本發(fā)明屬于煉鋼
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及硫系易切削結(jié)構(gòu)鋼，具體涉及通過(guò)改善硫化物形態(tài)而使得硫系易切削結(jié)構(gòu)鋼的機(jī)械性能和切削性能得到協(xié)調(diào)提升。
背景技術(shù)：
：機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼是用來(lái)制造各種機(jī)械零部件，例如軸類、齒輪、緊固件、彈簧、軸承等的深脫氧鋼種，這些零部件在使用過(guò)程中需承受較大的載荷，并且載荷往往非常復(fù)雜，要求零部件具有足夠高的強(qiáng)度，良好的塑性、沖擊韌性和較好的疲勞性能。同時(shí)，制造上述機(jī)械零部件一般需要進(jìn)行大量的機(jī)械加工，因此，還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為使鋼水增硫，這種鋼種即為硫系易切削結(jié)構(gòu)鋼。該鋼種最主要的技術(shù)難點(diǎn)和研究重點(diǎn)在于機(jī)械性能與切削加工性能的協(xié)調(diào)。在深脫氧的硫系易切削結(jié)構(gòu)鋼中，硫化物夾雜以沿晶界分布的簇狀或大顆粒狀mns或(mn,fe)s的形式存在，這種硫化物具有非常強(qiáng)的變形能力，往往沿鋼基體的變形方向延伸成長(zhǎng)帶狀，甚至還保留鑄態(tài)硫化物的簇狀特征。這種形貌和分布的硫化物夾雜不利于零部件機(jī)械性能和使用性能的提升，帶來(lái)了性能的方向性，也不利于切削性能潛力的發(fā)揮。同步提高硫系易切削結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械性能和切削性能的關(guān)鍵技術(shù)在于使產(chǎn)品中的硫化物夾雜分布均勻、尺寸細(xì)小、形貌紡錘。目前，有很多學(xué)者研究了鈣和稀土等強(qiáng)硫化物形成元素對(duì)硫系易切削鋼中夾雜物形態(tài)的變性效果。但在硫含量較高的鋼水中加入鈣或稀土，會(huì)在鋼水澆注之前就析出大量的高熔點(diǎn)硫化物——硫化鈣或硫化稀土，嚴(yán)重降低了鋼水的澆注能力，阻礙了工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)。因此，采用鈣或稀土來(lái)處理硫系易切削結(jié)構(gòu)鋼的技術(shù)手段還僅僅局限于實(shí)驗(yàn)室研究，未見成功的工業(yè)規(guī)模運(yùn)用實(shí)例。鋯與硫也具有較強(qiáng)的親和能力，但遠(yuǎn)弱于鈣和稀土，而強(qiáng)于錳，硫化鋯在鋼水凝固過(guò)程中析出，不會(huì)因高熔點(diǎn)硫化鋯的析出而惡化鋼水澆注能力。美國(guó)專利us6649125b2公布了一種用鋯或(和)鈦來(lái)控制鋼中硫化物形態(tài)而提高切削加工性能和降低工件粗糙度的方法，該專利提出zr、ti質(zhì)量百分含量的控制范圍為0.01~3.0wt%，t.o質(zhì)量百分含量的控制范圍為0.0005~0.005wt%。該專利（us6649125b2）涉及的是成分（質(zhì)量百分含量）范圍為c=0.03~0.2wt%、mn=0.5~3.0wt%、p=0.02~0.4wt%、s=0.2~1.0wt%、pb<0.01wt%的低碳硫系自動(dòng)機(jī)用鋼鋼種，該鋼種對(duì)切削性能要求非常高，而對(duì)機(jī)械性能則無(wú)嚴(yán)格要求，一般用于制造鐘表指針、眼鏡架、皮帶扣等在使用過(guò)程中無(wú)需承受較大、復(fù)雜載荷的產(chǎn)品。該專利（us6649125b2）在低碳硫系自動(dòng)機(jī)用鋼中加鋯或鈦的目的是使鋼中同時(shí)生成mns和碳硫化物夾雜，從而實(shí)現(xiàn)提高刀具壽命和工件表面質(zhì)量的目的。