CN102477515A - 一种高强度无铅易切削钢的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高强度无铅易切削钢的制备方法，本发明采用粉末烧结法生产。各种粉末和粘结剂质量分数配比如下：石墨微粉0.5%-0.8%，铜粉0.9%-1.2%，粘结剂硬脂酸锌0.5%-1.0%；分散剂PVA0.3%-0.5%；余量为铁粉。混料时间5-7小时，混料结束后即压制，压制完后即放入烧结炉中烧结，烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热2-5小时，充分去除粘结剂，烧结温度1120-1160℃，烧结45-75min，烧结气氛为还原性气氛或真空，烧结完后通水冷却到室温。本发明制备烧结钢最大强度达605.3MPa，粗糙度最小1.89μm，切削能力为含铅易切削钢的96%，成本为铅系易切削钢的91%。适合于大规模生产，生产成本低。

Description

一种高强度无铅易切削钢的制备方法

技术领域

本发明是一种金属材料的制造技术，特别是无铅易切削钢的制造方法。

背景技术

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，各种零配件的形状越来越复杂、加工要求越来越高。机加工成本在零部件制造成本的中的比例越来越高，有时甚至达到零部件制造成本的40%～60%，市场迫切需要切削性能优良的钢材的来降低加工成本。

在易切削钢中，硫化锰是有利夹杂物在钢切削加工时作为内部应力集中源易断屑，并在刀具与加工件之间形成润滑作用，降低了刀具的磨损，从而改变了钢的切削性。但硫化锰本是钢中的一种有害夹杂，由于硫化锰的存在，钢在轧制过程中使硫化锰沿轧制方向变形，使钢表现出各向异性，降低了易切削钢的力学性能。

铅在钢中的固溶度几乎为零，一般以金属夹杂物单独存在，或者附着在硫化物等夹杂物上，大多以直径1～2μm的球状形式存在。在切削加工过程中，铅颗粒主要起润滑的作用，也容易使切屑卷曲和起脆化作用而改善断屑特性。铅颗粒软而脆的特性能显著降低刀具磨损并改善钢表面的光滑度。但铅的质量密度大，容易在钢中引起偏析。所以铅易切削钢的接触疲劳强度低。所以不能用于疲劳应力负荷大的零部件，如:齿轮、轴承。

钙系易切削钢制造时产品合格率低，成本高。镁系易切削钢则由于镁容易氧化，提高了易切削钢的生产成本。而碲、硒、钛易切削钢，锡系易切削钢，铋系易切削钢而由于加入了高价甚至昂贵、稀有金属，明显提高了易切削钢的成本，对其市场推广非常不利。而且铋对人体的影响目前尚不清楚，在一些国家和地区的铋系合金的应用还受到一定的限制。

总之，现有的易切削钢都存在着力学性能偏低的问题，在载荷大的场合其应用受到限制。普通的高强度钢的切削性能不佳，零配件的机加工成本高，对其市场推广应用不利。目前市场需要一种强度高而成本不高的无铅易切削钢，本发明正是为解决此问题，发明了一种高强度无铅易切削钢，特别是满足小型件、异型件的加工需求。

发明内容

本发明的目的在于有效解决铅系易切削钢污染环境的问题，为家用电器、精密机械、仪器仪表、汽车工业、五金工具等领域的小型结构件提供一种高强度的无铅易切削钢的制备方法，实现无铅易切削钢的无铅、无铋且高强化。

