中碳鈣硫易切削鋼夾雜物形態(tài)控制

1、第29卷第7期2007年7月北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijingVol.29No.7Jul.2007中碳鈣硫易切削鋼夾雜物形態(tài)控制嚴(yán)國安秦哲田志紅孫彥輝蔡開科北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院,北京100083摘要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了1kg坩堝實(shí)驗(yàn),.結(jié)果表明:鋼鈣處理后獲得了可以改善鋼切削性的紡錘形夾雜物,68%,增加夾雜物紡錘形化趨勢(shì)增加;鈣處理后小于215m,、;夾雜物類型以鈣鋁酸(Mn)S,CaS的復(fù)合夾雜物;含鈣硫的45鋼鑄態(tài)鋼鹽芯硫化物外殼的復(fù)合夾雜物、錠比普通45關(guān)鍵詞易切削鋼;分類號(hào)TF762+12中碳鋼廣泛應(yīng)用

2、于汽車、摩托車、拖拉機(jī)的軸、連桿等零部件,這些零部件的生產(chǎn)通常由切削加工來完成,高速機(jī)床的發(fā)展對(duì)其切削性能提出了更高的要求.因此,有必要開發(fā)既有良好切削性能又能滿足力學(xué)性能要求的中碳易切削鋼.鋼中的MnS夾雜物是有助于改善鋼的切削性的夾雜物.但鋼中硫含量高時(shí),連鑄坯容易產(chǎn)生裂紋,鋼中硫的偏析嚴(yán)重,出現(xiàn)各向異性1.所以,希望含硫易切削鋼中硫化物夾雜為紡錘形(即長寬比L/W3),這種夾雜物在熱加工時(shí)變形較小,并且鋼材切削性能好,使鋼的橫向力學(xué)性能降低得少2-4.根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道5-10,鋼液用Ca處理后,生成以氧化物Al2O3、CaOAl2O3為核心外圍包(Mn,Ca)S的球形或紡錘狀復(fù)合夾雜物,

3、含有MnS、在切削加工時(shí)避免刀具與Al2O3等超硬質(zhì)點(diǎn)直接接觸,從而減輕超硬夾雜物質(zhì)點(diǎn)對(duì)刀具的磨損,使鋼的切削性得以改善,所生成的紡錘形(Mn,Ca)S不僅改善了鋼材的切削性,而且有利于改善鋼的橫向力學(xué)性能11-12.為改善45鋼的切削性,增加鋼中硫含量,同時(shí)運(yùn)用鈣處理技術(shù),研究在實(shí)驗(yàn)室條件下含硫鈣45鋼中夾雜物形態(tài)、尺寸、類型及組成,以期獲得有利于改善鋼的切削性能的夾雜物.制在16001620.實(shí)驗(yàn)鋼水成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:C,0142%015%;Si,0134%014%;Mn,0167%0181%;P,<0103%;S,0104%0106%;Ca,010015%01003%;Als,0

4、102%0103%.實(shí)驗(yàn)過程為:將裝有1kg金屬料的坩堝放入碳管爐中,通電加熱,待鋼料熔清并達(dá)規(guī)定溫度后取初始鋼樣X1,然后按特定順序加入硅鐵、錳鐵、鋁粒及硫鐵進(jìn)行脫氧合金化及成分調(diào)整,成分均勻2min后取鋼樣X2,然后加入硅鈣粉進(jìn)行鈣處理,2min取鋼樣X3,依次3min后取鋼樣X4,5min后取鋼樣X5,實(shí)驗(yàn)結(jié)束.將實(shí)驗(yàn)中取出的鋼樣制成需要的試樣在金相顯微鏡下統(tǒng)計(jì)夾雜物類型、尺寸、數(shù)量;對(duì)鋼中典型的夾雜物在掃描電鏡下拍照,并利用電子探針進(jìn)行能譜分析.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論在金相顯微鏡下觀察到的夾雜物按照形態(tài)主要有:球形(L/W1)、紡錘形(1<L/W3)、長條形(L/W>3)、三角形

