易切削钢的铋碲添加方法、易切削渗碳钢及其应用

摘要

本发明公开了易切削钢的铋碲添加方法、易切削渗碳钢及其应用，本发明提供的易切削渗碳钢，以重量百分数计，包括如下化学元素：C：0.16％～0.22％，Si：0.10％～0.30％，Mn：0.55％～0.75％，P：0.015％～0.030％，S：0.045％～0.065％，Cr：0.90％～1.30％；Te：0.0018％～0.0065％，Ti：0.015％～0.035％，N：0.010％～0.015％，Bi：0.009％～0.039％，其余为Fe和不可避免的杂质，Te/S重量比：0.04～0.10，Bi/S重量比：0.25～0.60。添加Te、Bi的易切削渗碳钢，轧制后硫化物长宽比≤3的纺锤状占比≥70％，切削加工性能优异。本发明利用压缩惰性气体喷射工艺添加碲源及铋源的合金颗粒，工艺过程稳定，反应平缓，没有剧烈喷溅；且碲、铋元素收得率高，实测碲的收得率＞85％，铋的收得率＞60％。

说明书

技术领域

本发明涉及易切削渗碳钢材料及应用，具体涉及到一种易切削钢的铋碲添加方法、易切削渗碳钢及其应用，属于汽车零件材料与工艺领域。

背景技术

易切削钢是以优异切削加工性能为突出特征的钢种，由于该钢种在切削加工过程中具有较低的切削力及切削温度、切屑处理性好、加工效率高、表面光洁度好和提高刀具使用寿命等优点，而被广泛应用于切削加工量大、加工自动化程度高的行业中，可降低切削加工成本，大幅提高产品质量和生产效率。

硫系和铅系易切削钢是目前广泛应用的两种易切削钢。铅系易切削钢的切削性能很好，但铅是公认的非环保物质，生产过程中产生的铅蒸汽对工人的身体健康有极大的危害；铅进入产品之后，由于化学性质稳定，不易脱除，对废钢的再利用也构成危害，欧盟已经明确禁止在钢中加铅。因此，世界各大钢铁公司都在朝着无铅易切削钢的方向发展。硫系易削钢是当今易切削钢中品种最多、产量最大的钢种，约占易切削钢总产量的70％。以切削性能为主的硫及硫复合易切削钢，硫含量一般在 0.20％～0.40％之间，最高达到0.60％。硫系易切削钢中的MnS夹杂物割断了基体的连续性而使车屑易断，同时又起润滑作用而降低刀具的磨损，从而改善了钢材的切削性能。然而，渗碳钢中MnS等硫化物夹杂通常在轧制方向上呈长线状偏聚分布，使得易切削钢的横向力学性能显著降低，加剧了钢材横向和纵向的各向异性，会损害轴齿类零件的疲劳性能；另一方面，长线状偏聚分布的硫化物对锻件的切削性能提升效果有限，轴类零件深孔钻削及薄壁环形零件花键拉削过程中的刀具使用寿命仍然较低。目前，而渗碳钢中S含量通常控制在0.030 ％以内，尚未见采用Te、Bi复合微合金化工艺生产易切削渗碳钢的专利、文献及相关报道。

为了改善硫系易切削钢的切削性能，需要控制钢中硫化物的形态为球形或纺锤形。现有技术大多通过添加碲、铋、锆、稀土和钛等元素改善切削性能。其中，碲与硫同主族，性质相近，是易切削钢中的重要易切削元素。碲不仅本身是易切削元素，其对硫化物还具有改质作用，使硫化锰夹杂转变成球形或纺锤形，钢中形成的少量MnTe在切削过程中也可起到润滑作用，进一步提高钢的切削性能。但是碲的熔点为452℃，沸点为1390℃，在1500℃以上的炼钢温度下易挥发，且碲的价格昂贵，如何确保较高的收得率以及较好的添加效果，是工业生产应用的关键。铋和铅是同周期相邻元素，物理和化学性质近似，是易切削元素的一种。由于金属铋无毒，且具有与金属铅相近的低熔点(271℃)和高柔韧性，目前，金属铋被公认是替代铅的最佳环保易切削元素之一，当钢中铋含量相当于铅含量一半的水平时，即可达到同样的易切削效果。因此，复合添加碲、铋不仅可以利用铋取得与含铅钢近似的切削性能，还能利用碲对硫化物改质进一步提高钢的切削性能，生产出切削性能超过含铅易切削钢的“超级”易切削钢。

