[发明专利]一种同时提高硫系易切削结构钢机械性能和切削性能的硫化物变性方法

说明书

本发明提供一种同时提高硫系易切削结构钢机械性能和切削性能的硫化物变性方法，是在钢水脱氧、去夹杂、调温等精炼功能完成后，向硫系易切削结构钢钢水中添加含锆合金，使钢水的化学成分（质量百分含量）满足：[C]=0.2~0.5%，[Si]=0.1~0.7%，[Mn]=0.5~2.0%，[Al]=0.01~0.05%，[S]=0.03~0.2%，[Zr]=0.03~0.15%，[N]≤0.005%、全氧(T.O)≤0.005%，余为铁和杂质。本发明利用锆与硫元素之间较强的亲和能力，将钢中簇状的MnS或(Mn,Fe)S夹杂转变为离散分布的(Mn,Zr)S夹杂，降低了硫化物夹杂在铸态组织中的聚集程度，限制了硫化物在热变形过程中的延伸变形能力，将轧（锻）态的硫化物形貌由长带状转变为纺锤状，改善了硫系易切削结构钢中的硫化物夹杂形貌和分布。由此，达到同时提高机械性能和改善切削性能之目的。

技术领域

本发明属于炼钢技术领域，涉及硫系易切削结构钢，具体涉及通过改善硫化物形态而使得硫系易切削结构钢的机械性能和切削性能得到协调提升。

背景技术

机械结构钢是用来制造各种机械零部件，例如轴类、齿轮、紧固件、弹簧、轴承等的深脱氧钢种，这些零部件在使用过程中需承受较大的载荷，并且载荷往往非常复杂，要求零部件具有足够高的强度，良好的塑性、冲击韧性和较好的疲劳性能。同时，制造上述机械零部件一般需要进行大量的机械加工，因此，还要求其具有良好的切削加工性能。目前提高切削性能最常用的方法为使钢水增硫，这种钢种即为硫系易切削结构钢。该钢种最主要的技术难点和研究重点在于机械性能与切削加工性能的协调。在深脱氧的硫系易切削结构钢中，硫化物夹杂以沿晶界分布的簇状或大颗粒状MnS或(Mn,Fe)S的形式存在，这种硫化物具有非常强的变形能力，往往沿钢基体的变形方向延伸成长带状，甚至还保留铸态硫化物的簇状特征。这种形貌和分布的硫化物夹杂不利于零部件机械性能和使用性能的提升，带来了性能的方向性，也不利于切削性能潜力的发挥。同步提高硫系易切削结构钢机械性能和切削性能的关键技术在于使产品中的硫化物夹杂分布均匀、尺寸细小、形貌纺锤。

目前，有很多学者研究了钙和稀土等强硫化物形成元素对硫系易切削钢中夹杂物形态的变性效果。但在硫含量较高的钢水中加入钙或稀土，会在钢水浇注之前就析出大量的高熔点硫化物——硫化钙或硫化稀土，严重降低了钢水的浇注能力，阻碍了工业规模化生产。因此，采用钙或稀土来处理硫系易切削结构钢的技术手段还仅仅局限于实验室研究，未见成功的工业规模运用实例。锆与硫也具有较强的亲和能力，但远弱于钙和稀土，而强于锰，硫化锆在钢水凝固过程中析出，不会因高熔点硫化锆的析出而恶化钢水浇注能力。

美国专利US 6649125 B2公布了一种用锆或(和)钛来控制钢中硫化物形态而提高切削加工性能和降低工件粗糙度的方法，该专利提出Zr、Ti质量百分含量的控制范围为0.01~3.0wt%，T.O质量百分含量的控制范围为0.0005~0.005wt%。该专利（US 6649125 B2）涉及的是成分（质量百分含量）范围为C=0.03~0.2wt%、Mn=0.5~3.0wt%、P=0.02~0.4wt%、S=0.2~1.0wt%、Pb<0.01wt%的低碳硫系自动机用钢钢种，该钢种对切削性能要求非常高，而对机械性能则无严格要求，一般用于制造钟表指针、眼镜架、皮带扣等在使用过程中无需承受较大、复杂载荷的产品。该专利（US 6649125 B2）在低碳硫系自动机用钢中加锆或钛的目的是使钢中同时生成MnS和碳硫化物夹杂，从而实现提高刀具寿命和工件表面质量的目的。但是，只有对钢水进行重度的锆或钛合金化时，才会生成碳硫化物夹杂，增加了生产成本；钢中的碳硫化物夹杂容易以板条状的形式存在，以牺牲钢材韧性为代价，提高了钢的切削加工性能。该专利（US 6649125 B2）还特意使钢水含磷，进一步提升切削性能，但是会进一步使钢变脆，提升韧脆转变温度。综上，该专利（US 6649125 B2）的发明思路仅适用于对机械性能要求不严格的低碳硫系自动机用钢，而不适用于对机械性能要求严格的易切削结构钢。