CN104789908A

CN104789908A - 一种含硼低铅复合易切削钢

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Publication number: CN104789908A
Application number: CN201510242796.6A
Authority: CN
Inventors: 张帆; 罗国华; 吴杰; 王媛; 丁礼权; 周新龙
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Priority date: 2015-05-14
Filing date: 2015-05-14
Publication date: 2015-07-22

Abstract

一种含硼低铅复合易切削钢，其组分及wt%为：C：0.09～0.18%、Si：＜0.08%、Mn：1.2～1.5%、P≤0.015%、S≤0.015%、N：0.05～0.07%、B：0.03～0.05%、Pb：0.01～0.029%、Ca：0.001～0.009%、Mg：0.002～0.0080%、Al：0.01～0.02%，Ni：0.01～0.03%或Cu：0.01～0.03%或Cr：0.03～0.05%或其中两种以上以任意比例的混合物，混合物总含量为：0.04～0.06%。本发明既具有优良的机械性能、热加工性能，并适合连铸连轧的工业化生产，且污染极低，能回收利用，加工及冶炼人员也无需采取防护措施。

Description

一种含硼低铅复合易切削钢

技术领域

本发明涉及一种易切削钢，具体地属于一种含硼低铅复合易切削钢。

背景技术

易切削钢能有效降低切削抗力、减缓刀具磨损、提高作业效率，很好地满足数控机床高效、智能化生产的需求，属于节能材料，广泛用于家电、汽车以及办公设备等领域。

按添加易切削元素分类，易切削钢主要有硫系易切削钢、铅系易切削钢、稀土系易切削钢等。

生产实践以及研究表明，铅系易切削钢具备独一无二的切削性能（刀具寿命、切屑处理性、加工面光洁度等），且兼具优良的力学性能、热处理性能、冷热加工性能和焊接性能，但传统含铅易切削钢，较高的铅含量（GB/T8731易切削结构钢，铅系易切削钢Pb含量在0.15%-0.35%），对人体和环境危害较大且对生产设备要求高，因而传统含铅易切削钢面临诸多限制。

硫系、铋系等易切削钢均为传统无铅易切削钢，但其生产或应用均面临各种问题：硫系易切削钢较高的硫、氧含量，会降低钢质纯净度、严重恶化钢材力学性能，MnS夹杂会导致力学性能各向异性增大，限制其应用范围，且切削性能显著低于铅系易切削钢；Se（硒）、Te（蹄）、Bi（铋）等稀有元素有助于改善钢的切削性能且不会显著恶化钢材力学性能，但稀土资源有限难以大规模开发并且成本昂贵，因而无法大规模应用。

经检索：中国专利公开号为CN1858282A的专利文献，其公开了一种低S低Pb可锻易切削钢及其生产工艺。其化学成分重量百分比为，C：0.36-0.44％、Si：0.17-0.37％、Mn：0.80-1.20％、As：0.20-0.30%、Sn+Pb：0.05-0.20%、P：≤0.040％、S：≥0.060％、Cu：≤0.25％，其余为铁和不可避免的杂质。其存在的不足：该文献钢种为复合易切削钢，期望通过硫、稀土的加入降低铅的加入量，但硫的加入不可避免的降低钢材力学性能和切削性能，且Pd含量最高达到0.2%，仍然处于较高水平。而本发明钢中铅含量不超过0.10%，远低于GB/T8731中铅系易切削钢含铅范畴，且通过B的加入促使钢中生产有利于切削性能的BN夹杂，从而确保显著降低环境污染的同时，钢材仍具有与铅系易切削钢相似的切削性能和力学性能。

中国专利申请号为CN200710164219.5的专利文献，其公开了一种可被高速切削的马氏体不锈钢，其以重量百分比计包含C：0.10％至1.20％、Si：0.10％至2.00％、Mn：0.80％至2.00％、S：0.10％至0.30％、Cr：10.5％至18.0％、Pb：0.03％至0.30％、Te：0.01％至0.10％、B：0.0005％至0.010％、和O：0.005％至0.030％，余量基本为Fe和不可避免的杂质。其存在的不足：该文献钢种为马氏体不锈钢，钢中硫、氧、Pd含量均较高，虽然能确保钢材具有良好的切削性能，但是以牺牲钢材力学性能和环保性能为代价，在环保愈来愈严格的发展局势下，其应用必将受到限制甚至禁用。