5、、不規(guī)則形狀(矩形、正方形、多邊形、不規(guī)則形)等.夾雜物的紡錘形率h定義為:h=1實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)在高溫碳管爐上進(jìn)行,采用Al2O3質(zhì)坩堝,容鋼量為1kg,實(shí)驗(yàn)全程進(jìn)行氮?dú)獗Ｗo(hù),實(shí)驗(yàn)溫度控收稿日期:20060221修回日期:20060524),男,高級(jí)工程師,博士研究生;蔡開科作者簡介:嚴(yán)國安(1956(1936),男,教授,博士生導(dǎo)師×100%夾雜物總數(shù)(1)實(shí)驗(yàn)中取不同硫含量試樣在光學(xué)顯微鏡下對(duì)夾211鋼中硫含量對(duì)夾雜物數(shù)量的影響雜物進(jìn)行統(tǒng)計(jì),作夾雜物數(shù)量隨硫含量的變化圖,如圖1所示.由圖1可知,隨鋼中硫含量增加,鋼中顯微夾雜物數(shù)量增加.理論上,鋼中硫含量增加,所生成的硫化物數(shù)量相應(yīng)

6、增加;金相觀察也表明,鋼中硫686北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)第29卷化物的比例很高,硫化物單獨(dú)存在或者與氧化物復(fù)合存在.圖/Eofonthefusiformratio圖1Fig.1Relationof2212通過對(duì)脫氧、增硫及鈣處理等工藝條件進(jìn)行反復(fù)摸索,經(jīng)過多次試驗(yàn)后,得出了比較理想的夾雜物形態(tài),圖2是按照式(1)計(jì)算得出的不同爐次鈣處理后紡錘率夾雜物所占的比例.鈣處理前后夾雜物尺寸、數(shù)量的變化如圖4所示.鈣處理后小于215m的夾雜物增加了39107%,大于215m的夾雜物減少73160%.鈣處理后小于215m的夾雜物占夾雜物總量的76105%,大于215m以上的夾雜物只有23195%,在光學(xué)顯微鏡下

7、沒有發(fā)現(xiàn)10m以上的夾雜物.可見,鈣處理后鋼中細(xì)小夾雜物總量增加,大夾雜物減少.圖2鈣處理后夾雜物紡錘率Fig.2Ratiooffusiforminclusionsaftercalciumtreatment鈣處理后各爐次紡錘形夾雜物比例均超過50%,最高達(dá)71165%,最低為64154%,平均值達(dá)到68111%.213Ca/S與紡錘形率關(guān)系鋁鎮(zhèn)靜鋼中,鈣處理可以將高熔點(diǎn)、簇狀A(yù)l2O3夾雜物變性為低熔點(diǎn)、球狀的鋁酸鈣夾雜.同時(shí)鈣均勻的固溶于MnS中形成(Mn,Ca)S,減少了類硫化物的析出,提高了硫化物夾雜的硬度,降低了硫化物夾雜在熱變形過程中的變形能力,使長條狀硫化物變形為紡錘形硫化物,減少

8、了MnS的危害.圖3是鋼液的Ca/S對(duì)鋼液中夾雜物形狀的影響.圖3表明:當(dāng)鋼液中Ca/S由01043增加到01048,夾雜物的紡錘形率逐漸增大;在本實(shí)驗(yàn)條件下,鋼液中鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在(1530)×10-6之間,鈣含量較低,還有升高的空間;同時(shí)增加Ca/S,夾雜物的紡錘形率有繼續(xù)增大的趨勢(shì).圖4鈣處理前后不同尺寸夾雜物數(shù)量的變化Fig.4Changesinamountofdifferentsizesofinclusionsbeforeandaftercalciumtreatment215鈣處理前后夾雜物組成及形貌鈣處理前典型夾雜物的形貌如圖5所示.電子探針分析表明鈣處理前鋼中夾雜物主要是

9、MnS和芯部Al2O3、外殼MnS的復(fù)合夾雜物(表1),夾雜物表1鈣處理前夾雜物的能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table1Energyspectrumanalysisofinclusionsbeforecalciumtreat2ment%Al3716201184614321650107S111653417927116321372213539141Ca01430135Mn111904511026141301862717452145Fe3814019158夾雜物(a)-1(a)-2(b)-1(b)-2(c)(d)012134112491648114第7期嚴(yán)國安等:中碳鈣硫易切削鋼夾雜物形態(tài)控制687的