但是，只有對(duì)鋼水進(jìn)行重度的鋯或鈦合金化時(shí)，才會(huì)生成碳硫化物夾雜，增加了生產(chǎn)成本；鋼中的碳硫化物夾雜容易以板條狀的形式存在，以犧牲鋼材韌性為代價(jià)，提高了鋼的切削加工性能。該專利（us6649125b2）還特意使鋼水含磷，進(jìn)一步提升切削性能，但是會(huì)進(jìn)一步使鋼變脆，提升韌脆轉(zhuǎn)變溫度。綜上，該專利（us6649125b2）的發(fā)明思路僅適用于對(duì)機(jī)械性能要求不嚴(yán)格的低碳硫系自動(dòng)機(jī)用鋼，而不適用于對(duì)機(jī)械性能要求嚴(yán)格的易切削結(jié)構(gòu)鋼。專利cn102912185a公布了一種高強(qiáng)度易切削鋼合金化用的鉍鋯合金，該合金中含有部分鋯。該發(fā)明專利的技術(shù)核心是通過(guò)向鋼中添加鉍來(lái)改善鋼的切削性能。可見，鋼切削性能的改善主要是鉍元素帶來(lái)的，而非鋯之功。但是由于鉍的收得率低，且鉍危害了鋼的機(jī)械性能，因此，向鋼水中加入鋯的主要作用是利用鋯元素來(lái)提高鉍的收得率和通過(guò)改善夾雜物形態(tài)來(lái)彌補(bǔ)鋼的機(jī)械性能缺陷。該專利并未提及鋯改性硫化物形態(tài)，而起到同時(shí)提高切削性能和機(jī)械性能的作用。對(duì)本專利不具有任何啟發(fā)意義。文獻(xiàn)（bhattacharyad.effectofsulfurandzirconiumonthemachinabilityandmechanicalpropertiesofaisi1045steels[j].metallurgicalandmaterialstransactionsa,1981,12(6):973-985.）在硫含量為0.04wt%、0.09wt%、0.12wt%的中碳鋼中加入鋯，使得鋯含量分別為0.15wt%、0.19wt%、0.17wt%，鋼中的夾雜物形態(tài)和機(jī)械性能得到了改善，但是鋼的切削加工性能幾乎未見好轉(zhuǎn)。這可能是由于鋼中的氧含量和氮含量較高，分別為0.007~0.008wt%、0.009~0.011wt%，生成了大量的高硬質(zhì)zro2和zrn夾雜，不利于切削性能的提高，也有可能該文獻(xiàn)中的鋯、硫含量并未達(dá)到最佳的匹配組合，未能使得切削性能顯著改善。關(guān)于通過(guò)采用鋯處理來(lái)變性硫系易切削結(jié)構(gòu)鋼的硫化物夾雜形態(tài)，進(jìn)而協(xié)調(diào)機(jī)械性能和切削性能的相關(guān)技術(shù)，還未見到相關(guān)專利公布和文獻(xiàn)報(bào)道，暫處于研究空白領(lǐng)域。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足和空缺，本發(fā)明的目的就在于提供一種可同時(shí)提高硫系易切削結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械性能和切削性能的硫化物變性方法，采用鋯處理來(lái)變性硫系易切削結(jié)構(gòu)鋼的硫化物夾雜形態(tài)，進(jìn)而達(dá)到協(xié)調(diào)機(jī)械性能和切削性能的目的。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種同時(shí)提高硫系易切削結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械性能和切削性能的硫化物變性方法，其特征在于，包括如下步驟：在鋼水脫氧、去夾雜和調(diào)溫等精煉功能完成后，向鋼水中添加含鋯合金，其含鋯合金的添加量為鋼水總量的0.03~0.15wt%；所述鋼水為硫系易切削結(jié)構(gòu)鋼鋼水，鋼水的化學(xué)成分wt%為：[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%，余量為fe和雜質(zhì)。