CN103205656A

CN103205656A - 一种无铅超易切削奥氏体不锈钢及其制造方法

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Publication number: CN103205656A
Application number: CN2013100203552A
Authority: CN
Inventors: 李壮; 吕伟
Original assignee: Shenyang Aerospace University
Current assignee: Shenyang Aerospace University
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-07-17

Abstract

一种无铅超易切削奥氏体不锈钢，其化学成分的重量百分比为：碳含量为0.1%，硅含量为0.8％，锰含量为0.45％，镍含量为9%，铬含量为18％，钛含量为0.5%，硫含量为0.11％，稀土含量为0.05%，硼含量为0.007％，铋含量为0.1%，磷含量为0.03%。本发明的优点是：具有超易切削性，而且腐蚀性能和力学性能指标几乎不降低。这种超易切削奥氏体不锈钢适合切削加工工业向高速化，自动化与精密化方向发展，提高了产品质量和劳动生产率。

Description

一种无铅超易切削奥氏体不锈钢及其制造方法

技术领域：本发明涉及一种不锈钢及其生产方法，尤其是一种无铅超易切削奥氏体不锈钢及其制造方法，属于金属材料科学技术领域。

背景技术：随着切削加工工业向高速化、自动化与精密化方向的发展以及生产量的日益增高，可切削性良好的各种易切削钢已成为汽车、拖拉机、机床、仪表等工业快速发展所必须的重要材料。易切削钢按易切削元素可分为硫系、铅系、钙系及复合易切削钢。在易切削钢中，90%以上为硫系。铅系易切削钢在我国易切削钢中用量仅次于硫系，排第二位，具有良好的机械性能和易切削性能。但是含铅易切削钢在生产及废钢回收熔炼过程中会对环境造成较大的污染，有害于人体健康，使铅系易切削钢的应用受到了一定限制。欧洲共同体有关条例已停止回收再利用含铅的汽车零件，已停止或大幅度削减含铅易切削钢的生产。因此，开发无铅易切削钢无疑势在必行。

众所周知，奥氏体不锈钢由于具有优秀的耐蚀性，良好的塑性与精美的外观，以及易于进行冷热加工与焊接等特性，因而得到愈来愈广泛的应用。目前，奥氏体不锈钢不仅在石油、化工电子仪器、精密机械工业部门得到广泛使用，而且在建筑装饰、食品、医疗以及家庭用具等生活领域也占据了愈来愈重要的地位。很多工业发达的国家在特殊钢的总年产量中，奥氏体不锈钢的比例均有所上升。

但是，由于奥氏体不锈钢的加工硬化率大，使切削力增高；由于塑性、韧性与高温强度高，使切削能量消耗增大；同时还因热导系数小，切削加工时产生的切削热不易消散，与被加工材料接触的刀具刃端会发生塑性变形并使刀具的前倾面与被加工材料发生粘着，这不仅降低了刀具寿命，而且使加工表面易起毛刺，降低其表面光洁度，甚至引起工件的热变形。总之，奥氏体不锈钢的可切削性差这个明显的缺点，随着其产量的日增，用途的扩大以及对奥氏体不锈钢产品机械加工的自动化和提高产品精度的要求日趋迫切，愈加显得更为突出，因此研制与使用各种易切削奥氏体不锈钢的任务也就显得愈加重要和迫在眉睫。

在奥氏体型不锈钢中，铅与其他易切性元素复合加入时效果非常好，对刀具寿命和切屑处理性的良好作用极为明显，同时还基本不影响钢的耐蚀性（盐水喷雾试验时），并使钢的冷塑加工性有所改善。但从环保角度考虑，铅易切削钢终将会被淘汰。为了开发与含铅易切削钢具有相同切削性能和力学性能的无铅易切钢，选用具有同样低熔点的、在人体中蓄积性低而无害的Bi替代Pb，Bi元素具有与铅相同的作用。硼元素在我国储藏量较多，由于其相对廉价而在钢中常常作为合金元素被大量使用。在奥氏体不锈钢中添加微量的硼元素，能够提高可切削性。我国的稀土资源极为丰富，稀土在钢铁中有广泛的应用。大量资料表明，稀土有明显净化钢液、改性钢中夹杂物的作用，而钢中夹杂物是影响钢材易切削性能的关键因素。在含硫易切削钢中加入适量稀土，由于夹杂物组成、尺寸与形状等的明显改善，钢的可切削性得到进一步的提高。利用稀土的变质作用等改善奥氏体不锈钢的切削性能。都将是切实有效的措施。“用硫、稀土、硼、铋代替铅的无铅易切削奥氏体不锈钢”这一新钢种的开发，具有广阔的应用前景。

