CN103388107B - 一种含铜的bn型易切削钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种含铜的BN型易切削钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.10~0.70%，Si：0.01~0.60%，Mn：0.20~1.50%，P≤0.025%，S≤0.015%，Al：0.01~0.10%，B：0.01~0.03%，N：0.010~0.050%，Cu：0.50~2.00%，Ni：0.1~0.5%；工艺：按照洁净钢进行冶炼；脱氧后进入LF炉精炼；连铸，并采用电磁搅拌及轻压下进行；对铸坯加热；进行粗轧；进行精轧；冷却及保温；空冷至室温，待用。本发明钢种成分简单且环境友好，而且生产工艺简单，成本低廉，钢材具有力学性能各向异性小、切削加工性能优良、切削后钢材表面光洁度高等优点，热轧态力学性能为：屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率A≥16％。

Description

一种含铜的BN型易切削钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种易切削钢及其生产方法，具体地属于一种含铜的BN型易切削钢及其生产方法。

背景技术

易切削钢一般属于半镇静钢、沸腾钢。此类钢种主要采用模铸的生产方式，随着炼钢连铸技术的发展，逐渐被连铸工艺的生产方式所取代。常见的易切削钢的冶炼连铸生产工艺复杂且难度大，Mn、S元素成分波动大，合金收得率低，成分控制很不稳定，硅、铝脱氧产物多。另外，目前大部分易切削钢中Pb、S含量高，对环境污染非常大，导致生产成本偏高，且加大环境治污。国内易切削钢研究较多的是集中在采用S、P、Pb、Se、Te、Bi等易切削元素提高切削性能，生产方法研究集中在优化化学成分与冶炼生产工艺相结合。

近年来，人们开始研究BN易切削钢，这是因为BN易切削钢中的易切削相是BN夹杂，其具有特殊的密排六方结构，与石墨具有相同的晶体点阵结构，被称为“白色石墨”。钢中的BN夹杂一方面起到的润滑作用，另一方面，可以近似地把BN看成是裂缝或孔洞而破坏材料的连续性，利用缺口效应而容易生成切屑，从而导致BN易切削钢具有一定的切削性能，提高刀具寿命。但是，仅仅依靠BN夹杂物，不能大幅提升钢材的切削性能、力学性能。

日本专利JP2004274472公开了一种含硼氮化物夹杂的易切削钢及其制备方法，其化学成分包括(重量百分比)：0.01-1.2% C、超过0.10% 但小于等于1.5%的Si、0.3-2.0% Mn、0.01-0.2% S、0.0050-0.0150% B、0.0100-0.0200% N、0.01-0.1% Al、0.005-0.05% Nb、N/B控制在1-3，如果需要，可含有Ni、Cr、Mo、V、Ti、Ca、Se、Te、Bi、Sn、Cu、Zr和Mg中的一种或者多种，其余为Fe和不可避免的杂质。BN夹杂物的直接为10μm或者更大，数量为每平方毫米50个或更多，硫化物夹杂直径为3μm或者更大，数量为每平方毫米500个或更多，其存在的不足：这种易切削钢BN夹杂含量不高，且钢中硫化物含量高，大大增加了钢材性能的各向异性。本发明钢中BN含量更高，并通过加入Cu使之形成ε-Cu颗粒状析出物，可提高钢的强度，同时切削钢材过程中，细小的Cu颗粒可起到夹杂物应力集中源的作用提高断屑性能，还可润滑刀具减轻摩擦提高刀具寿命，从而提高钢的切削性能。

