環(huán)保型易切削鋼X1215的開發(fā)

供稿|閆衛(wèi)兵，邢薇/YAN Wei-bing, XING Wei

易切削鋼是廣泛應(yīng)用于自動(dòng)機(jī)床和普通機(jī)床的切削加工材料，在很大程度上降低了機(jī)件的加工成本。目前易切削鋼主要消費(fèi)國均為發(fā)達(dá)國家，我國的易切削鋼消費(fèi)量還很少，但在不斷擴(kuò)大。易切削鋼除了在汽車工業(yè)中被大量應(yīng)用外，還在航空、航天、衛(wèi)星、戰(zhàn)略導(dǎo)彈及常規(guī)武器、拖拉機(jī)、摩托車零部件、辦公及電子設(shè)備等領(lǐng)域中應(yīng)用[1]。我國易切削鋼的生產(chǎn)與國外相比，存在著很大的差距，主要表現(xiàn)在我國易切削鋼體系比較單一，工業(yè)生產(chǎn)的綜合技術(shù)還不完善，尤其是產(chǎn)量太低[2]。易切削鋼在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要的作用，存在著巨大的市場(chǎng)需求。隨著環(huán)保要求的不斷嚴(yán)格，鉛系易切削鋼由于有毒有害而減少使用，環(huán)保型易切削鋼的研發(fā)有著巨大的潛力[3]。開發(fā)環(huán)保型易切削鋼必定有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，宣鋼開發(fā)了轉(zhuǎn)爐—LF爐—連鑄—高線軋制的工藝流程生產(chǎn)環(huán)保型低碳高硫易切削鋼 X1215。

生產(chǎn)工藝

工藝流程

采用 110t 復(fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉—110tLF 爐精煉—連鑄150 mm×150 mm 方坯(電磁攪拌)—高線軋制的工藝流程。

成分設(shè)計(jì)

提高鋼中的Mn、S和P含量，目標(biāo)氧含量控制在120×10-6，進(jìn)行 X1215 鋼的成分設(shè)計(jì)及試生產(chǎn)。成品化學(xué)成分如表1。

P、S 成分按中上限控制，鋼中 T[O]控制目標(biāo)為 (100～120)×10-6。

表1 X1215 型易切削鋼成分

轉(zhuǎn)爐冶煉

操作原則

根據(jù)易切削鋼的特點(diǎn)制定以下操作原則：鐵水不作預(yù)脫硫；易切削鋼轉(zhuǎn)爐吹煉的主要任務(wù)為脫碳與升溫，無需脫磷，故采用低堿度渣及少渣操作，爐渣堿度控制在 2.0 以下；考慮到爐襯侵蝕及濺渣護(hù)爐等因素，冶煉減少渣量并提高爐渣配鎂，適量增加輕燒白云石加入量；為“保磷去碳”，減少低溫脫磷期，少加廢鋼，減少軟吹時(shí)間，增加硬吹時(shí)間；控制冶煉終點(diǎn)碳含量在 0.05% 左右；轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)溶解氧含量為(700～800)×10-6，渣中的 FeO 含量約達(dá)到 20%，出鋼溫度 1650℃，擋渣出鋼。

出鋼預(yù)脫氧

脫氧的技術(shù)路線：按強(qiáng)—弱—強(qiáng)脫氧順序，用硅鈣鋇藥劑進(jìn)行主要脫氧，加入錳鐵控制氧，最終在 LF 爐中喂硅鈣線微調(diào)氧。

LF 爐精煉

LF 爐的基本原則：合理控制氧含量；造低堿度渣防止脫硫；加強(qiáng)底吹攪拌，使成分均勻；穩(wěn)定控制鋼中的 Mn、P、S元素的含量，保證Mn/S 大于 3.5；根據(jù)液面翻騰情況適當(dāng)調(diào)整底吹氬流量，以不吹開渣層為宜：1) 不使用鋁脫氧，用硅鐵粉脫氧，使氧含量符合游離氧 (100～120)×10-6內(nèi)控要求；2) Mn 盡量按標(biāo)準(zhǔn)上限 1.4%控制；3) 精煉后期使用硫鐵按全回收把S 配到 0.35%，均勻后取樣；4) LF 精煉結(jié)束后軟吹氬時(shí)間 ≥8 min，吹氬臺(tái)吊包溫度 1607～1627℃。