中国专利检索和文献查询结果表明，Te、Bi复合微合金化制备易切削钢，除专利文献CN109971918A以外，尚未见有其他报道。专利文献CN109971918A公开了易切削钢的铋碲复合添加工艺方法，其研究对象为碳素易切削钢和易切削不锈钢。在钢液精炼末期，通过含铋碲包芯线的喂线添加工艺，来制备目标含铋碲易切削钢液。该方法虽然喂线过程稳定，没有剧烈喷溅，但因Te的沸点为1390℃、Bi的沸点为1560℃，两种元素在炼钢温度下易挥发，因此，铋和碲的收得率较低，专利文献CN109971918A中铋收得率≤51％、碲收得率≤79％，Te、Bi昂贵的价格以及低收得率导致该易切削钢的生产成本高。因此，如何提高易切削钢中Te、Bi的收得率是工业生产中亟待解决的难题。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提供一种采用Te、Bi复合微合金化的易切削渗碳钢，由该易切削渗碳钢制造的轴齿类零件硫化物形态呈短棒状或纺锤状、带状组织均匀、冷加工工艺性能优异，同时，本发明提供一种易切削钢的铋碲添加方法，铋碲元素收得率高，降低易切削渗碳钢的生产成本。

第一方面，本发明提供一种易切削渗碳钢，化学成分按重量百分数计如下：C0.16％～0.22％，Si 0.10％～0.30％，Mn 0.55％～0.75％，P 0.015％～0.030％，S0.045％～0.065％，Cr 0.90％～1.30％，Te 0.0018％～ 0.0065％，Ti 0.015％～0.035％，N 0.010％～0.015％，Bi 0.009％～0.039％，其余为Fe和不可避免的杂质，其中，Te/S重量比：0.04～0.10，Bi/S 重量比：0.25～0.60。

在本发明的一些实施例中，化学成分按重量百分数计如下：C 0.17％～0.21％，Si0.19％～0.27％，Mn 0.59％～0.73％，P 0.015％～0.023 ％，S 0.049％～0.064％，Cr1.05％～1.20％，Te 0.0039％～0.0045％，Ti 0.022％～0.028％，N 0.011％～0.012％，Bi0.018％～0.037％，其余为Fe 和不可避免的杂质；其中，Te/S重量比：0.06～0.09，Bi/S重量比：0.33～ 0.58。

第二方面，本发明提供上述易切削渗碳钢在生产重型变速箱轴齿零件中的应用。

在本发明的一些实施例中，发明提供上述易切削渗碳钢在生产重型变速箱轴齿零件中的应用包括：

先将易切削渗碳钢锻造成锻坯，锻坯充分奥氏体化后出炉淬火；

将淬火后的锻坯进行高温回火；

对高温回火后的锻坯依次进行粗加工、精加工，形成精加工半成品件；

对精加工半成品件进行渗碳淬火处理；

对渗碳淬火后的零件进行低温回火处理。

优选地，奥氏体化后出炉与高温回火的间隔时间不超过2h；高温回火温度为720℃～750℃，高温回火时间为2.5～3.5h；低温回火温度为160℃～200℃，低温回火时间为1～3h。

第三方面，本发明提供上述易切削渗碳钢制备的重型变速箱轴齿零件。.

第四方面，本发明提供一种易切削钢的铋碲添加方法：在钢液精炼末期，除铋、碲以外的其它成分调整完成后，通过压缩惰性气体将碲源和铋源喷射至钢液底部，制备含铋碲的易切削钢液。

在本发明的一些实施例中，通过压缩惰性气体将碲源和铋源喷射至钢液底部包括：将耐高温陶瓷管一端伸至钢液底部，用压缩惰性气体将碲锰合金颗粒及铋锰铁合金颗粒通过耐高温陶瓷管喷射至钢液底部。

在本发明的一些实施例中，用压缩惰性气体将碲锰合金颗粒及铋锰铁合金颗粒通过耐高温陶瓷管喷射至钢液底部包括：先利用耐高温陶瓷管将碲锰合金颗粒快速均匀地喷射到VD炉内的钢液内部，压缩惰性气体压力为30～50kPa；碲锰合金颗粒添加完毕后，保持40～50s，再利用耐高温陶瓷管将铋锰铁合金颗粒在压缩惰性气体的作用下，快速均匀地喷射到钢液内部，压缩惰性气体压力为40～60kPa；钢液中加入铋锰铁合金后，保持150～200s，使钢液中的合金颗粒充分反应并熔解。

在本发明的一些实施例中，碲锰合金颗粒的粒度为0.3～1.5mm，碲元素含量为50％～60％，其余为锰和不可避免的杂质；所述铋锰铁合金颗粒的粒度为0.7～2.0mm，铋元素含量为60％～70％，锰含量为 20％～30％，碳含量≤2％，其余为Fe及不可避免的杂质。

本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明利用压缩惰性气体喷射工艺添加碲源及铋源的合金颗粒，工艺过程稳定，反应平缓，没有剧烈喷溅；且碲、铋元素收得率高，实测碲的收得率＞85％，铋的收得率＞60％，解决了Te、Bi收得率较低的工业难题，在含Te、Bi易切削钢的生产过程中具有较大的经济价值，降低了生产成本，减少了Te、Bi资源消耗。

2、本发明提高了含Te、Bi易切削渗碳钢的质量，使锻件中的硫化物呈现球形或纺锤形弥散分布的良好状态，使制得的易切削渗碳钢中硫化物长宽比小于3的比例可达70％以上。

