一种高强韧易切削调质圆钢及其制造方法与流程

本发明属于机械加工用钢铁材料领域，具体涉及一种高强韧、易切削的调质圆钢及其制造方法。

背景技术：

随着机械切削加工不断向自动化、高速化和精密化方向发展，对材料的切削性提出更高的要求，多种形式的易切削钢陆续问世。所谓易切削钢(freecuttingsteel)是一种加入一定数量的一种或一种以上的硫、磷、铅、钙、硒、碲等易切削元素，以改善其切削性的钢材，又称自动机床加工用钢，简称自动钢。这类钢可以用较高的切削速度和较大的切削深度进行切削加工。

硫易切削钢是易切削钢的主要种类，硫在钢中与锰和铁形成长条状硫化锰夹杂，这类夹杂物能中断基体金属的连续性，在切削时促使断屑形成小而短的卷曲半径，而易于排除，减少刀具磨损，降低加工表面粗糙度，提高刀具寿命。该类钢一般是低、中碳钢，基本不含cr、ni、mo等合金元素，均在热轧、热锻等非调质状态下使用，金相组织为铁素体加珠光体组织或贝氏体组织，一般具有不错的强度及塑形，也有的通过添加mn、v、nb等元素进一步提高钢材强度。但这些非调质钢与传统调质钢相比，强韧性匹配较差，强度级别越高，冲击韧性指标越低。

另一方面，传统的调质钢因含有较高的cr、mo、ni等合金元素，并且经调质处理，具有均匀的回火索氏体组织，强韧性匹配较好，但因硫含量较低，切削性能较差。因为棒料在调质淬火过程中经受急速冷却收缩的热应力与马氏体转变膨胀的组织应力，过多的长条状硫化物夹杂会大大增加淬火时裂纹敏感性，导致热处理开裂，造成大量废品。目前传统调质钢硫含量一般均控制在0.025%以下，有些钢级为了改善切削性能，炼钢时加了少量硫，但含量也均控制在0.040%以下，实际切削性能的提高效果不明显。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种兼顾良好的强韧性匹配以及切削性能的调质圆钢，能够同时满足零件高承载能力、高尺寸精度以及低刀具损耗，低加工成本的要求。

本发明的另一目的是提供制造上述高强韧且易切削的调质圆钢的方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种高强韧易切削调质圆钢，该圆钢的化学成分按质量百分比计为c：0.20～0.55%，si：0.15～0.60%，mn：0.60～1.30%，p：≤0.015%，s：0.05～0.15%，cr：0.70～1.30%，mo：0.15～1.00%，ni：0-2.0%；alt：0.010～0.050%，余量为fe及不可避免的杂质元素；所述圆钢整体调质后进行加工使用。

进一步地，圆钢的合金元素进一步限定为cr：0.70-1.20%，mo：0.15-0.60%，ni：0～2.0%，同时，s：0.05～0.15%。

钢材的最大直径可达140mm，室温以及-40℃冲击性能优良，具有均匀的回火索氏体或回火索氏体+贝氏体，不含未溶铁素体、珠光体组织；高硫合金圆钢采用辊底式连续炉调质，无淬火开裂，同时具有高的强韧性匹配以及易切削的特性，断屑具有小而短的卷曲半径，适用于加工机械性能要求高、切削量大并且尺寸精度要求高的零部件。调质后的圆钢在距表面二分之一半径以内取样检验，圆钢的屈服强度≥550mpa，抗拉强度≥700mpa，延伸率≥16%，断面收缩率≥60%，室温下夏比冲击功≥90j，-40℃冲击功≥60j。

