CN102676955B

CN102676955B - 一种具有优异切削性能的低碳高硫易切削钢及其生产方法

Info

Publication number: CN102676955B
Application number: CN 201210184463
Authority: CN
Inventors: 夏云进; 王福明
Original assignee: Anhui University of Technology AHUT
Current assignee: Anhui University of Technology AHUT
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2032-06-06
Also published as: CN102676955A

Abstract

本发明公开了一种具有优异切削性能的低碳高硫易切削钢及其生产方法，属于易切削钢技术领域。本发明的易切削钢包括如下质量百分含量的成分：C：0.05~0.2%、Mn：0.6~2.0%、P：0.04~0.1%、S：0.2~0.45%、O：0.005~0.02%、N≤0.02%、Si≤0.005%、Al≤0.001%，生成的MnS夹杂物具有以下性质：（1）铸态钢中95%以上的MnS夹杂物为第Ⅰ类MnS，并且单相MnS夹杂物的比例≥80%；（2）轧制方向至少有70%的MnS夹杂物长度≥5微米，并且长宽比≤6；（3）轧制方向1mm²面积内MnS夹杂物的平均面积不低于50μm²。本发明采用C进行脱氧，铸锭的冷却速率控制为2~4mm/min，开轧温度控制在1200~1250℃，终轧温度控制在≥1050℃。本发明具有优异的切削性能，并且切削后零件表面的光洁度更好，总体水平接近或达到含铅低碳易切削钢的水平，适用于高速切削。

Description

一种具有优异切削性能的低碳高硫易切削钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及易切削钢技术领域，更具体地说，涉及一种具有优异切削性能的低碳高硫易切削钢及其生产方法。

背景技术

随着我国工业，尤其是家电、通信/讯、汽车、办公用器材等现代化行业的快速发展和迅猛增长，以及全球经济一体化的趋势越来越突出，各种精密零部件的国内国际需求越来越旺盛，其中大部分小规格零部件，如：轴类、螺丝类、螺帽类、制钉类等标准元器件，现大多由易切削钢母料加工完成。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、表面光洁度好和提高刀具的使用寿命等优点，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，大幅度提高产品质量和生产效率。

近年来，由于切削机械性能的提高，可以进行高速切削，伴随这一趋势，对于构成上述部件的原材料钢材，迫切希望提高高速切削加工时的切削性能。要求其具有良好的切削性能，所述的切削性能，不仅要延长刀具的寿命，而且还特别强调切屑细碎断裂的性质即“切屑处理性”。这种切屑处理性，是实现加工生产线自动化所不可缺少的条件，也是提高生产率所必须的。另外除了刀具寿命和切屑处理性外，从加工精度的角度考虑，还希望切屑之后的钢材加工表面状态良好，加工表面的粗糙度较小。在现有的易切削钢中，铅系易切削钢和含铅复合易切削钢的切削性能较好，但是铅比重大，容易在钢液凝固过程中产生偏析，并且铅有毒，生产过程中产生铅蒸汽所造成的公害难以解决，随着人们对环境问题的关注程度不断提高，迫切希望研制出不含Pb的易切削钢。

为了适应上述要求，作为铅易切削钢的替代产品，人们提出了许多种关于不含Pb的低碳硫系易切削钢技术方案。但是，迄今为止还没有研制出能够完全满足含Pb易切削钢性能要求即有助于延长刀具寿命、切屑处理性好、加工表面粗糙度小的易切削钢。日本专利931522中公开了为了控制硫化物形态，适当控制氧含量较为重要；日本专利2000319753中公开了硫含量超过0.4%、增加MnS含量的不含Pb的低碳硫系易切削钢，但是这种钢改善硬质合金刀具寿命效果不大，并且切削处理性也不好；日本专利0953147以及3390988公开了通过添加Ti和Zr来提高刀具寿命和改善切削性能；另外日本专利200410034730公开了通过控制氧化物类型来改善切屑处理性；国内公开的易切削钢专利大多为如何开发一种低碳高硫系易切削钢，如CN101418422、CN101417384等，对提高低碳高硫系易切削钢切削性能和切削后零件表面光洁度方面研究较少，还有少量专利是针对易切削轧制开裂问题，如CN101972775、CN101418422。可见关于如何精确控制低碳高硫易切削钢中硫化物数量、尺寸、形态与分布，使其具有优异切削性能和良好表面光洁度方面的研究尚未见报道。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中高硫易切削钢切屑处理性和切削后零件表面光洁度差的问题，提供一种具有优异切削性能的低碳高硫易切削钢及其生产方法，本发明的低碳高硫易切削钢不含Pb，具有优异切削性能，且切削后零件表面光洁度更好。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种具有优异切削性能的低碳高硫易切削钢，包括如下质量百分含量的成分：C：0.05~0.2%、Mn：0.6~2.0%、P：0.04~0.1%、S：0.2~0.45%、O：0.005~0.02%、N≤0.02%、Si≤0.005%、Al≤0.001%，并且生成的MnS夹杂物具有以下性质：（1）铸态钢中95%以上的MnS夹杂物为第Ⅰ类MnS，并且单相MnS夹杂物的比例≥80%；（2）轧制方向至少有70%的MnS夹杂物长度≥5微米，并且长宽比≤6；（3）轧制方向1mm²面积内MnS夹杂物的平均面积不低于50μm²。本发明铸态钢中MnS夹杂物的分类是根据Sims的分类方法确定的。