同時(shí)，為了保證硫化物的變性效果，進(jìn)一步防止有害夾雜物對(duì)鋼性能的影響，要求：t.o質(zhì)量百分含量低于0.005%；進(jìn)一步保證硫化物夾雜的變性效果，防止析出粗大的zrn而惡化鋼材的力學(xué)和切削性能，鋼中氮的質(zhì)量百分含量低于0.005%。針對(duì)硫系易切削結(jié)構(gòu)鋼，提供了能夠改善機(jī)械性能，同時(shí)兼顧切削加工性能的硫化物變性方法。本方案通過(guò)向鋼中加入適量的鋯合金，使得含硫低氧鋼水在凝固初期形成硫化鋯夾雜，由于硫化鋯可與硫化錳進(jìn)一步形成(mn,zr)s固溶體夾雜，使得沿晶界聚集分布的棒狀硫化物夾雜變性為離散分布的顆粒狀?yuàn)A雜，極大改善了鑄態(tài)鋼中硫化物夾雜的形貌和分布，同時(shí)由于硫化物中固溶了zr元素，降低了硫化物的熱塑性，促進(jìn)了熱軋（鍛）棒中的硫化物夾雜紡錘化，從而提高了鋼材的機(jī)械性能和切削性能。當(dāng)鋯的質(zhì)量百分含量低于0.03%時(shí)，鋼中硫化物的鋯含量非常低，無(wú)法起到改善鑄態(tài)硫化物夾雜分布和限制硫化物夾雜熱變形的作用；然而當(dāng)鋯的質(zhì)量百分含量高于0.15%后，鋼中容易形成大顆粒的硫化鋯和沿晶界分布的zr-fe薄膜，在增加生產(chǎn)成本的同時(shí)還惡化了硫化物形態(tài)，不利于鋼機(jī)械性能和切削性能的提升，因此鋯質(zhì)量百分含量的合適范圍為0.03~0.15%。鋯元素屬于強(qiáng)烈的氧化物和氮化物形成元素，只有當(dāng)鋼中的氧含量和氮含量降低到較低含量水平時(shí)，鋯才有機(jī)會(huì)與硫元素作用，發(fā)揮變性硫化物的冶金功能。如果鋼中的t.o含量過(guò)高，會(huì)生成大量的簇狀zro2夾雜，將鋼中的t.o質(zhì)量百分含量控制在0.005%以內(nèi)，可明顯減少zro2夾雜的數(shù)量，抑制簇狀zro2夾雜的生成；如果鋼中氮的質(zhì)量百分含量高于0.005%時(shí)，在鋼水凝固過(guò)程中有析出大尺寸zrn的可能性。不管是zro2夾雜還是zrn夾雜都屬于高硬度夾雜物，這些夾雜的存在都會(huì)降低鋼的機(jī)械性能和切削性能。因此，向鋼水中加入含鋯合金之前，必須對(duì)鋼水進(jìn)行深脫氧，使脫氧夾雜充分上浮，同時(shí)采用相應(yīng)的控氮措施，以增加鋯合金的有效利用率，降低生成成本，提高鋼材性能。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果：1、本發(fā)明利用鋯與硫元素之間較強(qiáng)的親和能力，將鋼中簇狀的mns或(mn,fe)s夾雜轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散分布的(mn,zr)s夾雜，降低了硫化物夾雜在鑄態(tài)組織中的聚集程度，限制了硫化物在熱變形過(guò)程中的延伸變形能力，將軋（鍛）態(tài)的硫化物形貌由長(zhǎng)帶狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧忓N狀，改善了硫系易切削結(jié)構(gòu)鋼中的硫化物夾雜形貌和分布。由此，達(dá)到同時(shí)提高機(jī)械性能和改善切削性能之目的。2、本發(fā)明提出t.o和氮含量的控制目標(biāo)，并提出了鋼水精煉過(guò)程中的鋯合金化時(shí)機(jī)和方式，盡量減少與氧、氮結(jié)合的鋯含量，使鋯元素盡可能與硫元素結(jié)合形成(mn,zr)s硫化物，使鋯處理效果達(dá)到最佳化和經(jīng)濟(jì)化。3、本發(fā)明針對(duì)硫系易切削結(jié)構(gòu)鋼，提出合理的鋯處理強(qiáng)度，保證了硫化物變性效果，達(dá)到同時(shí)改善鋼材機(jī)械性能和切削性能的目的。4、與鈣、稀土處理手段相比，鋯處理手段可避免因產(chǎn)生高熔點(diǎn)硫化物而引起的浸入式水口堵塞問題。