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技术领域

本发明涉及钢铁冶金领域，具体说是一种非调质钢及其生产工艺，涉及一种含Mg- Ca的易切削非调质钢及及其制造方法。

背景技术

易切削非调质钢是通过微合金化、控轧控冷等强韧化，S、Pb切削处理等方法，取消 了调质热处理，达到或接近调质钢力学性能并具有易切削性的一类优质或特殊质量结构 钢。易切削非调质钢广泛用于诸如汽车连杆、曲轴、转向节轴、驱动轴、前桥等零件和结构 件，且用量日益增大，是汽车用钢的典型代表，迎合了机械加工不断向自动化、高速化和精 密化方向发展对易切削非调质钢提出了改善加工性能和更高强度的要求，随着精炼工艺、 微合金化控制技术、控轧控冷技术的发展，易切削非调质钢的使用范围更加广泛，涉及到建 筑、重型机械、高压输送管道、桥梁等领域，取得了显著的节能成效。

非调质钢是伴随着20世纪70年的石油危机，导致国际上能源短缺而快速发展起来 的一种高效节能钢，由于其具有节省能源、材料、减少淬火变形开裂、工艺简单等优点，目前 受世界各国的关注。目前，国外汽车上许多锻件已广泛采用非调质钢制造；国内汽车厂也在 开发应用非调质钢或引进国外非调质钢制造技术。与调质钢相比较而言，传统热锻用非调 质钢的强度较好，但韧性不足且不易切削，限制了它的广泛应用，因此，易切削非调质钢的 发展重点是在保证强度的基础上来提高韧性并赋予其优良易切削性。

生产工艺难点是钢中氧含量、硫元素的吸收率和窄范围、夹杂物细小、均匀的无害 化处理及铸坯低倍组织的控制。传统采用电炉→LF→连铸→控轧控冷或转炉→LF→连铸→ 控轧控冷并以Al脱氧工艺生产的含硫易切削钢的纯净度差、成分与温度不均、氮氢含量高 且Al的絮状氧化物易堵塞水口可浇性差。为了克服这些困难缺点，本发明提出采用转炉→ LF→VD→连铸→控轧控冷并以Ca-Mg复合改质工艺生产含硫易切削非调质钢，在保证机械 性能的前提下，进而改善钢材的切削性，同时可以显著提高钢材纯净度、均匀性，提高可浇 性。

公开号为CN1667129A的中国专利公开了一种含硫易切削非调质钢的生产方法,钢 的组分(重量百分比)为:C0.10~0.35%,Si0.15~0.45%,Mn0.60~1.50%,P≤0.03%,S≤ 0.045%,Cr0.80~1.50%,Ti0.03~0.12%,Al0.01~0.10%,Ni0~0.30%,Mo0~0.20%,Cu0~ 0.20%,N0.004~0.015%,铁余量。本发明申请与上述专利不同的地方在于：本发明申请不含 Ti且通过镁钙改质夹杂物形态。

公开号为CN101255535的中国专利公开了一种Ca-S复合易切削非调质钢及其生 产工艺，C：0.44～0.49％、S：0.040～0.065％、Si：0.30～0.60％、P≤0.035％、Mn：1.20 ～1.50％、Ca：0.001～0.010％、V：0.08～0.12％、Al：0.01～0.03％、Cr、Ni、Cu≤ 0.30％余为Fe和不可避免的杂质。本发明申请与上述专利不同的地方在于：本申请镁钙改 质，Mg：0.0005％～0.008％、Al：0.001％～0.04％、Ca:0.0008％～0.005％，且本申请在工 艺上采用VD处理。

公开号为CN104264040A一种非调质钢及其制造方法以及采用该非调质钢制造的 曲轴,其化学元素质量百分配比为:C:0.37～0.43%、Si:0.55～0.65%、Mn:1.46～1.56%、 V:0.07～0.13%、Nb:0.015～0.035%、N:0.012～0.017%;余量为铁和其他不可避免的杂 质。本发明申请与上述专利不同的地方在于：本发明申请没有加入Nb而采用镁钙改质，Mg： 0.0005％～0.008％、Ca:0.0008％～0.005％，且本申请在工艺上采用VD处理。

发明内容

本发明针对现有工艺的不足与制造业对材料越来越高的要求，通过Mg-Ca复合改 质处理提供一种含硫、镁易切削非调质钢及其生产方法，进而改质含硫易切削非调质钢中 的硫化物夹杂，从而改善夹杂物形态，进而钢材的机械性能和切削性能。该非调质钢的成分 以重量百分比计为：C：0.42％～0.51％、Si：0.15％～0.6％、Mn：0.90％～1.50％、P: 0.010％～0.035％、S:0.040％～0.080％、V:0.06％～0.13％、Mg：0.0005％～0.008％、 Al：0.01％～0.04％、Ca:0.0008％～0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:

一种含硫、镁、钙的易切削非调质钢及其冶炼方法，该非调质钢的成分以重量百分比计 为：C：0.42％～0.51％、Si：0.15％～0.6％、Mn：0.90％～1.50％、P:0.010％～0.035％、S :0.040％～0.080％、V:0.06％～0.13％、Mg：0.0005％～0.008％、Al：0.01％～0.04％、 Ca:0.0008％～0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明各元素的作用：

