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国内外易切钢实物质量对比分析


国内外易切削钢实物质量对比
阮士朋,钟保军,戴永刚,韩伟旗,阴峻峰
(邢台钢铁有限责任公司技术中心, 河北邢台, 054027)
摘要:对国内外钢厂生产的低碳高硫磷易切削钢的化学成分、夹杂物、金相组织和力学性能进行了对比分析,结果 显示国内高线厂与国外厂家生产的易切削钢的差距主要在于成分控制及对夹杂物形态的控制上。国外厂家生产的易 切削钢具有较高的

Mn/S 比和[O]含量,夹杂物较粗大。为改善我国易切削钢的质量提供了依据。 关键词:易切削钢 夹杂物 质量分析

Quality Contrast of Domestic and Overseas Free-cutting Steel
RUAN Shipeng , ZHONG Baojun,DAI Yonggang,HAN Weiqi,YIN Junfeng (Technology Centre,Xingtai Iron and Steel Co. Ltd,Xingtai,Hebei,054027) Abstract:The free-cutting steel wire rods made at home and abroad are compared and analyzed on the chemical composition ,inclusion ,microstructure and mechanical property. The investigation shows that the gap of free-cutting steel between Chinese factories and famous factories abroad are the chemical composition and the shape of the inclusion. Those samples in the overseas have higher Mn/S and [O], also the sulfide inclusions are thicker and bigger than the domestic samples. It can be as reference to improve quality of the domestic free-cutting steel. Keywords:free-cutting steel inclusion quality analysis

1.前言
在钢的总产量中,约有90%以上的钢需要经过机械加工后才能使用,机加工成本是制造业零部 件制造成本的重要组成部分, 有时甚至达到零部件制造成本的40%~60%[1]; 同时机械加工向高速化、 精密化、自动化的方向发展;这些因素促使人们希望通过提高钢材的机加工性能来降低加工成本, 提高效率[2]。 易切削钢是指因添加较普通钢种高的硫、铅、锡等易切削元素而具有良好的切削性能的钢。易 切削钢具有较普通碳素钢更优的切削性能,根据所添加易切削元素的不同,可分为硫系易切削钢、 铅系易切削钢、锡系易切削钢及复合易切削钢。根据其用途的不同,易切削钢又分为自动机用钢、 结构用易切削钢和特殊易切削钢(耐热钢、不锈钢、工具钢等)。 低碳高硫磷易切削钢属于比较注重切削性能的自动机用钢,用量很大,主要牌号有 1215、 SUM23,其应用时先将盘条拉拔成各种光棒,再经过切削加工成各种不同形状的精密零配件,如轴 类、电子零件、汽车部件、缝纫机部件、电脑零件等。 国外关于易切削钢的生产和研究已经很成熟, 品种也很完善, 日本目前的易切削钢年产量在 110

万吨以上。我国每年的易切削钢需求量很大,但至今无稳定生产厂家生产易切削钢,主要是特钢企 业不愿意生产而一般钢厂又没有能力生产,致使易切削钢大部分依靠进口。本文通过一些国内外易 切削钢盘条样品来综合分析并对比其实物质量,为提高国内易切削钢产品质量提供参考依据。 本论文中各编号所对应的钢号及生产厂家见表 1。 表 1. 各编号所对应的易切钢牌号及生产厂家 编号 牌号 规格 Ф(mm) 厂家 1# SUM23HS 14 国内 A 钢厂 2# 12L14 12 国内 A 钢厂 3# 1215MS 11.5 英国 B 钢厂 4# SUM23HS 10 国内 C 钢厂 5# 1215MS 6.5 国内 D 钢厂

2.化学成分对比
采用光谱仪进行化学成分分析,氧、氮含量采用氧、氮分析仪检验。各钢厂易切削钢的化学成 分见表 2。 表 2. 试验用易切削钢的化学成分(质量分数,%) 元素 1# C Si Mn S P Ca Ti Alt Cr Ni Cu Pb Mn/S O N 0.0606 0.011 1.28 0.4016 0.046 0.0004 0.0007 0.0022 0.069 0.0448 0.1258 -3.1873 0.0095 0.0042 2# 0.06 0.008 1.35 0.3174 0.05183 0.00022 0.00071 0.0018 0.06388 0.03848 0.10546 0.26 4.25331 0.0049 0.0057 编号 3# 0.0924 0.00621 1.39018 0.3753 0.0687 0.00025 0.00117 0.0017 0.0231 0.02548 0.02013 -3.70418 0.0107 0.0076 4# 0.1115 0.0178 1.2798 0.3485 0.052 0.0014 0.0008 0.0037 0.0582 0.0492 0.1536 -3.6724 0.0044 0.0075 5# 0.1122 0.00796 1.29935 0.3821 0.0539 0.00015 0.00073 0.0016 0.07293 0.04718 0.11178 -3.40055 0.0106 0.0050

