CN110714161B

CN110714161B - 一种汽车用高硫易切削钢及其生产工艺

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Publication number: CN110714161B
Application number: CN201910988829.XA
Authority: CN
Inventors: 沈艳; 邓向阳
Original assignee: Zenith Steel Group Co Ltd
Current assignee: Zenith Steel Group Co Ltd
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2039-10-17
Also published as: CN110714161A

Abstract

本发明公开了一种高硫易切削钢及其生产工艺，该高硫易切削钢按重量百分比其成分为：C 0.15～0.19％、Si 0.20～0.30％、Mn 1.20～1.30％、P≤0.035％、S 0.080～0.12％、Ni 0.12～0.18％、Ti 0.010～0.025％，余量是Fe和不可避免的杂质。本发明通过电炉冶炼过程加入15％的高硫生铁，出钢过程用镁砂代替石灰造渣，不进行真空处理，延长软吹氩时间，连铸过程提高拉速、降低二冷比水量、二冷区加保护罩进行保温以提高进拉矫机的温度，轧制过程采用合理的温度，最终使得冶炼生产效率得到了提高，材料表面质量，可切削性等综合性能得到了极大提升。

Description

一种汽车用高硫易切削钢及其生产工艺

技术领域

本发明属于冶金领域，涉及一种高硫易切削钢及其生产工艺。

背景技术

易切削钢的诞生与社会经济、技术发展密切相关，在钢的总产量中，约有90％以上的钢需要经机械加工后才能使用，所以钢的易切削性几乎是所有钢种的共同要求。易切削钢与同类非易切削钢的机加工相比，具有能提高生产效率、减少能耗，降低产品表面粗糙度等优点。因此易切削钢自诞生之日起就得到了较快的发展。目前，已能生产遍及结构钢、不锈钢、模具钢和工具钢等各系列易切削钢，产量所占比重不断增加，已成为关系国民经济建设速度和水平的因素之一。在机械制造行业加工机械零件成本中的切削加工费用占很大比重。因此使用易切削钢具有明显的经济效益。在日本，零件有自动化生产线上的切削加工时间，每缩短一秒，即可节约一日元，所以在国外易切削钢的使用量不断增加，其发展趋势仍会保持下去。

易切削钢是在钢中加入一种或几种元素，利用其本身或与其它元素形成一种对切削加工有利的夹杂物来改善钢材的切削性能，现在易切削钢中使用的易切元素有多种，其中以硫、铅、钙为主，而以又以含硫易切削钢用量最大，对环境的污染较小且成本最为低廉，因此应用最为广泛。

本发明中所涉及的钢种为含高硫的易切削钢，该钢种有较高的强度和硬度，同时也有较好的切削性能，是制作既要较高精度又要承受较大载荷零件的首选钢种。广泛应用于汽车、电子、精密仪器等行业，这类材料在汽车零部件中所占的比重较大，需求量较多，有较大的市场。

在我国由于易切削钢的一些固有特性：如冶炼困难、铸坯表面质量差，轧钢困难，切削性能较差等。因此如何采用连铸连轧方式生产高品质的易切削钢成为行业的一大难点，本发明正是为了解决这一行业难点问题。

发明内容

目前易切削钢由于含有较高的硫，使钢材的热加工性能变差，易打滑，易生产裂纹等。为了解决易切削钢铸坯表面质量差、轧钢困难、切削性能较差的问题，本发明提出了一种高硫易切削钢及其生产工艺，得到的钢种为含高硫的易切削钢，在有较好的切削性能同时还能显著提高铸坯的表面质量。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种汽车用高硫易切削钢，该高硫易切削钢按重量百分比其成分为：C 0.15～0.19％、Si 0.20～0.30％、Mn 1.20～1.30％、P≤0.035％、S 0.080～0.12％、Ni 0.12～0.18％、Ti 0.010～0.025％，余量是Fe和不可避免的杂质。

进一步优选为：C 0.15～0.17％、Si 0.22～0.25％、Mn 1.23～1.26％、P 0.013～0.018％、S 0.093～0.099％、Ni 0.14～0.16％、Ti 0.017～0.022％，余量是Fe和不可避免的杂质。

