易切削钢的生产工艺及存在问题

随着机械加工高速化、精密化、自动化的发展，特别是汽车工业、精密仪表工业和家用电器的发展，同时考虑机加工成本是制造业零部件制造成本的重要组成部分(有时甚至达到零部件制造成本的40～60%)，人们希望通过提高钢材的机加工性能来降低加工成本。诸多因素促使易切削钢的产量和品种增加，质量不断提高。

    易切削钢发展现状

    易切削钢于1920年在美国首次研制成功，至今已有80多年的历史。自1920年以来，美国、英国、原苏联、日本、法国等国相继生产和使用易切削钢。在最近几十年，易切削钢以惊人的速度发展，目前全世界每年消耗易切削钢超过400万ｔ，但大部分由发达国家生产和消耗，其中一半以上是在美国和日本。以日本为例，1940年开始生产和使用易切削钢，1954年的易切削钢产量为1.2万ｔ，1970年跃升到43万ｔ，1980年达到82.2万ｔ，1982年为102.3万ｔ，90年代就突破了200万ｔ，平均年增长率都在10%左右。近年来，在其年平均钢产量不足1亿ｔ的情况下，易切削钢产量保持在100～130万ｔ，2000年，其易切削钢产量为103.7万ｔ，占特殊钢产量的6.6%。

    大多数工业国家经过多年的努力，易切削钢已形成标准化系列产品。美国ＡＩＳＩ标准中，易切削钢有31种(其中低碳钢18种，易切不锈钢9种)。日本ＪＩＳ标准中，易切结构钢14种(其中低碳钢9种，不锈钢9种)。前苏联，在易切削钢研制方面，相对其它钢种来说比较缓慢，但在1975年标准中，易切削钢由7种发展到20种，除保留原有6种硫易切削钢钢号外，增加硒易切削钢钢号3种，硫-铅易切削钢钢号11种(其中合金钢10种)。除易切削碳钢、易切削渗碳钢、易切削调质钢、易切削不锈钢外，各国正不断将易切削钢扩展到其它钢类(如模具钢、高锰钢、耐热钢、高工钢等)中。

    近年来，经过各国不断努力研究，已开发出适应环保要求和具有优良切削性能的新型易切削钢。例如美国一家钢铁公司和日本神户钢铁公司研制出以铋代铅的新型易切削钢，美国以铋代铅的易切削钢主要化学成分为(%)：Ｃ0.09，Ｍｎ1.25，Ｐ0.09，Ｓ0 46，Ｂｉ0 17，日本神户对以铋代铅易切削钢进行系统的研究后发现，铋的加入量不到铅的加入量一半，却达到同样的切削性能和机加工性能；ＵＳＳ/Ｋｏｂｅ成功研制并顺利满负荷生产了1炉200ｔ以锡代铅易切削钢；日本研究开发出了以ＢＮ代铅来改善钢的切削性能；此外，日本爱知制钢公司还成功开发了镁硫钙三元易切削钢。根据它们的使用效果，均具有优良的切削性能和加工性能。

    我国从1953年开始生产硫易切削钢，由于易切削钢质量要求高，生产难度大，因而造成了特殊钢厂不愿意生产和普通钢厂无能力生产局面，致使我国易切削钢需大量进口。根据有关统计数据，2002年我国共进口易切削钢16.37万ｔ，而年产量仅3万ｔ左右。随着机械加工业的发展，尤其是汽车工业的发展，我国易切削钢需求量将快速增加。根据我国汽车产量的年增加量并以日本汽车工业用易切削钢的需求比例进行估算，2010年我国易切削钢年需求量将达到40～50万ｔ，由此可见我国易切削钢还有很大的发展空间。

    虽然我国易切削钢也已经标准系列化，但是由于该标准沿用了前苏联1954年标准，虽经过几次修订，形成了现行的ＧＢ8731 1988，但该标准仅含有9个钢种，因此根据我国易切削钢标准能生产的品种十分有限，严重制约着我国易切削钢的发展。值得一提的是，目前我国生产的易切削钢相当一部分采用或引用国外的标准。

