CN101578383B - 具有优异切削性和热加工性的环保无铅易切钢 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无Pb的易切钢，其由0.03-0.30wt％的碳(C)、0.01-0.30wt％的硅(Si)、0.2-2.0wt％的锰(Mn)、0.02-0.10wt％的磷(P)、0.06-0.45wt％的硫(S)、0.04-0.20wt％的铋(Bi)、0.04-0.20wt％的锡(Sn)、0.001-0.015wt％的硼(B)、0.001-0.010wt％的氮(N)、0.002-0.025wt％的总氧(T[O])和余量的铁以及不可避免的杂质形成，其中S、Bi、S、B和N满足特定关系。所述钢具有不弱于传统的含Pb易切钢的优异切削性，而且是环保的。另外，所述钢具有优异的热延性，能够减少表面缺陷的发生从而提高热轧制可加工性。

Description

具有优异切削性和热加工性的环保无铅易切钢

技术领域

本发明涉及环保无铅易切钢，其可用作汽车精密油压部件、办公室自动设备部件、家电产品部件的材料，更具体而言，涉及具有优异切削性的环保无铅易切钢，其不仅使用了能够代替对环境或人体有害的Pb的用于提高切削性的元素，而且使用了通过精确脱氧作用而在钢线材上形成的低熔点的氧化物。另外，本发明还涉及由于优异的热延性而在热轧时不会发生表面缺陷如角裂的环保易切钢。

背景技术

易切钢通常用作精密零件的材料，具有优异的切削性。所述易切钢的优异切削性是由于易切钢中存在的金属或非金属夹杂物。当通过使用工具切削钢产品时，非金属夹杂物如MnS起到所述工具的尖端与钢产品接触位置的应力集中元素的作用，从而在很容易在所述夹杂物和基体之间的界面处产生空隙和开裂并且减少切削所需的力。

另外，金属夹杂物如Pb在比切削热还低的温度下熔化并起到切口和切削工具之间的界面处的润滑剂的作用，从而限制所述切削工具的磨损并降低切削力。

因此，为提高钢产品的切削性，要加入能够形成金属或非金属夹杂物的元素。传统上使用的非金属夹杂物有MnS。特别地，形成为混有氧化物的球形的MnS提供最优异的切削性。

在另一方面，金属夹杂物通常称为切削性提高元素。Pb是一种代表性的切削性提高元素。由于Pb与铁的溶度低，因此其容易以金属夹杂物的形式存在于易切钢中。另外，由于327.5℃的适度的低熔点，Pb能够很容易地被割尖产生的热量熔化。

因此，由于Pb完全具有提高切削性所需的特性，至今含Pb的易切钢仍是最具代表性的易切钢并被作为最适于切削的钢产品而在实际中应用。

然而，所述含Pb的易切钢在反复切削操作过程中会产生铅蒸气。由于钢产品中存在的Pb对人体有害，长期以来一直需要替代含Pb的钢。

研发出的替代含Pb易切钢的钢产品有含Bi的易切钢。由于Bi是一种低熔点金属并且与铁的溶度低，因此Bi可非常有利地用来提高切削性。

然而，由于Bi的熔点为290℃，比Pb的熔点低120℃，因此Bi很容易熔化。由于表面张力比Pb低，Bi具有更高的可湿性。这些特性可导致钢产品的晶界脆化。

相应地，由于晶界脆化造成热延性降低，含Bi的易切钢的热加工性显著下降。另外，所述易切钢的切削性不如含Pb的易切钢，用含Bi的易切钢替代含Pb的易切钢仍存在多种问题。

然而，含Pb的易切钢也存在问题。特别是，随着CNC机器工具的快速发展，已实现高速切削和自动化。发生的一种现象是，切削工具的特定元素如对碳化钨最重要的元素钨(W)，在高速切削时1000℃或更高温度的热量下快速扩散到切口上。由于这种所述元素如W的扩散，所述切削工具会很快地磨损。

