一种控制中低硫低氧钢中硫化锰形态的方法与流程

本发明涉及一种控制中低硫低氧钢中硫化锰形态的方法。

背景技术：

为了提高钢的切削性能，通常在钢中添加s元素，即硫系易切削钢。硫系易切削钢是易切削钢中产量最大、用途最广的一种，占整个易切削钢产量的90%以上，已广泛应用于汽车零部件，家用电器，精密仪器、仪表等领域。与普通钢相比，用它加工的产品，表面光洁度好，刀具磨损小、寿命长，能耗低。据统计，机械加工成本占零件制造成本的比例可达40%～60%。因此，提高和改善钢的切削性能，能极大地降低产品成本和加工过程的能耗。

硫系易切削钢按钢中硫含量不同可分为低硫钢、中硫钢和高硫钢。钢中s≤0.025%为低硫钢，s=0.1～0.3%为高硫钢，其它为中硫钢。一般低硫钢中mn/s控制在25以上，高硫钢mn/s控制在3～5之间。硫系易切削钢中硫化物主要以mns形式存在，在切削加工过程中，mns起到断屑和润滑作用，从而改善钢的切削性能，降低刀具磨损。然而，在轧制过程中，mns会沿轧制方向拉伸变形，变形后的mns会严重损害钢的横向冲击韧性，使材料力学性能呈各向异性。为了同时保证钢的切削性能和各向同性，对硫化物形态进行合理控制是硫系易切削钢生产领域的关键核心问题。

根据mns在钢铸态中的形态及分布可分为三类：钢中[o]＞0.02%时为ⅰ类mns，呈球状，分散分布；钢中[o]＜0.01%时为ⅱ类mns，呈枝晶状，沿晶界分布；[o]含量进一步降低时为ⅲ类mns，呈块状，不规则分布。ⅰ类mns对钢的力学性能影响较小，ⅱ类和ⅲ类mns对钢的力学性能影响较大（主要是降低横向冲击韧性）。为了获得高的纯净度，从而保证高的疲劳性能，通常钢中[o]都很低，故低氧钢中mns主要是ⅱ类和ⅲ类。因此为了消除或降低低氧钢中mns对力学性能的不利影响，就有必要对钢中mns进行变性处理。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种控制中低硫低氧钢中硫化锰形态的方法。通过在钢中添加一定数量的mg、ca合金元素，使钢中硫化物以mg-al-o或者mg-ca-al-o氧化物为核心形核析出；同时钢中mns变性为mg-mn-s或者ca-mn-s或者ca-mg-mn-s复合硫化物；提高硫化物的高温抗变形能力，在保证钢的切削性能的同时改善钢的横向冲击韧性。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种控制中低硫低氧钢中硫化锰形态的方法，包括以下步骤，调节钢液中溶解氧质量百分数小于0.001%；然后加入镁元素、钙元素，调节钢液中镁的质量百分数为0.001～0.02%，调节钢液中钙的质量百分数为0.001～0.02%；最后无氧浇注，完成中低硫低氧钢中硫化锰形态的控制。

本发明还公开了一种硫化锰形态可控制的中低硫低氧钢浇注液的制备方法，包括以下步骤，调节钢液中溶解氧质量百分数小于0.001%；然后加入镁元素、钙元素，调节钢液中镁的质量百分数为0.001～0.02%，调节钢液中钙的质量百分数为0.001～0.02%；得到硫化锰形态可控制的中低硫低氧钢浇注液。

本发明还公开了一种硫化锰形态可控制的中低硫低氧钢浇注液，所述硫化锰形态可控制的中低硫低氧钢浇注液的制备方法包括以下步骤，调节钢液中溶解氧质量百分数小于0.001%；然后加入镁元素、钙元素，调节钢液中镁的质量百分数为0.001～0.02%，调节钢液中钙的质量百分数为0.001～0.02%；得到硫化锰形态可控制的中低硫低氧钢浇注液。

本发明还公开了一种硫化锰形态可控制中低硫低氧钢锭的制备方法，包括以下步骤，调节钢液中溶解氧质量百分数小于0.001%；然后加入镁元素、钙元素，调节钢液中镁的质量百分数为0.001～0.02%，调节钢液中钙的质量百分数为0.001～0.02%；最后无氧浇注，冷却固化制备硫化锰形态可控制中低硫低氧钢锭。

