Ca/Mg复合处理对低氧硫系易切削钢硫化物的协同改性及组织性能的调控机制

MnS is a common type of non-metallic inclusion in sulfur free-cutting steel，which is of good deformability during rolling. Those elongated MnS inclusions in rolling direction often cause poor transverse impact toughness of steel. However, in order to improve machinability, MnS is indispensable in sulfur free–cutting steel. For the purpose of improve cutting property and anisotropy of steel simultaneously, the good control of morphology of sulfide is key technique for production of free cutting steel. On the basis of research achievements at home and abroad, the steel will be synergistic treated by calcium and magnesium to modify sulfide of sulfur free-cutting steel. The influence of sulfide on microstructure and property of steel was studied at the same time. The mechanism of synergistic action of calcium and magnesium ware revealed. This new method could give full play to respective potentials of calcium and magnesium and improve significantly machinability and anisotropy of the steel. The main work included thermodynamic analysis of inclusion precipitation when the steel treated by calcium or magnesium and synergistic treated by both of them. Dynamics of inclusion control and optimization of parameter for synergistic treatment ware studied. The influence mechanism of synergistic treatment of calcium and magnesium on deformation resistance of sulfide at high temperature, and evaluating method for higher-temperature deformation resistance of sulfide also was studied. The anticipated achievements would crack secrets of international cutting-edge technology for sulfur free-cutting steel. And, a new technology with independent intellectual property right for sulfur free-cutting steel treated by calcium and magnesium was developed.

硫系易切削钢中，大量MnS沿轧制方向拉伸变形，严重损害了钢的横向冲击韧性。为了保证钢的切削性能，同时兼顾材料的各向同性，对硫化物形态进行合理控制是硫系易切削钢生产领域的关键核心问题。本研究借鉴国内外研究成果，采用钙镁复合处理方法对硫化物进行变性处理，同时对硫化物对钢组织性能的影响规律展开研究。揭示了钙镁复合处理在硫化物变性过程中的作用机制及对钢组织性能的影响机理。新方法可充分发挥镁、钙处理的各自优势，在钢中形成尺寸细小，分布弥散，并兼具抗变形能力好的复合硫化物，显著改善钢的切削性能和各相异性。主要研究内容包括：镁钙单一/复合处理对硫化物析出的热力学分析；镁钙复合处理对夹杂物性态控制的动力学研究与参数优化；钙镁复合处理对钢中硫化物抗高温变形能力的影响机制与评价方法；硫化物性态对钢组织性能的影响等。预期研究成果有助于解密当前国际前沿技术，形成具有自主知识产权的硫系易切削钢镁钙复合处理新技术。

硫系易切削钢是目前应用最广泛的易切削钢。MnS在切削加工过程中起到润滑和断削的作用。然而，硫系易切削钢中，大量MnS沿轧制方向拉伸变形，严重损害了钢的横向冲击韧性。为了保证钢的切削性能，同时兼顾材料的各向同性，对硫化物形态进行合理控制是硫系易切削钢生产领域的关键核心问题。本项目的研究内容主要包括：镁钙复合处理对钢中硫化物析出的热力学分析；镁钙复合处理对夹杂物性态控制的动力学研究与参数优化；钙镁复合处理对钢中硫化物抗高温变形能力的影响机制。研究表明：添加Mg前，钢中的MnS以Al2O3为核心形核析出，添加Mg后，氧化物核心变质为镁铝尖晶石，并且将MnS包裹层变质为Mn-Mg-S复合硫化物。在含有氧化物核心的复合硫化物中，包裹层中Mg含量高于Ca含量，氧化物核心中的Mg含量高于包裹层中的Mg含量，相反，氧化物核心中的Ca含量低于包裹层中的Ca含量。中试试验中，Ca处理钢中夹杂物类型主要为MnS-Oxide（58.49%）和MnS（31.38%），纺锤状硫化物比例为23.29%。CaMg复合处理钢中，夹杂物类型主要是MnS-Oxide（87.81%）和MnS（4.95%），纺锤状硫化物比例为65.84%。钙镁复合处理可明显增加纺锤状夹杂物数量，尤其是提高纺锤状硫化物所占比例。相比于Ca处理钢，总的纺锤状夹杂物比例为提高了91.69%，硫化物中纺锤状硫化物比例提高了180%。Ca处理钢的横向冲击功为25.785J，CaMg复合处理钢的横向冲击功为32.119J，提高了24.56%。工业试验中，相比于Ca处理，CaMg复合处理可以增加含有氧化物核心的MnS数量，其比例相对提高了35%左右，纺锤状硫化物的比例相对提高了76.99%。Ca处理钢热锻棒材的横向冲击功平均为29.921J，CaMg复合处理钢热锻棒材的横向冲击功平均为33.850J，相对提高了13.13%。从切削过程的断屑情况来看，Ca-Mg复合处理钢的切削性能好于Ca处理钢。研究成果有助于解密当前国际前沿技术，成功开发了硫系易切削钢Ca-Mg复合处理新技术，并在钢厂进行了小批量的生产，取得了良好的效果。同时，本项目的研究成果为钢中硫化物的控制提供了一种新的思路。