含硫易切削钢切削性机理与硫化物控制简述

第４ｌ卷第ｌ期　２０１５年２月　包钢科技　Ｖｏ１．４１，Ｎｏ．１　Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１５　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｂａｏｔｏｕ　Ｓｔｅｅｌ　含硫易切削钢切削性机理与硫化物控制简述　王金龙　，乔爱云　，张行刚　（１．内蒙古包钢钢联股份有限公司技术中心，内蒙古包头０１４０１０：　２．内蒙古包钢钢联股份有限公司无缝钢管厂，内蒙古包头０１４０１０）　摘要：文章对易切削钢的分类及特点进行了简要概述，着重阐述了含硫易切削钢的切削性机理，以及硫、氧、铝、　碳、硅等元素含量及冷却速度对硫化物形态的影响。　关键词：硫；易切削钢；硫化物；切削性机理　中图分类号：ＴＧＩ４２．１３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００９—５４３８（２０１５）０ｌ一００３０—０３　Ｓｕｍｍａｒｙ　ｏｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｓｕｌｆｉｄｅ　ｆｏｒ　Ｓｕｌｐｈｕｒ　Ｆｒｅｅ——ｃｕｔｔｉｎｇ　Ｓｔｅｅｌ　ＷＡＮＧ　ｎ—ｌｏｎｇ　，ＱＩＡＯ　Ａｉ—ｙｕｎ　，ＺＨＡＮＧ　Ｘｉｎｇ—ｇａｎｇ　（１．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆＳｔｅｅｌ　Ｕｎｉｏｎ　Ｃｏ．Ｌｔｄ。ｏｆＢａｏｔｏｕ　Ｓｔｅｅｌ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏｒｐ．，Ｂａｏｔｏｕ　０１４０１０，Ｎｅｉ　Ｍｏｎｇｇｏｌ，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｅａｍｌｅｓｓ　Ｔｕｂｅ　Ｐｌａｎｔ　ｏｆＳｔｅｅｌ　Ｕｎｉｏｎ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．ｏｆＢａｏｔｏｕ　Ｓｔｅｅｌ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏｒｐ．，Ｂａｏｔｏｕ　０１４０１０，Ｎｅｉ　Ｍｏｎｇｇｏｌ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｃｌａｓｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｆｒｅｅ—ｃｕｔｔｉｎｇ　ｓｔｅｅｌ　ａｒｅ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｍａｃｈｉｎａｂｉｌｉｔｙ　ｆｏｒ　ｓｕｌｐｈｕｒ　ｆｒｅｅ—ｃｕｔｔｉｎｇ　ｓｔｅｅｌ，ｅｆｆｅｃｔｓ　ｆｏｒ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｏｆ　ｓｕｃｈ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ＇ａｓ　Ｓ，Ｏ，Ａ１，Ｃ　ａｎｄ　Ｓｉ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍ　ｏｆ　ｓｕｌｉｄｅ　ａｒｅ　ｅｍｐｈａｔｆｉｃａｌｌｙ　ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｕｌｐｈｕｒ；ｆｒｅｅ—ｃｕｔｔｉｎｇ　ｓｔｅｅｌ；ｓｕｌｉｆｄｅ；ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｍａｃｈｉｎａｂｉｌｉｔｙ　易切削钢是通过加入某些化学元素（易切削元　素），从而提高钢切削性能的钢种。