C：碳含量的高低对钢材的强硬度和塑韧性都有很重要的影响。在所有元素中,碳提高 强度的能力最大,碳对淬火回火钢的强化效果大约为硅的5倍,铬的9倍和锰的18倍,所以为 保证齿轮钢具有足够的强度、硬度,钢中必须含有相当的碳含量。一般的齿轮钢都含有较多 的合金元素，其中有许多碳化物形成元素会与碳形成MoC、(Fe,Cr)₃C、Cr₇C₃等碳化物。合金 碳化物在回火过程中析出而产生二次硬化效应，能使材料的硬度进一步提高，从而具有较 高的强度和良好的耐磨性能。

Si：硅作为若脱氧剂可以控制齿轮钢的脱氧程度，是影响钢中硫化物夹杂变形和 切削性能的关键元素，同时也是恶化钢材切削性能的元素之一。硅能强烈提高渗层的淬透 性,但在渗碳过程中容易发生晶界氧化而形成黑色网状缺陷;随合金元素添加量的增加,钢 的马氏体点下降,使淬火后渗层中含有大量残余奥氏体,影响零件的疲劳性能及耐磨性。

Mn：锰能提高珠光体的形核功和转变激活能,降低珠光体的形核率和长大速度,锰 元素及其碳化物溶于奥氏体中,使奥氏体等温转变曲线右移,增大过冷奥氏体稳定性,抑制 珠光体转变,提高淬透性，锰与钢中的硫生成的MnS是一种重要的易切削相，可以帮助改善 切削性能。为了保证良好的切削性能和力学性能，本发明控制锰的含量在0.8~1.6%。

P：对于结构钢磷被认为是一种有害元素，但在冷轧薄板中，可利用其溶于铁素体 而显著提高强度，同时为避免磷的冷脆性，磷含量一般控制在0.10%以下。

S：一般低硫钢的S≤0.025%，中硫钢S=0.04～0.09%，高硫钢S=0.10～0.30%。其中 中硫钢由于具有良好的切削性能和力学性能，已被广泛应用于工业生产，而高硫钢则是为 满足特殊切削性能需求的钢材。对普通钢而言，微量增硫就能起到改善可切削性的明显效 果。研究表明夹杂物成球状或纺锤状比线条状更有利于切削。可通过向易切削钢中加入钙、 稀土和钛等元素来达到改变硫化物形状的目的。同时应保证钢中具有一定的锰硫比，降低 钢中因硫含量过高而带来的不利影响，来保征钢材的力学性能。成分设计的原则是在保证 钢的机械性能基本不变的条件下，改善其切削性能。但同时MnS在热轧时易沿轧制方向伸 长，降低钢材的横向力学性能。因此本发明控制硫含量为0.040%~0.08%。

V：钒是最常用而又有效的强化微合金化元素，其主要是通过形成V（C，N）来影响钢 的组织和性能。V（C，N）主要在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，细化铁素体晶粒，增加钢的 强度。在钢中加入少量钒后，钒与碳和“自由”氮结合形成V（C，N）化合物，降低了钢中“自 由”氮含量，使钢具备了非应变时效性。钒的碳氮化合物具有细化晶粒增加强度的作用，强 度随钒含量的增加呈直线增长，如果钒含量超过0.15%，对其韧性则不利。在钢中钒的添加 量一般控制在0.08%～0.13%。

Al:铝一般是作为脱氧剂加入金属中的，但也是一种微合金化元素用于与钢中的 氮结合。在冷却过程中随温度的下降，铝在奥氏体中的溶解度减小而析出铝的氮化物，起阻 止奥氏体晶粒长大作用。在γ→α相变时促进非均匀形核而加速奥氏体转变并细化铁素体 晶粒。为了更好地细化晶粒,采用精炼喂Al线方式,合理控制喂线速度和喂线时机,使得酸 溶铝含量能够稳定控制在内控范围之内。

Ca：在钢液凝固过程中，钙的氧化产物作为硫化物形核核心，可以促进硫化物的析 出和硫化物的均匀分布。通过向钢中加入硫化物形态控制元素，如碲、硒、钛、钙或稀土金属 等以及控制钢中氧含量，将钢中夹杂物形成纺锤状以提高钢的切削性。一般用金属钙或钙 硅合金脱氧剂来代替金属铝来脱氧。一般单纯钙易切削钢很少使用，钙-硫或钙-硫-铅复合 易切削钢较为普遍。

Mg：镁是比AI更为活泼的金属元素，且不会形成像氧化镁絮状夹杂堵塞水口。在钢 液凝固过程中，其氧化产物作为硫化物的形核核心，可以促进硫化物的析出和均匀分布。镁 还能起到改变硫化物形态，形成氧化镁为核心硫化锰为覆盖层的纺锤体夹杂，从而提高易 切削性。

