中碳钙硫易切削钢夹杂物形态控制

1、第29卷第7期2007年7月北京科技大学学报JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijingVol.29No.7Jul.2007中碳钙硫易切削钢夹杂物形态控制严国安秦哲田志红孙彦辉蔡开科北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083摘要在实验室进行了1kg坩埚实验,.结果表明:钢钙处理后获得了可以改善钢切削性的纺锤形夹杂物,68%,增加夹杂物纺锤形化趋势增加;钙处理后小于215m,、;夹杂物类型以钙铝酸(Mn)S,CaS的复合夹杂物;含钙硫的45钢铸态钢盐芯硫化物外壳的复合夹杂物、锭比普通45关键词易切削钢;分类号TF762+12中碳钢广泛应用

2、于汽车、摩托车、拖拉机的轴、连杆等零部件,这些零部件的生产通常由切削加工来完成,高速机床的发展对其切削性能提出了更高的要求.因此,有必要开发既有良好切削性能又能满足力学性能要求的中碳易切削钢.钢中的MnS夹杂物是有助于改善钢的切削性的夹杂物.但钢中硫含量高时,连铸坯容易产生裂纹,钢中硫的偏析严重,出现各向异性1.所以,希望含硫易切削钢中硫化物夹杂为纺锤形(即长宽比L/W3),这种夹杂物在热加工时变形较小,并且钢材切削性能好,使钢的横向力学性能降低得少2-4.根据有关文献报道5-10,钢液用Ca处理后,生成以氧化物Al2O3、CaOAl2O3为核心外围包(Mn,Ca)S的球形或纺锤状复合夹杂物,

3、含有MnS、在切削加工时避免刀具与Al2O3等超硬质点直接接触,从而减轻超硬夹杂物质点对刀具的磨损,使钢的切削性得以改善,所生成的纺锤形(Mn,Ca)S不仅改善了钢材的切削性,而且有利于改善钢的横向力学性能11-12.为改善45钢的切削性,增加钢中硫含量,同时运用钙处理技术,研究在实验室条件下含硫钙45钢中夹杂物形态、尺寸、类型及组成,以期获得有利于改善钢的切削性能的夹杂物.制在16001620.实验钢水成分(质量分数)为:C,0142%015%;Si,0134%014%;Mn,0167%0181%;P,<0103%;S,0104%0106%;Ca,010015%01003%;Als,0

4、102%0103%.实验过程为:将装有1kg金属料的坩埚放入碳管炉中,通电加热,待钢料熔清并达规定温度后取初始钢样X1,然后按特定顺序加入硅铁、锰铁、铝粒及硫铁进行脱氧合金化及成分调整,成分均匀2min后取钢样X2,然后加入硅钙粉进行钙处理,2min取钢样X3,依次3min后取钢样X4,5min后取钢样X5,实验结束.将实验中取出的钢样制成需要的试样在金相显微镜下统计夹杂物类型、尺寸、数量;对钢中典型的夹杂物在扫描电镜下拍照,并利用电子探针进行能谱分析.2实验结果及讨论在金相显微镜下观察到的夹杂物按照形态主要有:球形(L/W1)、纺锤形(1<L/W3)、长条形(L/W>3)、三角形

5、、不规则形状(矩形、正方形、多边形、不规则形)等.夹杂物的纺锤形率h定义为:h=1实验方法实验在高温碳管炉上进行,采用Al2O3质坩埚,容钢量为1kg,实验全程进行氮气保护,实验温度控收稿日期:20060221修回日期:20060524),男,高级工程师,博士研究生;蔡开科作者简介:严国安(1956(1936),男,教授,博士生导师×100%夹杂物总数(1)实验中取不同硫含量试样在光学显微镜下对夹211钢中硫含量对夹杂物数量的影响杂物进行统计,作夹杂物数量随硫含量的变化图,如图1所示.由图1可知,随钢中硫含量增加,钢中显微夹杂物数量增加.理论上,钢中硫含量增加,所生成的硫化物数量相应

