CN102952995A - 环保型无铅易切削钢及其冶金方法 - Google Patents
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Abstract
一种环保型无铅易切削钢，成分及重量百分含量为：C 0.04～0.15％、Mn0.95～1.40％、P 0.04～0.09％、S 0.25～0.45％、Si≤0.03％、Bi 0.025～0.25％、Ca0.10～0.35％、As≤0.03％、Cu≤0.03％、Cr≤0.03％、Ni≤0.03％、Mo≤0.03％、Al≤0.03％其余为Fe。上述环保型无铅易切削钢的冶金方法是，先用转炉或电炉冶炼，再用精炼炉冶炼，然后连铸或模铸成坯，在精炼炉冶炼过程中加入相当于钢水总重量0.008～0.015％的纳米化石墨，使得产品中含有0.008～0.015％的纳米化固体C。本发明通过添加比铅熔点更低的铋和润滑效果极好的炭精材料，使金属材料机械加工过程中对刀具的润滑效果更好，又无毒无害。并且具有工艺简单、可操作性强、生产成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢材，特别涉及一种环保型无铅易切削钢及其冶金方法。
背景技术
随着机械加工智能化的快速发展，各种易切削钢在世界不断地被研制生产。成本较低，技术较成熟的产品，一般公认为硫系易切削钢和铅系易切削钢。硫系易切削钢的代表钢号为1215；铅系易切削钢的代表钢号为12L14。
硫系易切削钢1215与铅系易切削钢12L14的化学成分如表1所示。
表1
| 钢号 | C | Mn | P | S | Si | Pb |
| 1215 | ≤0.09 | 0.75～1.05 | 0.04～0.09 | 0.26～0.35 | ≤0.10～0.35 | |
| 12L14 | ≤0.15 | 0.85～1.15 | 0.04～0.09 | 0.26～0.35 | ≤0.10～0.35 | 0.15～0.35 |
从碳、锰、磷、硫、硅五大基础化学元素比较来看：铅系易切削钢与硫系易切削钢相比碳含量较高；最低锰含量比硫系钢增加了0.1个数值，其他元素相同。铅系钢在硫系钢的五大元素基础上仅添加了铅元素。从易切削钢的演变经历来看，铅系易切削钢，实际就是硫系易切削钢的改良型或为硫系易切削钢的延续型产品。能改善加工切削性能的主要元素为硫和铅。1215与12L14钢中硫、铅元素作用分析如下：
硫在钢中作用：硫在钢中与锰结合形成硫化锰夹杂物，使钢基存在裂纹源，钢在机械加工过程中，受加工应力影响，使微小的裂纹源扩展，从而达到易断屑的目的。易断屑的效果取决于机械加工时金属材料中硫化物夹杂的尺寸大小、形态、分布状态及单位体积内夹杂物的数量。硫形成的硫化锰夹杂物在机械加工中虽然起到断屑的作用，但硫元素及其化合物没有改善加工过程中工件与刀具之间的润滑难题，使加工温度升高，缩短刀具使用寿命。
由于硫系钢的这种缺点，使加工速度无法提高。加工刀具易损和加工速度的低下，工件表面质量差，造成生产成本居高不下。随着对易切削钢的研究的不断发展，人们在硫系钢中添加了一定量的铅，利用铅的低熔点易溶的特性，使机械加工过程中工件与刀具摩擦得到了润滑，从而使高速切削得以实现。Pb的熔点327.502℃，沸点1740℃，密度11.3437克/厘米3。金属切削加工过程中产生的摩擦热与变形热叠加，使得加工温度急剧升高，低熔点的Pb能过早熔融，在机械加工过程中起到浸湿润滑刀具，改善加工摩擦条件，降低加工温度的作用，达到了高速加工，减少刀具磨损，提高工件表面质量的目的。
但是，铅在加热至400℃以上时，即有大量铅烟气逸出，并在空气中迅速氧化成氧化亚铅，而凝集为烟尘。随着熔铅温度的升高，还可进一步氧化为氧化铅(又称黄丹、密陀僧)、三氧化二铅、四氧化三铅(又称红丹)。铅及其化合物侵入人体的途径主要是呼吸道，其次是消化道。鉴于铅对人体和环境的危害，全世界对铅制品中含铅量进行了严格的限制。直至拒绝进口或使用含铅制品。因此，铅系易切削钢的应用又受到了限制，人们必须寻找一种既具有铅系易切削钢的易切削性能，又无毒无害的新型易切削钢产品。
发明内容
本发明的目的，就在于解决上述问题，提供一种既具有铅系易切削钢的易切削性能，又无毒无害的环保型无铅易切削钢及其冶金方法。
本发明的目的是这样实现的：一种环保型无铅易切削钢，其化学成分及重量百分含量为：
C 0.04～0.15％；
Mn 0.95～1.40％；