鋼中夾雜物呈球形或紡錘形有利于鋼的切削性能，因此應(yīng)盡可能將鋼中夾雜物控制成紡錘形[4]。為得到好的夾雜物形態(tài)及切削性能，要保持鋼中有一定的氧含量及合適的 Mn/S 比，同時(shí)又能防止形成低熔點(diǎn)的 FeS，X1215 鋼的 Mn/S 比控制為3.5～4.0，脫氧制度必須合理而且要求將氧含量控制在 (100～150)×10-6，精煉過程中適時(shí)測(cè)定[4]。為減少鋼中脆性夾雜，嚴(yán)禁使用 A1 脫氧，使用 Mn-Fe 合金，盡可能降低 Si 含量，避免硅酸鹽類夾雜物大量形成。

連 鑄

連鑄時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制澆注溫度，以保證中間包鋼水有較低的過熱度，有助于減少漏鋼事故，減輕成分偏析及減少鑄坯內(nèi)裂。要求中間包覆蓋渣低碳，低堿度；二冷采用弱冷制度：比水量 0.8 kg/L；連鑄中包溫度：第一爐 1570～1580 ℃；(正常生產(chǎn)) 連澆爐 1540～1550 ℃；拉速：拉坯速度 1.8 m/min。

鑄坯中心裂紋

連鑄坯上幾乎看不到中心裂紋，酸浸試驗(yàn)后，鑄坯存在一定程度的中心裂紋，但不影響軋制，這應(yīng)與易切削鋼高硫高磷的特性有關(guān)。低倍酸浸試驗(yàn)前鑄坯樣品如圖1。經(jīng)過酸洗后，鑄坯樣品酸蝕形貌見圖2。

圖1 浸酸前鑄坯試樣

圖2 鑄坯低倍酸浸試驗(yàn)結(jié)果

中心裂紋是內(nèi)部裂紋的一種，是鋼液在凝固末期，在鑄坯厚度中心的枝晶間產(chǎn)生的微小空隙。它的形成是由于鑄坯中心液相穴的凝固前沿受到拉應(yīng)力和拉應(yīng)變作用，當(dāng)拉應(yīng)力超過凝固前沿鋼的強(qiáng)度或拉應(yīng)變超過某一臨界值時(shí)，凝固前沿就會(huì)沿柱狀晶開裂，從而形成中心裂紋。中心裂紋的產(chǎn)生通常伴隨著嚴(yán)重的中心偏析線，其中 S、P 等元素含量較高，且有夾雜物富集。裂紋形成的溫度區(qū)間：內(nèi)部裂紋形成于 1410～1480℃ 之間；內(nèi)部裂紋發(fā)生時(shí)的固相率在 0.8～0.99 之間[5]。

針對(duì)中心裂紋的具體成因提出相應(yīng)預(yù)防措施[6-8]：

1) 采用低過熱度澆注，同時(shí)可考慮在結(jié)晶器內(nèi)均勻的加入高質(zhì)量冷卻劑來降低過熱度，這是擴(kuò)大等軸晶區(qū)縮小柱狀晶區(qū)最有效的方法，可以從根本上避免中心裂紋的出現(xiàn)。

2) 提高冷卻水噴嘴質(zhì)量，保證噴嘴安裝精度，同時(shí)改善二冷水質(zhì)，既保證足夠的冷卻強(qiáng)度又保證鑄坯橫向、縱向的均勻冷卻，從而避免了“小鋼錠結(jié)構(gòu)”的出現(xiàn)。

3) 結(jié)晶器、扇形段和輥?zhàn)拥木_對(duì)中，并控制好夾棍間距，避免輥縫超標(biāo)；同時(shí)，二冷區(qū)鑄坯表面溫度不能太高 (通常不應(yīng)高于 1100℃)，以提高鋼的高溫強(qiáng)度，這樣就會(huì)避免鼓肚的出現(xiàn)，消除中心偏析，從而達(dá)到消除中心裂紋的目的。

元素偏析檢驗(yàn)

鑄坯凝固過程中，由于選分結(jié)晶的原因，溶質(zhì)元素向液相區(qū)聚集，當(dāng)柱狀晶生長而形成搭橋現(xiàn)象時(shí)，富集溶質(zhì)元素的鋼液被封閉而不能與其他液體交換，在該處就形成碳、硫、磷等元素的偏析。同時(shí)，上部鋼液不能補(bǔ)充此處的凝固收縮，從而伴隨有殘余縮孔，加上生產(chǎn)過程中化學(xué)成分的控制不穩(wěn)定，碳和合金元素偏析、各種缺陷都聚集在中心，使得中心區(qū)域存在偏析的同時(shí)，組織疏松、夾雜物聚集。鋼中偏析元素 (碳、硫、磷等) 含量越高，偏析度 (Cc/Co = 鑄坯中心元素含量/鑄坯平均元素含量) 也相應(yīng)增高。