3、本发明将制得的Te、Bi复合微合金化易切削渗碳钢应用于重载变速箱轴齿零件的生产中，锻坯采用淬火+高温回火的预备热处理工艺，与轴齿零件现有的生产渗碳钢材料及锻坯等温正火工艺相比，本发明的轴齿零件锻坯金相组织为铁素体+索氏体组织，组织细致均匀，无贝氏体或马氏体等异常组织及带状组织超差现象出现，截面硬度可控制在175～195HB，同批次锻坯硬度散差≤4HB；Te、Bi复合微合金化易切削渗碳钢载体零件的切屑形貌良好，大小形态更加均匀，切削刀具的使用寿命可提升30％以上；同时，易切削渗碳钢轴齿零件的粗糙度及关键尺寸参数得到显著改善，使零件的热处理变形得到有效控制，产品质量得到很大提升，应用前景十分广阔。

附图说明

图1是本发明实施例1制造的中间轴零件的结构示意图；

图2是本发明实施例2制造的主轴零件的结构示意图；

图3是本发明实施例3制造的一三档齿座零件的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供的易切削渗碳钢，以重量百分数计，包括如下化学元素：C：0.16％～0.22％，Si：0.10％～0.30％，Mn：0.55％～0.75％，P：0.015％～0.030％，S：0.045％～0.065％，Cr：0.90％～1.30％；Te： 0.0018％～0.0065％，Ti：0.015％～0.035％，N：0.010％～0.015％，Bi： 0.009％～0.039％，其余为Fe和不可避免的杂质，Te/S重量比：0.04～ 0.10，Bi/S重量比：0.25～0.60。添加Te、Bi的易切削渗碳钢，轧制后硫化物长宽比≤3的纺锤状占比≥70％，切削加工性能优异。

进一步地，本发明提供的易切削渗碳钢以重量百分数计，包括如下化学元素：C0.17％～0.21％，Si 0.19％～0.27％，Mn 0.59％～0.73％， P 0.015％～0.023％，S0.049％～0.064％，Cr 1.05％～1.20％，Te 0.0039％～0.0045％，Ti 0.022％～0.028％，N 0.011％～0.012％， Bi0.018％～0.037％，其余为Fe和不可避免的杂质，Te/S重量比：0.06～ 0.09，Bi/S重量比：0.33～0.58。

本发明提供的易切削渗碳钢中主要化学元素的作用：

C：保证材料的基体强度、硬度元素。当C含量大时，硬度高，切削性能变差，且在圆钢轧制过程中易产生裂纹；含量过低，零件硬度不足，耐磨性降低。因此，将C含量控制在0.16％～0.22％范围之内。

Si：Si与Mn作为共同的脱氧剂，影响钢中夹杂物的变形，同时 Si在铁中的固溶度较大，能显著强化铁素体，改善基体韧性。然而，当加入过多量的Si时，钢的硬度增加，构成脱氧产物的硅氧化物是硬的，因此，刀具的使用寿命降低。因此，将Si含量控制住0.10％～0.30％范围之内。

Mn：为了防止导致热脆性的低熔点FeS在晶界处析出，加入Mn 以析出稳定的MnS，使切屑容易断裂，从而改善钢的切削性能，为了有效地获得该作用，Mn控制范围为0.55％～0.75％。

P：钢中的P固溶于铁素体中会提高硬度和强度，降低韧性，使切屑易于折断和排除，从而获得良好的加工表面光洁度。如含P量过高，则会显著降低塑性，增高硬度，反而影响钢的切削性能。此处，P控制范围为0.015％～0.030％。

S：钢中加入S形成的硫化物会破坏金属基体组织的连续性，在外力作用下相当于应力集中源，减少了刀具的切削抗力，使得切削温度降低；硫化物的熔点通常较低，随着切削温度的升高而逐渐软化，具有良好的塑性变形能力，起到了润滑的作用，减少了摩擦力，减轻了切屑和刀具之间的摩擦，从而减轻了刀具的磨损；此外，硫化物还具有包裹减磨的作用，硬度较低的硫化物包裹在高硬度的氧化物表面时，减轻了刀具的磨损，同时还改善了加工表面的光洁度。但是，过多的S 会与氧、铁生成共晶化合物(Fe-FeS、Fe-FeS-FeO)，在轧制时易导致开裂。因此，S的目标控制范围为0.045％～0.065％。

Cr：钢中Cr能显著提高强度、硬度和耐磨性，但是对于塑性和韧性的改善无益，本钢种加入1.00％～1.45％的Cr，在不影响钢材塑性和韧性的基础上，增强在强度方面的补给。

Te：Te与S同主族，性质相近，是易切削钢中的重要易切削元素。此外，碲对硫化物还具有改质作用，易固溶于MnS夹杂物中，增加塑性夹杂物MnS的硬度，MnTe附着在MnS夹杂物表面，抑制夹杂物的变形，使硫化物夹杂球化。因此，将含碲量控制在0.0018％～0.0065％范围之内。