本发明高强韧、易切削调质圆钢的化学成分是这样确定的:

c：增加材料淬透性、强度和硬度，但降低塑性和韧性，升高韧脆转变温度，使材料低温冲击性能降低，为了达到较高的强度以及高韧性的要求，本发明采用较低的碳含量。本发明控制其含量为0.20～0.55%。

si：是钢中的脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的强度。si含量低于0.10%时，脱氧效果较差，si含量较高时降低韧性。本发明si含量控制为0.15～0.60%。

mn：是提高钢淬透性的元素，并起固溶强化作用以弥补钢中因c含量降低而引起的强度损失，在本发明中也起到与s形成长条状mns夹杂、提高切削性的作用。但mn易促进有害元素p、sn、sb等向晶界偏析，引起氢致沿晶断裂。本发明mn含量控制在0.60～1.30%。

cr、mo：增加材料淬透性及强韧性，mo还具有降低韧脆转变温度，抑制回火脆性，阻碍p偏析等作用，促进长条状硫化物夹杂形态。因此，本发明将cr含量控制在0.70～1.30%，mo含量控制在0.15～1.00%。

ni：是提高钢的淬透性并可以显著改善其低温韧性的元素，对冲击韧性和韧脆转变温度具有良好的影响，本发明ni含量控制在0-2.0%，根据性能要求进行调整。

al：主要是起脱氧作用。al与n结合形成的aln可以有效地细化晶粒，但含量过高会损害钢的韧性，并且恶化钢水浇铸性。本发明控制其含量在0.010～0.050%。

p：磷的偏析降低钢材韧性尤其是低温冲击韧性。本发明控制p≤0.015%。

s：s与mn一同形成长条状mns夹杂，而非纺锤状或拉长的纺锤状夹杂，中断基体金属的连续性，在切削时促使断屑形成小而短的卷曲半径，从而易于排除，有利于自动化加工，并减少刀具磨损，降低加工表面粗糙度，提高刀具寿命，s含量过低，切削性能改善不明显，s含量过高，钢材连铸、轧制及热处理时裂纹敏感性太高，本发明控制s含量0.05-0.15%。

上述高韧性、易切削调质圆钢的制造方法，工艺步骤如下:冶炼原料依次经转炉冶炼或电炉冶炼、lf精炼、rh脱气或vd脱气生产出钢水；钢水中合金元素含量cr：0.70～1.30%，mo：0.15～1.00%，ni：0-2.0%，同时，s含量控制在0.05-0.15%；钢水经连铸、连轧成棒材后，在连续式辊底炉进行调质，获得调质圆钢。

上述调质工艺在连续式辊底炉上进行，包括淬火和回火。连续式辊底炉奥氏体化加热温度为820～880℃，在炉时间60-360分钟；使用高压淬火环水淬；连续式辊底炉回火加热温度为540～650℃，在炉时间为60～600min，出炉后空冷或水冷至室温。

本发明针对有较高强韧性匹配要求及良好切削性能要求的高强韧、易切削的机械加工零部件，使用优化的成分设计、高纯净度的钢水、全程氩气保护浇注生产的连铸坯作为坯料，通过后续的轧制及在连续热处理炉中棒材整体调质热处理制造出具有高的强度、良好塑性、韧性并具有良好的切削性能的圆钢。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）与现有的易切削非调质圆钢相比，该发明具有较高的c、cr、mo、ni合金元素，淬透性较好，在调质态下使用，获得均匀的回火索氏体或回火索氏体+贝氏体等组织，不含一般易切削非调质钢中的未溶铁素体、珠光体组织，具有更好的强韧性匹配。

（2）与现有的调质圆钢相比，该发明采用高硫成分，从而提高棒材的切削性能。在cr、mo尤其是mo的作用下，控制偏析，促进形成较多的能中断基体金属连续性的均匀不连续分布的长条状硫化物夹杂（见图1），促使断屑形成小而短的卷曲半径，而更易于排除（见图2），不仅满足大切削量粗加工更满足高精度要求的精加工，并减少刀具磨损，降低加工表面粗糙度，提高刀具寿命。同时确保了常温和低温强韧性。

（3）本发明制造的圆钢采用连续式辊底炉进行调质处理，采用高压水环淬火，加热、冷却均匀，即无淬火开裂、又能获得较深的淬硬层深度，热处理组织均匀、机械性能稳定，并且不需矫直，平直度高，残余应力小。

