CN103255359A

CN103255359A - 一种含铋易切削钢

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Publication number: CN103255359A
Application number: CN2013101354314A
Authority: CN
Inventors: 叶健松; 余国松; 吴小良; 俞利权; 张鑫; 吴洪义; 李秦欢; 毛文俊; 李世伟; 王朝明; 卢文伟
Original assignee: Hangzhou Iron & Steel Group Co
Current assignee: Hangzhou Iron & Steel Group Co
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2033-04-17
Also published as: CN103255359B

Abstract

本发明公开了一种含铋易切削钢，由重量百分含量0.04～0.15%的C、0～0.15%的Si、0.9～1.6%的Mn、0.02～0.11%的P、0.25～0.45%的S、0～0.2%的Cr、0～0.2%的Ni、0～0.2%的Cu、0.05～0.2%的Bi、0.005～0.05%的Ti、0.005～0.05%的N、0～0.2%的杂质以及余量为Fe。本发明含铋易切削钢，以铋替铅，解决了铅污染问题，同时，热塑性和断后伸长率较好，在轧制过程不容易断裂。本发明含铋易切削钢，具有优良的综合力学性能，切削性能远超过普通易切削钢，具有与含铅易切削钢相当的切削性能。同时，钢中不含铅，环保性好，有利于推广利用。

Description

一种含铋易切削钢

技术领域

本发明涉及钢铁冶金领域，具体涉及一种含铋易切削钢。

背景技术

随着机械加工自动化、精密化、高速化的发展，特别是汽车工业、精密仪表工业的发展，各种零配件的形状越来越复杂、精密要求越来越高，因此，迫切需要切削性能优良的钢材以降低生产成本。

含铅易切削钢的切削加工性能非常优秀，其易切削机理在于铅在钢中的固溶度几乎为零，一般以单独或附着的夹杂物形式存在，形貌多为球形，直径1～2μm。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、脆化，改善了断屑特性，从而显著降低了刀具磨损并改善钢表面的光滑度。含铅易切削钢的代表钢号为12L14，按重量百分比为：C：≤0.15%，Si：≤0.15%，Mn：0.85%～1.15%，P：0.04%～0.09%，S：0.26%～0.35%，Pb：0.15%～0.35%，其余为铁和杂质。因其优越的切削加工性能而广泛应用于机械与汽车行业，用于切削加工各种零部件。但是铅的密度大，与铁的密度差大，在铸造时容易出现宏观偏析，这种缺陷在后续的加工过程也很难消除，造成含铅易切削钢的力学性能偏低。同时，随着环保要求的日益提高，对铅的限制将越来越严格。

金属铋（Bi）外观呈银白色，有强烈的金属光泽，呈脆性，晶体结构为斜方晶系，由于金属铋无毒，且具有与金属铅相近的低熔点和高柔韧性，因此，在工业上被广泛作为铅的替代品。

申请公布号为CN102952995A的中国发明专利申请公开了一种环保型无铅易切削钢及其冶金方法，所述环保型无铅易切削钢由以下重量百分含量的化学成分组成：C0.04%～0.15%，Mn0.95%～1.4%，P0.04%～0.09%，S0.25%～0.45%，Si≤0.03%，Bi0.025%～0.25%，Ca0.1%～0.35%，As≤0.03%，Cu≤0.03%，Cr≤0.03%，Ni≤0.03%，Mo≤0.03%，Al≤0.03%，其余为铁。采用金属铋替代铅，并复配其他化学成分，使得该无铅易切削钢既具有铅系易切削钢的易切削性能，又无毒无害。但是该无铅易切削钢的热塑性不佳，断后伸长率较低，从而导致盘条轧制中，出现断裂，不适合盘条的生产。

申请公布号为CN 102330039A的中国发明专利申请公开了一种低碳含铋环保易切削钢，以质量百分比计算，含有C：≤0.15%、Mn：0.75%～1.5%、S：0.23%～0.42%、Si：≤0.10%、P：≤0.11%、Bi：≤0.05%～0.2%、N：0.001%～0.0200%，其余为Fe及杂质，Mn与S的质量百分比比值Mn/S=1.79～6.52，Bi与S的质量百分比比值Bi/S=0.12～0.87。该低碳含铋环保易切削钢成本较低、环保性较好以及具有不逊于相应碳含量含铅易切削钢结构的切削性能，但是该低碳含铋环保易切削钢的热塑性仍不佳，断后伸长率仍较低，在盘条轧制中仍容易断裂。