Ti：钢中的Ti不仅可以作为细化晶粒的重要元素，而且在Si-Mn 的共同脱氧中作为辅助脱氧剂，将脱氧后熔融钢的氧水平保持在合适的范围；同时，Ti与N结合生成的TiN颗粒可作为MnS型硫化物析出的核，使硫化物更微细更均匀地分散和析出。氮化钛对刀具的润滑和保护作用能够弥补钢中含钛带来的切削性能的影响，提高本发明含铋易切削钢的切削性能。然而，过高的Ti会发生大颗粒氮化钛或碳氮化钛的偏聚现象，恶化钢的疲劳性能，并使得Ti细化晶粒的作用大幅减弱。因此，将Ti控制为0.015％～0.035％。

N：将N含量控制为0.010％～0.015％，可使Ti和N充分结合形成TiN，尽可能避免TiC或Ti(C,N)的形成，形成的TiN不但能够提高钢的力学性能，而且还能改善切削加工性能，效果显著。

Bi：钢中的Bi以微细的颗粒形式弥散分布，Bi熔点较低(仅为 271℃)，当对含铋易切削钢进行切削加工时，产生的摩擦热会使Bi 颗粒进一步软化，当含铋易切削钢被切削时，这些弥散的Bi颗粒相当于钢中存在的一个空洞，应力容易在此集中，产生所谓的“切口效应”，从而导致切削易于在此断裂。Bi在钢的切削加工过程中起着碎裂切削、减少粘结和焊合以及提高切削速度的作用，可大大提高切削加工的效率，并增加刀具的使用寿命，降低加工表面的粗糙度，使加工表面平整光滑。因此，将Bi的含量控制为0.009％～0.039％，使得本发明易切削钢具有更优异的切削加工性能。

Bi易于依附于硫化锰，硫化锰会影响Bi的分布，作为优选，Bi 与S的重量比为0.25～0.60，从而有利于Bi的分布，提高本发明含铋易切削钢的切削加工性能。本发明中Te/S重量比需符合0.04～0.10。如果Te/S过低，Te主要固溶在MnS夹杂中还未形成MnTe，钢中夹杂物较多呈沿晶界分布的II类MnS夹杂，MnS形态和分布不佳，Te对 MnS夹杂的改质还有较大提升空间。Te/S过高，会形成过多的MnTe， MnTe以及MnTe-MnS共晶体在轧制温度下为液相，生成量太多会影响轧制工序，且Te/S过高生产成本大为增加。因此适用的钢种中Te/S重量比比值需符合0.04～0.10。

本发明生产上述易切削渗碳钢的工艺流程为：转炉冶炼→LF精炼→VD炉真空处理→充气加压→喷射加入碲和铋→连铸→轧制，详细生产步骤如下：

1、转炉冶炼：先将废钢装入转炉中，再将铁水直接装入转炉中，铁水与废钢的装入比例控制在10:(1～3)，进行顶底复合吹炼，在吹氧前，先进行2分钟的供氮，然后吹氧直到结束，以钢水反应的化学能代替电能，保证冶炼期钢水脱碳量、冶炼终点碳和温度。

2、LF精炼处理：偏心炉底留钢留渣出钢，炉后进行预脱氧，向钢包中加入锰铁、硅铁或复合精炼脱氧剂的一种或几种合金化；精炼后期钢中除S以外的元素化学成分进入规格后，向精炼炉内喂硫线，并保持钢包底吹氩的强度，S的收得率为75％～85％。

3、VD炉真空处理：将精炼钢水置于VD炉中进行真空脱气处理，炉内真空度≤133Pa，得到真空脱气后的钢水，保持钢水的氧活度为15～ 50ppm。在向钢包加入碲和铋元素之前，也需要保证钢液有一定量的氧活度。过低的氧活度，则没有足够的钢液流动性，对于后续往钢液中添加碲源及铋源的混合均匀性不利，且对铋、碲的改质效率也不利。过高的氧活度将造成钢液中氧化物夹杂的大量形成，影响钢的性能；此外合适的氧活度可影响硫化物析出条件，有利于加铋、碲后对硫化物夹杂形态的调控，提高改质率，促进硫化物夹杂向球形或纺锤形转变。

4、充气加压：将惰性气体氮气或氩气充入真空脱气后的VD炉内，充气后炉内气压为10～18kPa。

5、压缩惰性气体喷射加入碲和铋：为提高收得率，稀释铋源中铋元素含量，本发明中加入的碲源为碲锰合金颗粒，粒度为0.3～1.5mm，碲元素含量为50％～60％，其余为锰和不可避免的杂质；铋源为铋锰铁合金颗粒，粒度为0.7～2.0mm，铋元素含量为60％～70％，锰含量为20％～30％，碳含量≤2％，其余为Fe及不可避免的杂质。通过一端伸入钢液中的耐高温陶瓷管(陶瓷管口末端距炉底的距离为0.3～ 0.9m)，在压缩惰性气体的作用下，先将碲锰合金颗粒快速均匀地喷射到VD炉内的钢液内部，压缩惰性气体压力为30～50kPa；碲锰合金颗粒添加完毕后，保持40～50s，再将铋锰铁合金颗粒在压缩惰性气体的作用下，利用耐热陶瓷管，快速均匀地喷射到钢液内部，压缩惰性气体压力为40～60kPa。钢液中加入铋锰铁合金后，保持150s～200s，使钢液中的合金颗粒充分反应并熔解。