特别地，由于含Pb的易切钢不能有效防止工具因热扩散所致的磨损，需要开发在高速切削方面具有优异切削性的易切钢。

发明内容

技术问题

本发明的一个方面提供环保无Pb的易切钢，其通过在钢产品中加入可替代对环境和人体有害的元素如Pb的Bi和Sn而具有环保性质，通过形成低熔点的复合氧化物而提供优异的切削性，能够减小工具的磨损，以及通过以优化比例加入如Mn和B等元素而具有优异的热加工性。

技术方案

本发明的一个方面提供无Pb易切钢，其由0.03-0.30wt％的碳(C)、0.01-0.30wt％的硅(Si)、0.2-2.0wt％的锰(Mn)、0.02-0.10wt％的磷(P)、0.06-0.45wt％的硫(S)、0.04-0.20wt％的铋(Bi)、0.04-0.20wt％的锡(Sn)、0.001-0.015wt％的硼(B)、0.001-0.010wt％的氮(N)、0.002-0.025wt％的总氧含量(T[O])和余量的铁以及不可避免的杂质形成，其中Sn、Bi、S、B和N满足一个或多个选自以下关系表达式1-3的关系，

$\frac{(\mathrm{Bi}+\mathrm{Sn}+S)}{\mathrm{Mn}}\≥0.4$

...关系表达式1，

$\frac{{\mathrm{Mn}}^3}{S}\≥4.6$

...关系表达式2，和

$\frac{B}{N}\≥2.0$

...关系表达式3。

本发明的另一方面提供无Pb的易切钢，其由0.03-0.30wt％的C、0.01-0.30wt％的Si、0.2-2.0wt％的Mn、0.02-0.10wt％的P、0.06-0.45wt％的S、0.04-0.20wt％的Bi、0.04-0.20wt％的Sn、0.001-0.015wt％的B、0.001-0.010wt％的N、0.002-0.025wt％的T[O]和余量的铁以及不可避免的杂质形成，其中所述钢含有MnO-SiO₂-Al₂O₃基的氧化物、CaO-SiO₂-Al₂O₃基的氧化物以及MnO-SiO₂-Al₂O₃基氧化物和CaO-SiO₂-Al₂O₃基氧化物混合的低熔点复合氧化物中的一种。

有益效果

根据本发明的示例性实施方式，环保无Pb易切钢具有优异的不弱于含Pb易切钢的切削性。另外，由于优异的热延性，热轧制时发生的表面缺陷可被减少从而提高热加工性。

具体实施方式

如上所述，本发明提供无Pb的易切钢，其通过分别或协同控制元素体系、元素之间的关系和若干低熔点复合氧化物，不仅在低速切削时而且在高速切削时表现出优异性质。

以下将详细描述形成本发明无Pb易切钢的元素体系。

碳(C)：0.03-0.30wt％

为提供表面光洁度和机械性质，应加入0.03wt％或更多的C，更特别地，加入0.05wt％或更多。然而，当加入超过0.30wt％的C时，切削性由于硬珠光体结构的增多而降低。

硅(Si)：0.01-0.30wt％

Si用作脱氧剂并生成SiO₂。为形成能够降低工具因高速切削时的热扩散而引起的磨损的低熔点复合氧化物，可加入0.01wt％或更多的Si，更特别地，加入0.05wt％或更多。然而，当加入超过0.30wt％的硅时，会形成高熔点夹杂物或不相容的SiO₂夹杂物区域，从而显著增加工具磨损的速度。

锰(Mn)：0.2-2.0wt％

Mn形成MnS夹杂物，其可防止S引起的红脆性。可加入0.2wt％或更多的Mn。然而，当加入超过2.0wt％的Mn时，铁素体被固溶强化，其可降低切削性。Mn用作脱氧剂形成MnO，并用作MnS夹杂物的核。

磷(P)：0.02-0.10wt％

P被偏析到边界并提高切削性。可加入0.02wt％或更多的P。然而，要提供机械性能和冷加工性，只能加入0.10或更少的P。

硫(S)：0.06-0.45wt％

S形成MnS夹杂物，其限制切屑瘤的生成从而降低切削工具的磨损并提高切削过程中工件的表面光洁度。为此可加入0.06wt％或更多的S。然而，当S的含量过多时，容易生成低熔点的FeS，其降低热延性并使热轧制变得困难。因此，S的含量应为0.45wt％或更低。

