環(huán)保型易切削鋼棒材WY1215的工業(yè)試制

丁禮權(quán) 范植金 葉 巍 梁正寶 羅國(guó)華 張 帆

(1.武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北 武漢“430080；2.武鋼營(yíng)銷管理部 湖北 武漢：430083；3.武鋼條材總廠 湖北 武漢：430083)

易切削鋼按所含易切削元素分類大致可分為硫易切削鋼、鉛易切削鋼、鈣易切削鋼和復(fù)合易切削鋼。其中鉛易切削鋼切削性能最佳，但該類鋼含有對(duì)環(huán)境污染的物質(zhì)鉛。含硫易切削鋼不含鉛，既解決環(huán)境污染問(wèn)題，又保證良好切削性能。美標(biāo)AISI1215易切削鋼硫含量高、切削加工性能好、塑性高、強(qiáng)度高，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)機(jī)床加工、電子信息工業(yè)、醫(yī)療器材、五金器件及航空異形件。在開(kāi)發(fā)初期主要采用電爐模鑄工藝生產(chǎn)硫系易切削鋼，但該工藝成材率低，成本高，成分及性能不均勻。連鑄工藝生產(chǎn)硫系易切削鋼成分均勻，成材率高，且切削性能穩(wěn)定，鑒于轉(zhuǎn)爐連鑄生產(chǎn)工藝具備以上優(yōu)勢(shì)，各鋼廠都在努力采用該工藝開(kāi)發(fā)環(huán)保型含硫易切削鋼[1-3]。本文主要介紹了國(guó)內(nèi)某鋼廠含硫易切削鋼棒材WY1215的工業(yè)試制情況。

1 化學(xué)成分及關(guān)鍵工藝控制

1.1 化學(xué)成分

WY1215化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 WY1215鋼化學(xué)成分

1.2 工藝流程

WY1215棒材生產(chǎn)工藝流程：鐵水脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→鋼包吹氬→LF處理→200mm×200mm連鑄方坯→鑄坯檢查→方坯加熱→高壓水除鱗→開(kāi)坯→粗軋→中軋→精軋→產(chǎn)品檢驗(yàn)→剪切收集→打捆稱重。

1.3 關(guān)鍵工藝控制

(1)精煉渣系控制。溫度及其他條件相同情況下，爐渣堿度對(duì)含硫易切削鋼中硫收得率有重要影響，堿度越高硫收得率越低。根據(jù)渣況逐批加入石英等造渣材料，調(diào)整精煉渣，采用CaO-SiO2-Al2O3渣系，精煉渣堿度R控制在1.0～2.0為宜[3]。

(2)錳硫比控制。硫系易切削鋼的主要技術(shù)難點(diǎn)在于控制好其中的MnS。S主要以MnS的形式分布在鋼中。由于MnS夾雜物割斷了基體的連續(xù)性而使車削易斷，又由于MnS的潤(rùn)滑作用而降低了刀具磨損，從而改善了鋼材的切削加工性能。但是如果有多余的S存在于鋼中，則容易與鋼中的O、Mn、Fe生成過(guò)多的Fe—FeS (熔點(diǎn)為988℃)共晶化合物、FeS—MnS (熔點(diǎn)為1164℃)共晶化合物及Fe—FeS—FeO (熔點(diǎn)為940℃)三相共晶化合物，這些共晶化合物的形成會(huì)造成鋼的熱脆。在軋制時(shí)由于鋼中產(chǎn)生的共晶化合物熔點(diǎn)較低而處于熔融狀態(tài)．從而導(dǎo)致軋制開(kāi)裂。錳硫比控制最佳范圍在3.0～5.0[4]。

(3)軋制溫度控制。硫系易切削鋼含硫高，其熔化溫度較低，若軋制溫度過(guò)高易使硫化物熔化造成軋件打滑，軋機(jī)咬入軋件比較困難；溫度低則容易出現(xiàn)劈頭、開(kāi)裂、纏輥等現(xiàn)象。 因此，制定合適的加熱溫度是關(guān)鍵工藝之一。根據(jù)研究結(jié)果，在低于1000℃以下軋制，MnS的相對(duì)塑性較大，隨基體變形易被拉長(zhǎng)，降低切削性能。同時(shí)，F(xiàn)eS共析物在低軋制溫度下容易形成，從而引起晶界撕裂。在高于1200℃時(shí)軋制，MnS的相對(duì)塑性較小，隨基體變形不易被拉伸，有利于切削性能的提高[5]。綜合以上各方面因素，結(jié)合生產(chǎn)廠實(shí)際情況，制定軋制加熱工藝為：鋼坯加熱溫度1050～1230℃，均熱溫度1160～1220℃ ，開(kāi)軋溫度1000～1100℃。加熱時(shí)應(yīng)緩慢升溫，在加熱爐高溫段加熱均勻燒透，以使鋼坯內(nèi)外溫度一致，避免軋制時(shí)鋼件內(nèi)外變形差異大而導(dǎo)致開(kāi)裂。