（化学式一）[Mg]+[O]=MgO(s)△G₁^θ=-731400+239.68T

（化学式二）2[Al]+3[O]=Al₂O₃(s)△G₃^θ=-1202070+386.28T

（化学式三）[Mg]+[S]=MgS(s)△G₂^θ=-537258.5+205.77T

（化学式四）[Ca]+[S]=CaS(s)△G₁^θ=-541158.26+193.33T

（化学式五）MgO(s)+Al₂O₃(s)=MgO·Al₂O₃(s)△G₄^θ=-35600-2.09T

（化学式六）[Mg]+4[O]+2[Al]=MgO·Al₂O₃(s)△G₅^θ=-1969070+623.87T

由Mg、Ca、O、S的热力学平衡关系，可得1873K平衡时，钢中[Mg]、[Ca]、[O]、[S]的浓度关 系。

一种含钙硫镁易切削非调质钢的生产工艺,其特征在于:该工艺包括冶炼、连铸和 轧制工序,其工艺流程为:

(1)冶炼及合金化：转炉铁水不进行脱硫，仅脱碳与磷，出钢1/4时按硅锰—硅铁—硫化 铁顺序加入进行弱脱氧，氧含量控制在30-100ppm；

(2)LF炉精炼：加入精炼渣、埋弧渣，加入硫化铁控制硫含量，进行白渣处理，LF后期向 钢中加入硅镁钙合金线进行Mg-Ca复合处理与夹杂物改质，喂线速度控制在95-120m/min并 控制合适的Ca/S、Mg/S，Ca/S控制在0.010-0.050、Mg/S控制在0.010-0.050，确保化学成分 符合设计要求；

(3)真空精炼：为保证钢中易切削夹杂物形态，进行真空脱气，进而实现硫元素的稳定 控制及提高硫化物夹杂纺锤率，破真空后向钢中加入S线，使S含量达标；

(4)浇注：全程进行保护浇注，控制过热度为25-40℃，连铸拉坯速度为0.7-1.20m/ min，弱冷冷却确保连铸坯质量，结晶器电磁搅拌运行电流为250-280A，频率为2.5-3.5HZ， 最佳末端电磁搅拌运行电流为150-180A，频率为10.0-13HZ；

(5)控轧控冷：钢坯在加热炉的均热温度为1050-1200℃，开轧温度1100-1150℃，终轧 温度900-1000℃；轧后钢材冷却速度为2℃/s。

一种含镁钙的45MnVS易切削非调质钢的生产工艺流程为:

转炉冶炼→LF精炼→VD→连铸→铸坯坑冷→检验→坯料验收→加热→除鳞→轧制→ 剪切或锯切→坑冷→矫直→修磨→成品检验→打包标志→称重。

生产工艺难点是钢中氧含量、硫元素的吸收率和窄范围、夹杂物细小、均匀的无害 化处理及铸坯低倍组织的控制。传统采用电炉→LF→连铸→控轧控冷或转炉→LF→连铸→ 控轧控冷并以Al脱氧工艺生产的含硫易切削钢的纯净度差、成分与温度不均、氮氢含量高 且Al的絮状氧化物易堵塞水口可浇性差。为了克服这些困难缺点，本发明提出采用转炉→ LF→VD→连铸→控轧控冷并以Mg-Ca复合改质工艺生产含硫易切削非调质钢，在保证机械 性能的前提下，进而改善钢材的切削性，同时可以显著提高钢材纯净度、均匀性，提高可浇 性。

具体实施方式

实施例1:

一种含镁钙的45MnVS易切削非调质钢的生产工艺：

进一步优选的，Mg-Ca复合易切削非调质钢的制备方法，在保证钢的化学成分符合要 求的情况下，进行如下步骤：

(1)冶炼及合金化：转炉铁水不进行脱硫，仅脱碳与磷，出钢1/4时按硅锰—硅铁—硫化 铁顺序加入进行弱脱氧，氧含量控制在45ppm；

(2)LF炉精炼：加入加入精炼渣、埋弧渣，加入硫化铁控制硫含量，进行白渣处理，LF后 期向钢中加入硅镁钙合金线进行Mg-Ca复合处理与夹杂物改质，喂线速度控制在100m/min 并控制合适的Ca/S、Mg/S，Ca/S控制在0.040、Mg/S控制在0.035，确保化学成分符合设计要 求；

(3)真空精炼：为保证钢中易切削夹杂物形态，进行真空脱气，进而实现硫元素的稳定 控制及提高硫化物夹杂纺锤率，破真空后向钢中加入S线，使S含量达标；

(4)浇注：全程进行保护浇注，控制过热度为30℃，连铸拉坯速度为1m/min，弱冷冷却 确保连铸坯质量，二冷比水量为0.3L/Kg左右，结晶器电磁搅拌运行电流为260A，频率为 3.0HZ，最佳末端电磁搅拌运行电流为170A，频率为12HZ；

(5)控轧控冷：钢坯在加热炉的均热温度为1200℃，加热时间2.5小时，开轧温度1130 ℃，终轧温度950℃。轧后钢材冷却速度为2℃/s，下冷床堆冷温度700℃。