主要易切削元　素有硫、磷、铅，其次是硒、碲、铋、钛等，这些元素可　以单独加入，也可复合加入钢中。易切削钢与普通　钢相比主要有几个优点：加工产品表面光洁度好；切　削加工时易断屑；加工刀具受力小及能耗小；刀具寿　铸为主生产易切削钢。　１　易切削钢的分类及特点¨Ｊ　按性质分类主要有以下三种：　１．１　自动机用钢　这类钢要求切削性能比要求力学性能要高，因　命长。易切削钢广泛应用于汽车、农机、通用机械等　领域。我国标准为ＧＢ／Ｔ　８７３１—２００８《易切削结构　钢》，该新修订标准比ＧＢ／Ｔ　８７３１—１９９８（９个钢种）　增加了１３个钢种。在生产工艺方面，国内易切削钢　的生产除兴澄特钢和贵阳特钢１００％采用连铸工艺　生产易切削碳素结构钢、兴澄特钢１００％采用连铸　工艺生产易切削非调质钢外，其它特钢企业都以模　此类钢多采用自动机床加工成零件而得名。自动机　用钢多数用于低碳钢，含碳量Ｗ［ｃ］约为０．０５％～　０．１０％，含硫量Ｗ［ｓ］约为０．２０％～０．４０％，最高可　达０．６０％。主要用于制造负荷较小的零件，如螺　钉、螺帽等标准件，及不太重要的通用机械零件等。　１．２结构类用钢　此类钢对力学性能要求较高，而对切削性能要　收稿日期：２０１４—１０—２８　作者简介：王金龙（１９７８一），男，山东省烟台市人，博士，工程师，主要从事金属凝固过程研究及无缝钢管研发工作。　第１期　含硫易切削钢切削性机理与硫化物控制简述　３１　求相对较低，多用于制造负荷较大并且毛坯需要切　主要体现在硬质合金刀具中，尤其在ＴｉＣ硬质合金　削加工的重要零件，这类钢种多为中低碳合金结构　钢和中碳结构钢。该类钢种品种较多，按成分特点　可以分为以下几种：　刀具上，在高速钢刀具上尚未见到此膜，此类钢种的　力学性能与基础钢基本相同。　１．３特殊用途类钢　（１）半易切削钢：其成分特点是在中碳结构钢　成分的基础上加入０．０３％～０．０７％的硫以提高切　具有特殊性能和用途的不锈钢、轴承钢等同样　存在提高切削性能的问题，尤其是不锈钢，一向以难　切削著称，因此国内外开发了很多降低不锈钢切削　难度的品种，主要用于化工、水泵等零件，如美国的　３０３、日本的ＳＵＳ３０４、我国的Ｙ２Ｃｒ１３Ｎｉ２、Ｙ１Ｃｒ１８Ｎｉ９　等均为易切削不锈钢。　削加工性能，同时保持较好的力学性能。典型的钢　种如：３５ＭｎＶＳ、４９ＭｎＶＳ６、３８ＭｎＳ６、￥４８Ｃ、￥５５Ｃ等，　该类钢种主要用于汽车部件及重要的标准件，如汽　车发动机曲轴、连杆等，另外还有ＳＡＥ８６２０、　２０ＣｒＭｎＴｉＳ、２０ＣｒＭｎＮｂＳ等系列钢种用于渗碳齿轮　用钢。　２　易切削钢的切削性机理　易切削钢的切削性机理，归纳起来主要有以下　几种：　（２）易切削钢：此类钢主要是在中低碳结构钢　的基础上，加入ｓ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｓｎ等易切削元素，上　述元素可以单独或复合加入。利用易切削元素所形　成化合物的特性，如硫化物，或者该元素自身低熔点　且不溶于固态钢的特性，如Ｐｂ、Ｂｉ等，使钢材的切削　加工性能得以极大的改善。在该类钢中，含硫钢中　（１）硫化物的应力集中源作用。由于ＭｎＳ破坏　了金属基体组织的连续性，在外力的作用下相当于　应力集中源，减少了刀具的切削抗力，使得切削温度　的硫含量Ｗ［Ｓ］可达０．０８％一０．