注: 美国标准 ASTMA29/A29M-91 规定 1215 日本标准 JIS G4804 规定 SUM23) ( 的成分: ≦0.09%, C: Mn:0.75~1.05%,S:0.26~0.35%,P:0.04~0.09%。 美国标准 ASTMA29/A29M-91 规定 12L14 的成分: ≦0.15%, C: Mn: 0.85~1.15%, 0.26~0.35%, S: P:0.04~0.09% 从以上成分测试数据可以看出,以上牌号大都是协议牌号,均和标准有一定的差异,客户对标 准成分的易切削钢不感兴趣,大都要求高Mn、高S的协议标准的易切削钢。 从碳含量的数据可以看出:3#、4#、5#的碳含量要大于1#、2#,且超出标准规定的范围。实际

上C含量的多少是影响钢的硬度的一个比较关键的因素, 而钢的硬度对钢的可切削性的影响成正态分 布,在钢的硬度达到180HB左右时,其可切削性达到峰值,此时刀具寿命和钢材的表面质量均比较 好。从碳含量的多少可以预测3#、4#、5#钢的硬度可能会比1#、2#的硬度高。 硅在钢中主要形成硅酸盐,会导致刀具磨损,在易切削钢中,希望硅尽量低。国外一般要求硅 含量小于0.1%,从以上数据可以看出,国内外钢厂对硅的控制都很好,其中,英国钢厂对硅的控制 最好,达到0.006%。 以上各厂生产的易切削钢均含有较高的 S、Mn 含量。S 是易切削元素,对改善钢的可切削性能 非常有效,但 S 也容易产生较严重的偏析并使钢的冲击韧性降低,若硫含量过高则会导致热脆性, 给热加工造成困难,所以在采用硫进行合金化时要严格控制其上限,并选定适当的锰硫比,尽可能 使硫全部形成硫化锰,其形状最好控制为仿锤状或球状。从以上数据可以看出,各钢厂的 Mn/S 均 大于 3,其中 2#和 3#的 Mn/S 较大,分别为 4.2 和 3.7;其 Mn 含量也较高,分别为 1.26 和 1.39。 因此,预测 2#和 3#的硫化物形态可能比其它的要好,要更接近仿锤形。 磷、氮等元素在钢中会形成固溶体,提高基体强度和降低其韧性。从而在某种程度上可改善钢 的可切削性,故常用来作为低碳钢的易切削性元素,以脆化铁素体组织,降低切削加工面粗糙度, 但其含量要适当。由上表可以看到,在标准规定范围内,3#含有较多的磷和氮。 Cr、Ni、Cu 均为残余元素,应尽量使其含量降低。从以上数据可以看出,英国钢厂控制的最好, 国内钢厂的残余元素含量均较高,尤其是 Cu 含量,英国控制在 0.02%,而国内的均在 0.1%以上。 这可能和国内外的冶炼工艺控制有关,也可能和原料(铁矿、废钢)的成分有关。 Ca、Ti 元素在一定程度上可起到对夹杂物变形的目的,从以上数据可见,只有 4#Ca 含量为 14ppm,3#Ti 含量为 11ppm,稍微多一些,其它的含量都很小。分析认为,这些均为无意加入的微 量残余元素,各钢厂都没有有意识的使用该类元素进行变性处理。 Pb 是有益的切削元素,但 Pb 有剧毒,不提倡使用 Pb 处理,从以上数据可以得出,只有 2#含 有较多的 Pb,进行了 Pb 处理,其它都没有加 Pb。 由文献[7]可知,对于低碳高硫磷钢,在凝固过程中,MnO 会优先形核,随着钢水中的氧含量增 加, MnO 数量增多,MnO 作为异质核心将促进 MnS 的形核、长大过程,MnS 系硫化物将增大, 另外,硫化物中的 FeS 的固溶量将减少,伴随着 FeS 减少,高温变形能降低。由上表可以看出,3 号和 5 号具有较高的氧含量,1 号稍微低一些,2 号和 4 号氧含量低,由此可以预测 3#夹杂物将更 多的接近仿锤。 从以上分析,可以看出:3#具有较高的 Mn/S、O 含量和较少的 Cr、Ni、Cu 等残余元素,成分 控制较合理。2#除含有较高的 Mn/S 外还含有较高的 Pb,其成分控制有利于切削性能。