經(jīng)檢測(cè)，所有元素的偏析度均在 0.9～1.1 之間：四個(gè)方向上 Mn 元素的含量都比較均勻；P、S 的含量有稍微波動(dòng)，但偏析度并不明顯，在 0.9～1.1 之間；C、Si 元素的偏析度基本上也在 0.9～1.1 之間。

整體表現(xiàn)為 P、S 元素中心存在輕微的負(fù)偏析，Mn 元素基本穩(wěn)定。C 和 Si 元素情況比較復(fù)雜，C 元素存在中心和邊部正偏析，Si 為中心和邊部負(fù)偏析。在整個(gè)鑄坯截面上不存在嚴(yán)重的成分偏析，整個(gè)截面上的元素在柱狀晶向等軸晶的過渡區(qū)比較高，其原因?yàn)椋河衫鋮s速度的變化等因素引起的晶粒生長方式的變化，影響溶質(zhì)的傳輸，造成兩種晶體形成的交界處的溶質(zhì)聚集，形成元素的偏析；另外由低倍酸浸試驗(yàn)可知，連鑄坯存在一定程度的中心疏松，分析認(rèn)為這可能是導(dǎo)致連鑄坯中心部位元素負(fù)偏析的原因。

軋 制

易切削鋼中 O 和 S 含量較高，增加了軋制過程的困難，其中溫度控制是關(guān)鍵。溫度過高時(shí)軋件咬入比較困難、容易打滑，甚至造成鋼坯彎曲，導(dǎo)致出鋼困難；溫度低則很容易出現(xiàn)劈頭、開裂等現(xiàn)象[9]。采用適中的加熱制度，兼顧高硫鋼所要求的較高的開軋溫度和高溫下足夠的剛度，并采用較高的軋制速度、操作緊湊、以及在粗軋階段適當(dāng)控制軌道速度的軋制原則。軋制工藝要求如下：(1) 除鱗后開軋溫度 1150～1180℃，同根鋼坯溫度差 ≯30℃；(2) 軋材精度執(zhí)行 GB/T14981—94 規(guī)定；(3) 開軋前要對(duì)軋輥、導(dǎo)衛(wèi)等進(jìn)行檢查；(4) 軋制過程加強(qiáng)班中巡檢，發(fā)現(xiàn)耳子、壓痕和劃傷等缺陷及時(shí)調(diào)整消除；(5) 注意控制軌道速度，以防止劈頭開裂現(xiàn)象；盡可能慢冷。不開風(fēng)機(jī)， 加保溫蓋。

產(chǎn)品易切削性能

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)軋制后的線材進(jìn)行車削實(shí)驗(yàn)。切削參數(shù)：在不使用切削液的條件下，進(jìn)給量 0.195 mm/r，切削深度 (背吃刀量) 1 mm，切削速度 50 m/min。車削過程進(jìn)行順利，車屑呈白色 C 型屑或短螺旋屑，排屑順暢，工件加工表面光滑 (見圖3～圖5)。

圖3 C 型車屑

圖4 車屑呈短螺旋形 (車刀刀頭磨損到一定程度后)

圖5 切削完畢的光滑棒材表面

綜合刀具壽命、切屑處理性、工件表面質(zhì)量等幾方面的檢驗(yàn)結(jié)果，所開發(fā)生產(chǎn)的X1215易切削鋼具有良好的易切削性能。

結(jié)束語

宣鋼應(yīng)用轉(zhuǎn)爐—LF 爐—連鑄—高線軋制的工藝流程生產(chǎn)低碳高硫易切削鋼 X1215，通過轉(zhuǎn)爐、LF爐精煉造低堿度爐渣，穩(wěn)定鋼中硫含量，合理控制錳硫比，得到良好的夾雜物形態(tài)。

2) 將鋼中 T[O]控制在 120×10-6左右，可形成大顆粒球狀?yuàn)A雜物，有利于提高切削性能。

3) 分析鑄坯產(chǎn)生中心裂紋的原因，制定有效措施避免中心裂紋的產(chǎn)生。

4) 經(jīng)檢測(cè)連鑄坯中心偏析度在 0.9～1.1 之間，不存在嚴(yán)重的成分偏析。

5) 軋制采用合適的加熱溫度，兼顧高硫鋼較高的開軋溫度和高溫下足夠的剛性。

6) 經(jīng)檢測(cè)新開發(fā)試制的 X1215 易切削鋼具有良好的切削性能。

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