CN101397633B - 一种含硫含铜的易切削不锈钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有优异的切削性能和强度的奥氏体易切削不锈钢钢，该不锈钢中的化学成分设计为：以重量百分比计的0.05％或更低的C、0.05至1.0％的Si、2.0％～3.0％的Mn、0.060％或更低的P、0.24％～0.30％的S、2.0％～2.5％的Cu、8.0％～10.0％的Ni、17.0％～19.0％的Cr、0.6％或更低的Mo、0.040％或更低的N，以及铁和在剩余部分中不可避免的杂质。

Description

一种含硫含铜的易切削不锈钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及钢铁行业的合金钢冶炼工艺，尤其是指含硫含铜易切削不锈钢303CuS2的生产工艺。

背景技术

所谓的易切削不锈钢是指具有优良切削加工性能的不锈钢材，提高钢材的易切削性能主要是通过往钢中单独或复合加入易切削元素(S、P、Pb、Se、Te、Bi、Zr、Re等)。一般通过对刀具寿命、加工表面光洁度、切屑处理性、刀具受力以及能耗等几项综合指标来评价易切削钢切削性能的优越程度。

随着不锈钢市场的发展，需要进一步提高材料的加工性能，目前的不锈钢品种不能满足切削性能的要求。

环保型易切削不锈钢越来越受到市场青睐，前景广阔。但是，用于控制钢中易切削元素含量的工艺较难控制，通常不能令人满意地改善不锈钢材的易切削性能。例如，一直以来，宝钢股份公司特殊钢分公司利用电渣炉添加硫铁的工艺生产含S钢，S含量控制在0.06～0.10％。并且硫含量控制不稳定，硫含量过低，切削性能达不到要求；硫含量过高，容易产生轧制裂纹。并且产品强度过高，易产生表面雀皮的缺陷。因此，这种工艺下生产的不锈钢产品难以兼顾到切削性能、延展性能、稳定性能等方面的因素，需要有更好的替代产品。

通过检索国内外专利数据库，发现有国内专利文献34篇和国外文献28篇涉及相关的技术内容，但是没有完全符合的专利文献。其中在申请号为CN89100686.9，题目为“钙硫复合奥氏体易切削不锈钢”的专利文献中，通过增加钙硫含量生产奥氏体易切削不锈钢，该专利文献提出通过控制含硫含铜的量来生产奥氏体易切削不锈钢。据专利文献CN200410090711.9中的记载，控制2.0％或更低的Ni、4.0％或更低的Mo，而控制9.0至25.0％的Cr是为了保证产生铁素体组织，通过这种方式得到的产品在强度和耐腐蚀性方面的表现较差。本发明为了保证产生奥氏体组织，必须控制Ni含量8.0～10.0％和Cr含量为17.0％～19.0％。不同之处是组织不同，用途也不同，强度和耐腐蚀性能没有本发明好。

发明内容

为了使不锈钢产品在切削性能，以及强度、稳定性等方面均具有良好性能而提出本发明。

本发明的一个目的在于：提供一种具有优异的切削性能和强度的奥氏体易切削不锈钢钢，该不锈钢的化学成分设计为：

C  ≤0.05wt％

Mn ≤3.00wt％

S  0.24～0.30wt％

Ni 8.00～10.00wt％

Cr 17.00～19.00wt％

Cu 1.80～3.50wt％

N  ≤0.040wt％

余量为铁和不可避免的杂质。

上述成分中，碳含量控制为≤0.05wt％，是为了降低材料的硬度，氮含量控制为≤0.040wt％是为了降低材质强度；硫含量控制为0.24～0.30wt％，Cu含量控制为1.80～3.50wt％，同时保证Cu/S比值≥8，Mn/S比值≥10，是为了保证足够的切削性能；

为了保证产生奥氏体组织，必须控制Ni含量为8.0～10.0wt％和Cr含量为17.0％～19.0wt％，以保证材料的耐腐蚀性能。

根据本发明的一个优选方案，所述不锈钢的化学成分设计为：

C  ≤0.05wt％

Si ≤1.00wt％

Mn ≤3.00wt％

P  ≤0.06wt％

S  0.24～0.30wt％

Ni 8.00～10.00wt％

Cr 17.00～19.00wt％

Cu 1.80～3.50wt％

Mo ≤0.60wt％

N  ≤0.040wt％

余量为铁和不可避免的杂质。

其中，前述的各种成分作用相同，在此基础上，Si含量控制0.30～1.00wt％，是为了保证脱氧；P含量控制≤0.06wt％，可以防止材料产生脆化，Mo含量作为残余元素控制。

具体控制范围见下表1。

表1

元素	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Cu	Mo	N
											成分范围	≤  0.05	≤  1.00	≤  3.00	≤  0.06	0.24/  0.30	8.00/   10.00	17.00/  19.00	1.80/  3.50	≤  0.60	≤   0.040

