[发明专利]用于钢中硫化物球化和分散的复合添加剂及使用方法

说明书

技术领域

本发明属于冶炼技术领域。尤其涉及一种用于钢中硫化物球化和分散的复合添加剂及使用方法。

背景技术

众所周知，提高钢的切削性的元素有S、Pb、Se、Te、Bi、Ca、Ti等。最早研制出来的是添加硫的易切削钢。美国从1920年开始将其用于汽车零件，日本在1940年前后，该钢种出现于JES标准，1952年纳入JIS标准。含硫易切削钢以及S、P、N、Pb等元素的复合系易切削钢统称为硫系易切削钢，按用途可以分为：注重切削性的硫系以及含硫复台系易切削钢；以机械性能为重点并增加易切削性的机械结构用硫系易切削钢。MnS提高切削性的作用如下：(1)内应力集中源，(2)润滑作用，(3)抑制积屑瘤作用，(4)减轻磨擦。为了提高切削性，还可以考虑加入P、Pb、Te、Bi等。对于机械结构用钢来说，为了提高钢的纯净度和调整晶粒度，要在钢液中加入铝，而其中一部分铝以Al₂O₃的形式残存于钢中。由于Al₂O₃非常硬，在用超硬工具或金属陶瓷工具切削时会因磨擦而增加损耗。

对于一般结构钢种而言，在室温下钢中硫化物对钢的强度影响不大，但其含量及形态对钢的韧性(如断面收缩率和冲击韧性等)，特别是低温韧性却有很大影响。对大多数钢种来说，硫含量增加会降低钢的性能。在热加工温度下，MnS夹杂物很容易被延展成长条状，从而造成钢韧性的各向异性。硫化物夹杂组成对产品性能也有明显影响，硫化锰夹杂在轧制时很容易变形，硫化钙较硬、实际上在轧制中不变形。硫化物有产生氢诱发裂纹的可能性。因为氢很容易被拉长的MnS夹杂诱捕，而使其减轻对氢诱发裂纹的抵抗力。钢的焊接性、可加工性、机械性等还受钢中硫化物夹杂的类型和数量的影响。钢中呈网状存在的硫化物会造成钢的热脆性。

由上述分析可以看出：不管是对易切削钢有利的硫化物，还是对韧性不利的硫化物，都必须对硫化物的形态、大小和分布进行有效控制，才能生产有利的作用和效果。

对硫化物可以起到球化作用的元素有以下几种：

(1)钙：钙在钢中可优先于锰与硫结合形成硫化钙，硫化锰和硫化钙在1170℃以上完全互溶。硫化锰中溶解的钙量愈高愈近球状，为无规则分布。在炼钢过程中，钢液处理阶段添加钙，形成CaS(Ca、Mn)S。

(2)碲：碲稍固溶于硫化锰中，同时碲化锰和硫化锰常呈共晶生长在一起。固溶碲后的硫化锰和硫化锰-碲化锰两相夹杂物，都呈球状。在MnS周围析出的MnTe，在热轧时起着稍滑性皮膜的作用，抑制MnS的固体变形，形成椭球形，碲易切削钢也是除提高械性能和冷加工性能以外，还能使工具钢寿命大幅度延长。硒也有与碲类似的功能与效果。

(3)镁：镁也有球化硫化物的效果。但是它不便加入钢中，故尚未在工业生产中得到实际应用。

(4)稀土：稀土元素与硫的亲和力比锰更强，可以取代锰形成RES，同时稀土元素在硫化锰中的固溶度甚高，RES和固溶稀土的硫化锰多成为球状。

上述镁、稀土、钙、碲四种元素在基体铁中的固溶度都非常低。这些元素能使硫化物球化的原因是这些元素的硫化物对钢基体的润湿性低，界面能高，接触角大，故成球状。

为了改善钢的切削性能，除了上述方法外，还有以下方法：

(1)铅：因为铅不溶于钢中，而是以细颗粒状弥散于钢基体中和分布在MnS夹杂物的尖端。为改善钢的切削加工性要求钢中的最低铅含量为0.35％。

(2)铋：铋是无毒元素.可用来取代铅加入易切削钢中。铋的密度较铅小，更接近于铁，这意味着铋在钢水中的偏析程度低于铅。采用铋取代硫和铅作为改善切削性的添加元素，不会损害钢的力学性能，也没有污染问题。

但是，上述各种方法存在如下缺点：

一、对于钙处理的钢

传统钢与钙处理钢之间在切削力方面并没有显著的差异，且在切削可处理性和表面光洁度方面也与基本钢没有差别；另外，钙的加入方式比较复杂：一是在钢包中通过喷枪以喷射法向钢水中加钙；另一种是用包芯钢丝喂入法加钙。

二、对于碲和硒处理的钢

(1)这两种元素价格都很高；(2)都具有毒性；(3)碲还会在轧制时引起热脆性。

三、对于镁处理的钢

由于镁很轻，单独加入钢水时很难加入，并且收得率低。

四、对于稀土处理的钢