本发明的具体内容：

本发明中的铁粉种类为雾化铁粉、还原铁粉或者雾化铁粉与还原铁粉的混合粉。将铁粉、铜粉、石墨微粉、分散剂PVA与粘结剂一起混合均匀与压制、烧结成烧结试样或产品。

本发明工艺流程如下：

各种粘结剂和粉末按以下质量分数进行配比：粘结剂硬脂酸锌质量分数为0.5%-1.0%；铜粉0.9%-1.2%，铜粉的粒度为≤43μm；石墨微粉的质量分数为0.3%-0.8%，石墨微粉的粒度为1-5μm；分散剂PVA的质量分数为0.3%-0.5%；余量为铁粉，铁粉的粒度≤106μm。粉末混料采用V型混料器(不放球)或行星式球磨架(球料质量比1:8)，混料时间5-7小时，混料结束后即压制，压制完后即放入烧结炉中烧结，烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间2-5小时，充分去除粘结剂，烧结温度1120-1160℃，烧结时间45-75min，烧结气氛为还原性气氛或真空，烧结完后通水冷却到室温。

分别取试样测试易切削钢的布氏硬度、切削性能(包括表面粗糙度、表面温度和细屑百分比)和力学性能(包括抗拉强度和延伸率)。切削加工时将所有的切屑收集起来，然后将切屑过14目标准筛，筛前称取所有切屑的质量，筛后称取筛下细屑的质量，用细屑的质量比切屑的总质量来计算细屑百分比。

本发明的原理：

铅在钢熔体中的溶解度不大，而在钢中的室温固溶度几乎为零，故含铅钢熔体凝固时，铅以微细的球形颗粒形式弥散分布在在钢中。铅有较脆而软的特点，另一方面，铅的熔点只有327.5℃，当对含铅钢进行切削加工时产生的摩擦热会使铅颗粒进一步软化，当含铅钢被切削时，这些弥散的铅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”，从而导致切屑易于在此断裂。另外，在刀头与切屑的接触局部因切削加工受热而瞬间熔化，有助于改变切屑的形状，并起到润滑刀具的作用，可以使刀头磨损减少到最低。因此，铅在易切削钢材料的切削加工过程中起着碎裂切屑、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。铅在易切削铅钢中的存在状态对其切削性能有决定性的作用。本发明中采用在铁中添加微小的石墨微粉，用石墨颗粒取代铅颗粒。由于石墨微粉的结构特点，使它们都具有软而滑的特性。分布在钢中的石墨微粉颗粒也相当于是钢中存在一个空洞，应力容易在此集中，产生所谓的“切口效应”，从而导致切屑易于在此断裂。由于石墨微粉颗粒对切削刀具有润滑的作用，也能减小刀头的磨损作用，大大提高切削加工效率。石墨与铁之间在高温下发生反应生成Fe₃C，这种产物是一种脆性的化合物，对提高易切削钢的切削性能非常有利。另一方面，正是由于石墨与铁之间的反应，使得石墨微粉与钢铁颗粒之间的界面结合形成冶金结合，强度高，能大幅度地提高易切削钢的强度。本发明的关键之处在于采用石墨微粉，其粒度小，使得在烧结的过程中形成了一种中间是石墨微点，而石墨微点外面包覆一层Fe₃C的结构，这种由中间细小的软脆点包覆着脆性的化合物的结构既提高了易切削钢的切削性能，又提高了其力学性能。由于石墨微粉的粒度极为细小，在与铁粉、铜粉等混合的时候，很容易出现偏析、甚至团聚。这种现象的出现，使无铅易切削钢的性能恶化，必须采取适当的措施避免。本发明通过优化分散剂PVA的用量，将石墨微粉的偏析程度控制在可接受的范围，优化了无铅易切削钢的切削性能与力学性能。

本发明的优点：无铅易切削钢具有优良的切削性能，切削能力最高相当于含铅易切削钢的96%，最大强度可达605.3MPa，而成本仅为含铅易切削钢的91%，降低了9%。

实施例  

实施例1：

各种粉末的配比如下：石墨微粉的质量分数为0.5%；石墨微粉的粒度为5μm；铜粉0.9%，铜粉的粒度为≤43μm；粘结剂硬脂酸锌质量分数为0.5%；分散剂的质量分数为0.3%；余量为雾化铁粉。粉末混料采用V型混料器(不放球)，混料时间6小时，混料结束后即压制，压制完后即放入烧结炉中烧结，烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间2小时，充分去除粘结剂，烧结温度1120℃，烧结时间45min，烧结气氛为还原性气氛，烧结完后通水冷却到室温。从烧结样上取样进行切削实验，结果发现，无铅易切削钢的布氏硬度为HB121.0，表面粗糙度为3.39μm、切削后表面温度升高了22.9℃、细屑百分比为71.5%，切削能力相当于含铅易切削钢的92%，抗拉强度为380.5MPa，延伸率为6.2%。成本为含铅易切削钢的91%，降低了9%。