10、形狀各異,有紡錘形、球形、三角形、長條形、菱形等不規(guī)則形狀,單獨(dú)的Al2O3夾雜很少.鈣處理后典型夾雜物的形貌如圖6所示.電子探針分析夾雜物成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表2所示.金相觀察和夾雜物能譜分析表明:鈣處理后,帶芯的復(fù)合夾雜物比鈣處理前有增多的趨勢(shì),各種形狀的夾雜物中Ca含量都比鈣處理前高.夾雜物的主要類型有芯部是鈣鋁酸鹽、外殼是(Mn,Ca)S的復(fù)合夾雜物,(Mn,Ca)S形式的硫化物,以及少量的鋁酸鈣與CaS的復(fù)合夾雜物.夾雜物的形狀以球形、紡錘形為主.由表2可以看出,由于實(shí)驗(yàn)鋼水中Als含量較高,而Ca含量較低,夾雜物中鈣含量尤其是氧化物夾雜中鈣含量較低,鋼中夾雜物沒有得到良好的變性處理,

11、同時(shí)鋁酸鈣夾雜有一定的容硫能力,當(dāng)夾雜物中硫超過其硫容量時(shí)析出CaS,所以出現(xiàn)了鋁酸鈣與CaS的復(fù)合夾雜物.圖5鈣處理前夾雜物的形貌Fig.5Morphologiesofinclusionsbeforecalciumtreatment圖6鈣處理后夾雜物的形貌Fig.6Morphologiesofinclusionsaftercalciumtreatment表2鈣處理后夾雜物的金相及能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table2Energyspectrumanalysisofinclusionsaftercalciumtreatment%Ca18181113015100Mn2178561110150Fe5

12、7166410845188夾雜物(a)-1(a)-2(b)-1Al561016136S161402816235199Ca4165414843117Mn14196371881117Fe71982216619167夾雜物(b)-2(c)(d)Al0115010733127S20160381445135216切削性能的比較(YT30)主偏角90°,進(jìn)給量為012mmr-1,進(jìn)行鑄對(duì)普通45鋼和鈣硫易切削45鋼在相同的切削條件下,切削轉(zhuǎn)速為950rmin-1,硬質(zhì)合金刀具態(tài)切削性能的對(duì)比.切削后的斷屑如圖7所示.由圖可以看出,經(jīng)圖7切屑斷屑.(a)普通45鋼;(b)鈣硫易切削45鋼Fig.7

13、Chipsofdifferentsteels:(a)middlecarbonsteel;(b)medium2carboncalciumsulphurfree2cuttingsteel688北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)定量研究.華中理工大學(xué)學(xué)報(bào),1995,23(1):121第29卷過硫-鈣處理的45鋼的斷屑(a)比普通45鋼斷屑(b)碎.因此,經(jīng)硫-鈣處理的45鋼比普通45鋼加工時(shí)的切削性能有很大改善.3婁德春,崔昆,吳曉春,等.硫化錳夾雜物的熱變形行為.鋼鐵研究學(xué)報(bào),1996,8(6):11.4殷瑞鈺.鋼的質(zhì)量現(xiàn)代進(jìn)展(下篇).北京:冶金工業(yè)出版社,19955音谷登平,形浦安治.鈣潔凈鋼.劉新華,韓郁文,

14、譯.北京:3結(jié)論(1)鋼中硫含量增加,夾雜物總量增加;增加Ca/S,夾雜物紡錘形率增大;鈣處理后夾雜物冶金工業(yè)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的平均紡錘形率為68111%.(2)鈣處理后小于215m的夾雜物占夾雜物總量的76105%,夾雜物細(xì)小,呈彌散狀分布.(3)物,.(4)45鋼比普通

16、45鋼在高速機(jī)床上加工時(shí)的切削性能明顯改善.參考文獻(xiàn)1BrunetJC,TorteratP,HugoM,etal.Influencedesinclusionsdesulfuressurlecomportmentàlarupturedesaciersdeconstruc2tionmétallique.RevMétall,1977(1):12喬學(xué)亮,孫培禎,崔昆.易切削鋼中Ca含量與硫化物形態(tài)的étatinclusionnaire.AciersSpéc,1983,62:2110LeroyF.Unatoutdecisivedelabarretrait

17、ée:lesnuancesàusinabilitéamélioré.AciersSpéc,1984,65:1111蔡開科.改善結(jié)構(gòu)鋼切削性能的新近發(fā)展.特殊鋼,1985,4(4):18.12費(fèi)勒魯瓦.有切削或無切削成型結(jié)構(gòu)鋼法國特殊鋼代表團(tuán)訪問中華人民共和國專題報(bào)告.北京,1980Inclusionmorphologycontrolinmedium2carboncalciumsulphurfree2cuttingsteelYANGuoan,QINZhe,TIANZhihong,SUNYanhui,CAIKaikeMetallurgic

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