6、增加;金相观察也表明,钢中硫686北京科技大学学报第29卷化物的比例很高,硫化物单独存在或者与氧化物复合存在.图/Eofonthefusiformratio图1Fig.1Relationof2212通过对脱氧、增硫及钙处理等工艺条件进行反复摸索,经过多次试验后,得出了比较理想的夹杂物形态,图2是按照式(1)计算得出的不同炉次钙处理后纺锤率夹杂物所占的比例.钙处理前后夹杂物尺寸、数量的变化如图4所示.钙处理后小于215m的夹杂物增加了39107%,大于215m的夹杂物减少73160%.钙处理后小于215m的夹杂物占夹杂物总量的76105%,大于215m以上的夹杂物只有23195%,在光学显微镜下

7、没有发现10m以上的夹杂物.可见,钙处理后钢中细小夹杂物总量增加,大夹杂物减少.图2钙处理后夹杂物纺锤率Fig.2Ratiooffusiforminclusionsaftercalciumtreatment钙处理后各炉次纺锤形夹杂物比例均超过50%,最高达71165%,最低为64154%,平均值达到68111%.213Ca/S与纺锤形率关系铝镇静钢中,钙处理可以将高熔点、簇状Al2O3夹杂物变性为低熔点、球状的铝酸钙夹杂.同时钙均匀的固溶于MnS中形成(Mn,Ca)S,减少了类硫化物的析出,提高了硫化物夹杂的硬度,降低了硫化物夹杂在热变形过程中的变形能力,使长条状硫化物变形为纺锤形硫化物,减少

8、了MnS的危害.图3是钢液的Ca/S对钢液中夹杂物形状的影响.图3表明:当钢液中Ca/S由01043增加到01048,夹杂物的纺锤形率逐渐增大;在本实验条件下,钢液中钙的质量分数在(1530)×10-6之间,钙含量较低,还有升高的空间;同时增加Ca/S,夹杂物的纺锤形率有继续增大的趋势.图4钙处理前后不同尺寸夹杂物数量的变化Fig.4Changesinamountofdifferentsizesofinclusionsbeforeandaftercalciumtreatment215钙处理前后夹杂物组成及形貌钙处理前典型夹杂物的形貌如图5所示.电子探针分析表明钙处理前钢中夹杂物主要是

9、MnS和芯部Al2O3、外壳MnS的复合夹杂物(表1),夹杂物表1钙处理前夹杂物的能谱分析结果(质量分数)Table1Energyspectrumanalysisofinclusionsbeforecalciumtreat2ment%Al3716201184614321650107S111653417927116321372213539141Ca01430135Mn111904511026141301862717452145Fe3814019158夹杂物(a)-1(a)-2(b)-1(b)-2(c)(d)012134112491648114第7期严国安等:中碳钙硫易切削钢夹杂物形态控制687的

10、形状各异,有纺锤形、球形、三角形、长条形、菱形等不规则形状,单独的Al2O3夹杂很少.钙处理后典型夹杂物的形貌如图6所示.电子探针分析夹杂物成分(质量分数)如表2所示.金相观察和夹杂物能谱分析表明:钙处理后,带芯的复合夹杂物比钙处理前有增多的趋势,各种形状的夹杂物中Ca含量都比钙处理前高.夹杂物的主要类型有芯部是钙铝酸盐、外壳是(Mn,Ca)S的复合夹杂物,(Mn,Ca)S形式的硫化物,以及少量的铝酸钙与CaS的复合夹杂物.夹杂物的形状以球形、纺锤形为主.由表2可以看出,由于实验钢水中Als含量较高,而Ca含量较低,夹杂物中钙含量尤其是氧化物夹杂中钙含量较低,钢中夹杂物没有得到良好的变性处理,