本发明还公开了一种硫化锰形态可控制中低硫低氧钢锭，所述硫化锰形态可控制中低硫低氧钢锭的制备方法包括以下步骤，调节钢液中溶解氧质量百分数小于0.001%；然后加入镁元素、钙元素，调节钢液中镁的质量百分数为0.001～0.02%，调节钢液中钙的质量百分数为0.001～0.02%；最后无氧浇注，冷却固化制备硫化锰形态可控制中低硫低氧钢锭。

本发明还公开了一种硫化锰形态可控的中低硫低氧钢制品，所述硫化锰形态可控的中低硫低氧钢制品的制备方法包括以下步骤，调节钢液中溶解氧质量百分数小于0.001%；然后加入镁元素、钙元素，调节钢液中镁的质量百分数为0.001～0.02%，调节钢液中钙的质量百分数为0.001～0.02%；然后无氧浇注，冷却固化制备硫化锰形态可控制中低硫低氧钢锭；最后将硫化锰形态可控制中低硫低氧钢锭制备为硫化锰形态可控的中低硫低氧钢制品。

本发明还公开了一种硫化锰形态可控的中低硫低氧钢制品的制备方法，包括以下步骤，调节钢液中溶解氧质量百分数小于0.001%；然后加入镁元素、钙元素，调节钢液中镁的质量百分数为0.001～0.02%，调节钢液中钙的质量百分数为0.001～0.02%；然后无氧浇注，冷却固化制备硫化锰形态可控制中低硫低氧钢锭；最后将硫化锰形态可控制中低硫低氧钢锭制备为硫化锰形态可控的中低硫低氧钢制品，比如可以通过轧制制备得到钢板。

上述技术方案中，镁元素、钙元素同时加入或者依次加入；采用铝脱氧方式调节钢液中溶解氧质量百分数。

上述技术方案中，镁元素来自镁或者镁合金；钙元素来自钙或者钙合金。

上述技术方案中，钢液中，硫的质量百分数为0.002～0.05%。

本发明先进行镁处理，再进行钙处理；或者直接进行钙镁处理，即向钢中同时添加钙和镁或者钙镁合金，使钢中mg和ca质量百分比含量均为0.001～0.02%。

本发明对钢液进行ca、mg复合处理，充分发挥ca、mg元素在硫化物变性过程中的协效优势：mg使钢中夹杂物变得更加细小而分散，可以为硫化物的形核析出提供形核核心；ca更易于固溶于硫化锰中，提高硫化物的高温抗变形能力；尤其是通过ca、mg复合处理最终在钢中形成弥散、粒径合适、含有硬质核心的复合硫化物，以此来改善中低硫低氧钢的切削性能和各向异性，提高其综合力学性能。现有技术采用单一元素对钢中硫化锰进行变性处理，由于单一元素在钢中的溶解度很低，单独采用一种元素对钢中硫化物进行变性处理，常常造成夹杂物变性不彻底，或者造成水口堵塞。本发明有效解决现有技术问题。

比如，一种控制中低硫低氧钢中硫化锰形态的方法，其技术要点包括：

（1）钢液用al进行脱氧，控制钢中氧含量；

（2）镁处理或者钙镁处理前控制钢中溶解氧含量＜0.001%；

（3）钢液经过al脱氧后，让脱氧产物上浮5分钟后再进行镁处理，即向钢中添加mg或者mg合金；然后再进行钙处理，即向钢中添加ca或者ca合金；或者钢液经过al脱氧，让脱氧产物上浮5分钟后，对钢液同时进行钙镁处理，即向钢中同时添加钙和镁或者钙镁合金；

（4）钙处理后，或者同时进行钙镁处理后，在无氧条件下进行保护浇铸，防止钢液二次氧化。

本发明的有益效果主要体现在：

（1）ca、mg复合处理降低各自加入量，相比如单独采用钙处理或者镁处理，不会增加钢的生产成本。

（2）本发明所述方法只需在钢中添加ca、mg两种合金元素，可利用原生产工艺中添加合金的方法，不会改变原有生产工艺或原有生产工艺不用做较大改变。

（3）本发明所述方法与传统处理方法相比，不仅可使ca固溶于mns中形成复合硫化物，同时mg处理所形成的氧化物可为硫化物的析出提供形核核心，使复合硫化物具有硬质核心，可进一步提高其高温抗变形能力。