３０％，典型的钢种　如我国的Ｙ２０、Ｙ３０、Ｙ４０Ｍｎ，美国的ＳＡＥ１１４６，德国　降低，而（Ｍｎ，Ｃａ）Ｓ在热加工时变形小，与基体变形　程度差别较大，增强了轧制后材料中硫化物的应力　集中效应，在硫化物周围形成的应力场及缺陷，阻碍　了位错的运动，导致局部应力集中；另外，由于硫化　物在钢中的弥散分布，缩短了裂纹的相互联结的路　程，起到了脆化切屑的作用。　（２）硫化物的固体润滑作用。硫化物的熔点较　低，随着切削温度的升高而逐渐的软化，具有良好的　塑性变形能力，起到了润滑的作用，减小摩擦力，减　轻了切屑和刀具之间的摩擦，从而减轻了刀具的磨　损。　的９ＳＭｎ２８、４５Ｓ２０等。含铅钢中铅的含量Ｗ［Ｐｂ］为　０．１０％～０．３５％，但由于Ｐｂ具有毒性，影响环境，目　前已被淘汰。　硫易切削钢占世界与我国易切削钢总产量的　比例分别为７０％和９Ｏ％。硫易切削钢按硫含量　Ｗ［ｓ］的不同，可分为低硫钢、中硫钢和高硫钢，一　般低硫钢的Ｗ［Ｓ］≤０．０２５％，有的甚至Ｗ［Ｓ］＜　０．Ｏ１％；中硫钢的Ｗ［Ｓ］＝０．０４％～０．０９％；高硫钢　的Ｗ［Ｓ］＝０．１％～０．３％。其中，中硫钢由于具有　良好的切削性能和力学性能，已广泛应用于工业生　（３）硫化物包裹减磨的作用。硫化锰的硬度　低，包裹硬度高的氧化物时，能减轻刀具的磨损，消　除了Ａ１　Ｏ，等硬质点氧化物在切削过程中的犁沟作　用和磨料作用，减轻了刀具的磨损，同时也改善了加　工件的表面光洁度　。　（４）易切削钢中的某些夹杂物在适当刀具材料　和切削条件下，能在刀具的前后刀面上形成一层　“Ｂｅｌａｇ”覆盖薄膜，它能隔绝刀具和切屑元素的相互　扩散，减轻刀具的扩散磨损。同时，“Ｂｅｌａｇ”也有减　产，而高硫钢则是为满足特殊切削性能需求的钢材。　对于含硫的自动机用钢来说，粗大的硫化物对易切　削性能有利，而高度弥散尺寸较小的硫化物切削性　能最差，ＭｎＳ的尺寸在１３０—１７０　ｍ时，易切削性　能最好。　（３）钙处理改变切削性能钢：在此类钢中，其成　分与基础钢（碳素结构钢或合金结构钢）完全相同，　只是在冶炼时采用钙的合金控制脱氧，它靠钢水中　钙的可变形脱氧产物钙长石ＣａＯ・Ａ１　Ｏ　・２ＳｉＯ　存　在，在切削加工时要保证足够高的切削速度来促使　ＣａＯ・Ａ１２Ｏ３・２ＳｉＯ２软化，在刀具的表面形成一层　保护膜，国际上称之为“Ｂｅｌａｇ”，减少刀具的磨损程　度，来保证其切削性能　Ｊ。这种钢切削性能的优良　摩作用，降低切削力＿４］。　３　含硫易切削钢中硫化物形态及控制　Ｓｉｍｓ　提出按铸钢中硫化物的形态和分布的不　同分为三类。Ｉ类：球状，无规则分布，夹杂物为单相　或两相，存在于不用铝脱氧的钢中。Ⅱ类：沿晶界分布　３２　包钢科技　第４１卷　或呈扇状分布，存在于用少量铝脱氧的钢中。Ⅲ类：　块状，无规则分布，存在于加铝量高且有残铝的钢中。　钢中ＭｎＳ究竟形成那种形态硫化物，主要取决于硫、　氧、铝、碳、硅等元素含量及冷却速度等方面。　３．１　氧、铝、碳、硅等元素的影响　或减轻热脆带来的危害，公认的方法是向钢中添加　合金元素Ｍｎ，使Ｍｎ代替低熔点ＦｅＳ中的Ｆｅ，生成　高熔点的ＭｎＳ（熔点为１　６００　ｏＣ），但是如果Ｍｎ的　加入量不足，将生成富Ｆｅ的（Ｆｅ，Ｍｎ）Ｓ，仍然不能　避免热脆的影响，一般要求Ｗ［Ｍｎ］／Ｗ［ｓ］要在４～　５以上。另外Ｗ［Ｍｎ］／Ｗ［Ｓ］还对钢中硫化物的形　文献［６］中论述，Ｗ［０］＞０．０２％时，形成第１　类硫化物；Ｗ［０］在０．０２％～０．０１％区间内时，形　态和数量有影响，随Ｗ［Ｍｎ］／Ｗ［Ｓ］增高，铸钢中夹　成球状的第１类硫化物和沿晶界分布的第Ⅱ类硫化　物。而第Ⅲ类硫化物的形成还受其它元素的影响，　Ｗ［ｃ］、Ｗ［Ｓｉ］高，促使形成第Ⅲ类硫化物；如果没　有碳和硅的存在，铝高也不会形成第Ⅲ类硫化物；　磷、钙、铬、锆等其它元素则促进第Ⅲ类硫化物的形　成。