日本专利JP30109792公开了一种高速易切削钢，其化学成分包括(重量百分比)，0.10-1.20% C、0-0.50% Si、0.10-2.00% Mn、0.002-0.015% S、0.0040-0.0200% B、0.005-0.030% N 和0.0010-0.0100% Ca，其余为平衡Fe和不可避免的杂质。除这些基本元素之外，还可以含有下列元素中的一种或者2种以上，这些元素包括0.30-5.0% Cr、0.30-5.0% Ni、0.05-0.50% Mo、0.05-0.30% V 和0.010-0.l0% Nb，通过减少BN夹杂的数量，来提高该钢的强度和韧性。其存在的不足：该专利中加入了B、N元素和一定含量的S、Ca元素，考虑采用BN和CaS夹杂来提高钢材切削性，但使得该钢种强度和韧性较差，钢材性能各向异性大，要提高钢材性能，需要加入较多其他合金元素来实现。而本发明钢则是加入较高B、N含量，钢中BN含量较高，且加入Cu可提高钢的强度和切削性，使钢材具备较好的切削性能和力学性能。

日本专利JP020562221公开了一种BN型易切削钢及其生产方法，该钢含有的化学成分(重量百分比)为：0.15~0.70%的C，≤0.35%的Si，≤2.5%的Mn，≤0.30%的S，0.001~0.100%的Al，0.0040~0.0200%的B，0.0050~0.0200%的N，≤0.1%的总Ti、Zr和稀土元素，≤0.002%的O，剩余为Fe，且满足0.5≤B/N≤4，要在高频炉中在≤1300℃下至少加热30分钟，然后交叉轧制生产。其存在的不足：该专利中只考虑了采用BN夹杂来提高钢的切削性，但是钢中BN夹杂含量少，切削性能的提高十分有限，而且没有Cu元素的加入，钢材的整体力学性能表现较差；另外，该发明的轧制加热温度要达1300℃左右，工艺要求较高，交叉轧制工艺复杂。

日本专利JP031436021公开了一种含硼氮化物夹杂的易切削钢及其制备方法，该钢通过添加粉末混合剂，该混合剂预先制备而成，包括50~200μm的铁粉以及8~30μm的六边形硼氮化物粉末，使铁粉与硼氮化物粉末的体积比≥3，加入融化的钢铁。其存在的不足：大规模生产中，若硼氮化物粉末加入钢液，容易形成大颗粒夹杂被去除，要形成有利切削性能的BN夹杂较难，且效率低下，且生产成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种高性能含铜BN型易切削钢及其生产方法，使得钢中形成有大量的BN夹杂以及细小ε-Cu颗粒，BN夹杂、ε-Cu颗粒共同起到应力集中源的作用，从而提高断屑性能，且ε-Cu颗粒还能润滑刀具减少摩擦，提高钢的力学性能和切削性能，同时钢材具有各向异性较小的力学性能、优良的切削加工性能、切削后钢的表面光洁度高等优点。这种钢材的热轧态力学性能为：屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率A≥16％。

实现上述目的的措施：

一种含铜的BN型易切削钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.10~0.70%，Si：0.01~0.60%，Mn：0.20~1.50%，P≤0.025%，S≤0.015%，Al：0.01~0.10%，B：0.01~0.03%，N：0.010~0.050%，Cu：0.50~2.00%，Ni：0.1~0.5%，余量为铁及不可避免杂质。

生产一种含铜的BN型易切削钢的方法，其步骤：

1）按照洁净钢进行冶炼，当冶炼结束进行出钢时，在出钢到1/3~3/4时，开始按照1~3Kg/吨钢加入铝块，按照0.1~10Kg/吨钢加入硅铁合金，按照1~17Kg/吨钢加入锰铁合金，按照5.5~21Kg/吨钢加铜，按照1~5Kg/吨钢加镍，按照0~8Kg/吨钢加入增碳剂；

2）脱氧后进入LF炉精炼，精炼渣采用CaO-SiO₂-Al₂O₃渣系，其碱度要求在2.5~4.0；添加硼铁增硼，硼铁按照1.2~2.8Kg/吨钢加入；添加含氮锰铁增氮，含氮锰铁按照2~5Kg/吨钢加入；并控制精炼时间在30~80分钟，LF精炼过程采用吹氮气对钢液进行搅拌；