上述碲源和铋源的添加工艺，在压缩惰性气体的作用下，将碲锰合金颗粒和铋锰铁合金颗粒快速均匀地喷射到真空炉内的溶液内部，可以有效抑制碲、铋的沸腾与挥发，该工艺加料速度快，熔料效率高，元素收得率高，烧损率显著降低。由于铋的熔点和沸点均低于碲，为防止铋源反应时间过长而造成的铋蒸汽挥发，碲源和铋源合金颗粒分2 次先后加入钢液中，避免一次性加入碲锰合金和铋锰铁合金而导致反应太过剧烈，确保喷射过程喷溅不剧烈，反应平稳。

6、连铸：采用弧形连铸机，连铸包括浇铸、一冷、二冷、矫直、火焰切割几部分。采用长水口氩气密封保护和中间包吹氩保护浇注，中间包钢液面按照0.60～0.79公斤/吨钢加入低碳覆盖剂，浸入式水口插入深度为100～130mm，避免钢水冲击，造成液面波动过大；二冷部分采用弱冷工艺，结晶器保护渣采用碱度为4的高碱度保护渣；结晶器采用电磁搅拌，其电流为600～700A，频率为4～5Hz。铸坯拉速为 1.10～1.50m/min，连铸矫直段温度为900～980℃。

7、热轧圆钢：连铸坯料奥氏体化加热后的开轧温度为1100～ 1160℃，热轧温度为980～1050℃。

本发明制造易切削渗碳钢零件的方法如下：

(1)圆钢下料

将规格为Φ75mm～Φ120mm的圆钢棒料采用数控圆钢切断机下料成100mm～475mm的料段，保证下料尺寸准确、料段端面平整度高、无毛刺出现。

(2)坯料加热及锻造成形

将下料后的圆钢料段感应加热至1150℃～1280℃，经锻造成形为轴齿类零件锻坯，终锻温度控制为1000℃～1100℃。

(3)锻造余热淬火

利用锻造余热，将终锻后的红热锻坯快速转移至网带炉内保温，网带炉的温度设定为900～950℃，网带输送机的运转速度为5～ 10m/min，出炉淬火，淬火介质采用PAG水基淬火剂。

(4)高温回火

将淬火后的锻坯及时转移至回火炉内，淬火与回火两个工序的间隔时间不得超过2h，回火温度控制为720℃～750℃，回火时间为2.5～ 3.5h。

(5)粗、精加工

锻坯经粗加工处理、精加工处理，成为热前精加工半成品件。

(6)渗碳淬火处理

将精加工半成品件装入连续炉内进行渗碳处理，然后根据零件热处理变形量选择直淬或压淬处理。

(7)低温回火

将渗碳淬火后的零件置于回火炉内，进行160℃～200℃的低温回火处理，保温时间控制为1～3h。

以下通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明：

实施例1

本实施例涉及一种易切削渗碳钢、其制备方法及其在重型变速箱中间轴上的应用。

本实施例提供的易切削渗碳钢，按重量百分数计，包括如下化学元素：C 0.21％，Si 0.27％，Mn 0.73％，P 0.023％，S 0.055％，Cr 1.20％， Te 0.0045％，Ti 0.026％，N0.012％，Bi0.018％，其余为Fe和不可避免的杂质。其中，Te/S重量比为0.08，Bi/S重量比为0.33。

本实施例提供的易切削渗碳钢的制备方法：

(1)转炉冶炼：将优质废钢、热装铁水按10:3的重量比依次装入转炉中，进行顶底复合吹炼，在吹氧前，先进行2分钟的供氮，然后吹氧直到结束，以钢水反应的化学能代替电能，保证冶炼期钢水脱碳量、冶炼终点碳和温度。

(2)LF精炼处理：偏心炉底留钢留渣出钢，炉后向钢包中加入锰铁、硅铁进行预脱氧；精炼后期钢中除S以外的元素含量达到目标值后，向精炼炉内喂硫线，并保持钢包底吹氩的强度，S的收得率为 80％。