发明内容

本发明提供了一种含铋易切削钢，以铋替铅，解决了铅污染问题，同时，力学性能和切削加工性能好。

一种含铋易切削钢，由以下重量百分含量的化学成分组成：

C 0.04%～0.15%；

Si 0%～0.15%；

Mn 0.9%～1.6%；

P 0.02%～0.11%；

S 0.25%～0.45%；

Cr 0～0.2%；

Ni 0～0.2%；

Cu 0～0.2%；

Bi 0.05%～0.2%；

Ti 0.005%～0.05%；

N 0.005%～0.05%；

杂质 0～0.2%；

余量为Fe。

本发明含铋易切削钢中，碳含量的高低可以调整热轧钢的原始硬度。当C的重量百分含量小于0.04%，钢材过软，在切削过程中，容易出现挤裂、缠刀等问题，当C的重量百分含量大于0.15%，包晶反应严重，容易导致铸坯裂纹以及后续铸坯加工性恶化。作为优选，C的重量百分含量为0.09%～0.14%，该碳含量的钢材的硬度适当，有利于钢材的制备，同时，切削性能优异，有利于加工。

低含量（重量百分含量0%～0.15%）的硅可以降低钢的脆性，较高的硅含量（高于0.2%）会使切削阻抗增高，损害被切削性能。作为优选，Si的重量百分含量为0.01%～0.10%，该硅含量不但可以保证本发明含铋易切削钢具有优异的切削加工性能，而且，更为重要的是，能够提高本发明含铋易切削钢的力学性能。

硫与锰结合为硫化锰夹杂物，使得钢材（即含铋易切削钢）存在裂纹源，使得本发明含铋易切削钢在机械加工过程中，受加工应力影响，微小的裂纹源扩展，从而达到易切削钢的目的。作为优选，Mn与S的质量比为2.5～6：1，有利于硫化锰夹杂物的生成，具有优异的切削加工性能。进一步优选，Mn与S的质量比为3.5～4：1，具有更加优异的切削性能。

硫化锰夹杂物形成，可防止硫引起的红脆性，锰的重量百分含量超过2%，铁素体被固溶强化，会降低切削性，作为优选，Mn的重量百分含量为1.0%～1.5%。

硫化锰夹杂物形成，可限制切削瘤的生成从而降低工具的磨损并提高切削过冲中工件的表面光洁度，但是当S含量多过时，容易生成低熔点的FeS，降低热延展性并使热轧制变得困难，作为优选，S的重量百分含量为0.26%～0.40%，不但有利于硫化锰夹杂物形成，提高切削性能，并且能够具有较好的热延展性，有利于热轧制。

P在晶间的偏析，有利于提高切削性和断屑性，作为优选，P的重量百分含量为0.04%～0.09%，能够进一步提高本发明含铋易切削钢的切削加工性能。

Cr、Ni、Cu的作用是防止硬度、脆性和粘性的产生，作为优选，Cr的重量百分含量为0.01%～0.08%，Ni的重量百分含量为0.01%～0.08%，Cu的重量百分含量为0.01%～0.08%，上述含量的Cr、Ni、Cu能够避免本发明含铋易切削钢过硬、过脆和过粘，使得本发明含铋易切削钢具有优异的切削加工性能。

Bi的熔点比铅更低，无毒无害的特性取代铅的润滑作用。Bi以微细的颗粒形式弥散分布在钢中，Bi熔点较低，当对含铋易切削钢进行切削加工时产生的摩擦热会使Bi颗粒进一步软化，当含铋易切削钢被切削时，这些弥散的Bi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”，从而导致切削易于在此断裂。另外，在刀头和切削的接触局部因切削加工受热而瞬间熔化，有助于改变切削的形状，并起到润滑刀具的作用，可以使刀头磨损较少到最低。因此，Bi在本发明含铋易切削钢的切削加工过程中起着碎裂切削、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。作为优选，Bi的重量百分含量为0.1%～0.15%，使得本发明含铋易切削钢具有更优异的切削加工性能。

Bi易于依附于硫化锰，硫化锰会影响Bi的分布，作为优选，Bi与S的质量比为0.25～0.6：1，从而有利于Bi的分布，提高本发明含铋易切削钢的切削加工性能。进一步优选，Bi与S的质量比为0.35～0.4：1，使得本发明含铋易切削钢具有更优异的切削加工性能。