实施例2：

各种粉末的配比如下：石墨微粉的质量分数为0.6%；石墨微粉的粒度为4μm；铜粉1.0%，铜粉的粒度为≤43μm；粘结剂硬脂酸锌质量分数为0.7%；分散剂的质量分数为0.37%；余量为还原铁粉。粉末混料采用V型混料器 (不放球)，混料时间6小时，混料结束后即压制，压制完后即放入烧结炉中烧结，烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间3小时，充分去除粘结剂，烧结温度1130℃，烧结时间55min，烧结气氛为还原性气氛，烧结完后通水冷却到室温。从烧结样上取样进行切削实验，结果发现，无铅易切削钢的布氏硬度为HB156.1，表面粗糙度为3.22μm、切削后表面温度升高了45.5℃、细屑百分比为71.1%，切削能力相当于含铅易切削钢的94%，抗拉强度为425.5MPa，延伸率为4.7%。成本为含铅易切削钢的91%，降低了9%。

实施例3：

各种粉末的配比如下：石墨微粉的质量分数为0.7%；石墨微粉的粒度为2.3μm；铜粉1.0%，铜粉的粒度为≤43μm；粘结剂硬脂酸锌质量分数为0.9%；分散剂的质量分数为0.44%；余量为雾化铁粉和还原铁粉的混合粉。粉末混料采用V型混料器，混料时间6小时，混料结束后即压制，压制完后即放入烧结炉中烧结，烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间4小时，充分去除粘结剂，烧结温度1140℃，烧结时间65min，烧结气氛为还原性气氛，烧结完后通水冷却到室温。从烧结样上取样进行切削实验，结果发现，无铅易切削钢的布氏硬度为HB146.1，表面粗糙度为3.45μm、切削后表面温度升高了45.1℃、细屑百分比为76.2%，切削能力相当于含铅易切削钢的94%，抗拉强度为424.8MPa，延伸率为4.6%。成本为含铅易切削钢的91%，降低了9%。

实施例4：

各种粉末的配比如下：石墨微粉的质量分数为0.8%；石墨微粉的粒度为4μm；铜粉0.9%，铜粉的粒度为≤43μm；粘结剂硬脂酸锌质量分数为1%；分散剂的质量分数为0.5%；余量为雾化铁粉和还原铁粉的混合粉。粉末混料采用V型混料器，混料时间6小时，混料结束后即压制，压制完后即放入烧结炉中烧结，烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间5小时，充分去除粘结剂，烧结温度1150℃，烧结时间75min，烧结气氛为还原性气氛，烧结完后通水冷却到室温。从烧结样上取样进行切削实验，结果发现，无铅易切削钢的布氏硬度为HB155.6，表面粗糙度为2.98μm、切削后表面温度升高了49.9℃、细屑百分比为71.8%，切削能力相当于含铅易切削钢的91%，抗拉强度为431.1MPa，延伸率为4.3%。成本为含铅易切削钢的91%，降低了9%。

实施例5：

各种粉末的配比如下：石墨微粉的质量分数为0.6%；石墨微粉的粒度为4μm；铜粉1.0%，铜粉的粒度为≤43μm；粘结剂硬脂酸锌质量分数为0.9%；分散剂的质量分数为0.44%；余量为还原铁粉。粉末混料采用行星式球磨架(球料质量比1:8)，混料时间6小时，混料结束后即压制，压制完后即放入烧结炉中烧结，烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间5小时，充分去除粘结剂，烧结温度1120℃，烧结时间75min，烧结气氛为还原性气氛，烧结完后通水冷却到室温。从烧结样上取样进行切削实验，结果发现，无铅易切削钢的布氏硬度为HB166.5，表面粗糙度为2.75μm、切削后表面温度升高了52.4℃、细屑百分比为80.1%，切削能力相当于含铅易切削钢的94%，抗拉强度为458.1MPa，延伸率为5.1%。