3）连铸，并采用电磁搅拌及轻压下进行；

4）对铸坯加热，控制铸坯入加热炉温度不超过700℃，加热温度在1100~1200℃，并在此加热温度下保温40~100分钟；炉内加热总时间控制在2~5个小时；

5）进行粗轧，控制粗轧开轧温度在1000~1150℃；

6）进行精轧，控制精轧开轧温度在900~980℃，精轧累计变形量在10~50%；

7）进行冷却，按照1~20℃/s冷却至450~680℃，并保温50~120分钟；

8）空冷至室温，待用。

其特征在于：精炼所采用得CaO-SiO₂-Al₂O₃渣系，其碱度要求在2.5~4.0。

本发明中各元素及主要工序的作用：

本发明钢的C含量选择在0.1～0.7%，本发明钢主要作为机械结构用钢，钢材需要保证一定的强度及韧性，碳含量不应过低，随着C含量的增加，钢材的屈服强度和抗拉强度都会提高，但塑性和韧性降低，且碳含量越高，钢材的切削性能越容易恶化，因此，碳含量设定在0.1%~0.7%。

本发明钢的Si含量选择在0.01~0.6%，Si主要以固溶强化形式提高钢的强度，容易恶化钢的冷变形能力，故含量不可过高，以免降低钢的韧性及影响钢的切削性能。

本发明钢的Mn含量选择在0.20～1.50%，Mn对固溶强化作用显著，可以提高钢材强度，并且不会显著恶化钢的变形能力，钢中Mn含量应在0.2%以上，本发明钢中Mn还可以和钢中S元素形成MnS夹杂物，可以提高钢的切削性能，同时MnS夹杂可以作为BN夹杂形核生长所依附的质点，提高BN形核率，从而生成更多的BN夹杂物，从而提高钢材的切削性能，过高含量的Mn会恶化钢的韧性，故将Mn含量设定在1.5%以下。

本发明钢的P不超过0.025%，P对钢材性能而言是有害元素，理论上要求其含量越低越好，才能保证本发明钢的性能。

本发明钢的S不超过0.015%，钢中一定含量的S与Mn可以形成MnS夹杂物，可以作为BN夹杂形核生长所依附的质点，提高BN夹杂的形核率，生成更多的BN夹杂物，但S含量过高，会造成钢材性能的各向异性显著增大，会大大降低钢材应用领域，因此，S含量应不超过0.015%。

本发明钢的Al作为钢材的脱氧剂加入至钢中，一定的Al含量有利于BN夹杂物的析出，因此Al含量应在0.01%以上，但过多的Al，给炼钢生产带来困难，可能会造成过多的氧化铝夹杂，反而影响钢材的力学性能，降低钢的切削性能，故Al应在0.10%以下。

本发明钢的B在0.01%~0.03%，要有一定量B与N结合，才形成大颗粒的BN夹杂，从而显著提高钢材的切削性能，因此B含量应在0.01%以上，钢中过多B元素，极易恶化钢材的韧性，不利于钢材应用，故B含量应在0.03%以下。

本发明钢的N在0.010%~0.050%，为了形成较明显的BN夹杂颗粒，就需要加入适量的N，故N含量应在0.010%以上，对于钢中一定含量B，若N元素过多，并不会对BN析出有显著影响，反而给钢材的力学性能造成负面影响，同时在生产过程中，过多N容易造成钢坯中的气泡形成，大大降低钢材合格率及成材率，故N应在0.050%以下。

本发明钢的Cu在0.50%~2.00%，钢中含量在0.5%以上的Cu，在缓慢冷却过程中可以形成ε-Cu颗粒状沉淀析出，可提高钢的强度，钢材被切削过程中，ε-Cu可起到夹杂物应力集中源的作用提高断屑性能，还可润滑刀具减轻摩擦提高刀具寿命，从而提高钢的切削性能。过高的Cu含量，会造成钢材性能超高，同时会恶化钢材加热性能及加工性能，因此Cu含量应在2.00%以下。