一种汽车用高硫易切削钢的生产工艺，该工艺包括电炉冶炼、LF精炼、软吹工艺、连铸工序和轧制工序，其工艺流程为：

(1)电炉冶炼：

90t电炉冶炼钢铁料采用35～40％的铁水加15％的高硫生铁及45～50％的优质废钢，控制电炉终点碳含量0.05～0.13％，控制出钢温度1630±20℃。

电炉出钢过程，根据成分依次加入合金：铝块80千克/炉、镍板(加入前用连铸热坯烘烤)硅锰、中碳锰铁、硫铁。然后加入渣料镁砂(含镁量>99％)300千克/炉(用镁砂代替传统的石灰造渣)、预熔精炼(主要成分：CaO 45-55％；SiO₂ 13％-20％；Al₂O₃ 18-25％)渣300千克/炉。

进一步优选，防止钢水过氧化，出钢前在炉内加入50千克碳粉，以造泡沫渣，并留渣操作，偏心底电炉出钢实现留渣留钢操作

在目前现有技术中是通过喂合金镁钙线来进行变性处理，喂入时反应剧烈，烟尘多，环境污染严重，成本高，对硫化物变性作用一般。而本发明采用镁砂代替石灰造渣，可以避免上述环境问题，同时还可以提高硫的收得率，防止后续精炼过程的二次甚至三次加硫铁对钢水造成污染，同时Mg砂亦能对钢水中的硫化物进行很好的变性处理，提高纺锤体状硫化物的比例，而纺锤体状硫化物比长条状硫化物有更好的切削性能。

此外，并且还需限定预熔精炼渣和镁砂之间的质量比关系是限定在1:1，则更利于钢水的脱氧和硫化物的变性。

(2)LF精炼

LF精炼过程使用硅铁粉进行渣面的扩散脱氧，不得使用含铝材料及电石进行脱氧，精炼过程不得补加渣料，同时进行成分的精确控制，Mn/S比控制在≥12，Mn/S比例的控制即可以提高生成可塑性变形夹杂MnS的比例，防止生成大量脆性的FeS夹杂，又能保证有一定的锰含量，保证材料有足够的力学强度和优异的表面质量。

LF精炼结束后不对钢水进行钙处理，防止钙与硫结合生成高熔点的CaS夹杂，从而导致浇注过程堵水口，同时需要钢水中含有一定的氧(25-40ppm)，目的是以氧化物为核心外面裹上一层硫化锰，从而提高短杆状、纺锤体状硫化物比例。

为保证钢水中一定的氧含量(25-40ppm)，不对钢水进行真空脱气处理。如果氧含量控制过高，高于40ppm，会使热顶锻合格率、表面质量均达不到要求。

(3)软吹工艺

因不经过真空处理，所以为了保证钢水中的夹杂物能充分聚集长大上浮，这就要求有一定的软吹镇静时间，要求软吹时间≥30分钟。

(4)连铸工序：

该钢种因硫含量高，因此属于表面裂纹敏感性钢种，为保证表面质量将拉速在现有同类品种基础上提高0.1m/min(从0.80～0.90m/min提高至0.92～1.00m/min)，同时由于该钢种硫含量高，硫属于易偏析元素，因此将结晶器电磁搅拌电流强度提高30A(从150A提高至180A～200A)。

原因是如果拉速较慢，表面质量难控制，易出现裂纹，而采用电流强度150A，硫化物容易出现偏析。

进一步优选，为防止在连铸浇注过程中出现矫直裂纹，将铸坯进拉矫机温度提高到900℃以上，具体措施是二冷采用弱冷，控制比水量0.20L/Kg，同时对连铸二冷一区的喷淋架上加罩，以对铸坯进行保温。

进一步优选，为防止钢水的吸气产生二次氧化及结瘤堵水口，结晶器采用Φ32mm大型号直通水口进行浇注，塞棒采用吹氩保护。

(5)轧制工序

本发明制得的钢种在850～1050℃范围内是热脆性区，轧钢时要尽量避免在该区间进行变形。选择合适的钢坯开轧温度，开轧温度1130～1180℃，轧制全程温度不低于1050℃，同时对于在生产过程中如果出现端部开裂的现象，应及时用飞剪进行去头处理。避免咬入困难或冲坏导卫。

本发明的有益效果是：考虑高硫易切削钢对钢水浇注性能、材料表面质量、硫化物级别及形貌的高要求。本发明做了如下努力工作：

①、电炉冶炼过程中采用高硫生铁，降低了生产成本，同时利用镁砂代替石灰造渣，不仅提高了硫的收得率，防止后续补加硫铁或补喂硫线对钢水造成的二次污染，同时镁元素还能对硫化物起到变性改质的作用，有利于硫化物形貌的改进，从而提高材料的切削加工性能。