铋(Bi)：0.04-0.20wt％

Bi加入钢产品时独立地以金属夹杂物存在或附着于MnS夹杂物上。Bi在切削时容易受热熔化，这提高了切削性，并作为切口和切削工具之间的润滑膜降低了摩擦力并限制了所述切削工具的磨损。当Bi含量少于0.04wt％，对切削性的作用下降。在另一方面，当Bi含量超过0.20wt％时，更特别地，0.16wt％时，铸造和轧制性能不佳。Bi的含量可被限制在0.04-0.20wt％的范围内。

锡(Sn)：0.04-0.20wt％

Sn的作用与Pb类似。即，Sn对于液体金属脆性有与Pb相同的作用机制，从而可提高钢的切削性。具体地，这种现象的出现是由于Sn移动铁素体晶界并发生偏析，并降低了晶界的结合能，从而使晶界可容易地被削弱。因此，为获得由于Sn而提高的切削性，需要加入0.04wt％或更多的Sn。然而，当Sn的含量超过0.20wt％时，更特别地，0.16wt％时，其会对铸造和轧制性能有害。因此，Sn的含量可被限制在0.04-0.20wt％的范围内。

硼(B)：0.001-0.015wt％

偏析到奥氏体边界中的B可通过加强晶界而提高热延性。另外，从很早就已知含石墨的钢具有优异的切削性。当B与钢中的氮反应，生成具有晶粒结构和与石墨物理性质相似的硼的氮化物BN时，可与含石墨的钢一样使切削性提高。当B的含量少于0.001wt％时，加入B的作用很小。因此，应加入0.001wt％或更多的B。另一方面，当硼的含量超过0.015wt％时，效果不再增加且晶界强度由于一氮化硼沉淀而降低，从而使热加工性下降。B的含量可被限制在0.001-0.015wt％的范围内。

氮(N)：0.001-0.010wt％

为与硼形成BN应加入0.001wt％或更多的N。然而，当N的含量超过0.010wt％时，偏析到奥氏体晶界中的有效硼量会下降从而降低边界强化作用。

总氧含量(T[O])：0.002-0.025wt％

为防止切削性由于MnS夹杂物在热轧时伸长而下降，需要加入0.002wt％或更多的氧(O)。然而，总氧含量应为0.025wt％或更少以提供MnS夹杂物在切削时的塑性变形性。

铝(Al)和钙(Ca)：分别为10ppm或更少

需要Al和Ca以在钢中形成低熔点复合氧化物。然而，不需要特意添加。熔渣中天然存在的量就已足够。Al和Ca通常为10ppm或更少。

在所述元素中，Bi、Sn、S、Mn和B可通过满足以下关系表达式提供优异的切削性和热加工性。下面详细描述所述有关Bi、Sn、S、Mn和B的关系表达式。

有关Bi、Sn、S和Mn的关系表达式如下。

$\frac{(\mathrm{Bi}+\mathrm{Sn}+S)}{\mathrm{Mn}}\≥0.4$

...关系表达式1

与上面相同，其中每个元素符号表示该元素的重量百分比(wt％)。

要根据本发明示例性实施方式提供具有优异切削性的无Pb易切钢，除了限制所述元素的含量以外，还需满足关系表达式1。即，Sn和Bi通过钢产品中的液体金属脆性而使切削性提高，如同金属夹杂物和S通过形成MnS而提高切削性一样。

有关Mn和S的关系表达式如下。

$\frac{{\mathrm{Mn}}^3}{S}\≥4.6$

...关系表达式2

为提供具有优异热延性的无Pb易切钢，除了限制所述元素的含量以外，Mn和S之间的关系还需满足关系表达式2。关系表达式2表示需要一定含量的Mn以便与S结合并限制由于S造成的热脆性。

有关B和N的关系表达式如下。

$\frac{B}{N}\≥2.0$

...关系表达式3

要提供具有优异热延性的无Pb易切钢，B和N应满足关系表达式3。即，尽管N存在，但所需要的N的量仅为能够通过偏析到晶界的B而强化奥氏体晶界。

尽管满足关系表达式1-3之一，会表现出效果。但当同时满足关系表达式1-3的两个或更多时，会表现出显著效果。因此，当满足关系表达式1-3的一个或更多时，应被认为是涵盖在本发明的范围内。

