【摘要】：含硫易切結(jié)構(gòu)鋼具有良好的綜合力學(xué)性能和切削性能,是機(jī)械制造領(lǐng)域中的一類重要鋼質(zhì)材料,被廣泛用于制作汽車零部件。由于該鋼種同時(shí)含鋁和硫,冶煉過程中容易形成高熔點(diǎn)夾雜物,導(dǎo)致鋼水可澆性較差,連鑄生產(chǎn)時(shí)容易堵塞水口。同時(shí),作為易切相的MnS夾雜在軋材中呈長帶狀,降低了鋼材橫向韌性,阻礙了切削性能的進(jìn)一步提升。針對含硫易切結(jié)構(gòu)鋼存在的上述問題,論文以[S]=0.08~0.13wt%的中、高硫易切結(jié)構(gòu)鋼(MH-S鋼)為研究對象,在LF-VD雙聯(lián)的精煉工藝流程下,分析了鋼中夾雜物形成、演變規(guī)律及其控制方法,并以此為基礎(chǔ),對相關(guān)精煉工藝進(jìn)行了優(yōu)化。同時(shí),基于鋼水可澆性和鋼材性能協(xié)調(diào)控制的考慮,通過熱力學(xué)計(jì)算,確定了Zr為硫化物夾雜的形態(tài)控制劑,并建立了鋼水凝固過程中的夾雜物耦合析出模型,研究了硫化物夾雜析出與鋼水成分之間的熱力學(xué)關(guān)系。此外,通過熱態(tài)實(shí)驗(yàn)和性能檢測,研究了鋯對鋼中夾雜物形態(tài)的影響規(guī)律,探討了同時(shí)提升鋼材力學(xué)性能和切削性能的可能性和控制方法。熱力學(xué)研究和現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),在MH-S鋼中易生成高熔點(diǎn)CaS和MgO?Al_2O_3夾雜而導(dǎo)致水口結(jié)瘤。精煉渣脫硫能力過強(qiáng)或軟吹控制不當(dāng),促進(jìn)了CaS夾雜的形成。鋼中殘留的脫氧產(chǎn)物Al_2O_3以及精煉渣、耐材在VD處理過程中向鋼水供[Mg],促使了MgO?Al_2O_3夾雜的生成。為強(qiáng)化吸收脫氧產(chǎn)物Al_2O_3和弱化脫硫,研究得出了適宜的目標(biāo)精煉終渣成分為(FeO+MnO)1.5wt%、SiO_2=15~20wt%、CaO=45~50wt%、Al_2O_3=25~30wt%和MgO=6~8wt%。同時(shí),通過采取減少CaS夾雜生成和加強(qiáng)MgO?Al_2O_3夾雜排除的工藝控制措施,達(dá)到了單中間包6~8爐的鋼水連澆能力。鋼水凝固前和凝固過程中的夾雜物析出計(jì)算表明,為防止在鋼水凝固前析出Zr_3S_4夾雜而影響鋼水可澆性,MH-S鋼中的[Zr]應(yīng)低于0.17wt%。另外,為提高凝固過程中的Zr_3S_4夾雜析出比,以增加硫化物變性程度,需降低[Mn]、T.O、[N],并增加[Zr]。因此,應(yīng)在脫氧和去夾雜等精煉任務(wù)完成后進(jìn)行鋯處理,同時(shí),將[Mn]調(diào)整至鋼種中、下限,并嚴(yán)控鋼中[N]。通過對夾雜物形態(tài)轉(zhuǎn)變規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼中[Zr]低于0.05wt%時(shí),加大鋼水鋯處理強(qiáng)度,夾雜物總量基本不變,而夾雜物由條簇狀MnS轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀(Mn_x,Zr_y)S,且(Mn_x,Zr_y)S夾雜中的鋯含量逐漸增加,夾雜物的熱變形能力隨之降低。當(dāng)鋼中[Zr]高于0.05wt%后,進(jìn)一步增加[Zr],(Mn_x,Zr_y)S夾雜中的鋯含量將保持不變,此時(shí),鋼中富余鋯一方面以硬而脆的硫化鋯顆粒析出,增加了夾雜總量,另外一方面形成沿晶分布的薄片狀Fe-Zr合金相。研究還發(fā)現(xiàn),當(dāng)Zr_3S_4析出比為15wt%時(shí),硫化物夾雜具有合理的變性程度。基于此,利用夾雜物耦合析出模型,研究了含硫易切結(jié)構(gòu)鋼典型鋼水成分條件下的合理鋯處理強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)鋯處理更適用于[S]低于0.15wt%的鋼水,并且合理[Zr]含量應(yīng)為[wt%Zr]_(rea)=0.28[wt%S]+0.017[wt%Mn]。力學(xué)性能和切削性能的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),隨鋼中[Zr]增加,鋼材的塑性和沖擊韌性先增加后降低,而沖擊韌性的方向性先降低后增加。在[Zr]=0.039wt%時(shí),鋼材的塑、韌性達(dá)到峰值,且沖擊性能方向性顯著降低。另外,當(dāng)鋼中[Zr]不高于0.14wt%時(shí),鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度基本不變,而當(dāng)鋼中[Zr]=0.25wt%時(shí),屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯升高。聚集型MnS夾雜降低了切削抗力,并可在低速切削時(shí)附著于硬質(zhì)合金刀具表面而形成覆蓋膜,降低了刀具磨損,提高了刀具壽命。但在高速切削時(shí),MnS無法形成刀具覆蓋膜,從而降低了刀具壽命。(Mn_x,Zr_y)S夾雜在低、高速切削條件下均可形成刀具覆蓋膜,相較MnS夾雜,可顯著延長刀具的高速切削壽命。硫化鋯夾雜無法形成刀具覆蓋膜,且其質(zhì)硬,從而加劇了刀具磨損。因此,將夾雜物變性為非聚集型的、紡錘狀的(Mn_x,Zr_y)S夾雜,對協(xié)調(diào)改善力學(xué)性能和切削性能具有重要的意義,但需加強(qiáng)切屑形態(tài)的控制。
【圖文】：

[41]。圖1.1 [Al]-[S]熱力學(xué)平衡關(guān)系（T=1550°C）[41]Fig. 1.1 Thermodynamic equilibrium between [Al] and [S] at 1550°C[41]當(dāng)鋼水成分位于圖 1.1 所示平衡曲線的上方時(shí)，，因[Ca]與[S]的結(jié)合趨勢較強(qiáng)，Al2O3無法充分變性，鋼中將生成 CaS 夾雜和 CaO/Al2O3較低的高熔點(diǎn) CaO-Al2O3系夾雜，無法提高鋼水可澆性。為了達(dá)到理想的夾雜物變性效果，鋼水成分應(yīng)位

10標(biāo)準(zhǔn)定義為 A 類夾雜。圖1.5 熱軋態(tài)鋼中的長帶狀MnS夾雜[60]Fig. 1.5 Elongated MnS inclusions in hot-rolled steel[60]針對中、高硫易切結(jié)構(gòu)鋼的軋（鍛）材，統(tǒng)計(jì)了國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)在 A 類硫化物夾雜控制方面的實(shí)際水平，如表 1.3 所示。從表中可看出，硫化物夾雜的形態(tài)控制效果普遍欠佳，A 類細(xì)系評級一般高于 3.0 級，部分廠家的產(chǎn)品中還存在粗系的A 類夾雜。因此，尋求中、高硫易切結(jié)構(gòu)鋼中硫化物夾雜形態(tài)控制的有效手段
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TF76

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本文編號(hào)：2612886