钛能够提高本发明含铋易切削钢的硬度，Ti能够与其他化学成分结合，氮化钛对刀具的润滑和保护作用能够弥补钢中含钛带来的切削性能的影响，提高本发明含铋易切削钢的切削性能。作为优选，Ti的重量百分含量为0.01%～0.03%，N的重量百分含量为0.01%～0.03%，上述Ti含量和N含量不但能够提高本发明含铋易切削钢的力学性能，而且还能提高本发明含铋易切削钢的切削性能，效果显著。

一般在含铋易切削钢的生产工艺中，由于原料铁水主要是通过铁矿石经过烧结等处理过程得到，该原料铁水中本身就有较多的杂质；在原料废钢中，也会引入一些杂质；此外，在合金化过程中，由于合金化主要采用加入铁合金，这些铁合金一般含有伴生矿杂质；虽然铁水和废钢中的杂质大部分能在炼钢过程中除去，但是，仍有少量杂质会留在制备的含铋易切削钢的生产工艺中，如氧等。

作为优选，所述的含铋易切削钢，由以下重量百分含量的化学成分组成：

C 0.09%～0.14%；

Si 0.01%～0.10%；

Mn 1.0%～1.5%；

P 0.04%～0.09%；

S 0.26%～0.40%；

Cr 0.01%～0.08%；

Ni 0.01%～0.08%；

Cu 0.01%～0.08%；

Bi 0.10%～0.15%；

Ti 0.01%～0.03%；

N 0.01%～0.03%；

杂质 0～0.2%；

余量为Fe。

上述重量百分含量的化学成分下，本发明含铋易切削钢具有优良的综合力学性能和优异的切削加工性能。进一步优选，杂质的重量百分含量为0～0.05%。再进一步优选，杂质的重量百分含量为0～0.01%。最理想的状态下，杂质的重量百分含量为0。

进一步优选，所述的含铋易切削钢，由以下重量百分含量的化学成分组成：

C 0.12%；

Si 0.07%；

Mn 1.2%；

P 0.07%；

S 0.33%；

Cr 0.05%；

Ni 0.05%；

Cu 0.05%；

Bi 0.12%；

Ti 0.02%；

N 0.02%；

余量为Fe。

上述特定重量百分含量的化学成分下，本发明含铋易切削钢具有非常优异的综合力学性能和切削加工性能。

所述的含铋易切削钢的生产工艺，可采用现有技术，可采用多种方式，如“电炉或转炉+连铸”、“电炉或转炉+模铸”、“电炉或转炉+精炼炉+连铸”或者“电炉或转炉+精炼炉+真空处理+连铸”等，生产工艺基本与普通钢相同。采用重点不同在于，根据含铋易切削钢中各种化学成分和含量相应的调整合金的种类和加入量，这属于本领域技术人员可知晓的技术内容。

与现有技术相比，本发明含铋易切削钢具有如下优点：

本发明含铋易切削钢，以铋替铅，解决了铅污染问题，同时，热塑性和断后伸长率较好，在轧制过程不容易断裂。本发明含铋易切削钢，具有优良的综合力学性能，各项性能指标能达到国家标准GB/T8371-2008中规定的相应碳含量的易切削钢的性能要求，切削性能远超过普通易切削钢，具有与含铅易切削钢相当的切削性能。

本发明含铋易切削钢，钢中不含铅，环保性较好。同时，铋和钛的添加量不多，成本不高，有利于本发明含铋易切削钢的推广利用。

具体实施方式

一、实施例中含铋易切削钢采用光谱法测得其含有的各种化学成分及其质量百分含量，结果如表1所示。

表1

本发明含铋易切削钢的生产工艺可采用多种方式，如“电炉或转炉+连铸”、“电炉或转炉+模铸”、“电炉或转炉+精炼炉+连铸”或者“电炉或转炉+精炼炉+真空处理+连铸”等，生产工艺基本与普通钢相同。采用重点不同在于，根据含铋易切削钢中各种化学成分和含量相应的调整合金的种类（含有所需元素的原料）和加入量，这属于本领域技术人员可知晓的技术内容。