优选地，本发明的低碳高硫易切削钢还包括质量百分含量Te：0.005~0.1%，其余是Fe和不可避免的杂质元素。

优选地，本发明的低碳高硫易切削钢包括如下质量百分含量的成分：C：0.05~0.15%、Mn：1.02~1.56%、P：0.061~0.068%、S：0.32~0.35%、O：0.012~0.019%、N≤0.017%、Si≤0.002%、Al≤0.0009%，Te：0.01~0.03%。

本发明的低碳高硫易切削钢的化学成分（质量百分含量）应处在以下范围内，具体说明如下：

C：不低于0.05%，确保适量的珠光体含量，提高加工表面光洁度，但是不能超过0.2%，因为珠光体量的增加超过临界值将会恶化钢的切削性能。

Mn：为了确保生成足够量MnS，避免低熔点的FeS产生，Mn含量不低于0.6%，但是高于2%，固溶于钢中的Mn含量会增加，钢基体会变硬，降低了钢的切削加工性能。

P：在钢中保留适量的P能够改善表面光洁度，因此，P含量不低于0.04%，但是过高会损害机械性能，因此，其上限为0.1%。

S：为了提高切削性能和改善表面光洁度，S含量应大于0.2%，但是为了避免生成低熔点的FeS和提高冷加工性能，其含量不宜超过0.45%。

O：为了控制钢中MnS形态其含量不宜低于0.005%，但是高于0.02%会恶化铸坯质量，并且不利于切削加工过程中的塑性变形。

N：适量N会增加基体硬度，提高强度，但是N含量过高会恶化钢切削性能和冷加工性能，通常其含量不超过0.02%。

Te：Te在钢中通常以MnTe的形式存在，为了改善切削性能与切削零件表面光洁度，Te含量不低于0.005%，但是高于0.1%会使钢的热加工性能显著降低。

Si：在钢中形成SiO₂，与硫化锰形成复合夹杂，其塑性变形能力较差，限制硫化锰夹杂物在刀具边缘形成保护膜，损害加工表面光洁度。因此，其含量尽可能的向低控制，不高于0.005%。

Al：在钢中会形成Al₂O₃，这种硬质粒子会显著磨损刀具，降低刀具寿命；与硫化锰形成复合夹杂时，其塑性变形能力较差，限制硫化锰夹杂物在刀具边缘形成保护膜，同样会损害加工表面光洁度。因此，其含量也是尽可能的向低控制，不高于0.001%。

本发明的一种具有优异切削性能的低碳高硫易切削钢的生产方法，其步骤为：

（1）钢水冶炼：用于冶炼的原材料带入Al 、Si的质量百分含量为 Al≤0.0005%、Si≤0.001%，脱氧过程中采用C进行脱氧，并将终点碳含量控制在0.03~0.1%；为了避免在钢中生成SiO₂和Al₂O₃类夹杂物，本步骤中控制冶炼原材料带入的Al 、Si含量，且在脱氧过程中不使用Al和Si进行脱氧，而采用C进行脱氧，将钢中氧含量控制在0.005~0.02%范围内；

（2）钢水精炼：对步骤（1）中的钢水进行合金化，最后向钢液中喂入硫线，使钢水成分为：C：0.05~0.2%、Mn：0.6~2.0%、P：0.04~0.1%、S：0.2~0.45%、O：0.005~0.02%、N≤0.02%、Te：0.005~0.1%、Si≤0.005%、Al≤0.001%；本步骤中向钢中加入Te合金，使Te含量控制在0.005~0.1%范围内，确保钢中MnS夹杂物为第Ⅰ类，并且可以降低轧制后MnS夹杂物的长宽比；