(4)尺寸精度控制。產(chǎn)品在交付時(shí)有尺寸精度要求，主要是橢圓度和尺寸公差。鋼材尺寸按GB/T 702《熱軋圓鋼和方鋼尺寸、外形、重量及允許偏差》第二組尺寸精度控制，尺寸公差一般按正公差交付用戶。主要采取以下兩項(xiàng)措施：一是提高鋼坯加熱質(zhì)量，穩(wěn)定軋制溫度，減少鋼坯或鋼件內(nèi)外溫差；二是通過(guò)調(diào)整軋機(jī)孔型和使用微張力控制程序來(lái)控制軋件料形和各道次紅坯尺寸。

2 產(chǎn)品檢驗(yàn)分析

2.1 成分控制

對(duì)生產(chǎn)出來(lái)的WY1215鑄坯化學(xué)成分進(jìn)行檢驗(yàn)，其化學(xué)成分如表2所示。從表2數(shù)據(jù)看，WY1215鑄坯化學(xué)成分完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼中Si、Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，有利于降低SiO2、Al2O3等硬性?shī)A雜物數(shù)量，減少刀具磨損，從而提高該鋼的切削性能。

表2 WY1215鋼化學(xué)成分實(shí)際控制情況

2.2 鑄坯表面質(zhì)量

含硫易切削鋼鑄坯容易產(chǎn)生皮下氣泡、表面裂紋等表面質(zhì)量缺陷，本次生產(chǎn)的WY1215連鑄坯沒(méi)有出現(xiàn)皮下氣泡、表面裂紋、結(jié)疤等問(wèn)題，表面質(zhì)量良好。

2.3 鋼材機(jī)械性能

工業(yè)生產(chǎn)WY1215棒材(規(guī)格Φ32mm)機(jī)械性能情況見(jiàn)表3，從表中數(shù)據(jù)可看出，WY1215棒材產(chǎn)品機(jī)械性能完全滿足用戶要求。

表3 WY1215棒材機(jī)械性能控制情況

2.4 金相組織及夾雜物

從金相檢驗(yàn)結(jié)果看，WY1215易切削鋼的組織為鐵素體+珠光體，見(jiàn)圖1。經(jīng)驗(yàn)表明為獲得良好的切削性能，珠光體量最多不應(yīng)超過(guò)30%[6]。

圖1 WY1215鋼金相組織

采用Quanta400掃描電鏡對(duì)夾雜物形貌及成分進(jìn)行分析，主要為硫化錳夾雜物，其形狀主要為球狀、紡錘狀，結(jié)果見(jiàn)圖2。

有關(guān)研究表明[3，7]，球狀、紡錘狀硫化物比長(zhǎng)條形硫化物提高切削性能更有利，鋼中總氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)硫化物夾雜物有顯著影響，控制脫氧條件使鋼中形成(Mn、Fe)(S、O)氧硫化物，由于氧的溶入，顯著降低了MnS的變形能力，達(dá)到控制熱加工后呈球形硫化物的目的。

圖2 MnS夾雜形貌及能譜分析

3 結(jié)論

通過(guò)以上工藝設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)控制，成功開(kāi)發(fā)了環(huán)保型含硫易切削鋼WY1215棒材，獲得了以下生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)：

(1)優(yōu)化精煉渣系控制，穩(wěn)定爐渣堿度R控制在1.0～2.0，可提高WY1215硫收得率；

(2)為控制好WY1215鋼中的MnS夾雜物，錳硫比控制最佳范圍在3.0～5.0；

(3)采用合適的軋制溫度，可有效避免WY1215軋件打滑，或劈頭、開(kāi)裂、纏輥等現(xiàn)象；

(4)采用該工藝生產(chǎn)的WY1215棒材產(chǎn)品，組織為鐵素體+珠光體。

[1] 蔣光輝，古隆建，等．易切削鋼現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]．四川冶金，2006，28(5)：10-14．

[2] 王小紅，謝兵，等．易切削鋼連鑄工藝的開(kāi)發(fā)[J]．西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，27(6)：88.

[3] 羅國(guó)華，范植金，等．低碳硫系易切削鋼的轉(zhuǎn)爐連鑄工藝開(kāi)發(fā)[J]．鋼鐵研究，2012，(增刊1)：105-106．

[4] 周平，劉景華，等．國(guó)內(nèi)外易切削鋼綜述[J]．萊鋼科技，2004，32(3)：63-65．

[5] 高偉．Y40Mn光亮材的研制[J]．大連特殊鋼，1999，18(1)：24-30．

[6] 張帆，范植金，等．影響WY1215切削性能的因素與改善措施[J]．鋼鐵研究，2013，(增刊1)：24-30．

[7] 磯部浩一，草野祥昌，等．氧濃度對(duì)低碳含硫易切削鋼MnS系硫化物生成過(guò)程及其切削性能的影響[J]．大連特殊鋼，1995，5：50-57．