如具体可申请公布号为102251188A的中国专利申请的生产工艺，EAF电弧炉初炼→LF精炼炉中精炼→VD精炼炉中精炼→连铸→轧制，重点在于调整了合金的种类和加入量，属于本领域技术人员可知晓的技术内容，轧制采用圆钢轧制或者盘钢轧制。本发明含铋易切削钢的生产过程中，盘钢轧制中，基本没有出现断裂的情形。

实施例1～13的含铋易切削钢采用连铸方式浇铸成150mm×150mm的钢坯后，热轧成Φ32mm的圆钢，按照国家标准GB/T8371-2008，具体用万能试验机检测其力学性能指标，具体包括屈服强度Rp0.2、抗拉强度Rm、延伸率A和断面收缩率Z，测试结果如表2所示。

表2

将表2中13种Φ32mm热轧圆钢为实验材料，进行切削性能测试，同时选用市场常用的含铅易切削钢12L14作为对比材料，含铅易切削钢12L14的化学成分及其质量百分含量如表3所示。

表3

试样规格：选择切削材的尺寸为Φ32mm×600mm，切削长度为400mm，最大切削至Φ24mm。

切削性能测试采用计算机数控机床，试验刀具采用YT14硬质合金刀具，切削速度为150m/min，进给量为0.2mm/r，切削量为1mm。

在无任何润滑的干切削状态下，切削5mim、10min、15min、20min、时各自测定侧面磨损宽度和切削表面的粗糙度，测试结果如表4所示。

表4

根据试验结果可知，本发明含铋易切削钢，具有优良的综合力学性能，各项性能指标能达到国家标准GB/T8371-2008中规定的相应碳含量的易切削钢的性能要求，具有与含铅易切削钢相当的切削性能，具有优异的切削加工性能。

Claims

1.一种含铋易切削钢，其特征在于，由以下重量百分含量的化学成分组成：

C 0.04%～0.15%；

Si 0%～0.15%；

Mn 0.9%～1.6%；

P 0.02%～0.11%；

S 0.25%～0.45%；

Cr 0～0.2%；

Ni 0～0.2%；

Cu 0～0.2%；

Bi 0.05%～0.2%；

Ti 0.005%～0.05%；

N 0.005%～0.05%；

杂质 0～0.2%；

余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的含铋易切削钢，其特征在于，C的重量百分含量为0.09%～0.14%。

3.根据权利要求1所述的含铋易切削钢，其特征在于，Si的重量百分含量为0.01%～0.10%；

P的重量百分含量为0.04%～0.09%。

4.根据权利要求1所述的含铋易切削钢，其特征在于，Mn的重量百分含量为1.0%～1.5%；

S的重量百分含量为0.26%～0.40%；

Bi的重量百分含量为0.1%～0.15%。

5.根据权利要求1或4所述的含铋易切削钢，其特征在于，Mn与S的质量比为2.5～6：1；

Bi与S的质量比为0.25～0.6：1。

6.根据权利要求5所述的含铋易切削钢，其特征在于，Mn与S的质量比为3.5～4：1；

Bi与S的质量比为0.35～0.4：1。

7.根据权利要求1所述的含铋易切削钢，其特征在于，Cr的重量百分含量为0.01%～0.08%；

Ni的重量百分含量为0.01%～0.08%；

Cu的重量百分含量为0.01%～0.08%。

8.根据权利要求1所述的含铋易切削钢，其特征在于，Ti的重量百分含量为0.01%～0.03%；

N的重量百分含量为0.01%～0.03%。

9.根据权利要求1所述的含铋易切削钢，其特征在于，由以下重量百分含量的化学成分组成：

C 0.09%～0.14%；

Si 0.01%～0.10%；

Mn 1.0%～1.5%；

P 0.04%～0.09%；

S 0.26%～0.40%；

Cr 0.01%～0.08%；

Ni 0.01%～0.08%；

Cu 0.01%～0.08%；

Bi 0.10%～0.15%；

Ti 0.01%～0.03%；

N 0.01%～0.03%；

杂质 0～0.2%；

余量为Fe。

10.根据权利要求9所述的含铋易切削钢，其特征在于，由以下重量百分含量的化学成分组成：

C 0.12%；

Si 0.07%；

Mn 1.2%；

P 0.07%；

S 0.33%；

Cr 0.05%；

Ni 0.05%；

Cu 0.05%；

Bi 0.12%；

Ti 0.02%；

N 0.02%；

余量为Fe。