    最近十多年，我国易切削钢已有相当大的发展，先后开发了多个钢种：例如用于制造汽车发动机连杆、前轴的40ＣｒＣａＳ、53ＣａＳ；用于制造齿轮钢16ＭｎＣｒ、20ＭｎＣｒ；用于制造汽车曲轴、连杆、半轴、花键轴、万向接叉等零件40ＶＳ、35ＭｎＶＳ、48ＭｎＶＳ；用于制造发动机排气门Ｙ5Ｃｒ21Ｍｎ9Ｎｉ4Ｎ等新钢种。考虑到铅易切削钢对环境的污染，北京科技大学与莱芜钢铁股份有限公司(莱钢)开展了以锡代铅易切削钢的研究工作，其以锡代铅易切削钢主要化学成分为(质量百分数%)：Ｃ∶0.17；Ｓｉ∶0.31；Ｍｎ∶0.07；Ｐ∶0.020；Ｓ∶0.025。实验结果表明：以锡代铅易切削钢能提高钢的易切削性能；当锡含量小于0 05%时，对钢的力学性能无影响。虽然我国在易切削钢的研制方面取得了一定的进展，但是与世界先进钢铁生产国相比还有较大差距。

    易切削钢的产工艺

    国外易切削钢主要采用电弧炉熔炼+二次精炼+连铸工艺进行生产，该工艺成熟、产品质量可靠，已逐渐取代了电弧炉熔炼+模铸的生产方式，生产工艺流程如表1所示。国内特殊钢厂家生产易切削钢时也采用电弧炉冶炼+连铸工艺生产。对日本和德国进口钢材的解剖表明，用连铸工艺代替模铸工艺生产的易切削钢，其硫化物形态主要为纺锤形且分布均匀，切削性能与模铸钢材相当甚至超过模铸材水平。下面重点介绍硫易切削钢工艺。

    表1　国内外易切削钢生产典型工艺流程
   

    －成分设计以及各成分的控制

    成分设计的原则是在确保钢的机械性能基本不变的条件下，改善其切削性能。硫是重要的易切削元素之一，硫易切削钢中硫含量直接决定钢材的切削性能。因硫熔点低，极易氧化，造成硫的回收率低且不稳定，因此需要特别考虑硫的加入方式，现常用硫的加入方式一般是在钢包中加入硫铁或喂入硫线，同时附加一定量的顶渣以稳定硫的收得率。为了消除因钢中高硫带来的不利影响，钢中需要合适的Ｍｎ/Ｓ，一般认为Ｍｎ/Ｓ在4以上，个别厂家生产的易切削钢中的Ｍｎ/Ｓ达到了10以上。由于对硫含量的特殊要求，脱氧过程控制不当极易造成硫含量超出规定范围，或使硫夹杂物偏高，故需改进脱氧方式。同时也要考虑钢中夹杂物的范围以及形态。为保持良好的切削性能，脱氧过程不能充分，要保持钢中有一定的氧含量。

    －钢中夹杂物处理
钢中夹杂物的形态、数量、大小以及分布对钢的切削性能有较大的影响。研究表明钢中夹杂物呈球形或纺锤形有利于钢的切削性能，因此应尽可能将钢中夹杂物控制成纺锤形。将钢中夹杂物形成纺锤状，有如下方法：加入适当元素(硫化物形态控制元素)，如硒(碲)、锆、钙、钛或稀土金属等；控制(调整)钢中氧含量。

    －浇铸工艺

    日本新日铁和美国内陆钢铁公司对采用连铸和模铸工艺生产ＡＩＳＩ1215易切削钢的硫化锰、氧化物等因素对切削性能的影响进行过研究，发现采用模铸工艺时，硫的偏析是造成其切削性能不均的一个主要因素。硫在钢锭头部形成正偏析，在钢锭尾部形成负偏析，因此，在钢锭的不同位置，其含量偏差很大，而采用连铸工艺生产时不会有这种偏析出现。

    连铸坯凝固速度快，因而硫化物夹杂颗粒小(比模铸钢锭中硫化物颗粒小)。大断面的连铸坯由于凝固速度慢，因而其硫化物颗粒尺寸与模铸钢锭的硫化物颗粒尺寸接近。

    易切削钢钢液中氧含量很高，故极易生成硬的氧化物质点。在模铸锭中，氧化物易在底部集中，从而使钢材切削性能变化较大。连铸坯不存在氧化物偏析问题。

    对两种工艺进行的切削性能试验表明，低碳富硫易切削钢连铸材具有与模铸材相当的切削性能，并且连铸材切削性能更均匀。同时，采用连铸工艺可提高易切削钢冷拉材的表面质量，这是因为氧化物会导致冷拉钢材表面起皱或其它缺陷。连铸材几乎没有这方面的缺陷，从而在涡流探伤时报废率较模铸材低。