（3）钢水模铸：铸锭的冷却速率控制为2~4mm/min，使得铸态钢中95%以上的MnS夹杂物为第Ⅰ类MnS，并且单相MnS夹杂物的比例≥80%；本步骤中精确地控制冷却速率可以控制生成的MnS的数量、尺寸、形态和分布，可以显著改善切削零件的切屑处理性和表面光洁度，并且可以减少FeS的生成，避免轧制过程中开裂；

（4）轧制：轧制过程中的开轧温度为1200~1250℃，终轧温度≥1050℃，使得轧制方向至少有70%的MnS夹杂物长度≥5微米，并且长宽比≤6；轧制方向1mm²面积内MnS夹杂物的平均面积不低于50μm²；本步骤中通过控制开轧温度和终轧温度，使得在此温度下MnS的相对塑性较低，轧制后MnS的长宽比较小。

更进一步地，本发明步骤（2）中钢水中的O/S质量百分比控制为0.01~0.1，Mn/S质量百分比控制为3~4.5。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

（1）本发明通过精确控制低碳高硫易切削钢中硫化物数量、尺寸、形态与分布情况，可替代含铅低碳易切削钢，从而可以避免含铅易切削钢在冶炼、加工及钢材回收利用时铅对环境和人体健康造成危害的问题；

（2）本发明在冶炼过程中精确控制成分，将Mn/S之比控制在3~4.5，模铸时精确控制冷速，确保硫化物夹杂主要为MnS，改善了钢的热加工性能；

（3）本发明在冶炼过程中不采用Al、Si脱氧，避免生成SiO₂和Al₂O₃类夹杂物，刀具使用寿命大幅提高；

（4）本发明低碳高硫易切削钢的切削性能优异，并且切削后零件表面的光洁度更好，总体水平接近或达到含铅低碳易切削钢的水平，适用于高速切削。

附图说明

图1为本发明低碳高硫易切削钢中第Ⅰ类MnS的金相照片；

图2为本发明低碳高硫易切削钢中第Ⅰ类MnS电解腐蚀后的扫描电镜照片；

图3为本发明低碳高硫易切削钢轧后MnS的金相照片；

图4为切削零件的表面粗糙度与单位面积内MnS的平均面积以及长度≥5微米，长宽比≤6的MnS所占比例的关系图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

本发明的低碳高硫易切削钢的主要化学成分（质量百分比）范围为：C：0.05~0.2%、Mn：0.6~2.0%、P：0.04~0.1%、S：0.2~0.45%、O：0.005~0.02%、N≤0.02%、Te：0.005~0.1%、Si≤0.005%、Al≤0.001%，其余是Fe和不可避免的杂质元素。

本发明的制造方法流程如下：

废钢（或高炉铁水）→感应炉（或转炉或电炉）→（LF炉精炼）→模铸（或连铸）→轧制→冷却。

制造过程中控制的主要工序如下：

（1）感应炉（或转炉或电炉）冶炼时，避免废钢（或铁水）中含有大量的Si和Al，控制用于冶炼的原材料带入Al 、Si的质量百分含量为 Al≤0.0005%、Si≤0.001%，将终点碳含量控制在0.03~0.1%；脱氧过程中不使用Si和Al，采用C进行脱氧，尽可能的降低钢液中Si和Al，避免凝固过程中生成SiO₂和Al₂O₃类夹杂物；

（2）对上述钢水进行合金化，最后向钢液中喂入硫线，确保钢水成分为：C：0.05~0.2%、Mn：0.6~2.0%、P：0.04~0.1%、S：0.2~0.45%、O：0.005~0.02%、N≤0.02%、Te：0.005~0.1%、Si≤0.005%、Al≤0.001%，钢水中的O/S质量百分比控制为0.01~0.1，Mn/S质量百分比控制为3~4.5；

（3）在模铸过程中尽可能地降低冷速，将铸锭的冷却速率控制为2~4mm/min；

（4）轧制过程中开轧温度控制在1200~1250℃，终轧温度控制在≥1050℃，冷却时采用延迟性冷却。

铸态时硫化物成分与类型的统计方法为：在铸锭四分之一处进行取样，于扫描电镜下统计50个视场中夹杂物的成分与类型；轧制后硫化物的长度、长宽比以及单位面积（1mm²）内硫化物的平均面积统计方法为：在轧后产品的轧制方向进行取样，于金相显微镜下观察50个视场（×500倍），并用IMAGE图像处理软件进行统计。

