一项所述含硫易切削钢用于汽车连杆的应用。
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