(3)VD炉真空处理：将精炼钢水置于真空炉中进行真空脱气处理，炉内真空度为67Pa，得到真空脱气后的钢水，保持钢水的氧活度为40ppm。

(4)充气加压：将氩气充入真空炉内，充气后的炉内气压为15kPa。

(5)压缩氩气喷射加入碲和铋：加入的碲源为碲锰合金颗粒，粒度为0.5mm，碲元素含量为55％，其余为锰和不可避免的杂质；铋源为铋锰铁合金颗粒，粒度为1.0mm，铋元素含量为65％，锰含量为26 ％，碳含量为1.5％，其余为Fe及不可避免的杂质。通过一端伸入钢液中的耐高温陶瓷管(陶瓷管口末端距炉底的距离为0.5m)，在压缩惰性气体的作用下，先将碲锰合金颗粒快速均匀地喷射到VD炉内的钢液内部，压缩惰性气体压力为40kPa；碲锰合金颗粒添加完毕后，保持45s，再将铋锰铁合金颗粒在压缩惰性气体的作用下，利用耐热陶瓷管，快速均匀地喷射到钢液内部，压缩惰性气体压力为50kPa。钢液中加入铋锰铁合金后，保持180s，使钢液中的合金颗粒充分反应并熔解。经测算，碲元素的收得率为90％，铋元素的收得率为71％。

(6)连铸：采用一机五流弧形连铸机，连铸包括浇铸、一冷、二冷、矫直、火焰切割。采用长水口氩气密封保护和中间包吹氩保护浇注，中间包钢液面按照0.65公斤/吨钢加入低碳覆盖剂，浸入式水口插入深度为120mm，避免钢水冲击，造成液面波动过大；二冷部分采用弱冷工艺，结晶器保护渣采用碱度为4的高碱度保护渣；结晶器采用电磁搅拌，其电流为700A，频率为5Hz。铸坯拉速为1.20m/min，连铸矫直段温度为950℃。

(7)热轧圆钢：连铸坯料奥氏体化加热后的开轧温度为1150℃，热轧温度为1000℃。

本实施例采用上述易切削渗碳钢生产重型变速箱中间轴的加工流程：

(1)圆钢下料：将规格为Φ120mm的圆钢棒料采用数控圆钢切断机下料成425mm的料段。

(2)坯料加热及锻造成形：将得到的圆钢料段感应加热至1250℃，采用镦挤法进行闭式模锻成形为中间轴锻坯，终锻温度为1050℃。

(3)锻造余热淬火：将终锻后的红热锻坯快速转移至网带炉内保温，网带炉的温度设定为950℃，网带输送机的运转速度为5m/min，出炉淬火，淬火介质采用60℃的PAG水基淬火剂。

(4)高温回火：将淬火后的锻坯及时转移至回火炉内，进行730℃×3h的高温回火。

(5)粗、精加工：中间轴锻坯经粗、精车外圆及端面后进行深孔钻削，加工后的通孔孔径为Φ30mm，长度为563mm；然后，将深孔钻削后的锻件进行滚齿及内螺纹、内花键加工，得到热前精车半成品件。

(6)渗碳淬火处理：将精加工半成品中间轴装入连续渗碳炉内进行渗碳处理，然后将零件直接入油淬火，淬火油温控制为140℃。

(7)低温回火：将渗碳淬火后的中间轴置于回火炉内，进行 180℃×2h的低温回火处理。低温回火的中间轴经校直、磨削加工、强力喷丸处理，得到中间轴成品件，其零件结构如图1所示。

与现有的生产中间轴的渗碳钢材料及锻坯等温正火工艺相比，本实施例具有以下有益效果：

①本实施例的Te、Bi复合微合金化易切削渗碳钢，利用高压惰性气体喷射加入碲源和铋源，Te、Bi的收得率高，且硫化物长宽比小于 3的比例可达70％以上，在控制原材料成本的同时保证优异的切削加工性能；

②本实施例的中间轴锻坯金相组织为细小均匀的铁素体+索氏体组织，无异常组织及带状组织出现，锻坯截面硬度均匀，控制在185％～ 189HB，硬度散差≤4HB；

③深孔钻削的刀具寿命由150件提升至270件，大大提高了切削加工效率。

④中间轴成品件后续无需磨齿加工的齿轮的粗糙度得到显著提升，由Ra3.2提升至Ra1.6，提高了零件的接触疲劳强度。

实施例2

本实施例涉及一种易切削渗碳钢、其制备方法及其在重型变速箱主轴上的应用。

本实施例提供的易切削渗碳钢，按重量百分数计，包括如下化学元素：C 0.19％，Si 0.19％，Mn 0.65％，P 0.015％，S 0.049％，Cr 1.05％； Te 0.0043％，Ti 0.028％，N0.012％，Bi0.021％，其余为Fe和不可避免的杂质，Te/S重量比为0.09，Bi/S重量比为0.43。

本实施例提供的易切削渗碳钢的制备方法：

(1)转炉冶炼：将废钢和热装铁水按10:2的重量比依次装入转炉中，进行顶底复合吹炼，在吹氧前，先进行2分钟的供氮，然后吹氧直到结束，以钢水反应的化学能代替电能，保证冶炼期钢水脱碳量、冶炼终点碳和温度。