附图说明

图1为实施例1钢中夹杂物的扫描电镜图；

图2为图1中1点的能谱图；

图3为图1中2点的能谱图；

图4为实施例1经轧制后钢中含有氧化物核心的复合硫化物的扫描电镜图；

图5为对比例1经轧制后钢中硫化物的扫描电镜图。

具体实施方式

一种控制中低硫低氧钢中硫化锰形态的方法，包括：

（1）钢液用al进行脱氧，控制钢中氧含量；

（2）镁处理或者钙镁处理前控制钢中溶解氧含量＜0.001%；

（3）钢液经过al脱氧后，让脱氧产物上浮5分钟后再进行镁处理，即向钢中添加mg或者mg合金；然后再进行钙处理，即向钢中添加ca或者ca合金；或者钢液经过al脱氧，让脱氧产物上浮5分钟后，对钢液同时进行钙镁处理，即向钢中同时添加钙和镁或者钙镁合金；

（4）钙处理后，或者同时进行钙镁处理后，得到硫化锰形态可控制的中低硫低氧钢浇注液，然后在无氧条件下进行保护浇铸，防止钢液二次氧化。

根据上述方法，在30kg真空感应炉中冶炼了9炉低硫钢；其中1炉钢不进行镁、钙处理，1炉钢进行钙处理，1炉钢进行镁处理；其它6炉经过镁处理和钙处理或者钙镁处理。冶炼工艺过程如下：首先将约30kg工业纯铁置于感应炉坩埚内，然后将感应炉抽真空至10pa，然后充入氩气至1atm，然后再抽真空至10pa，然后再充入氩气至1atm。然后通电升温至1600℃，待钢液熔清后保温5min；然后从真空室上方的加料仓依次加入mn-fe，s粉，铝块；保温5min后，实施例1与实施例2加入镁钙合金（添加量按照mg、ca合金元素10%的收得率进行计算）；实施例3与实施例4同时加入ni-mg合金（含ni80%）和纯钙线（其中ni-mg合金和纯钙线的加入量按照mg、ca合金元素10%的收得率进行计算）；实施例5与实施例6加入ni-mg合金（含ni80%），1min后加入纯钙线，其中ni-mg合金和纯钙线的加入量按照mg、ca合金元素10%的收得率进行计算；保温5min后在真空下浇注、冷却固化制备成硫化锰形态可控制的中低硫低氧钢锭；然后在550mm热轧实验机组上轧制成厚度为15mm的硫化锰形态可控制的中低硫低氧钢板。对比例根据设计按此操作，表1为试验钢的6炉具体实施例和3炉对比钢的主要化学成分。

在钢板上取样，在室温下测定其纵向和横向冲击性能。冲击试验根据标准gb/t229-1994采用摆锤式冲击试验机测试，试验试样尺寸为10×10×55mm，凹槽为v型口；表2为试验钢的6个具体实施例和对比钢的冲击性能。由表可以看出，实施例钢的横向冲击值比对比钢的横向冲击值高，且横向与纵向冲击值之比较大，材料的各向异性较小。这主要是由于对钢进行镁处理和钙处理后，钢中硫化物以mg-al-o氧化物夹杂为核心形核析出，如图1和图2所示（图1为实施例1钢中夹杂物），且mns夹杂被变性为mg-ca-al-s的复合硫化物（如图1和图3所示），提高了钢中硫化物的高温抗变形能力，如图4。未经过镁处理和钙处理的钢，钢中硫化物的抗变形能力很差，经过轧制后，硫化物沿着轧制方向拉伸变形（如图5所示），这将严重损害钢的横向冲击韧性。

表1实施例和对比例的主要化学成分（质量百分比）

注：表中未列出的化学成分为：si0.05～0.10%、p≤0.015%、n﹤0.005%。

表2实施例和对比例的冲击性能

将不同试验方案的钢在实验室条件下进行切削试验，并按照国际标准协会（iso）标准检验刀具寿命（以刀具后面磨损量vb达到0.3mm作为刀具寿命）。切削试验参数为：后角为6°，吃刀深度为1mm，进刀量为0.2mm/r，切削速度v=80～300m/min。表3为试验钢的6个具体实施例和对比例的切削性能。

表3实施例和对比例的切削性能

本发明还可以有其它实施方式，凡采用同等替换或等效变换形式的技术方案，均落在本发明要求的范围之内。