所以第Ⅲ类硫化物通常不存在于普通碳钢中，　而存在于铸铁、１％Ｃ—Ｃｒ滚珠轴承钢、高铬不锈钢　和高硅钢中。而第１类硫化物通常存在于沸腾钢和　半镇静钢中，第Ⅱ类硫化物则存在于镇静钢中。　这三类硫化物虽然分布不同，但均沉淀在枝晶　间。第１类硫化物主要是单相ＭｎＳ，但也有一些复　相夹杂物，它的尺寸比单相的大，复相夹杂物是硫化　物和氧化物的共晶。这种球状夹杂物是钢液凝固时　析出的。第Ⅱ类硫化物与第１类硫化物一样，也是　钢液凝固时析出，不过此时钢液中含氧量低。第Ⅱ　类硫化物也为ＭｎＳ，其中含有少量Ｆｅ，结构同于０ｃ—　ＭｎＳ。但是需要说明，当钢的成分一定时，ＭｎＳ中　Ｗ［Ｆｅ］与钢的加热制度和冷却速度有关。第Ⅲ类硫　化物也是　一ＭｎＳ，在组成上与单相的第１类硫化　物和第Ⅱ类硫化物无差别，也未发现其中有Ａｌ。从　第Ⅲ类硫化物的形状判断，它是从熔液中呈固态沉　淀的。增加碳、硅和铝的影响可能是由于增高了硫　的活度和降低了铁的熔点。　３．２锰、硫元素含量及其含量之比的影响　硫化锰的形态还受到钢中Ｗ［Ｓ］的影响，文献　［６］在钢中分别加入０．００４％、０．０１％、０．０５％、　０．１０％、０．６５％的Ｓ，研究Ｗ［Ｓ］对钢中硫化物形态　的影响，得出含硫为０．００４％和０．０１０％时，形成第　１类硫化物；Ｗ［Ｓ］为０．０５０％时开始观察到第Ⅱ类　硫化物，随Ｗ［ｓ］增高，第Ⅱ类硫化物的数量也随之　增多。当Ｗ［ｓ］为０．６５％和Ｗ［Ｍｎ］为２．８８％时，　就形成大枝状硫化物，此种硫化物也属第Ⅱ类硫化　物。理论上，随Ｗ［Ｓ］增加，所生成硫化物的数量也　相应增加。　在钢中保留一定含量的硫元素虽然提高了钢材　的切削性能，但同时也带来了热脆的问题。为避免　杂物的纺锤率增高，夹杂物总数下降。　４．３冷却速率对硫化物数量和形态的影响　Ｓｕｚｕｋｉ等　研究了钢液凝固过程中夹杂物颗粒　长大模型，得出式（１）。　ｒ３＝　＋　…（１）　式中：ｒ——生成夹杂物的直径，ｍ；　ｒ０——夹杂物的最初直径，ｍ；　——夹杂物与钢液之间的比表面能，Ｎ／ｍ；　——夹杂物的摩尔体积，ｍ。／ｍｏｌ；　ｃ　——钢液中溶质元素的浓度，其中Ｋ表示　Ｓ，Ｍｎ％；　ｃ　——达到形成夹杂物的溶质元素的浓度，％；　Ｄ　——溶质元素的扩散系数，ｍ　／ｓ；　Ｒ——气体常数，ｍ／￣Ｃ；　△ｔ　——从第ｈ温度区间冷却到固相线的时间　（ｈ＝１，２，…），Ａｔｈ＝（　一　）／Ｒ　，其　中Ｒ　为冷却速率，ｍ／ｓ；　为固相线温　度，℃；Ｔｈ为第ｈ温度区间的温度，℃；　——在第ｈ温度区间和固相线之间的中间　温度，Ｔ　＝（　＋　）／２。　由式（１）可看出，　随着温度的降低而减小，冷　却速度的加大会减少溶质元素的偏析，因而Ｃ　也相　应降低。并且从第ｈ温度区间冷却到固相线的时间　间隔△￡　随着冷却速率Ｒ　的增大而减小。因此从　式（１）可知，随冷却速率的增加，生成的夹杂物明显　变小，该方程适用于扩散机理和钢液中在夹杂物形　成之前就有形核核心存在的情况。　另据文献［５］报道，钢慢冷时易形成第Ⅲ类或　第１类硫化物，快冷时易形成第Ⅱ类硫化物，但化学　成分对硫化物的影响超过冷却速度的影响。　４　结束语　含硫易切削钢的切削性机理主要是硫化物的应　力集中源作用，硫化物的固体润滑作用，硫化物包裹　减磨的作用，有时能在刀具的前后（下转第６７页）　第１期　ＴＭＥＩＣ控制技术在卷取机系统中的应用　６７　￡夹送辊提升到３００ｍ等待位　—　Ｌ夹落辊提升到３０Ｏ　等待位　４　结束语　由于现阶段ＭＥＩＣ技术应用在包钢稀土钢板材　＼＿Ｊ＿：艇送辍开始Ｆ落减遽；　ｉ／　＼Ｊ馔蹴　嚣　　｛／厂　誊　、一＾　”—”＾＾　—　～凄洪搬　公司热轧项目中还处于生产调试阶段，部分的热轧　卿　技术还在进行系统合理优化当中。