(2)LF精炼处理：偏心炉底留钢留渣出钢，炉后向钢包中加入锰铁、硅铁进行预脱氧；精炼后期钢中除S以外的元素含量达到目标值后，向精炼炉内喂硫线，并保持钢包底吹氩的强度，S的收得率为 85％。

(3)VD炉真空处理：将精炼钢水置于VD炉中进行真空脱气处理，炉内真空度为50Pa，得到真空脱气后的钢水，保持钢水的氧活度为35ppm。

(4)充气加压：将氩气充入真空炉内，充气后的炉内气压为13kPa。

(5)压缩氩气喷射加入碲和铋：加入的碲源为碲锰合金颗粒，粒度为1.2mm，碲元素含量为60％，其余为锰和不可避免的杂质；铋源为铋锰铁合金颗粒，粒度为1.5mm，铋元素含量为70％，锰含量为25 ％，碳含量为2.0％，其余为Fe及不可避免的杂质。通过一端伸入钢液中的耐高温陶瓷管(陶瓷管口末端距炉底的距离为0.8m)，在压缩惰性气体的作用下，先将碲锰合金颗粒快速均匀地喷射到VD炉内的钢液内部，压缩惰性气体压力为50kPa；碲锰合金颗粒添加完毕后，保持50s，再将铋锰铁合金颗粒在压缩惰性气体的作用下，利用耐热陶瓷管，快速均匀地喷射到钢液内部，压缩惰性气体压力为60kPa。钢液中加入铋锰铁合金后，保持200s，使钢液中的合金颗粒充分反应并熔解。经测算，碲元素的收得率为95％，铋元素的收得率为77％。

(6)连铸：采用一机五流弧形连铸机，连铸包括浇铸、一冷、二冷、矫直、火焰切割。采用长水口氩气密封保护和中间包吹氩保护浇注，中间包钢液面按照0.75公斤/吨钢加入低碳覆盖剂，浸入式水口插入深度为100mm，避免钢水冲击，造成液面波动过大；二冷部分采用弱冷工艺，结晶器保护渣采用碱度为4的高碱度保护渣；结晶器采用电磁搅拌，其电流为650A，频率为4Hz。铸坯拉速为1.10m/min，连铸矫直段温度为930℃。

(7)热轧圆钢：连铸坯料奥氏体化加热后的开轧温度为1130℃，热轧温度为1020℃。

本实施例采用上述易切削渗碳钢生产重型变速箱主轴的加工流程：

(1)圆钢下料：将规格为Φ100mm的圆钢棒料采用数控圆钢切断机下料成475mm的料段。

(2)坯料加热及锻造成形：将得到的圆钢料段感应加热至1200℃，采用模锻成形为主轴锻坯，终锻温度为1000℃。

(3)锻造余热淬火：将终锻后的红热锻坯快速转移至网带炉内保温，网带炉的温度设定为930℃，网带输送机的运转速度为7m/min，出炉淬火，淬火介质采用65℃的PAG水基淬火剂。

(4)高温回火：将淬火后的主轴锻坯及时转移至回火炉内，进行 730℃×3h的高温回火。

(5)粗、精加工：主轴锻坯经粗、精车外圆及端面后进行深孔钻削，加工后的通孔孔径为Φ25mm，长度为569mm；然后，将深孔钻削后的主轴锻件进行外花键及内螺纹加工，得到热前精车半成品件。

(6)渗碳淬火处理：将主轴精加工半成品件装入连续渗碳炉内进行渗碳处理，然后在860℃直接入油淬火，淬火油温控制为130℃。

(7)低温回火：将渗碳淬火后的主轴置于回火炉内，进行 200℃×1.5h的低温回火处理。低温回火的主轴经校直、磨削加工、强力喷丸处理，得到主轴成品件，其零件结构如图2所示。

与主轴现有的生产渗碳钢材料及锻坯等温正火工艺相比，本实施例具有以下有益效果：

①本实施例采用高压惰性气体喷射工艺加入Te、Bi而制得的复合微合金化易切削渗碳钢，Te、Bi的收得率高，且硫化物长宽比小于3 的比例可达70％以上，原材料成本低，切削加工性能好；

②本实施例的主轴锻坯金相组织为铁素体+索氏体组织，组织细致均匀，无带状组织的超差现象出现，锻坯截面硬度控制在180％～183HB，硬度散差≤3HB；

③主轴锻坯内孔深孔钻削的刀具寿命由180件提升至300件，滚齿加工主轴外花键的刀具寿命由190件提升至250件，大幅降低了生产成本，提高了生产效率。

④主轴成品件花键位置的M值不合格率由21.8％降至3％以内，切实提升了产品质量。

实施例3

本实施例涉及一种易切削渗碳钢、其制备方法及其在重型变速箱一三档齿座上的应用。

本实施例提供的易切削渗碳钢，按重量百分数计，包括如下化学元素：C 0.17％，Si 0.26％，Mn 0.59％，P 0.019％，S 0.064％，Cr 1.12％； Te 0.0039％，Ti 0.022％，N0.011％，Bi 0.037％，其余为Fe和不可避免的杂质，Te/S重量比为0.06，Bi/S重量比为0.58。

