本發(fā)明屬于機械加工用鋼鐵材料領域，具體涉及一種高強韌、易切削的調質圓鋼及其制造方法。

背景技術：

隨著機械切削加工不斷向自動化、高速化和精密化方向發(fā)展，對材料的切削性提出更高的要求，多種形式的易切削鋼陸續(xù)問世。所謂易切削鋼(freecuttingsteel)是一種加入一定數量的一種或一種以上的硫、磷、鉛、鈣、硒、碲等易切削元素，以改善其切削性的鋼材，又稱自動機床加工用鋼，簡稱自動鋼。這類鋼可以用較高的切削速度和較大的切削深度進行切削加工。

硫易切削鋼是易切削鋼的主要種類，硫在鋼中與錳和鐵形成長條狀硫化錳夾雜，這類夾雜物能中斷基體金屬的連續(xù)性，在切削時促使斷屑形成小而短的卷曲半徑，而易于排除，減少刀具磨損，降低加工表面粗糙度，提高刀具壽命。該類鋼一般是低、中碳鋼，基本不含cr、ni、mo等合金元素，均在熱軋、熱鍛等非調質狀態(tài)下使用，金相組織為鐵素體加珠光體組織或貝氏體組織，一般具有不錯的強度及塑形，也有的通過添加mn、v、nb等元素進一步提高鋼材強度。但這些非調質鋼與傳統(tǒng)調質鋼相比，強韌性匹配較差，強度級別越高，沖擊韌性指標越低。

另一方面，傳統(tǒng)的調質鋼因含有較高的cr、mo、ni等合金元素，并且經調質處理，具有均勻的回火索氏體組織，強韌性匹配較好，但因硫含量較低，切削性能較差。因為棒料在調質淬火過程中經受急速冷卻收縮的熱應力與馬氏體轉變膨脹的組織應力，過多的長條狀硫化物夾雜會大大增加淬火時裂紋敏感性，導致熱處理開裂，造成大量廢品。目前傳統(tǒng)調質鋼硫含量一般均控制在0.025%以下，有些鋼級為了改善切削性能，煉鋼時加了少量硫，但含量也均控制在0.040%以下，實際切削性能的提高效果不明顯。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種兼顧良好的強韌性匹配以及切削性能的調質圓鋼，能夠同時滿足零件高承載能力、高尺寸精度以及低刀具損耗，低加工成本的要求。

本發(fā)明的另一目的是提供制造上述高強韌且易切削的調質圓鋼的方法。

本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案為：一種高強韌易切削調質圓鋼，該圓鋼的化學成分按質量百分比計為c：0.20～0.55%，si：0.15～0.60%，mn：0.60～1.30%，p：≤0.015%，s：0.05～0.15%，cr：0.70～1.30%，mo：0.15～1.00%，ni：0-2.0%；alt：0.010～0.050%，余量為fe及不可避免的雜質元素；所述圓鋼整體調質后進行加工使用。

進一步地，圓鋼的合金元素進一步限定為cr：0.70-1.20%，mo：0.15-0.60%，ni：0～2.0%，同時，s：0.05～0.15%。

鋼材的最大直徑可達140mm，室溫以及-40℃沖擊性能優(yōu)良，具有均勻的回火索氏體或回火索氏體+貝氏體，不含未溶鐵素體、珠光體組織；高硫合金圓鋼采用輥底式連續(xù)爐調質，無淬火開裂，同時具有高的強韌性匹配以及易切削的特性，斷屑具有小而短的卷曲半徑，適用于加工機械性能要求高、切削量大并且尺寸精度要求高的零部件。調質后的圓鋼在距表面二分之一半徑以內取樣檢驗，圓鋼的屈服強度≥550mpa，抗拉強度≥700mpa，延伸率≥16%，斷面收縮率≥60%，室溫下夏比沖擊功≥90j，-40℃沖擊功≥60j。