②、控制Mn/S≥12，提高可变形夹杂MnS的比例，减少脆性的FeS比例。

③、省去一道真空处理环节，提高了钢水氧含量，有利于纺锤体状硫化物形成，提高了材料切削性能的同时提高了生产效率降低了生产成本。

④、连铸过程提高拉速，降低二冷比水量，提升进拉矫机温度以提高表面质量，同时使提高结晶器搅拌电流减少了硫化物偏析。

⑤、轧制过程选用合适的温度，即避免了轧制打滑，又减少了裂纹的产生。

通过上述努力，有效防止了浇注过程结瘤堵水口，在提高生产效率、降低冶炼成本的同时材料的切削性能、力学性能、表面质量得到了有效提升。

具体实施方式

实施例1-3根据表1中高硫易切削钢的化学成分，采用“电炉冶炼→LF炉精炼→软吹氩→连铸机浇注→轧制”的工艺路线来进行生产，其生产控制方法如下：

实施例1

1、电炉冶炼工艺：

公称容积90吨的电炉装入量为103.5吨，其中高硫生铁15.5吨，铁水38.7吨，废钢49.3吨，出钢量89.7吨，出钢终点C 0.06％，控制出钢温度1630±20℃，出钢过程加入合金、预熔精炼渣300千克、镁砂300千克。

2、LF精炼炉工艺：

精炼过程使用硅铁粉110千克对钢水进行了脱氧，未补加渣料，同时对成分进行调整，精炼结束后取样，控制钢水锰含量1.26％，硫含量0.093％，钢水中Mn/S为13.54，不对钢水进行真空脱气处理，保证钢水中的氧含量为25-40ppm。

3、软吹工艺：

钢水LF精炼结束后吊至软吹氩台进行软吹，软吹时间34分钟。

4、连铸工艺：

开浇前对中包进行吹氩，水口采用Φ32mm大型号直通水口，塞棒采用吹氩保护。

220*260mm断面五机五流弧形连铸机，结晶器搅拌电流强度180A，控制连铸拉速0.94m/min。

二冷比水量控制0.20L/Kg，对二冷一区用保温罩进行保温，进拉矫机温度932℃。

5、轧制工艺

开轧温度1155℃，轧制全程温度1053～1101℃，轧制得Φ40mm圆钢。

实施例2

1、电炉冶炼工艺：

出钢终点C 0.07％，控制出钢温度1630±20℃，出钢过程加入预熔精炼渣300千克、镁砂300千克，其它操作同实施例1。

2、LF精炼炉工艺：

精炼结束后取样，控制钢水锰含量1.25％，硫含量0.094％，钢水中Mn/S＞12，不对钢水进行真空脱气处理，保证钢水中的氧含量为25-40ppm，其它操作同实施例1。

3、软吹工艺：

同实施例1。

4、连铸工艺：

结晶器搅拌电流强度180A，控制连铸拉速0.92m/min，进拉矫机温度940℃，其它操作同实施例1。

5、轧制工艺

开轧温度1163℃，轧制全程温度1053～1101℃，轧制得Φ40mm圆钢。

实施例3

1、电炉冶炼工艺：

出钢终点C 0.08％，控制出钢温度1630±20℃，出钢过程加入预熔精炼渣300千克、镁砂300千克，其它操作同实施例1。

2、LF精炼炉工艺：

精炼结束后取样，控制钢水锰含量1.26％，硫含量0.095％，钢水中Mn/S＞12，不对钢水进行真空脱气处理，保证钢水中的氧含量为25-40ppm，其它操作同实施例1。

3、软吹工艺：

同实施例1。

4、连铸工艺：

结晶器搅拌电流强度180A，控制连铸拉速0.96m/min，进拉矫机温度940℃，其它操作同实施例1。

5、轧制工艺

开轧温度1160℃，轧制全程温度1053～1101℃，轧制得Φ40mm圆钢。

表1

对比例1:

对比例1与实施例1相比，区别在于：电炉出钢过程加入300千克石灰，不加入镁砂，其它操作同实施例1。

对比例2:

