CN103397255A - 一种各向异性小的高性能易切削钢 - Google Patents

Abstract

一种各向异性小的含铜BN型易切削钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.10~0.70%，Si：0.10~0.60%，Mn：0.20~1.50%，P＜0.025%，S＜0.010%，Al：0.02~0.08%，B：0.021~0.028%，N：0.020~0.040%，Cu：0.70~2.00%，余量为铁及不可避免的杂质。本发明成分简单且环境友好，可以常规冶炼轧制的方法来生产，发明钢的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，钢材热轧态力学性能为：屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率A≥16％。

Description

一种各向异性小的高性能易切削钢

技术领域

本发明涉及一种易切削钢，具体地属于一种各向异性小的高性能含铜的BN型易切削钢。 

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。 

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。 

经检索：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：这种易切削钢中BN夹杂含量不高，而钢中硫化物含量较高，这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夹杂来提高钢的切削性，但使得该钢种强度和韧性较差，钢材性能各向异性大，如要提高钢材性能，需要加入较多的其他合金元素来达到。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JP5622290公开了一种含BN的易切削钢，其化学成分包括(重量百分比)：0.15-0.70% C、≤0.35% Si、≤2.5% Mn、≤0.30% S、0.001-0.100% Al、0.0040-0.0200% B、0.0050-0.0200% N、≤0.1%的Ti、Zr和稀土、≤0.0020% O，其余为Fe和不可避免的杂质，并且要求0.5≤B/N≤4。其存在的不足：该专利中加入了B、N元素和可高达0.3%的S元素，考虑采用BN和MnS夹杂来提高钢的切削性，从B、N含量来看，钢中BN夹杂含量不高，该专利只有通过加入S元素，使钢中生成较多MnS夹杂来提高切削性能，但这会大大增加钢材性能的各向异性，影响钢材使用范围。 

日本专利JP22375988公开了一种高速切削钢，其化学成分包括(重量百分比)：0.15-0.7% C、≤ 0.35% Si、≤2.5% Mn、0.001-0.1% Al、0.004-0.02% B、0.005-0.02% N、≤ 0.002% O、≤0.01% S，其余为Fe和不可避免的杂质，并且要求N/B控制在0.5-4，Ti、Zr和RE总量≤0.01%。细小的BN析出可改善其加工性。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，但钢中BN夹杂含量少，切削性能的提高十分有限。 

日本专利JP1546088公开了一种渗碳淬火易切削钢，其化学成分包括(重量百分比)：下列元素中的一种或者多种0.10-0.30%C、≤1.0% Si、≤3.0% Mn、≤8.0% Cr、≤5.0% Ni、≤6.0% Mo和≤2.0% Al，进一步地包括0.004-0.020% B以及0.005-0.050% N，并且N/B要求满足范围为0.5-4，≤0.0015% O、≤0.1%的Ti、Zr和稀土，其余为平衡Fe和不可避免的杂质；满足该范围要求的N/B可以提高该钢的机加工性能。该专利存在的不足：只考虑了采用BN夹杂来提高钢的切削性，但钢中BN夹杂含量不高，提高切削性能是有限的，没有Cu元素的加入，钢材的整体力学性能表现较差，影响钢材应用范围。 

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，提供一种通过钢中形成的大量的BN夹杂以及细小的ε-Cu颗粒而共同起到应力集中源的作用，以提高断屑性能，并使钢材性能的各向异性值(90°横向性能/0°纵向性能)：屈服强度不低于0.97%、抗拉强度不低于0.96%、延伸率A不低于0.95%，优良的切削加工性能，切削后钢的表面光洁度高的高性能易切削钢。 

实现上述目的的措施： 

一种各向异性小的含铜BN型易切削钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.10~0.70%，Si：0.10~0.60%，Mn：0.20~1.50%，P＜0.025%，S＜0.010%，Al：0.02~0.08%，B：0.021~0.028%，N：0.020~0.040%，Cu：0.70~2.00%，余量为铁及不可避免的杂质。

优选的：B的重量百分比含量为0.022~0.026%。 

优选的：Cu的重量百分比含量为1.1~1.85%。 

本发明中各元素的作用： 

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0.10~0.6%，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在0.025%以下，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在0.010%以下，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含量应在0.010%以下。 

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0.02%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0.08%以下。 

本发明钢的B在0.021%~0.028%，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0.021%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0.028%以下。优选的：B的重量百分比含量为0.022~0.026%。 

本发明钢的N在0.020%~0.040%，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0.020%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0.040%以下。 

本发明钢的Cu在0.70%~2.00%Cu，钢中含量在0.7%以上的Cu，在缓慢冷却过程中可以形成ε-Cu颗粒状沉淀析出物，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。优选的：Cu的重量百分比含量为1.1~1.85%。 

本发明与现有技术相比，成分简单且环境友好，可以常规冶炼轧制的方法来生产，发明钢的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，钢材热轧态力学性能为：屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率A≥16％。 

附图说明

图1为本发明的金相组织中BN的分布图； 

图2为本发明的金相组织中纳米级ε-Cu颗粒的分布图。

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为本发明各实施例与比较钢的切削性能比较列表；

表3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常规方式生产： 

冶炼时铁水经脱S后，经转炉吹氧冶炼，出钢时保证温度-碳的协调，出钢1/3~3/4时开始按照设定常规加入Al、硅锰合金、Cu合金；Al线脱氧后，在LF炉进行精炼，并进行常规增氮、增硼处理，LF精炼全程吹氮，确保钢水温度均匀和B、N、Cu等元素均匀分布，连铸时采用电磁搅拌及轻压下技术，生产优质连铸坯；钢坯加热至1150~1200℃；进行粗轧；在880~990℃下精轧，控制精轧过程累计形变量10~50%；轧后以3~10℃/s冷却速率冷却到500~600℃，并保温50~120min，然后空冷至室温。

表1 本发明各实施例和比较钢的化学成分(wt％) 

表2   本发明各实施例与比较钢的切削性能比较列表

表2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3   本发明各实施例及对比例热轧态力学性能 

表2、3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易切削钢具有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。

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 (3)

1.一种各向异性小的高性能易切削钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.10~0.70%，Si：0.10~0.60%，Mn：0.20~1.50%，P＜0.025%，S＜0.010%，Al：0.02~0.08%，B：0.021~0.028%，N：0.020~0.040%，Cu：0.70~2.00%，余量为铁及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的一种各向异性小的高性能易切削钢，其特征在于：B的重量百分比含量为0.022~0.026%。

3.如权利要求1所述的一种各向异性小的高性能易切削钢，其特征在于：Cu的重量百分比含量为1.1~1.85%。

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