中国专利申请号为CN200610111142.0的专利文献，公开了一种可切削性优良的低碳硫复合易切钢，其以重量百分比计含有C：0.02～0.15％、Mn：0.05～1.00％、S：0.20～0.49％、O：超过0.008～0.030％、Pb：0.04～0.35％、Cr：0.3～2.3％，余分由Fe及不可避免的杂质组成，且Cr/S之比在2～6的范围内。去存在的不足：该文献钢种属于传统的硫和铅复合易切削钢，其切削性能介于普通硫系和铅系易切削钢之间，但力学性能显著低于铅系易切削钢。而本发明为新型复合易切削钢，采用BN和Pb系复合，切削性能、力学性能等均与铅系相似，且其生产、销售、使用过程对环境污染显著降低，处于国标要求范围，因而均有良好的可推广性。

实际生产应用中，铅系易切削钢因兼具优良的切削性能和力学性能，而在汽车、装备制造等领域获得广泛应用，但面对日趋严苛的环保要求，开发低铅或无铅易切削钢成为发展趋势。目前广泛应用的无铅易切削钢，如硫系、稀土系易切削钢等，切削性能和力学性能均无法完全满足工业生产的需求。

为克服现有技术存在的问题，本发明开发出一种低铅BN型复合易切削钢，其在最大限度的降低铅污染的同时，切削性能和力学性能与传统铅系易切削钢相近，满足了汽车、装备制造领域对材料环保性能、机械性能以及切削性能的要求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种既能满足切削加工使用性能，污染极低，即能回收利用，加工及冶炼人员无需采取防护措施的含硼低铅复合易切削钢。

实现上述目的的措施：

一种含硼低铅复合易切削钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.09～0.18 %、Si：＜0.08 %、Mn：1.2～1.5 %、P≤0.015 %、S≤0.015 %、N：0.05～0.07 %、B：0.03～0.05 %、Pb：0.01～0.029 %、Ca：0.001～0.009 %、Mg：0.002～0.0080 %、Al：0.01～0.02 %，Ni：0.01～0.03 %或Cu：0.01～0.03 %或Cr：0.03～0.05 %或其中两种以上以任意比例的混合物，混合物总含量为：0.04～0.06 %，其余为Fe及不可避免的杂质；同时应满足N/B=1.4～2.2。

优选地：N的重量百分比含量为0.05～0.06%。

优选地：B重量百分比含量为0.03～0.04%。

本发明各原料的作用

C：碳含量对钢材强度、硬度有重要影响，过高的碳含量使钢中珠光体比例增加，使钢的强度提高，不利于易切削钢的切削加工；而过低的碳含量会降低钢材的强度，并使得钢材偏软，降低了钢材力学性能和断屑性能。通过实验发现当碳含量低于0.09%时钢质偏软，切削过程铁屑长且不易断，因而切削性能不佳，同时钢材强度较低；当碳含量超过0.18%时钢材基体硬度偏高，对刀具磨损较为严重且力学性能富余量较高，因而综合考虑力学性能和切削性能，碳含量设计为0.09～0.18%。

Si：硅在钢中形成硅酸盐，会导致刀具磨损，硅高会促使磷从基体中析出，在晶界易形成磷化物薄膜，恶化钢的热加工性能，因此本发明硅控制在＜0.08%。

Mn：在铁素体中，Mn的固溶强化作用仅次于P和Si，可以提高钢材强度，并且不会显著恶化钢的变形能力。为保证钢材的加工性能和良好的力学性能，本发明锰含量控制在1.2～1.5 %。锰含量过高会增加强度和韧度，降低切削性能；锰含量过低，则钢材必要的力学性能无法保证。

P：P能强化铁素体相，但P对钢材力学性能而言是有害元素，理论上要求其含量越低越好。因此，本发明磷含量设计为0.015%以下。

S：钢中硫与锰可形成的MnS夹杂可作为BN夹杂形核核心，提高BN夹杂形核率，增加钢中BN夹杂数量，但过多的MnS夹杂会增大钢材性能的各向异性，且会导致热加工困难，严重限制钢材的应用。因此，本发明硫含量设计为0.015%以下。

N：钢中N与B反应生成有利于改善切削性能的BN有利夹杂，钢中碳、氮化物的形成有利于细化晶粒、改善钢的强度，但若N含量过多，会恶化钢材力学性能并降低钢材成材率。因此，本发明氮含量设计为0.05～0.07%，优选的0.05～0.06%。

B：B的添加是为形成BN夹杂，以改善钢材切削性能。钢中B含量过低，难以生成足够量的BN夹杂，过高则极易恶化钢材韧性且不利于钢材推广应用。因此本发明B含量设计为0.03～0.05 %，优选的0.03～0.04 %。