切削实验在CK6140车床上进行，实验条件如下：

（1）切削试件：Φ80mm的棒材；

（2）实验刀具：YT14硬质合金机夹式可转位外圆车刀；

（3）切削条件：进给量f = 0.05mm/r；切削深度ap = 1mm；切削速度V = 120m/min 和V = 210m/min。

表1 本发明易切削钢与对比易切削钢的化学成分（wt %）

表2 本发明易切削钢与对比易切削钢中硫化物的控制水平以及切削性能的比较

表3 本发明易切削钢与对比易切削钢的断屑情况

表1为本发明易切削钢与对比易切削钢的化学成分（wt %），表2为本发明易切削钢与对比易切削钢中硫化物的控制水平以及切削性能的比较，表3为本发明易切削钢与对比易切削钢的断屑情况。通过表1和表2可以看出本发明易切削钢中MnS得到了精确的控制，MnS基本都为第Ⅰ类（如图1、2所示），轧制后平均长度≥5μm，长宽比≤6的MnS所占比例超过80% （如图3），单相MnS所占的比例在90%左右，并且单位面积内MnS的平均面积在80μm²以上；从表3可以看出本发明易切削钢的“切屑处理性”更好，因此，与对比易切削钢相比，本发明易切削钢具有优异的切削性能，并且切削零件的表面光洁度更好。图4更清晰地反映了切削零件的表面粗糙度与单位面积内MnS的平均面积以及长度≥5微米，长宽比≤6的MnS所占比例的关系，随着单位面积内MnS的平均面积以及长度≥5微米，长宽比≤6的MnS所占比例的增加，切削零件的表面粗糙度降低。另外，从表1和表2中可以看出加入适量的Te，可以改善切削零件的表面光洁度和提高刀具寿命。

综合上述，本发明的低碳高硫易切削钢，其具有优异的切削性能，并且切削后零件表面的光洁度更好，总体水平接近或达到含铅低碳易切削钢的水平，适用于高速切削。

Claims

1.一种具有优异切削性能的低碳高硫易切削钢，其特征在于：包括如下质量百分含量的成分：C：0.05~0.2%、Mn：0.6~2.0%、P：0.04~0.1%、S：0.2~0.45%、O：0.005~0.02%、N≤0.02%、Si≤0.005%、Al≤0.001%，并且生成的MnS夹杂物具有以下性质：（1）铸态钢中95%以上的MnS夹杂物为第Ⅰ类MnS，并且单相MnS夹杂物的比例≥80%；（2）轧制方向至少有70%的MnS夹杂物长度≥5微米，并且长宽比≤6；（3）轧制方向1mm²面积内MnS夹杂物的平均面积不低于50μm²。

2.根据权利要求1所述的一种具有优异切削性能的低碳高硫易切削钢，其特征在于：还包括质量百分含量Te：0.005~0.1%，其余是Fe和不可避免的杂质元素。

3.根据权利要求2所述的一种具有优异切削性能的低碳高硫易切削钢，其特征在于：包括如下质量百分含量的成分：C：0.05~0.15%、Mn：1.02~1.56%、P：0.061~0.068%、S：0.32~0.35%、O：0.012~0.019%、N≤0.017%、Si≤0.002%、Al≤0.0009%，Te：0.01~0.03%。

4.一种具有优异切削性能的低碳高硫易切削钢的生产方法，其步骤为：

（1）钢水冶炼：用于冶炼的原材料带入Al 、Si的质量百分含量为 Al≤0.0005%、Si≤0.001%，脱氧过程中采用C进行脱氧，并将终点碳含量控制在0.03~0.1%；

（2）钢水精炼：对步骤（1）中的钢水进行合金化，最后向钢液中喂入硫线，使钢水成分为：C：0.05~0.2%、Mn：0.6~2.0%、P：0.04~0.1%、S：0.2~0.45%、O：0.005~0.02%、N≤0.02%、Te：0.005~0.1%、Si≤0.005%、Al≤0.001%，其余是Fe和不可避免的杂质元素，其中钢水中的O/S质量百分比控制为0.01~0.1，Mn/S质量百分比控制为3~4.5；

（3）钢水模铸：铸锭的冷却速率控制为2~4mm/min；

（4）轧制：轧制过程中的开轧温度为1200~1250℃，终轧温度≥1050℃。