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的鑄態(tài)鋼錠中的夾雜形貌和分布圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的熱鍛棒中夾雜物的形貌特征圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的調(diào)質(zhì)鋼棒室溫沖擊性能與鋯含量的關(guān)系圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例1的調(diào)質(zhì)鋼棒室溫沖擊性能方向性與鋯含量的關(guān)系圖；圖5是車削本發(fā)明實(shí)施例1的調(diào)質(zhì)鋼棒時(shí)硬質(zhì)合金刀具后刀面磨損速率與鋼棒鋯含量的關(guān)系圖。具體實(shí)施方式下面通過(guò)實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。一種同時(shí)提高硫系易切削結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械性能和切削性能的硫化物變性方法，包括如下步驟：在鋼水脫氧、去夾雜和調(diào)溫等精煉功能完成后，向鋼水中添加含鋯合金，其含鋯合金的添加量為鋼水總量的0.03~0.15wt%；所述鋼水為硫系易切削結(jié)構(gòu)鋼鋼水，鋼水的化學(xué)成分wt%為：[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%，余量為fe和雜質(zhì)。加入含鋯合金后，鋼水的化學(xué)成分wt%滿足：[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%，余量為fe和雜質(zhì)。實(shí)施例1：在真空感應(yīng)爐上熔煉出不同鋯含量的硫系易切削結(jié)構(gòu)鋼鋼水，采用mgo質(zhì)坩堝。根據(jù)一般的硫系易切結(jié)構(gòu)鋼的鋼種成分要求，在工業(yè)純鐵中加入適量的單質(zhì)硅和鋁粒，以達(dá)到深脫氧的目的；當(dāng)鋼水熔化均勻后，再加入石墨、硫化亞鐵調(diào)整碳、硫含量，最后加入電解錳和海綿鋯，鋼水?dāng)嚢?min后，注入直徑為130mm、高度約為300mm的鋼錠模中，凝固冷卻后破空。鋼水成分基體為fe，其余成份如表1所示。表1.鋼水中主要元素的質(zhì)量百分含量/wt%編號(hào)cmnsiszralt.onb-10.301.300.140.081-0.0180.00440.0019b-20.381.480.180.0910.0080.0130.00450.0016b-30.391.500.190.0940.0240.0150.00480.0016b-40.351.330.220.0850.0390.020.00370.0019b-50.421.520.230.0970.0870.0220.00580.0028b-60.401.490.150.0950.140.0190.00400.0029b-70.351.460.170.1100.250.0230.00350.0015圖1示出了鋼錠中的硫化物夾雜的形貌和分布特征。從圖1中可看出，隨著鋼中鋯的質(zhì)量百分含量的增加，硫化物形貌先由聚集型的條簇狀?yuàn)A雜（mns或(mn,fe)s）轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散分布的顆粒狀?yuàn)A雜（(mn,zr)s固溶體））；然而，當(dāng)鋯的質(zhì)量百分含量高于0.15%后，鋼中開始出現(xiàn)數(shù)量較多，尺寸較大的白色顆粒狀?yuàn)A雜，經(jīng)能譜檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，這種夾雜為硫化鋯。