CN103397255B - 一种各向异性小的高性能易切削钢 - Google Patents
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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
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 (2)
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:0.44~0.70%,Si:0.52~0.60%,Mn:0.20~1.50%,P<0.025%,S<0.010%,Al:0.02~0.08%,B:0.021~0.028%,N:0.028~0.040%,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:Cu的重量百分比含量为1.1~1.85%。
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