本发明钢的Ni在0.1%~0.5%，钢中含有0.1%以上的Ni，可以稳定奥氏体组织，提高钢材强度及韧性，同时对有利于钢材的切削性能提高，而过高Ni含量会增加钢液的热量需求，对冶炼工艺造成困难，还会大大增加钢材合金的成本，因此Ni含量应设定在0.5%以下。

本发明生产方法的工艺原理特点：

按照纯净钢的生产工艺冶炼，采用50~150吨电炉或转炉吹氧冶炼，出钢时保证温度-碳的协调，为了脱氧需要并提高合金收得率，出钢1/3~3/4时开始加入Al块。随后加入硅铁合金、锰铁合金、Cu合金、增碳剂，使得钢水中Si、Mn、Cu、Ni、C含量到达目标要求。采用LF炉进行精炼，采用CaO-SiO₂-Al₂O₃精炼渣系，精炼渣碱度(SiO₂/CaO)为2.5~4.0，高碱度渣有利于钢水脱硫。采用高氮锰铁合金增氮，采用硼铁增硼。整个精炼过程吹氮搅拌钢水，使得钢水温度均匀和B、N、Cu、Ni等元素在钢水均匀分布，吹氮可增加钢水中氮的平衡分压，这有利于钢中增氮，当钢液中N含量不高时，通过延长吹氮时间提高钢液N含量，LF精炼时间控制在30~80min。连铸时采用电磁搅拌及轻压下技术，保证生产优质连铸坯。

为了消除部分铸坯缺陷，轧制时将铸坯装入加热炉，入炉温度控制在700℃以下，可避免过大温差使铸坯内部产生过大热应力开裂。为了保证铸坯组织奥氏体化，使成分和组织均匀，加热温度为1100~1200℃。确保铸坯在该温度下保温40~100min，使有利于提高钢材切削性能的MnS及BN夹杂物析出。在加热炉内总加热时间为2~5h，高温加热时间不能过长，避免产生铸坯表面脱碳缺陷以及过烧问题。粗轧温度控制为1000~1150℃，有利于保证钢坯在粗轧过程中有较好的塑性，同时确保在轧制过程，奥氏体发生反复再结晶，从而细化奥氏体晶粒。粗轧结束后在980~900℃精轧，精轧过程累计形变量10~50%，高温小变形量的轧制工艺，使钢材基体组织变形抗力降低，BN和MnS夹杂物变形能力降低使轧后夹杂形态得到控制，有利于钢材切削性能提高。轧后以1~20℃/s冷却速率冷却到450~680℃之间保温50~120min，使更多细小的ε-Cu颗粒沉淀析出，该ε-Cu粒子起到了应力集中源的作用提高切削断屑性能，还润滑刀具减轻摩擦提高刀具寿命，从而提高钢的切削性能。保温完成后，使钢材空气中自然冷却至室温。

本发明与现有技术相比，钢种成分简单且环境友好，而且生产工艺简单，成本低廉，钢材具有力学性能各向异性小、切削加工性能优良、切削后钢材表面光洁度高等优点，热轧态力学性能为：屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率A≥16％。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3本发明各实施例与比较钢的切削性能比较列表；

表4为本发明各实施例及对比例热轧态力学性能。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

其步骤：

1）按照洁净钢进行冶炼，当冶炼结束进行出钢时，在出钢到1/3~3/4时，开始按照1~3Kg/吨钢加入铝块，按照0.1~10Kg/吨钢加入硅铁合金，按照1~17Kg/吨钢加入锰铁合金，按照5.5~21Kg/吨钢加铜，按照1~5Kg/吨钢加镍，按照0~8Kg/吨钢加入增碳剂；