根据本发明所提供的成分配比方案进行配比时，通常可利用废钢返回料中的合金元素Cr、Ni、Cu，其在初炼钢水中有一定含量，其余可在下述的电炉出钢过程补加。在氩氧脱碳转炉冶炼出钢前加入Si和Mn合金，最后在钢包内喂S线，调整S含量。即可完成本发明的成分配比方案，应当了解，本领域技术人员可以根据实际需要在所述的成分比例范围内自由选择成分配比的方式。

本发明还有一个目的在于提供所述易切削不锈钢钢的生产工艺方法，该方法是用于批量生产的工艺技术，主要应用于钢铁企业冶炼质量合格的易切削不锈钢。它采用电弧炉、氩氧脱碳转炉和钢包精练设备进行组合冶炼(EAF+AOD+LF冶炼)，一般在钢铁企业中实际的冶炼步骤通常包括：原材料准备→电弧炉+氩氧脱碳转炉(或+钢包炉)→连铸→长型材轧制→环形炉固溶处理→酸洗→检验→包装→入库。其中，在钢包炉炉喂入硫线前，应先尽可能扒清还原渣；环形炉固溶制度采用不锈钢盘条常用的1080℃固溶工艺进行处理。

其工艺特点是：控制硫含量在0.25～0.30wt％，Cu含量在2.00～2.50wt％，同时保证Cu/S比值≥8，Mn/S比值≥10，使产品既有很好的延伸性能，也有很好的切削性能，组织致密。硫的收得率比较高，控制稳定的工艺，能够批量组织生产，成本低，良好切削性能的易切削不锈钢。并且产品的固溶强度满足要求，表面质量良好。

具体地，上述易切削不锈钢的制备方法主要包括：

首先，根据上述成分设计配制炉料，在电弧炉(EAF)上熔化炉料形成初炼钢水，经钢包注入氩氧脱碳转炉(AOD)进行脱碳，控制碳含量为0.03～0.05wt％；

在该过程中，控制氩氧脱碳转炉还原前终点碳含量≤0.030wt％再加入还原剂例如SiFe进行还原。控制该氩氧脱碳转炉中的石灰加入量为40～50kg/吨钢水，可以保证较好的渣量和炉渣碱度。

其次，用钢包炉(LF)喂线入硫含量控制在45％-50％的高硫包芯线，喂线后取样分析，当硫含量为0.25～0.30％时，进行下一步吊包浇注；

当温度达到1523～1528℃时即可进行所述的浇铸步骤，例如，吊上钢包回转台，采用160方3机3流弧型连铸机进行浇注。

以上冶炼的全部过程中吹氩处理，以降低氮含量，保证成品N≤0.04％。

其后，为了使上述浇铸的产品的性能得到进一步稳定，例如，适当降低其强度，增加其稳定性，改善表面性能，所述的浇铸产品需要用固溶工艺进行处理。该工艺通常可以使产品的组织更加致密，从而在性能上得到改善。

上述浇铸的产品经过轧制后形成盘条状，然后再进行固溶工艺处理。该固溶工艺的关键在于温度控制，一般地，如果固溶温度较低，所述盘条在热处理后不但强度高，强度波动范围也大，质量不稳定。但如果固溶温度太高，则会造成其表面氧化层增厚，相应在后续步骤的酸洗时间加长，并且容易由于酸洗而在产品表面形成缺陷，直观的表现可以是表面粗糙，影响用户的使用。

在本发明中，经过多次对比试验和数据积累。发现如果将固溶温度控制在1070-1090℃，并根据盘条的规格调整固溶时间，可以使产品的表面质量不受后续酸洗步骤的不良影响，但强度可以适当降低，而且波动范围减少30％，增加了产品性能的稳定性。

一般地，所述固溶处理工艺在环形炉中进行，该环形炉预热至700℃以上，即可将浇铸并轧制形成的不锈钢盘条置于该环形炉中，加热升温至1070～1090℃，通常对于热装的不锈钢盘条，所述加热升温过程需要约30-40分钟；对于冷装的不锈钢盘条，所述加热升温过程需要约50-80分钟，当温度到达预定的1070～1090℃时，维持该温度30分钟以上的时间。然后将产品进行水冷。如图1所示的本发明中所采用的固溶工艺的过程示意图，其中以温度-时间坐标系示意了进炉至水冷的完整过程。

根据本发明的技术方案，为了保证产生奥氏体组织，必须控制Ni含量8.0～10.0％和Cr含量为17.0％～19.0％。在奥氏体不锈钢中添加高硫和铜，硫含量控制在0.25～0.30％，铜含量需要控制在2.00～2.50％。同时此工艺技术采用1080℃的固溶工艺技术，得到了较好的强度，而且波动范围减少30％，酸洗后的表面质量无不良影响。既有很好的切削性能，也能保证很好的延伸性能，保证了产品性能增加了产品性能的稳定性。