发明内容：本发明的目的就是要解决奥氏体不锈钢生产中切削性能差的问题，设计出一种含有硫、稀土、硼、铋成分的奥氏体不锈钢，通过成分设计、冶炼钢锭、轧制试验、切削试验、热处理试验、组织检验、力学性能试验、腐蚀性能试验以及生产现场机电产品切削试验等，开发出这种新型易切削奥氏体不锈钢。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种无铅超易切削奥氏体不锈钢，其化学成分的重量百分比为：碳含量在0.12％以下；硅含量在1.00％以下；锰含量在0.20～0.72％之间；镍含量在8.00～11.00％之间；铬含量在17.00～19.00％之间；钛含量在0.1～0.8％之间；硫含量在0.08～0.16％之间；稀土含量在0.01～0.08％之间；硼含量在0.001～0.01％之间；铋含量在0.03～0.13％之间；磷含量在0.035％以下。其中钢中元素Mn/S比保证在2.5～4.5之间。

一种无铅超易切削奥氏体不锈钢的制造方法：其步骤是：

1、钢锭冶炼：采用真空感应炉进行钢锭冶炼。合金料熔化后加铝脱氧。在出炉前借助于料斗将FeS、硼和稀土依次加入，加入的量保证钢中元素Mn/S比在2.5～4.5之间。钢水精炼后，在Ar气体保护下加入金属铋，精炼50秒-70秒，出钢，由于稀土和铋熔点较低，极易烧损，对硼和稀土用铝箔包裹，而对金属铋则用特制的圆筒容器加入，有效的解决了炼钢精炼中铋的气化问题。所述圆筒容器包括圆筒、手柄和封盖。封盖通过焊接的方式固定在圆筒的开口处，手柄固定在圆筒的另一端。小块的金属铋原料处于圆筒内。封盖与圆筒间保留有2～3mm的缝隙，仅焊有3～4个焊点。通过手柄将圆筒容器放入真空感应炉内，使铋原料在超易切削奥氏体不锈钢的熔炼过程中逐渐地加入，（为避免圆筒容器融化，加入后圆筒容器很快取出）尽量避免钢锭化学成分不均及铋的烧损。

2、钢锭开坯、轧制：开坯、轧制时轧制温度区间设定在较窄的1100～ 1200℃范围内，以防止钢在热轧过程中的“热脆”现象发生,钢锭开坯、轧制过程中温度区间设定范围尽量窄一些，否则钢锭冒口端会沿轧制方向产生鳄鱼口状开裂。

3、机加工：完成开坯、轧制后的超易切削奥氏体不锈钢进行随后的机加工，获得生产所需的原料。

采用上述成分及工艺步骤得到的超易切削奥氏体不锈钢，在实际切削过程中，充分利用了钢中同时加入两个以上的易切性元素在改善可切削性方面具有“相乘效果”的原理，不仅具有很好的易切削性能，而且腐蚀性能和力学性能指标也完全满足国家标准对奥氏体不锈钢的性能要求。

本发明的优点是：具有超易切削性，而且腐蚀性能和力学性能指标几乎不降低。这种超易切削奥氏体不锈钢适合切削加工工业向高速化，自动化与精密化方向发展，提高了产品质量和劳动生产率。

附图说明：

图1是圆筒容器的结构示意图。

具体实施方式：

一种无铅超易切削奥氏体不锈钢，其化学成分的重量百分比为：碳含量为0.1%，硅含量为0.8％，锰含量为0.45％，镍含量为9%，铬含量为18％，钛含量为0.5%，硫含量为0.15％，稀土含量为0.05%，硼含量0.007％，铋含量0.1%，磷含量为0.03%。

一种无铅超易切削奥氏体不锈钢的制造方法：

1、钢锭冶炼：采用真空感应炉进行钢锭冶炼。合金料熔化后加铝脱氧。在出炉前借助于料斗将FeS、硼和稀土依次加入。钢水精炼后，在Ar气体保护下加入金属铋，精炼1min，出钢，由于稀土和铋熔点较低，极易烧损，对硼和稀土用铝箔包裹，而对金属铋则用特制的圆筒容器加入（加入后圆筒容器很快取出，避免融化），有效的解决了炼钢精炼中铋的气化问题。所述圆筒容器包括圆筒1、手柄3和封盖4。封盖4通过焊接的方式固定在圆筒1的开口处，手柄3固定在圆筒1的另一端。小块的金属铋原料2处于圆筒内。圆筒1的直径20～30mm，高为40mm。封盖4与圆筒1间保留有2～3mm的缝隙，仅焊有3～4个焊点。使铋原料在超易切削奥氏体不锈钢的熔炼过程中逐渐地加入，避免钢锭成分不均及铋的烧损。