实施例6：

各种粉末的配比如下：石墨微粉的质量分数为0.5%；石墨微粉的粒度为5μm；铜粉1.1%，铜粉的粒度为≤43μm；粘结剂硬脂酸锌质量分数为1%；分散剂的质量分数为0.5%；余量为雾化铁粉。粉末混料采用行星式球磨架(球料质量比1:8)，混料时间6小时，混料结束后即压制，压制完后即放入烧结炉中烧结，烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间4小时，充分去除粘结剂，烧结温度1160℃，烧结时间65min，烧结气氛为还原性气氛，烧结完后通水冷却到室温。从烧结样上取样进行切削实验，结果发现，无铅易切削钢的布氏硬度为HB146.0，表面粗糙度为3.55μm、切削后表面温度升高了52.1℃、细屑百分比为71.8%，切削能力相当于含铅易切削钢的94%，抗拉强度为549.8MPa，延伸率为4.9%。

实施例7：

各种粉末的配比如下：石墨微粉的质量分数为0.8%；石墨微粉的粒度为1μm；铜粉1.2%，铜粉的粒度为≤43μm；粘结剂硬脂酸锌质量分数为0.5%；分散剂的质量分数为0.3%；余量为雾化铁粉和还原铁粉的混合粉。粉末混料采用V型混料器，混料时间6小时，混料结束后即压制，压制完后即放入烧结炉中烧结，烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间3小时，充分去除粘结剂，烧结温度1150℃，烧结时间55min，烧结气氛为真空，烧结完后通水冷却到室温。从烧结样上取样进行切削实验，结果发现，无铅易切削钢的布氏硬度为HB142.8，表面粗糙度为1.89μm、切削后表面温度升高了40.7℃、细屑百分比为77.8%，切削能力相当于含铅易切削钢的96%，抗拉强度为605.3MPa，延伸率为8.0%。

实施例8：

各种粉末的配比如下：石墨微粉的质量分数为0.7%；石墨微粉的粒度为2.3μm；铜粉1.1%，铜粉的粒度为≤43μm；粘结剂硬脂酸锌质量分数为0.7%；分散剂的质量分数为0.37%；余量为还原铁粉。粉末混料采用V型混料器，混料时间6小时，混料结束后即压制，压制完后即放入烧结炉中烧结，烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间2小时，充分去除粘结剂，烧结温度1160℃，烧结时间45min，烧结气氛为还原性气氛，烧结完后通水冷却到室温。从烧结样上取样进行切削实验，结果发现，无铅易切削钢的布氏硬度为HB154.3，表面粗糙度为2.78μm、切削后表面温度升高了44.8℃、细屑百分比为71.9%，切削能力相当于含铅易切削钢的93%，抗拉强度为560.6MPa，延伸率为4.3%。

实施例9：

各种粉末的配比如下：石墨微粉的质量分数为0.8%；石墨微粉的粒度为1μm；铜粉1.1%，铜粉的粒度为≤43μm；粘结剂硬脂酸锌质量分数为1%；分散剂的质量分数为0.5%；余量为雾化铁粉和还原铁粉的混合粉。粉末混料采用V型混料器，混料时间6小时，混料结束后即压制，压制完后即放入烧结炉中烧结，烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间3小时，充分去除粘结剂，烧结温度1140℃，烧结时间55min，烧结气氛为还原性气氛，烧结完后通水冷却到室温。从烧结样上取样进行切削实验，结果发现，无铅易切削钢的布氏硬度为HB150.7，表面粗糙度为2.99μm、切削后表面温度升高了48.3℃、细屑百分比为75.1%，切削能力相当于含铅易切削钢的94%，抗拉强度为582.1MPa，延伸率为6.6%。