3.夹杂物对比
3.1 纵断面夹杂物形貌 图 1 为各钢厂易切削钢的纵断面夹杂物形貌,从图上可以看出,各钢厂的夹杂物形貌具有较为 明显的区别。3#的夹杂物控制的较粗大,1#、4#夹杂物为细长条状,5#的夹杂物介于两者之间, 较短小。2#的夹杂物控制的较好,长宽比较小,接近于仿锤状。夹杂物的形态、大小、分布对易切 削钢的切削性能有着至关重要的影响。当易切削钢中的夹杂物接近于球状或仿锤状时其切削性能最 好。由上分析可判断,2#和 3#切削性能最好,5#次之,1#和 4#最差。各钢厂易切钢夹杂物形

貌亦可以通过横截面组织来反应,见图 2。

1#

2#

3#

4#

5#
图 1.纵断面夹杂物形貌 3.2 横断面夹杂物形貌

1#

2#

3#

4#

5#
图 2.横断面夹杂物形貌 图 2 为横断面夹杂物的形貌,由图可见,其和纵断面夹杂物形貌的观察结果非常吻合。2#、3 #的夹杂物较粗大,1#、4#的夹杂物较细小、弥散,5#的夹杂物介于其中。 3.3 夹杂物成分分析 对各个钢厂的易切削钢夹杂物进行了能谱分析,发现所有低碳硫磷系易切削钢的夹杂物几乎都 是硫化锰,只有很少的硬质氧化物夹杂,氧化物以氧化铝为主,氧化物的周围一般会包裹一定的硫 化物,降低其硬度,从而可以减轻其对刀具的损害程度。 含铅易切削钢中,铅有两种存在形式:一种是以单质(2μm 左右)形式存在,一种是附着在硫 化锰夹杂物周围存在,多沿轧制方向分布在硫化锰的两头,这可能是由于轧制过程中,硫化锰在头 尾处变形程度和基体不同步,容易产生微小的裂纹,而熔融的铅正好扩散在这里形成的。铅熔点低, 在切削过程中,通过润滑作用来改善钢的切削性能,另外,铅也容易使切屑卷曲,起脆化作用,改 善断屑特性。

A 成分(at%) :S:42.58,Mn:57.42

B 成分(at%) :C:8.16,O:16.47,Al:25.18, S:5.31,Cr:0.56,Mn:30.75,Fe:13.56

C Mn:33.59

D 3.48 图 3.夹杂物成分分析

成分(at%) :O:27.65,Al:35.89,Ti:2.86, 成分(at%) :Pb:43.39,Fe:53.13,Mn:

4.组织对比
不同编号的易切削钢的组织见下图 4。

1#

2#

3#

4#

5#
图 4.不同编号易切削钢的组织

由易切钢的组织照片可以看出,其组织均为铁素体+珠光体,铁素体率都在 95%左右。 1#、4#和 5#含有较多的珠光体带状组织,达到 4 级;其它都在 3 级以下。带状组织对于易切 削钢来说是一种不利的组织,会降低加工性能。

5.硬度对比
对不同编号的易切削钢进行硬度测试,其结果如表 3 所示,由表可见:3#的硬度均比其他的 硬度要大。适当提高硬度可增加钢的易切削性,因此,可以考虑适当增加钢的含碳量、含锰量来提 高其硬度,从而提高其切削加工性能。 表 3. 不同钢厂易切钢的硬度 编号 平均硬度 HB 1# 130 2# 125 3# 140 4# 130 5# 126

注:国标 GB/T 8731 要求 Y08 的硬度不大于 165HB。

6.结论
由上面的分析得出如下结论: 1)英国钢厂生产的易切削钢具有较高的 Mn/S、O 含量和较少的 Cr、Ni、Cu 等残余元素,成分 控制较合理,其夹杂物形态较粗大,有利于改善切削性能。 2)国内 A 钢厂生产的含 Pb 易切削钢除含有较高的 Mn/S 外还含有较高的 Pb,夹杂物形态控制 的较好,接近圆形和仿锤形,利于改善切削性能。但 Pb 有剧毒,不提倡生产。 3)国内 A、C 钢厂生产的低碳高硫钢夹杂物形态为细条状,且含有较多的带状组织,达到 4 级,不利于切削性能的提高。 4)国内 D 钢厂生产的易切削钢夹杂物形态介于英国和国内 A 钢厂之间,夹杂物较短小。 5)对国内低碳高硫磷易切削钢的开发,建议参照英国钢厂的易切削钢,进行合理的成分设计, 同时通过一定的工艺,将夹杂物控制成粗大的仿锤状,以改善切削性能。

参考文献
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