2）脱氧后进入LF炉精炼，精炼渣采用CaO-SiO₂-Al₂O₃渣系，其碱度要求在2.5~4.0；添加硼铁增硼，硼铁按照1.2~2.8Kg/吨钢加入；添加含氮锰铁增氮，含氮锰铁按照2~5Kg/吨钢加入；并控制精炼时间在30~80分钟，LF精炼过程采用吹氮气对钢液进行搅拌；

3）连铸，并采用电磁搅拌及轻压下进行；

4）对铸坯加热，控制铸坯入加热炉温度不超过700℃，加热温度在1100~1200℃，并在此加热温度下保温40~100分钟；炉内加热总时间控制在2~5个小时；

5）进行粗轧，控制粗轧开轧温度在1000~1150℃；

6）进行精轧，控制精轧开轧温度在900~980℃，精轧累计变形量在10~50%；

7）进行冷却，按照1~20℃/s冷却至450~680℃，并保温50~120分钟；

8）空冷至室温，待用。

表1  本发明各实施例和比较钢的化学成分(wt％)

表2  本发明各实施例及对比例的主要炼钢工艺参数列表（一）

表2  本发明各实施例及对比例的主要轧制工艺参数列表（二）

表2中的比较钢轧后直接空冷，不做保温处理。

表3  本发明各实施例与比较钢的切削性能比较列表

表3的试验条件：试验测试钢种的切削性能，采用统一的切削条件：无级调速卧式车床，几何参数一致的硬质合金刀具，切削试件为Φ100mm×300mm棒料，在不使用切削液条件下，进给量为0.2mm/r，切削深度为1mm，切削速度分别为200m/min，后刀面磨损量为0.3mm的车削加工时间设定为刀具寿命。

表4 本发明各实施例及对比例热轧态力学性能

表3及4数据可以看出，本发明钢热轧态力学性能：屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率≥16％；与现有的钢种对比，通过本发明制造的含铜BN易切削钢力学性能各向异性小，切削加工刀具寿命明显提高，断屑性能优良，切削后钢材表面光洁度高等特点，可见采用本发明方法使钢材的切削性能与力学性能同时得到提高。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (1)

1.一种含铜的BN型易切削钢的生产方法，其步骤：

1）按照洁净钢进行冶炼，当冶炼结束进行出钢时，在出钢到1/3~3/4时，开始按照1~3Kg/吨钢加入铝块，按照0.1~10Kg/吨钢加入硅铁合金，按照1~17Kg/吨钢加入锰铁合金，按照5.5~21Kg/吨钢加铜，按照1~5Kg/吨钢加镍，按照0~8Kg/吨钢加入增碳剂；

2）脱氧后进入LF炉精炼，精炼渣采用CaO-SiO₂-Al₂O₃渣系，其碱度要求在2.5~4.0；添加硼铁增硼，硼铁按照1.2~2.8Kg/吨钢加入；添加含氮锰铁增氮，含氮锰铁按照2~5Kg/吨钢加入；并控制精炼时间在30~80分钟，LF精炼过程采用吹氮气对钢液进行搅拌；

钢水的终点组分及重量百分比含量为：C：0.10~0.70%，Si：0.01~0.60%，Mn：0.20~1.50%，P≤0.025%，S≤0.015%，Al：0.01~0.10%，B：0.01~0.03%，N：0.010~0.050%，Cu：0.50~2.00%，Ni：0.1~0.5%，余量为铁及不可避免杂质；

3）连铸，并采用电磁搅拌及轻压下进行；

4）对铸坯加热，控制铸坯入加热炉温度不超过700℃，加热温度在1100~1200℃，并在此加热温度下保温40~100分钟；炉内加热总时间控制在2~5个小时；

5）进行粗轧，控制粗轧开轧温度在1000~1150℃；

6）进行精轧，控制精轧开轧温度在900~980℃，精轧累计变形量在10~50%；

7）进行冷却，按照1~20℃/s冷却至450~680℃，并保温50~120分钟；

8）空冷至室温，待用。