实施例10：

各种粉末的配比如下：石墨微粉的质量分数为0.7%；石墨微粉的粒度为1μm；铜粉0.9%，铜粉的粒度为≤43μm；粘结剂硬脂酸锌质量分数为0.9%；分散剂的质量分数为0.44%；余量为还原铁粉。粉末混料采用V型混料器，混料时间6小时，混料结束后即压制，压制完后即放入烧结炉中烧结，烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间2小时，充分去除粘结剂，烧结温度1150℃，烧结时间45min，烧结气氛为还原性气氛，烧结完后通水冷却到室温。从烧结样上取样进行切削实验，结果发现，无铅易切削钢的布氏硬度为HB162.2，表面粗糙度为2.67μm、切削后表面温度升高了47.9℃、细屑百分比为71.5%，切削能力相当于含铅易切削钢的92%，抗拉强度为530.1MPa，延伸率为2.2%。

实施例11：

各种粉末的配比如下：石墨微粉的质量分数为0.6%；石墨微粉的粒度为5μm；铜粉0.9%，铜粉的粒度为≤43μm；粘结剂硬脂酸锌质量分数为0.7%；分散剂的质量分数为0.37%；余量为雾化铁粉。粉末混料采用V型混料器，混料时间6小时，混料结束后即压制，压制完后即放入烧结炉中烧结，烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间5小时，充分去除粘结剂，烧结温度1130℃，烧结时间75min，烧结气氛为还原性气氛，烧结完后通水冷却到室温。从烧结样上取样进行切削实验，结果发现，无铅易切削钢的布氏硬度为HB131.3，表面粗糙度为3.09μm、切削后表面温度升高了51.4℃、细屑百分比为72.1%，切削能力相当于含铅易切削钢的93%，抗拉强度为393.5MPa，延伸率为3.3%。

实施例12：

各种粉末的配比如下：石墨微粉的质量分数为0.5%；石墨微粉的粒度为2.3μm；铜粉1.0%，铜粉的粒度为≤43μm；粘结剂硬脂酸锌质量分数为0.5%；分散剂的质量分数为0.3%；余量为还原铁粉。粉末混料采用V型混料器，混料时间6小时，混料结束后即压制，压制完后即放入烧结炉中烧结，烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间4小时，充分去除粘结剂，烧结温度1140℃，烧结时间65min，烧结气氛为还原性气氛，烧结完后通水冷却到室温。从烧结样上取样进行切削实验，结果发现，无铅易切削钢的布氏硬度为HB150.7，表面粗糙度为2.55μm、切削后表面温度升高了48.1℃、细屑百分比为75.5%，切削能力相当于含铅易切削钢的94%，抗拉强度为459.9MPa，延伸率为3.7%。

实施例13：

各种粉末的配比如下：石墨微粉的质量分数为0.7%；石墨微粉的粒度为1μm；铜粉1.0%，铜粉的粒度为≤43μm；粘结剂硬脂酸锌质量分数为0.7%；分散剂的质量分数为0.37%；余量为雾化铁粉。粉末混料采用V型混料器，混料时间6小时，混料结束后即压制，压制完后即放入烧结炉中烧结，烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间4小时，充分去除粘结剂，烧结温度1150℃，烧结时间65min，烧结气氛为还原性气氛，烧结完后通水冷却到室温。从烧结样上取样进行切削实验，结果发现，无铅易切削钢的布氏硬度为HB166.5，表面粗糙度为2.45μm、切削后表面温度升高了53.4℃、细屑百分比为71.1%，切削能力相当于含铅易切削钢的92%，抗拉强度为505.0MPa，延伸率为2.2%。