2、钢锭开坯、轧制：开坯、轧制时轧制温度为1150℃，终轧温度最低不低于1100℃。

取经过上述成分设计和冶炼、加工工艺后得到的单件超易切削奥氏体不锈钢φ100mm棒料与普通奥氏体不锈钢φ100mm棒料各一个进行切削实验对比研究。

采用YD-21动态电阻应变仪、八角环测力仪、电桥盒和自然热电偶等在CA6161A双轴控制切削机床上测量切削力。进给量和切削深度分别为0.2mm/rev（毫米/转）和0.5mm（毫米）、切削速度为10-80m/min（毫米/分钟）的参数用于测量4秒左右的主切削力（切向力）。使用二个新刀具以120-130m/min的切削速度、进给量和切削深度分别为0.2mm/rev和0.5mm测其刀具磨损。刀具材料为含WC和Co的K30硬质合金。

表1超易切削奥氏体不锈钢的切削力

切削速度/(m/min)	10	20	30	40	50	60	70	80
									主切削力/(N)	326	303	290	281	275	270	267	265

表2普通奥氏体不锈钢的切削力

切削速度/(m/min)	10	20	30	40	50	60	70	80
									主切削力/(N)	418	380	358	350	347	345	344	343

表3超易切削奥氏体不锈钢的后刀面磨损

切削时间/min	0	5	10	15	20	25	30	35
									后刀面磨损/mm	0	0.060	0.120	0.155	0.161	0.162	0.172	0.180

表4普通奥氏体不锈钢的后刀面磨损

切削时间/min	0	5	10	15	20	25	30	35
									后刀面磨损/mm	0	0.125	0.180	0.220	0.255	0.290	0.330	0.375

在AG-250KNE型拉伸试验机上进行了拉力试验。超易切削奥氏体不锈钢和普通奥氏体不锈钢力学性能对比如表5所示。

表5超易切削奥氏体不锈钢和普通奥氏体不锈钢力学性能的对比

力学性能	抗拉强度/MPa	总伸长率/%	弹性模量/GPa
				普通奥氏体不锈钢	675	55	148.7
超易切削奥氏体不锈钢	550	48	145.6

从上表可以看出，超易切削奥氏体不锈钢力学性能指标降低不明显。性能指标完全满足国家标准对奥氏体不锈钢力学性能的要求。

Claims

1.一种无铅超易切削奥氏体不锈钢，其化学成分的重量百分比为：碳含量在0.12％以下；硅含量在1.00％以下；锰含量在0.20～0.72％之间；镍含量在8.00～11.00％之间；铬含量在17.00～19.00％之间；钛含量在0.1～0.8％之间；硫含量在0.08～0.16％之间；稀土含量在0.01～0.08％之间；硼含量在0.001～0.01％之间；铋含量在0.03～0.13％之间；磷含量在0.035％以下，其中元素Mn/S比保证在2.5～4.5之间。

2.制备如权利要求1所述的无铅超易切削奥氏体不锈钢的方法：其步骤是：

1）钢锭冶炼：采用真空感应炉进行钢锭冶炼，合金料熔化后加铝脱氧，在出炉前借助于料斗将FeS、硼和稀土依次加入；钢水精炼后，在Ar气体保护下加入金属铋，金属铋用特制的圆筒容器加入，加入后圆筒容器很快取出，避免融化，精炼50秒-70秒，出钢；

2）钢锭开坯、轧制：开坯、轧制时轧制温度区间设定在1100～1200℃范围内；

3）机加工：完成开坯、轧制后的超易切削奥氏体不锈钢进行随后的机加工，获得生产所需的原料。

3.如权利要求2所述的无铅超易切削奥氏体不锈钢的制备方法：其特征在于：步骤1）中所述的特制的圆筒容器包括圆筒、手柄和封盖；封盖通过焊接的方式固定在圆筒的开口处，手柄固定在圆筒的另一端，小块的金属铋原料处于圆筒内，封盖与圆筒间保留有2～3mm的缝隙，仅焊有3～4个焊点。

4.如权利要求2所述的无铅超易切削奥氏体不锈钢的制备方法：其特征在于：步骤1）中用铝箔包裹硼和稀土。