在另一方面，本发明的无Pb易切钢包括Mn、Si、Ca和Al的低熔点夹杂物。下面将详细描述所述低熔点夹杂物。

本发明的元素体系中，发生Mn、Si、Ca和Al的氧化从而形成多种低熔点复合氧化物。为形成所述夹杂物，可额外加入Mn、Si、Ca和Al。然而，钢产品中本来存在的Ca和Al的量就足以形成所述夹杂物。在本发明中，氧化物可以MnO-SiO₂-Al₂O₃基或以CaO-SiO₂-Al₂O₃基的形式存在。

所述MnO-SiO₂-Al₂O₃基的氧化物可由20-65wt％的MnO、25-60wt％的SiO₂和0-30wt％的Al₂O₃形成。所述CaO-SiO₂-Al₂O₃基的氧化物可由10-55wt％的CaO、35-65wt％的SiO₂和0-25wt％的Al₂O₃形成。

另外，低熔点复合组合物如MnO-SiO₂-Al₂O₃基的氧化物和CaO-SiO₂-Al₂O₃基的氧化物之一可以每5g钢线材五个或更多存在。当少于五个夹杂物时，切削性下降。

下面将详细描述本发明的实施方案。

[实施方案]

对具有表1、2和3所示成分的本发明钢和比较钢进行车削试验和高温拉伸试验以考察其切削性、热延性。通过超声波下在AA溶液中电解(ESAA)来提取和分离钢中的非金属夹杂物，从而对复合氧化物进行分析。

表1

	C	Si	Mn	P	S	B	Bi	Sn	T[O]	N
											本发明钢1	0.079	0.067	1.155	0.053	0.304	0.0095	0.07	0.08	0.0080	0.0048
本发明钢2	0.073	0.060	1.151	0.067	0.328	0.0092	0.13	0.14	0.0120	0.0032
											本发明钢3	0.102	0.080	1.235	0.058	0.350	0.0070	0.09	0.11	0.0153	0.0015
本发明钢4	0.044	0.030	1.570	0.059	0.380	0.0100	0.18	0.17	0.0140	0.0023
											本发明钢5	0.038	0.010	1.250	0.061	0.310	0.0074	0.13	0.09	0.0170	0.0035
本发明钢6	0.104	0.086	1.380	0.058	0.360	0.0120	0.08	0.11	0.0160	0.0027
											比较钢1	0.080	0.138	1.449	0.050	0.376	0.0073	0.10	0.10	0.0130	0.0058
比较钢2	0.070	0.004	1.162	0.076	0.344	-	0.07	0.11	0.0201	0.0043
											比较钢3	0.290	0.285	1.020	0.030	0.210	0.0081	-	0.05	0.0110	0.0040
比较钢4	0.070	0.002	1.10	0.080	0.298	-	Pb：0.3	-	0.0120	-

如表1，本发明钢1-6和比较钢满足本发明的元素体系。在另一方面，比较钢2和3的B和Bi不同，且比较钢4代表含Pb的传统易切钢。

表2

	(Bi+Sn+S)/Mn	Mn3/S	B/N
				本发明钢1	0.4	5.07	2.0
本发明钢2	0.5	4.65	2.9
				本发明钢3	0.4	5.38	4.7
本发明钢4	0.5	10.18	4.4
				本发明钢5	0.4	6.30	2.1
本发明钢6	0.4	7.30	4.4
				比较钢1	0.4	8.09	1.3
比较钢2	0.5	4.56	0.0
				比较钢3	0.3	5.05	2.0

表2中，可看出比较钢1和2超出了合适的B/N范围且比较钢3超出了合适的(Bi+Sn+S)/Mn范围。未给出比较钢4因为比较钢4是含Pb的易切钢。

表3

*ESSA：通过超声波下在AA溶液中电解来提取和分离钢中的非金属夹杂物

另外，在表3中，可看出比较钢2所含的夹杂物数少于参考值。另外，排除了为含Pb易切钢的比较钢4。

对于本发明钢和比较钢，为通过检测本发明钢的切削性来检验本发明钢是否能替代含Pb易切钢，进行了如下切削性试验。在所述切削性试验中，不使用切削油，用计算机数控车床车削直径25mm的条状工件。传送速度为0.3mm/转，切削深度为0.5mm，切削速度为150m/min。为检查工具的磨损程度，在进行相同时间的车削试验后，对所述工具的侧面磨损宽度(VB)进行测量和比较。车削操作引起的工具磨损的结果示于表4。