实施例14：

各种粉末的配比如下：石墨微粉的质量分数为0.8%；石墨微粉的粒度为4μm；铜粉0.9%，铜粉的粒度为≤43μm；粘结剂硬脂酸锌质量分数为0.5%；分散剂的质量分数为0.3%；余量为雾化铁粉和还原铁粉的混合粉。粉末混料采用V型混料器，混料时间6小时，混料结束后即压制，压制完后即放入烧结炉中烧结，烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间5小时，充分去除粘结剂，烧结温度1130℃，烧结时间75min，烧结气氛为还原性气氛，烧结完后通水冷却到室温。从烧结样上取样进行切削实验，结果发现，无铅易切削钢的布氏硬度为HB182.3，表面粗糙度为2.45μm、切削后表面温度升高了48.6℃、细屑百分比为72.3%，切削能力相当于含铅易切削钢的94%，抗拉强度为493.8MPa，延伸率为2.8%。

实施例15：

各种粉末的配比如下：石墨微粉的质量分数为0.5%；石墨微粉的粒度为1μm；铜粉1.0%，铜粉的粒度为≤43μm；粘结剂硬脂酸锌质量分数为1%；分散剂的质量分数为0.5%；余量为还原铁粉。粉末混料采用V型混料器，混料时间6小时，混料结束后即压制，压制完后即放入烧结炉中烧结，烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间2小时，充分去除粘结剂，烧结温度1150℃，烧结时间55min，烧结气氛为还原性气氛，烧结完后通水冷却到室温。从烧结样上取样进行切削实验，结果发现，无铅易切削钢的布氏硬度为HB169.4，表面粗糙度为1.99μm、切削后表面温度升高了49.7℃、细屑百分比为71.8%，切削能力相当于含铅易切削钢的93%，抗拉强度为555.1MPa，延伸率为4.5%。

实施例16：

各种粉末的配比如下：石墨微粉的质量分数为0.6%；石墨微粉的粒度为2.3μm；铜粉0.9%，铜粉的粒度为≤43μm；粘结剂硬脂酸锌质量分数为0.9%；分散剂的质量分数为0.44%；余量为雾化铁粉。粉末混料采用V型混料器，混料时间6小时，混料结束后即压制，压制完后即放入烧结炉中烧结，烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间3小时，充分去除粘结剂，烧结温度1160℃，烧结时间45min，烧结气氛为真空，烧结完后通水冷却到室温。从烧结样上取样进行切削实验，结果发现，无铅易切削钢的布氏硬度为HB162.2，表面粗糙度为2.01μm、切削后表面温度升高了48.2℃、细屑百分比为70.8%，切削能力相当于含铅易切削钢的94%，抗拉强度为594.0MPa，延伸率为5.9%。

Claims (5)

1.一种高强度无铅易切削钢的制备方法，其特征在于：粘结剂和各种粉末按以下质量分数进行配比：粘结剂硬脂酸锌，质量分数为0.5%-1.0%，石墨微粉0.5%-0.8%，铜粉0.9%-1.2%，分散剂PVA，质量分数为0.3%-0.5%；余量为铁粉，铁粉的粒度≤106μm，各组分进行混料，混料时间5-7小时，再进行压制，然后放入烧结炉中烧结，烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间2-5小时，充分去除粘结剂，烧结温度1120-1160℃，烧结时间45-75min，烧结气氛为还原性气氛或真空，烧结完后通水冷却到室温。

2.根据权利要求1所述的高强度无铅易切削钢的制备方法，其特征在于：所述的铁粉为雾化铁粉、还原铁粉或者雾化铁粉与还原铁粉的混合粉。

3.根据权利要求1所述的高强度无铅易切削钢的制备方法，其特征在于：所述的石墨微粉的粒度为1-5μm，铜粉的粒度为≤43μm。

4.根据权利要求1所述的高强度无铅易切削钢的制备方法，其特征在于：所述的石墨微粉的粒度为1-4μm。

5.根据权利要求1所述的高强度无铅易切削钢的制备方法，其特征在于：所述的石墨微粉的粒度为1-2.3μm。