11、同时铝酸钙夹杂有一定的容硫能力,当夹杂物中硫超过其硫容量时析出CaS,所以出现了铝酸钙与CaS的复合夹杂物.图5钙处理前夹杂物的形貌Fig.5Morphologiesofinclusionsbeforecalciumtreatment图6钙处理后夹杂物的形貌Fig.6Morphologiesofinclusionsaftercalciumtreatment表2钙处理后夹杂物的金相及能谱分析结果(质量分数)Table2Energyspectrumanalysisofinclusionsaftercalciumtreatment%Ca18181113015100Mn2178561110150Fe5

12、7166410845188夹杂物(a)-1(a)-2(b)-1Al561016136S161402816235199Ca4165414843117Mn14196371881117Fe71982216619167夹杂物(b)-2(c)(d)Al0115010733127S20160381445135216切削性能的比较(YT30)主偏角90°,进给量为012mmr-1,进行铸对普通45钢和钙硫易切削45钢在相同的切削条件下,切削转速为950rmin-1,硬质合金刀具态切削性能的对比.切削后的断屑如图7所示.由图可以看出,经图7切屑断屑.(a)普通45钢;(b)钙硫易切削45钢Fig.7

13、Chipsofdifferentsteels:(a)middlecarbonsteel;(b)medium2carboncalciumsulphurfree2cuttingsteel688北京科技大学学报定量研究.华中理工大学学报,1995,23(1):121第29卷过硫-钙处理的45钢的断屑(a)比普通45钢断屑(b)碎.因此,经硫-钙处理的45钢比普通45钢加工时的切削性能有很大改善.3娄德春,崔昆,吴晓春,等.硫化锰夹杂物的热变形行为.钢铁研究学报,1996,8(6):11.4殷瑞钰.钢的质量现代进展(下篇).北京:冶金工业出版社,19955音谷登平,形浦安治.钙洁净钢.刘新华,韩郁文,

14、译.北京:3结论(1)钢中硫含量增加,夹杂物总量增加;增加Ca/S,夹杂物纺锤形率增大;钙处理后夹杂物冶金工业出版社,1994:756BrunetJC,HugoM,TorteratP,etal.Aciersdeconstructionaucalciumàusinabilitéaméliorée.RevMétall,1977(12):6737BellotJ.évolutionsrécentesdomainedesaciersdecon2mééliorée.AciersSpéc,1980,

15、F,nouvellegénérationdaciersàusinabilitééliorée.AciersSpéc,1980,52:239BrunetJC,BellotJ.Améliorationdespropriétésdemiseenoeu2vreetdemploidesaciersdeconstructionparmodificationdel的平均纺锤形率为68111%.(2)钙处理后小于215m的夹杂物占夹杂物总量的76105%,夹杂物细小,呈弥散状分布.(3)物,.(4)45钢比普通

16、45钢在高速机床上加工时的切削性能明显改善.参考文献1BrunetJC,TorteratP,HugoM,etal.Influencedesinclusionsdesulfuressurlecomportmentàlarupturedesaciersdeconstruc2tionmétallique.RevMétall,1977(1):12乔学亮,孙培祯,崔昆.易切削钢中Ca含量与硫化物形态的étatinclusionnaire.AciersSpéc,1983,62:2110LeroyF.Unatoutdecisivedelabarretrait

17、ée:lesnuancesàusinabilitéamélioré.AciersSpéc,1984,65:1111蔡开科.改善结构钢切削性能的新近发展.特殊钢,1985,4(4):18.12费勒鲁瓦.有切削或无切削成型结构钢法国特殊钢代表团访问中华人民共和国专题报告.北京,1980Inclusionmorphologycontrolinmedium2carboncalciumsulphurfree2cuttingsteelYANGuoan,QINZhe,TIANZhihong,SUNYanhui,CAIKaikeMetallurgic

18、alandEcologicalEngineeringSchool,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,ChinaABSTRACTThe1kgcrucibleexperimentwascarriedoutinlaboratory.Theshape,sizeandcompositionofinclusionsinmedium2carbonhigh2sulphurstructuralsteelwereinvestigated.Theresultsshowthatfusiformin2clusions,whichcanimprovethecutability