本發(fā)明高強韌、易切削調質圓鋼的化學成分是這樣確定的:

c：增加材料淬透性、強度和硬度，但降低塑性和韌性，升高韌脆轉變溫度，使材料低溫沖擊性能降低，為了達到較高的強度以及高韌性的要求，本發(fā)明采用較低的碳含量。本發(fā)明控制其含量為0.20～0.55%。

si：是鋼中的脫氧元素，并以固溶強化形式提高鋼的強度。si含量低于0.10%時，脫氧效果較差，si含量較高時降低韌性。本發(fā)明si含量控制為0.15～0.60%。

mn：是提高鋼淬透性的元素，并起固溶強化作用以彌補鋼中因c含量降低而引起的強度損失，在本發(fā)明中也起到與s形成長條狀mns夾雜、提高切削性的作用。但mn易促進有害元素p、sn、sb等向晶界偏析，引起氫致沿晶斷裂。本發(fā)明mn含量控制在0.60～1.30%。

cr、mo：增加材料淬透性及強韌性，mo還具有降低韌脆轉變溫度，抑制回火脆性，阻礙p偏析等作用，促進長條狀硫化物夾雜形態(tài)。因此，本發(fā)明將cr含量控制在0.70～1.30%，mo含量控制在0.15～1.00%。

ni：是提高鋼的淬透性并可以顯著改善其低溫韌性的元素，對沖擊韌性和韌脆轉變溫度具有良好的影響，本發(fā)明ni含量控制在0-2.0%，根據性能要求進行調整。

al：主要是起脫氧作用。al與n結合形成的aln可以有效地細化晶粒，但含量過高會損害鋼的韌性，并且惡化鋼水澆鑄性。本發(fā)明控制其含量在0.010～0.050%。

p：磷的偏析降低鋼材韌性尤其是低溫沖擊韌性。本發(fā)明控制p≤0.015%。

s：s與mn一同形成長條狀mns夾雜，而非紡錘狀或拉長的紡錘狀夾雜，中斷基體金屬的連續(xù)性，在切削時促使斷屑形成小而短的卷曲半徑，從而易于排除，有利于自動化加工，并減少刀具磨損，降低加工表面粗糙度，提高刀具壽命，s含量過低，切削性能改善不明顯，s含量過高，鋼材連鑄、軋制及熱處理時裂紋敏感性太高，本發(fā)明控制s含量0.05-0.15%。

上述高韌性、易切削調質圓鋼的制造方法，工藝步驟如下:冶煉原料依次經轉爐冶煉或電爐冶煉、lf精煉、rh脫氣或vd脫氣生產出鋼水；鋼水中合金元素含量cr：0.70～1.30%，mo：0.15～1.00%，ni：0-2.0%，同時，s含量控制在0.05-0.15%；鋼水經連鑄、連軋成棒材后，在連續(xù)式輥底爐進行調質，獲得調質圓鋼。

上述調質工藝在連續(xù)式輥底爐上進行，包括淬火和回火。連續(xù)式輥底爐奧氏體化加熱溫度為820～880℃，在爐時間60-360分鐘；使用高壓淬火環(huán)水淬；連續(xù)式輥底爐回火加熱溫度為540～650℃，在爐時間為60～600min，出爐后空冷或水冷至室溫。

本發(fā)明針對有較高強韌性匹配要求及良好切削性能要求的高強韌、易切削的機械加工零部件，使用優(yōu)化的成分設計、高純凈度的鋼水、全程氬氣保護澆注生產的連鑄坯作為坯料，通過后續(xù)的軋制及在連續(xù)熱處理爐中棒材整體調質熱處理制造出具有高的強度、良好塑性、韌性并具有良好的切削性能的圓鋼。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

（1）與現(xiàn)有的易切削非調質圓鋼相比，該發(fā)明具有較高的c、cr、mo、ni合金元素，淬透性較好，在調質態(tài)下使用，獲得均勻的回火索氏體或回火索氏體+貝氏體等組織，不含一般易切削非調質鋼中的未溶鐵素體、珠光體組織，具有更好的強韌性匹配。

（2）與現(xiàn)有的調質圓鋼相比，該發(fā)明采用高硫成分，從而提高棒材的切削性能。在cr、mo尤其是mo的作用下，控制偏析，促進形成較多的能中斷基體金屬連續(xù)性的均勻不連續(xù)分布的長條狀硫化物夾雜（見圖1），促使斷屑形成小而短的卷曲半徑，而更易于排除（見圖2），不僅滿足大切削量粗加工更滿足高精度要求的精加工，并減少刀具磨損，降低加工表面粗糙度，提高刀具壽命。同時確保了常溫和低溫強韌性。

（3）本發(fā)明制造的圓鋼采用連續(xù)式輥底爐進行調質處理，采用高壓水環(huán)淬火，加熱、冷卻均勻，即無淬火開裂、又能獲得較深的淬硬層深度，熱處理組織均勻、機械性能穩(wěn)定，并且不需矯直，平直度高，殘余應力小。