當(dāng)鋯的質(zhì)量百分含量高于0.15%后，在二維平面和斷口還可分別觀察到板條狀?yuàn)A雜和沿晶界分布的薄片狀?yuàn)A雜，這類夾雜為zr-fe合金相。由于鋼錠中的t.o和氮的質(zhì)量百分含量均低于0.005%，在鋼錠中未觀察到簇狀的或單獨(dú)的zro2夾雜，也未發(fā)現(xiàn)大尺寸的zrn夾雜。圖2示出了鋼錠經(jīng)熱鍛后的夾雜物形態(tài)特征，圖中的鋼平面平行于鋼熱變形方向。從圖2中可看出，隨著鋼中鋯含量的增加，鍛態(tài)夾雜物的聚集程度明顯減弱；當(dāng)鋯的質(zhì)量百分含量大于0.039%時(shí)，夾雜物的長(zhǎng)寬比明顯減小，基本達(dá)到了紡錘化的目的，鋼中灰黑色的夾雜物即為(mn,zr)s固溶體夾雜；當(dāng)鋯的質(zhì)量百分含量大于0.15%后，棒材中出現(xiàn)了白色串鏈狀?yuàn)A雜，這是由硫化鋯和zr-fe合金相在熱變形過(guò)程碎裂而形成的。調(diào)質(zhì)態(tài)鋼棒的室溫拉伸性能與鋯含量無(wú)明顯關(guān)系，但沖擊韌性和沖擊韌性的方向性，以及切削性能與鋯含量密切相關(guān)。圖3和圖4分別示出了沖擊韌性、沖擊韌性的方向性與鋯含量的關(guān)系。由圖3和圖4中可見，對(duì)硫系易切削結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行合適的鋯處理能提高沖擊韌性，降低沖擊韌性的方向性，合適的鋯含量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）為0.03~0.15%。圖5為鋯含量對(duì)硬質(zhì)合金刀具后刀面磨損速率的影響，可見當(dāng)鋼中鋯的質(zhì)量百分含量處于上述范圍（0.03~0.15%）時(shí)，還可顯著降低后刀面的磨損速率，提高切削加工性能。通過(guò)實(shí)施例1可知，采用合適的鋯處理強(qiáng)度，將鋯的質(zhì)量百分含量控制在0.03~0.15%范圍內(nèi)，可使得[s]≈0.1%的硫系易切削結(jié)構(gòu)鋼中的硫化物形態(tài)控制合理，能同時(shí)改善鋼的機(jī)械性能和切削性能。實(shí)施例2：在鋼鐵企業(yè)按以下冶煉模式進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。鋼水的精煉工藝流程為bof→lf→vd→cc，在出鋼過(guò)程采用鋁脫氧，并加入石灰和cao-al2o3系預(yù)熔渣進(jìn)行渣洗，在lf爐喂入鋁線進(jìn)行深脫氧和微調(diào)鋁含量，同時(shí)調(diào)整其他合金成分，加大底吹攪拌鋼渣促進(jìn)脫氧夾雜上浮和變性，vd爐抽真空脫氣，先后喂入硫磺芯線和si-zr合金芯線，軟吹20~30min后，吊往連鑄平臺(tái)進(jìn)行澆注。單中間包的鋼水連澆能力可穩(wěn)定達(dá)到6爐以上，澆注過(guò)程中未發(fā)生浸入式水口蓄瘤的現(xiàn)象。針對(duì)多個(gè)硫系易切削結(jié)構(gòu)鋼種進(jìn)行了上述工業(yè)試驗(yàn)，鋼包容量為50~150t，鋼種的成分范圍（質(zhì)量百分含量）覆蓋：[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%，其中鋯含量為0.03~0.15%，[n]≤0.005%、全氧(t.o)≤0.005%，余量為fe和雜質(zhì)。與原產(chǎn)品相比，鑄坯中和軋材中的硫化物形貌和分布得到了顯著改善，軋材中a類夾雜的評(píng)級(jí)由原產(chǎn)品的4.0級(jí)降低至現(xiàn)有的2.5級(jí)以下，軋材中的紡錘夾雜物比例提高了30%以上，軋材的室溫沖擊韌性提升20%以上，沖擊韌性的方向性降低了35%以上，車削加工所用的硬質(zhì)合金刀具壽命至少提升10%。最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。當(dāng)前第1頁(yè)12