对比例2与实施例1相比，区别在于：将实施例1对电炉出钢过程加入镁砂300千克替换成石灰150千克，镁砂150千克，其它条件和操作同实施例1。

对比例3

对比例3与实施例1相比，区别在于：LF精炼结束后对钢水进行真空脱气处理，钢水中的氧含量为小于20ppm。其它操作同实施例1。

对比例4

对比例4与实施例1相比，区别在于：轧制工艺中开轧温度为1080℃，轧制全程温度为1000℃-1020℃，其它操作同实施例1。

对比例5

对比例5与实施例1相比，区别在于：在LF精炼炉工艺过程中，控制钢水中的控制钢水中锰、硫含量，使Mn/S＝8，其它操作同实施例1。

(1)对硫化物级别、硫化物形貌及切削性能对比如下表2：

表2

其中，表1中硫化物级别检测标准为：GB/T 10561钢中非金属夹杂物含量的测定-标准评级图显微检验法。

复合型的纺锤体状硫化物占比的计算方法为：

电镜扫描选择多个视场，然后统计每个视场内硫化物的个数，然后在扫描电镜下测定每个硫化物的成分，在硫化物里面如果包裹着别的氧化物，则视该硫化物为复合型的纺锤体状硫化物，如果硫化物(硫化锰)里面没有裹着别的氧化物则视为长条状硫化物，最后用复合型纺锤体状硫化物比上总的硫化物数量则为其占比。

对比轧材1/3热顶锻合格率及表面探伤合格率，结果如下表3：

表3

其中，轧材圆钢的规格为：Φ40mm，检测1/3热顶锻合格率合格的标准为YB/T 5293金属材料顶锻试验方法。检测表面探伤合格率的标准为GB/T 32547圆钢漏磁检测方法(按“0.2”标准用漏磁探伤设备进行探伤)。

结果表明：通过用镁砂代替石灰造渣，控制连铸拉速、结晶器电磁搅拌电流、进拉矫机温度，轧钢选用合适的温度参数等工艺改进，使得高硫易切削钢的表面质量及最终使用性能：切削性能都得到了极大提高。

本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。以上所述仅为本发明的较好实施方式，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例作的修改，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种汽车用高硫易切削钢，其特征在于：所述高硫易切削钢按重量百分比，钢成分为：C 0.15～0.17%、Si 0.22～0.25%、Mn 1.23～1.26%、P 0.013～0.018% 、S 0.093～0.099% 、Ni 0.14～0.16%、 Ti 0.017～0.022%，余量是Fe和不可避免的杂质；

生产工艺包括电炉冶炼、LF精炼、软吹工艺、连铸和轧制工序：

（1）电炉冶炼：

电炉冶炼钢铁料采用铁水、高硫生铁和优质废钢混合，控制电炉终点碳含量0.05~0.13%，控制出钢温度1630±20℃；电炉出钢过程依次加入合金、镁砂、预熔精炼渣；

（2）LF精炼：

LF精炼过程使用硅铁粉进行渣面的扩散脱氧，精炼过程不补加渣料，同时对成分进行调整，控制钢水Mn/S≥12，LF精炼结束后不对钢水进行钙处理，不对钢水进行真空脱气处理，保证钢水中的氧含量；

（3）软吹工艺：

钢水LF精炼结束后吊至软吹氩台进行软吹；

（4）连铸工序：

开浇前对中包进行吹氩，在连铸过程中，电磁搅拌的电流大小设置为180~200A，控制连铸拉速0.92~0.96m/min；

（5）轧制工序：

钢坯的开轧温度为1130~1180℃，轧制全程温度不低于1050℃。

2.根据权利要求1所述的高硫易切削钢的生产工艺，其特征在于，步骤（1）所述的钢铁料的质量百分之组成为：35~40%的铁水加15%的高硫生铁及45~50%优质废钢。

3.根据权利要求1所述的高硫易切削钢的生产工艺，其特征在于，步骤（1）所述的电炉出钢过程中镁砂和预熔精炼渣加入量质量比为1:1。

4.根据权利要求1所述的高硫易切削钢的生产工艺，其特征在于，步骤（2）所述的LF精炼结束后保证钢水中的氧含量为25~40ppm。

5.根据权利要求1所述的高硫易切削钢的生产工艺，其特征在于，步骤（3）软吹时间≥30分钟。

6.根据权利要求1所述的高硫易切削钢的生产工艺，其特征在于，步骤（4）铸坯进拉矫机温度提高到900℃以上，连铸二冷采用弱冷，控制比水量0.20L/kg 。