本发明的技术效果是显而易见的：利用本发明方法生产含硫含铜易切削不锈钢，操作过程简便，满足大生产要求，不需要大量设备投资，使用现有不锈钢设备和喂丝机，进行喂S合金化，降低了生产成本。该冶炼工艺可以用于其它含S不锈钢的生产。采用这种工艺生产质量满足要求而且稳定。钢液中硫含量控制稳定，S的收得率比较高，合格率达到了100％，且比较环保。

附图说明：

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为本发明中所采用的固溶工艺的过程示意图，。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述，本领域技术人员应当理解，所述实施例仅用于示例，而不对本发明构成任何限制。

某钢铁公司使用本专利发明成功冶炼了含硫含铜易切削不锈钢BT303CuS2，完整的技术方案如下：

1、冶炼工艺步骤是：

1)第一步通过超高功率电弧炉(槽式沥青炉衬)，采用一定的电压和电流熔化废钢。第二篮料通电熔化后，第二篮料熔清＞80％后吹氧助熔。氧气消耗205m³，出钢前加入200kg的SiFe还原，并且拉渣充分，控制出渣量≤500kg，出钢温度控制在1650℃。出钢时的成分控制为，C含量：1.02wt％，P含量：0.036wt％。根据取样成分，在出钢过程随着钢流加入电解铜板1050kg，将Cu含量调整到2.8％，出钢量为55.0吨。此步骤是次要的技术措施。

2)第二步氩氧脱碳转炉(AOD)操作：AOD兑钢后，加入1000kg石灰和800kg轻烧Mg球。通过AOD吹炼模型进行吹炼。取样分析C含量，C含量为0.021％时进行还原。还原过程，根据吹氧量计算，需要980kgSiFe(通常在700～1200kg)、400kg萤石和1200kg的石灰，还原以后人工扒渣3/4渣包(3/4渣包的渣子重量为3000kg)。该步骤是完成本发明的必要技术措施。

3)第三步钢包精炼：AOD出钢后，钢包就位LF。当温度达为1580℃时，开始喂入高S硫线(硫含量≥50％)，喂线速度为2.0米/秒，根据初始硫含量0.04％，控制喂入量在1250m。喂线后取样分析，当S为0.028％时，吊包浇注。(这是是必要技术措施)。

4)第四步浇注：当温度达到1525℃时，吊上钢包回转台，采用160方3机3流弧型连铸机进行浇注。

2、长型材轧制

根据实际需要轧制成φ8～12的盘卷。

3、环形炉固溶处理工艺步骤：

温度为730℃进环形炉，控制升温速度10.1℃/分钟，升温时间为34min，温度达到1082℃后进行保温，最高温度1090℃，最低温度1080℃，保温时间30min，最后水冷到室温。

使用本发明解决了其它冶炼工艺硫含量控制不稳定，收得率比较低的问题。轧制以后质量合格，完全能够满足钢种切削等性能要求，性能符合用户的要求。通过本专利发明冶炼BT303CuS2，提高了钢材质量，可以进行批量生产，降低了生产成本。对酸洗后的表面质量无不良影响，但强度和硬度满足要求，而且波动范围减少30％，增加了产品性能的稳定性。

Claims (4)

1.一种不锈钢的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)熔化根据配方准备的炉料形成钢水，将其转移至氩氧脱碳转炉中进行脱碳，控制碳含量为0.03～0.05wt％；

2)用钢包炉喂线入硫含量控制在45％-50％的高硫包芯线，喂线后取样分析，当S为0.25～0.30％并且当温度达到1523～1528℃时，吊包浇注，得到不锈钢的浇铸产品；

上述步骤1)至2)的全过程吹氩，以控制成品的氮含量≤0.04wt％；

所述不锈钢具有奥氏体组织，由下列成分组成：

C         ≤0.05wt％

Mn        ≤3.00wt％

S         0.24～0.30wt％

Ni        8.00～10.00wt％

Cr        17.00～19.00wt％

Cu        1.80～3.50wt％

N         ≤0.040wt％

余量为铁和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述不锈钢由下列成分组成：

C         ≤0.05wt％

Si        ≤1.00wt％

Mn        ≤3.00wt％

P         ≤0.06wt％

S         0.24～0.30wt％

Ni        8.00～10.00wt％

Cr        17.00～19.00wt％

Cu        1.80～3.50wt％

Mo        ≤0.60wt％

N         ≤0.040wt％

余量为铁和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，还包括下列步骤：

3)以固溶处理工艺对所述不锈钢的浇铸产品进行处理，得到成品。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述固溶处理工艺包括：

-将所述不锈钢的浇铸产品置于环形炉中，升温至1070～1090℃并维持30分钟以上。