本实施例提供的易切削渗碳钢的制备方法：

(1)转炉冶炼：将优质废钢和热装铁水按10:1.5的重量比依次装入转炉中，进行顶底复合吹炼，在吹氧前，先进行2分钟的供氮，然后吹氧直到结束，以钢水反应的化学能代替电能，保证冶炼期钢水脱碳量、冶炼终点碳和温度。

(2)LF精炼处理：偏心炉底留钢留渣出钢，炉后向钢包中加入复合脱氧剂进行预脱氧；精炼后期钢中除S以外的元素含量达到设定值后，向精炼炉内喂硫线，并保持钢包底吹氩的强度，S的收得率为 79％。

(3)VD炉真空处理：将精炼钢水置于真空炉中进行真空脱气处理，炉内真空度为40Pa，得到真空脱气后的钢水，保持钢水的氧活度为25ppm。

(4)充气加压：将氩气充入真空炉内，充气后的炉内气压为18kPa。

(5)压缩氩气喷射加入碲和铋：加入的碲源为碲锰合金颗粒，粒度为0.3mm，碲元素含量为50％，其余为锰和不可避免的杂质；铋源为铋锰铁合金颗粒，粒度为0.7mm，铋元素含量为60％，锰含量为30 ％，碳含量为0.5％，其余为Fe及不可避免的杂质。通过一端伸入钢液中的耐高温陶瓷管(陶瓷管口末端距炉底的距离为0.3m)，在压缩惰性气体的作用下，先将碲锰合金颗粒快速均匀地喷射到VD炉内的钢液内部，压缩惰性气体压力为35kPa；碲锰合金颗粒添加完毕后，保持40s，再将铋锰铁合金颗粒在压缩惰性气体的作用下，利用耐热陶瓷管，快速均匀地喷射到钢液内部，压缩惰性气体压力为45kPa。钢液中加入铋锰铁合金后，保持150s，使钢液中的合金颗粒充分反应并熔解。经测算，碲元素的收得率为88％，铋元素的收得率为65％。

(6)连铸：采用一机四流弧形连铸机，连铸包括浇铸、一冷、二冷、矫直、火焰切割。采用长水口氩气密封保护和中间包吹氩保护浇注，中间包钢液面按照0.60公斤/吨钢加入低碳覆盖剂，浸入式水口插入深度为125mm，避免钢水冲击，造成液面波动过大；二冷部分采用弱冷工艺，结晶器保护渣采用碱度为4的高碱度保护渣；结晶器采用电磁搅拌，其电流为700A，频率为5Hz。铸坯拉速为1.50m/min，连铸矫直段温度为980℃。

(7)热轧圆钢：连铸坯料奥氏体化加热后的开轧温度为1150℃，热轧温度为1040℃。

本实施例采用上述易切削渗碳钢生产重型变速箱一三档齿座的加工流程：

(1)圆钢下料：将规格为Φ75mm的圆钢棒料采用数控圆钢切断机下料成117mm的料段。

(2)坯料加热及锻造成形：将得到的圆钢料段感应加热至1280℃，经冲孔后碾扩成形为一三档齿座锻坯，终锻温度为1020℃。

(3)锻造余热淬火：将终锻后的红热锻坯快速转移至网带炉内保温，网带炉的温度设定为910℃，网带输送机的运转速度为10m/min，出炉淬火，淬火介质采用55℃的PAG水基淬火剂。

(4)高温回火：将淬火后的一三档齿座锻坯及时转移至回火炉内，进行750℃×2.5h的高温回火。

(5)粗、精加工：一三档齿座锻坯经粗、精车外圆及端面后进行内花键拉削加工，得到热前精车半成品件。

(6)渗碳淬火处理：将一三档齿座精加工半成品件装入连续渗碳炉内进行渗碳处理，然后830℃出炉后放入压淬设备中进行压淬处理，淬火油初始温度控制为80℃。

(7)低温回火：将渗碳压淬后的一三档齿座置于回火炉内，进行 180℃×3h的低温回火处理。

与现有的生产一三档齿座的渗碳钢材料及锻坯等温正火工艺相比，本实施例具有以下有益效果：

①本实施例制得的易切削渗碳钢，Te、Bi收得率高，且硫化物长宽比小于3的比例可达80％，原材料成本低，切削加工性能好。

②本实施例的一三档齿座锻坯金相组织为铁素体+索氏体组织，组织细致均匀，无贝氏体或马氏体等异常组织出现，锻坯截面硬度控制在176～179HB，硬度散差≤3HB。

③一三档齿座锻件内花键拉削的拉刀修磨一次的加工零件数量由 800件提升至1100件，降低了生产成本，提高了生产效率。

④一三档齿座成品件内花键M值的合格率由94.8％提升至100％，使产品质量得到提升。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本发明所述的内容可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的内容和新颖特点相一致的最宽的范围。