通过实践证明，　ＴＭＥＩＣ的技术在热轧卷取当中，可以有效的改善钢　枧一　｝邈　施阶段　ｌ／Ｉ　耩轧机絮ｌ　ｌ　｝＿＿一　卷的边浪和塔形，提高钢卷产品质量和外形的美观。　参考文献　能控阶段　卷取完减保持埠缱值能控阶段　童朝南，纪智，彭开香，等．卷取张力控制新　方法［Ｊ］．北京科技大学学报，２００２，（０４）：２．　［２］　贺凯．热轧卷取机的发展近况［Ｊ］．上海宝钢　工程设计，２００１，（２）：１５—２０．　图６　位置曲线示意图　［３］　于长志，崔桂梅，李德刚．热轧卷取机的张力　控制［Ｊ］．冶金自动化，２００９，（１）：４７４—４７８．　”＋”＋・・＋“＋－＋・－＋”—・　”－●一“＋－—－＋＿“—－　”—・　（上接第３２页）　刀面上形成一层“Ｂｅｌａｇ”覆盖保护薄膜。钢中ＭｎＳ　形态主要取决于硫、氧、铝、碳、硅等元素含量及冷却　速度等方面。　［４］　Ｂ　ＣＡＲＬ，Ｌ　Ｅ　ＧＩＬＬＥＳ，Ｌ　ＨＯＡＮＧ，ｅｔ　ａ１．Ｄｅ－　ｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｎ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｆｕｌｌｙ　ｃｈａｒ—　ａｃｔｅｒｉｚｉｎｇ　ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ　ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａ—　参考文献　ｔｉｏｎ　ｔｏ　Ｃａｌｃｉｕｍ—ｔｒｅａｔｅｄ　ｓｔｅｅｌｓ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ，１９９７，３８（１）：２５—３７．　项程云．合金结构钢［Ｍ］．北京：冶金工业出　版社．１９９９．　ＡＮ．　［２］　Ｋ　ＲＡＭＡＮＵＪＡＣＨＡＲ．Ｓ　Ｖ　ＳＵＢＲＡＭＡＮＩＭｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ｏｆ　ｔｏｏｌ　ｗｅａｒ　ｉｎ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｆｒｅｅ　［５］　李代锺．钢中非金属夹杂物［Ｍ］．北京：科学　出版社，１９８３．　［６］　刘克俭，王祖宽，杨桂荣．钢中硫化物夹杂　的产生及其形态控制［Ｊ］．河北理工学院学　报，２００１，２３（１）：２１—２３．　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｓｔｅｅｌｓ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，１９９６，（１—２），１９７：　４５—５５．　［７］　Ｍ　ＳＵＺＵＫＩ，Ｒ　ＹＡＭＡＧＵＣＨＩ，Ｋ　ＭＵＴＡＫＡＭＩ，　ｅｔ　ａ１．Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｇｒｏｗｔｈ　ｄｕｒｉｎｇ　ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａ—　［３］　赵麦群，张颢，武占学．泥浆泵重载齿轮用　中碳易切削钢的试验研究［Ｊ］．兵器材料科　学与工程，２００３，２６（５）：１９—２２．　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ［Ｊ］．ＩＳＩＪ　Ｉｎｔ，２００１，４１　（３）：２４７—２５６．