附圖說明

圖1為本發(fā)明圓鋼的回火索氏體組織示意圖；

圖2為本發(fā)明圓鋼的回火索氏體+貝氏體組織示意圖；

圖3為長條狀硫化物夾雜形貌；

圖4為機加工斷屑。

具體實施方式

以下結合本發(fā)明的較佳實施例對本發(fā)明的技術方案作更詳細的描述。但該等實施例僅僅是對本發(fā)明較佳實施方式的描述，而不能對本發(fā)明的范圍產生任何限制。

實施例1

本實施例涉及的高韌性、易切削圓鋼的直徑為50mm，其化學成分按質量百分比計為：c：0.26%，si：0.23%，mn：0.65%，p：0.010%，s：0.080%，cr：1.05%，mo：0.23%，al：0.048%，余量為鐵及不可避免的雜質元素。

上述圓鋼的制造工藝為，按上述化學組成配置冶煉原料依次進行kr鐵水預處理、轉爐冶煉、lf精煉、rh真空脫氣；鋼水全程氬氣保護澆注成連鑄方坯，將連鑄方坯送入緩冷坑緩冷32小時以上，出坑；將連鑄方坯加熱至1200℃，保溫3小時，出爐；經高壓水除鱗后在1100～1150℃的溫度范圍內開軋，軋成圓鋼棒材；棒材在連續(xù)式輥底爐進行加熱使其奧氏體化，奧氏體化最高溫度840℃，局部總加熱時間60分鐘，使用淬火環(huán)水淬，隨后在連續(xù)式輥底爐回火，回火最高加熱溫度為600℃，局部總加熱時間60分鐘，出爐后水冷至室溫，獲得調質圓鋼。經由上述工藝制造的成品圓鋼具有易切削的特點，斷屑形成小而短的卷曲半徑，可直接進行大切削量粗加工及高精度要求的精加工，其力學性能如表1。

表1實施例1中高韌性、易切削圓鋼的力學性能

實施例2

本實施例涉及的高韌性易切削圓鋼的直徑為70mm，其化學成分按質量百分比計為：c：0.40%，si：0.25%，mn：0.78%，p：0.013%，s：0.062%，cr：1.05%，mo：0.23%，al：0.045%,余量為鐵及不可避免的雜質元素。

上述圓鋼的制造工藝為，按上述化學組成配置冶煉原料依次進行kr鐵水預處理、轉爐冶煉、lf精煉、rh真空脫氣；鋼水全程氬氣保護澆注成連鑄方坯，將連鑄方坯送入緩冷坑緩冷32小時以上，出坑；將連鑄方坯加熱至1200-1220℃，保溫5小時，出爐；經高壓水除鱗后在1100～1150℃的溫度范圍內開軋，軋成圓鋼棒材；棒材在輥底式連續(xù)熱處理爐中進行加熱使其奧氏體化，奧氏體化最高溫度860℃，在爐時間約100分鐘，使用淬火環(huán)水淬，隨后在連續(xù)式輥底爐中回火，回火最高加熱溫度為625℃，在爐時間約360min，出爐后水冷至室溫，獲得調質圓鋼。經由上述工藝制造的成品圓鋼具有易切削的特點，可直接進行大切削量粗加工及高精度要求的精加工，其力學性能如表2。

表2實施例2中高韌性、易切削圓鋼的力學性能

實施例3

本實施例涉及的高韌性易切削圓鋼的直徑為140mm，其化學成分按質量百分比計為：c：0.41%，si：0.20%，mn：0.76%，p：0.013%，s：0.085%，cr：0.85%，mo：0.28%，ni：1.85%，al：0.045%,余量為鐵及不可避免的雜質元素。

上述圓鋼的制造工藝為，按上述化學組成配置冶煉原料依次進行kr鐵水預處理、轉爐冶煉、lf精煉、rh真空脫氣；鋼水全程氬氣保護澆注成連鑄方坯，將連鑄方坯送入緩冷坑緩冷32小時以上，出坑；將連鑄方坯加熱至1200℃，保溫5小時，出爐；經高壓水除鱗后在1100～1150℃的溫度范圍內開軋，軋成圓鋼棒材；棒材在連續(xù)式輥底爐上進行加熱使其奧氏體化，奧氏體化最高溫度880℃，總加熱時間90分鐘，使用淬火環(huán)水淬，隨后在連續(xù)式輥底爐中回火，回火最高加熱溫度為600℃，在爐360min，出爐后水冷至室溫，獲得調質圓鋼。經由上述工藝制造的成品圓鋼具有易切削的特點，可直接進行大切削量粗加工及高精度要求的精加工，其力學性能如表3。

表3實施例3中高韌性、易切削圓鋼的力學性能