    江阴兴澄特种钢铁有限公司在生产ＳＡＥ1141汽车用钢时比较了不同浇铸工艺对易切削钢性能的影响。采用连铸连轧生产与模铸两火成材生产在检测的性能结果上基本无差别，只是连铸生产的轧材在低倍试片上中心疏松要稍差于模铸生产的，但连铸连轧生产的轧材在脱碳层方面明显好于模铸两火成材的。同时在材料利用率方面，模铸两火成材其利用率只有83%左右，而连铸连轧的材料利用率在95%以上，同时还节约大量的能源。因此，采用连铸连轧生产ＳＡＥ1141在经济和效益性方面明显好于用模铸方式生产，并且采用大规格的连铸坯轧制小规格的轧材，其压缩比足够大，经超声波探伤，可以保证轧材达到Ａ级水平。

    总的看来，采用连铸工艺生产易切削钢使硫化锰夹杂物分布更加均匀，从而使钢材的切削性能也更加均匀，并且由于对氧含量及氧化物夹杂的控制不同，从而使用连铸工艺生产的易切削钢冷拔钢材具有较好的表面质量。

    连铸工艺中存在并需要解决以下问题：

    1)易切削钢由于高温强度低，裂纹敏感性强，钢中氧含量高，极易产生皮下气孔结疤表面裂纹等缺陷，同时该钢种界面张力小，钢渣混合后难以分离，铸坯易产生夹渣和粘渣，为此结晶器保护渣的正确选用，是高硫易切削钢能正常浇注的关键，它不仅控制着铸坯表面质量，而且也是浇注顺行的关键。

    2)为保证Ｓ合金化的效果，避免硫化物在心部的偏析，在浇注时尽可能使浇注温度靠近液相线，控制好浇注速度，使其平稳浇注，保证钢锭的内部及表面质量。

    3)含硫高的易切削钢在用连铸方法进行生产时，由于生成的ＣａＳ和ＣａＯ Ａｌ2Ｏ3非金属夹杂物在水口沉积，易造成钢包下水口、中间包水口结瘤而使水口堵塞，影响连铸生产的正常进行。

    －轧制工艺

    由于钢中硫含量偏高，使钢材的热加工性能变差，易打滑，易产生裂纹。因此轧制时的温度控制比较关键，据有关资料介绍：硫化物的脆化敏感温度在830～1050℃，因此轧钢时要尽量避免在该区间进行变形。选择合适的钢坯加热温度和开轧温度。另外，控制轧制速度，避免出现劈头，注重导卫、轧辊及运输轨道的精加工并控制好终轧温度，保证了轧材的表面质量。

    我国易切削钢的发展方向

    我国现行的易切削钢标准由于钢种少，已不能满足我国易切削钢发展的需要，修改易切削钢标准已势在必行。同时，由于环保方面的原因，铅易切削钢的使用范围将会被严重限制，因此需要研制新型易切削钢来替代铅易切削钢。

    我国生产的易切削钢与国外的易切削钢相比，还存在一定的差距，主要表现在质量、精度和夹杂物的类型、数量以及形态控制技术上。因夹杂物的类型、数量以及形态控制不好，导致切削加工性能和力学性能不能达到用户的要求，因此应致力于高品质易切削钢的研制以替代进口。

    国内外经验表面，通过连铸工艺生产易切削钢可减轻易切削钢中夹杂物的偏析，改善夹杂物的形态以及分布。但连铸工艺生产易切削钢，还需要解决诸多问题，如脱氧制度和最佳氧含量的确定，防止水口堵塞，选择结晶器保护渣，二冷制度的确定，保证钢坯质量等。我国目前采用连铸工艺的厂家，也仅局限于小方坯生产，而国外已采用了大方坯生产。因此，大方坯连铸易切削钢是今后一个重要的研究方向。

    综上所述，今后我国易切削钢研究应致力于以下几个方面：

    1)加快钢种研制的步伐，改变我国易切削钢钢种少的局面，同时为满足环保的要求，开发新型环保型易切削钢。

    2)加强对夹杂物的类型、数量以及形态控制技术的研究，使钢中夹杂物的类型和形态都有利于钢材的切削性能和力学性能。

    3)加强连铸相关技术的研究，进一步改善现有易切削钢产品的质量，提高钢材的切削性能，不断满足国内对易切削钢的需求。