P 0.04～0.09％；
S 0.25～0.45％；
Si ≤0.03％；
Bi 0.025～0.25％；
Ca 0.10～0.35％；
As、 ≤0.03％；
Cu ≤0.03％；
Cr ≤0.03％；
Ni ≤0.03％；
Mo ≤0.03％；
Al ≤0.03％；
其余为Fe。
上述环保型无铅易切削钢的冶金方法是：先用转炉或电炉冶炼，再用精炼炉冶炼，然后连铸或模铸成坯，先用转炉或电炉冶炼，再用精炼炉冶炼，然后连铸或模铸成坯，在精炼炉冶炼过程中根据钢水总重量计量加入少量纳米化石墨，使得产品中含有0.008～0.015％的纳米化固体C。
各成分及其含量的基本作用如下：
碳含量的高低可调整热轧材的原始硬度；
锰含量较1215和12L14高出一个数级，主要为提高硫与锰的结合几率；
低硅的作用是降低钢的脆性；
铋的作用是利用熔点比铅更低，无毒无害的特性取代铅的润滑作用；
钙的作用是与硫生成硫化钙，对硫化锰进行改性，及利用硫化钙高熔点不易分解的特性增加和固化硫质点的作用；
砷起到防止和延缓钢的锈化作用；
纳米化固体碳指经纳米化处理后的石墨，起到补充及强化润滑效果的作用；
Cu、Cr、Ni、Mo的作用主要是防止硬度、脆性和粘性的产生。
Al的作用是钢的脱氧，控制Al含量主要是防止产生脆性夹杂物。
要实现上述技术方案，首先必须克服的难点有二：
1、Bi的熔点：271.3℃沸点：1560±5℃密度：9.8克/厘米3。与Pb相比，熔点更低，对加工刀具的润滑作用更佳。Bi无毒。在化妆品、口服胃药中都有添加。但Bi在凝固时体积增大，硬度略高于Pb，性脆，导电和导热性都较差。给金属材料的压力加工带来较大困难，在热加工过程中易造成裂纹性翘皮。克服Bi的上述缺点，Bi才能在易切削钢中的润滑作用优于Pb。
2、纳米化石墨(炭精)与钢铁本体中所含碳的晶体结构不同，存在于易切削钢中能起到补充和强化润滑的效果。在冶炼过程中不使之改变自身结构并防止与钢中碳融合，必须克服炭精高温添加的难题。炭精在真空状态下的熔点高于1600℃，但在大气中900℃遇明火时就焚烧气化。
由于生产装备的现代化程度的提高和不断完善，使上述二个难题都得以解决。
本发明通过添加比铅熔点更低的铋和润滑效果极好的炭精材料，使金属材料机械加工过程中对刀具的润滑效果更好。并具有以下优点：
(1)工艺简单、可操作性强；
(2)生产成本低；
(3)杜绝了有害元素铅对人体与环境的危害。
具体实施方式
本发明的环保型无铅易切削钢，其化学成分及重量百分含量为：
C 0.04～0.15％；
Mn 0.95～1.40％；
P 0.04～0.09％；
S 0.25～0.45％；
Si ≤0.03％；
Bi 0.025～0.25％；
Ca 0.10～0.35％；
As、 ≤0.03％；
Cu ≤0.03％；
Cr ≤0.03％；
Ni ≤0.03％；
Mo ≤0.03％；
Al ≤0.03％；
其余为Fe。
上述环保型无铅易切削钢的冶金方法是：先用转炉或电炉冶炼，再用精炼炉冶炼，然后连铸或模铸成坯，先用转炉或电炉冶炼，再用精炼炉冶炼，然后连铸或模铸成坯，在精炼炉冶炼过程中根据钢水总重量计量加入少量纳米化石墨，使得产品中含有0.008～0.015％的纳米化固体C。
某冶金厂按本发明配方元素进行生产400吨现线和棒材。经与1215硫系易切削钢及含铅的12L14易切削钢进行切削性能比较，本发明的易切削钢切削性能好于1215和12L14钢。
Claims (2)
1.一种环保型无铅易切削钢，其特征在于，所述环保型无铅易切削钢的化学成分及重量百分含量为：
C 0.04～0.15％；
Mn 0.95～1.40％；
P 0.04～0.09％；
S 0.25～0.45％；
Si ≤0.03％；
Bi 0.025～0.25％；
Ca 0.10～0.35％；
As、≤0.03％；
Cu ≤0.03％；
Cr ≤0.03％；
Ni ≤0.03％；
Mo ≤0.03％；
Al ≤0.03％；
其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的环保型无铅易切削钢的冶金方法：其特征在于：先用转炉或电炉冶炼，再用精炼炉冶炼，然后连铸或模铸成坯，在精炼炉冶炼过程中根据钢水总重量计量加入少量纳米化石墨，使得产品中含有0.008～0.015％的纳米化固体C。
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