Pb：铅的加入能显著提高钢材切削性能，且对基础钢力学性能、热处理性能、冷热加工性能和焊接性能没有影响，是公认的最有效的易切削元素，但铅对环境和人体有害，过高的铅含量对含铅易切削钢生产、使用以及回收均有害，综合考虑钢材性能和环保要求，本发明铅含量控制在0.01～0.029 %。

Al：铝作为脱氧剂加入钢中，一定量的铝有利于促进BN夹杂的析出，但Al会与氧结合形成高熔点、高硬度的氧化铝，加剧刀具磨损，从而降低钢材切削性能。因此，本发明铝含量设计为0.01～0.02 %。

Ca：钙作为夹杂物变性剂加入，与硅、铝等复合氧化，形成钙斜长石，当切削温度升高时，该复合氧化物会在刀具切削刃面上软化和堆积，形成积削瘤，减缓刀具磨损。钙常用作炼钢的脱氧剂，其氧化产物可作为BN析出形核核心，促使BN夹杂的析出和均匀分布，因此本发明钙含量控制为0.001～0.009 %。

Mg：镁化学性质比钙活泼，在钢中形成高熔点氧化物，可促进BN夹杂物的析出形核和均匀分布，因此本发明镁含量控制为0.002～0.0080 %。

N/B=1.4～2.2：本发明期望通过生产BN夹杂，与Pb元素共同改善钢材切削性能，而N/B对钢中BN夹杂的生成有重要影响，为此控制合适的N/B成为本发明的关键。机理：B化学性质活泼，除形成氧化物外还能在钢中成固溶态起到改善钢材淬透性的作用，试验研究发现将N/B]控制在1.5～2.2之间，试验钢淬透性与基础钢相当，表明钢中B主要以BN夹杂形式存在钢中。

Ni：可不添加，若添加Ni可改善钢材机械性能，若添加量超过0.03%时，生成成本显著增加且钢的硬度过大不利于切削性能的改善，因此本发明Ni含量控制在0.01～0.03 %。对于以废钢为主要原料的钢厂，熔炼钢水即使不添加Ni，也能满足Ni的成分要求。

Cu：可不添加，若添加Cu可使钢获得合适的硬度，但过高的Cu会增加冶炼难度并恶化钢材热加工性能，因此本发明Cu含量控制在0.01～0.03 %。对于以废钢为主要原料的钢厂，熔炼钢水即使不添加Cu，也能满足Cu的成分要求。

Cr：可不添加，若添加Cr可提高钢的硬度并改善机械性能，，但过高的Cr会增加冶炼难度并导致钢材硬度偏高不利于切削，因此本发明Cr含量控制在0.03～0.05%。对于以废钢为主要原料的钢厂，熔炼钢水即使不添加Cr，也能满足Cr的成分要求。

本发明与现有技术相比，其既具有优良的机械性能、热加工性能，并适合连铸连轧的工业化生产，且污染极低，能回收利用，加工及冶炼人员也无需采取防护措施。

附图说明

图1为本发明钢切削试验磨损曲线图。

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化学成分取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例力学性能情况列表。

本发明各实施例按照现有工艺进行生产即可。

表1本发明各实施例及对比例化学成分取值列表（wt%）

表1本发明各实施例及对比例化学成分取值列表（wt%）（续表1）

表2 本发明各实施例及对比例力学性能列表

从表2可以看出，本发明的含硼低铅复合易切削钢，其切削性能达到甚至优于传统含铅易切削钢（Y12Pb、Y15Pb），即切削性能优良，且兼具优良的力学性能；同时极低的铅含量，满足非特钢企业生产和环保要求，能很好的满足非医用和非食品用材标准，应用和市场前景广阔。

本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims

1.一种含硼低铅复合易切削钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.09～0.18 %、Si：＜0.08 %、Mn：1.2～1.5 %、P≤0.015 %、S≤0.015 %、N：0.05～0.07 %、B：0.03～0.05 %、Pb：0.01～0.029 %、Ca：0.001～0.009 %、Mg：0.002～0.0080 %、Al：0.01～0.02 %，Ni：0.01～0.03 %或Cu：0.01～0.03 %或Cr：0.03～0.05 %或其中两种以上以任意比例的混合物，混合物总含量为：0.04～0.06 %，其余为Fe及不可避免的杂质；同时应满足N/B=1.4～2.2。

2.如权利要求1所述的一种含硼低铅复合易切削钢，其特征在于：N的重量百分比含量为0.05～0.06%。

3.如权利要求1所述的一种含硼低铅复合易切削钢，其特征在于：B重量百分比含量为0.03～0.04%。