表4

如表4所示的通过切削试验测量的工具磨损程度的结果，对本发明的环保易切钢即本发明钢1-6与传统含Pb的易切钢即比较钢4进行比较发现，所述环保易切钢显示出非常优异的耐工具磨损性。对于比较钢2，由于未形成低熔点氧化物，其切削性较本发明钢为差。另外，对于比较钢3，工具最快地被磨损。

为进行热延性试验，本发明钢和比较钢被加热到再热温度1250℃并保持1分钟。之后，进行拉伸试验。所述试验后，测量样品的断面收缩率(RA)并示于表5。

表5

	900℃断面收缩率	1000℃断面收缩率	1100℃断面收缩率	1200℃断面收缩率
					本发明钢1	70	72	84	89
本发明钢2	69	78	82	92

本发明钢3	76	82	85	91
					本发明钢4	62	65	72	80
本发明钢5	73	78	83	93
					本发明钢6	77	75	80	91
比较钢1	50	60	62	83
					比较钢2	49	57	60	76
比较钢3	49	57	60	76
					比较钢4	77	81	88	81

如表1和表2所示，对于本发明钢1-6，Mn³/S值为4.6或更多，因形成低熔点FeS导致的红脆性被限制，并且B/N值为2.0或更多，能够获得强化奥氏体晶界的效果。因此，在900℃或更高温度下进行高温拉伸试验时可获得断面收缩率为70％的热延性。因此，发生表面缺陷如角裂的可能性很低。

另一方面，对于比较钢1，当Mn³/S值为4.6或更多但B/N值小于2.0时，由于钢中的B通常沉淀出来且不可能使晶界得到足够的强化，在900℃下显示出60％的断面收缩率。另外，对于比较钢2，当Mn³/S值小于4.6且B/N值小于2.0时，显示其热延性较比较钢1为差。

如上所述，根据本发明的示例性实施方式，可提供环保无Pb的易切钢，其能够通过控制B、Sn、Mn、S和N的含量符合合适的关系并形成低熔点复合氧化物来限制不管高速还是低速的切削过程中可能出现的工具磨损从而提供优异的切削性，并通过添加合适比例的元素如Mn和B而具有优异的热加工性。

Claims (4)

1.一种无Pb易切钢，其由0.03-0.30wt％的C、0.01-0.30wt％的Si、0.2-2.0wt％的Mn、0.02-0.10wt％的P、0.06-0.45wt％的S、0.04-0.20wt％的Bi、0.04-0.20wt％的Sn、0.001-0.015wt％的B、0.001-0.010wt％的N、0.002-0.025wt％的T[O]和余量的铁以及不可避免的杂质形成，

其中所述钢含有MnO-SiO₂-Al₂O₃基的氧化物、CaO-SiO₂-Al₂O₃基的氧化物以及MnO-SiO₂-Al₂O₃基的氧化物和CaO-SiO₂-Al₂O₃基的氧化物混合的低熔点复合氧化物中的一种，并且Sn、Bi、S、B和N满足一个或多个选自以下关系表达式1-3的关系，

...关系表达式1，

...关系表达式2，和

...关系表达式3。

2.权利要求1的钢，其中所述MnO-SiO₂-Al₂O₃基的氧化物由20-65wt％的MnO、25-60wt％的SiO₂和30wt％或更少但大于0wt％的Al₂O₃形成。

3.权利要求1的钢，其中所述CaO-SiO₂-Al₂O₃基的氧化物由10-55wt％的CaO、35-65wt％的SiO₂和25wt％或更少但大于0wt％的Al₂O₃形成。

4.权利要求1的钢，其中在5g钢线材中有五个或更多的所述低熔点复合氧化物。