附图说明

图1为本发明圆钢的回火索氏体组织示意图；

图2为本发明圆钢的回火索氏体+贝氏体组织示意图；

图3为长条状硫化物夹杂形貌；

图4为机加工断屑。

具体实施方式

以下结合本发明的较佳实施例对本发明的技术方案作更详细的描述。但该等实施例仅仅是对本发明较佳实施方式的描述，而不能对本发明的范围产生任何限制。

实施例1

本实施例涉及的高韧性、易切削圆钢的直径为50mm，其化学成分按质量百分比计为：c：0.26%，si：0.23%，mn：0.65%，p：0.010%，s：0.080%，cr：1.05%，mo：0.23%，al：0.048%，余量为铁及不可避免的杂质元素。

上述圆钢的制造工艺为，按上述化学组成配置冶炼原料依次进行kr铁水预处理、转炉冶炼、lf精炼、rh真空脱气；钢水全程氩气保护浇注成连铸方坯，将连铸方坯送入缓冷坑缓冷32小时以上，出坑；将连铸方坯加热至1200℃，保温3小时，出炉；经高压水除鳞后在1100～1150℃的温度范围内开轧，轧成圆钢棒材；棒材在连续式辊底炉进行加热使其奥氏体化，奥氏体化最高温度840℃，局部总加热时间60分钟，使用淬火环水淬，随后在连续式辊底炉回火，回火最高加热温度为600℃，局部总加热时间60分钟，出炉后水冷至室温，获得调质圆钢。经由上述工艺制造的成品圆钢具有易切削的特点，断屑形成小而短的卷曲半径，可直接进行大切削量粗加工及高精度要求的精加工，其力学性能如表1。

表1实施例1中高韧性、易切削圆钢的力学性能

实施例2

本实施例涉及的高韧性易切削圆钢的直径为70mm，其化学成分按质量百分比计为：c：0.40%，si：0.25%，mn：0.78%，p：0.013%，s：0.062%，cr：1.05%，mo：0.23%，al：0.045%,余量为铁及不可避免的杂质元素。

上述圆钢的制造工艺为，按上述化学组成配置冶炼原料依次进行kr铁水预处理、转炉冶炼、lf精炼、rh真空脱气；钢水全程氩气保护浇注成连铸方坯，将连铸方坯送入缓冷坑缓冷32小时以上，出坑；将连铸方坯加热至1200-1220℃，保温5小时，出炉；经高压水除鳞后在1100～1150℃的温度范围内开轧，轧成圆钢棒材；棒材在辊底式连续热处理炉中进行加热使其奥氏体化，奥氏体化最高温度860℃，在炉时间约100分钟，使用淬火环水淬，随后在连续式辊底炉中回火，回火最高加热温度为625℃，在炉时间约360min，出炉后水冷至室温，获得调质圆钢。经由上述工艺制造的成品圆钢具有易切削的特点，可直接进行大切削量粗加工及高精度要求的精加工，其力学性能如表2。

表2实施例2中高韧性、易切削圆钢的力学性能

实施例3

本实施例涉及的高韧性易切削圆钢的直径为140mm，其化学成分按质量百分比计为：c：0.41%，si：0.20%，mn：0.76%，p：0.013%，s：0.085%，cr：0.85%，mo：0.28%，ni：1.85%，al：0.045%,余量为铁及不可避免的杂质元素。

上述圆钢的制造工艺为，按上述化学组成配置冶炼原料依次进行kr铁水预处理、转炉冶炼、lf精炼、rh真空脱气；钢水全程氩气保护浇注成连铸方坯，将连铸方坯送入缓冷坑缓冷32小时以上，出坑；将连铸方坯加热至1200℃，保温5小时，出炉；经高压水除鳞后在1100～1150℃的温度范围内开轧，轧成圆钢棒材；棒材在连续式辊底炉上进行加热使其奥氏体化，奥氏体化最高温度880℃，总加热时间90分钟，使用淬火环水淬，随后在连续式辊底炉中回火，回火最高加热温度为600℃，在炉360min，出炉后水冷至室温，获得调质圆钢。经由上述工艺制造的成品圆钢具有易切削的特点，可直接进行大切削量粗加工及高精度要求的精加工，其力学性能如表3。

表3实施例3中高韧性、易切削圆钢的力学性能