CN104862584A

CN104862584A - 一种高性能经济复合易切削钢

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Publication number: CN104862584A
Application number: CN201510242759.5A
Authority: CN
Inventors: 张帆; 罗国华; 吴杰; 王媛; 王婳; 周新龙
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2015-05-14
Filing date: 2015-05-14
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2035-05-14
Also published as: CN104862584B

Abstract

一种高性能经济复合易切削钢，其组分及wt%为：C：0.21～0.48 %、Si：＜0.08 %、Mn：1.2～1.5 %、P＜0.001 %、S：0.01～0.03 %、N：0.06～0.08 %、B：0.05～0.07 %、O：0.015～0.025 %、Ca：0.001～0.009 %、Mg：0.002～0.0080 %、Al：0.01～0.02 %。本发明切削性能优于经典的硫系易切削钢Y45MnS，与含铅复合系易切削钢Y45MnSPb相似，综合切削性能优良；适合非特钢企业生产：成分简单易控，无需特殊工艺生产；具有优良的机械性能、热加工性能，性价比高，不环境污染，吨钢成本至少能降低150元，具有较强的市场竞争力。

Description

一种高性能经济复合易切削钢

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，很好地适应现代数控机床高效、智能化生产的需求，属于节能材料，广泛用于家电、五金、汽车以及办公设备等领域。

易切削钢主要有硫系和铅系两大类。

铅系易切削钢具备最优的切削性能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等。但其面临自身无法克服的问题：铅有毒且化学性质活泼，使得含铅易切削钢生产、使用以及回收过程均面临环保压力，为满足日趋严苛的环保要求，含铅易切削钢冶炼生产以及废料处理等均需采用特殊工艺和装备进行，导致成本快速增加，因此国内主要由特钢企业生产，这也造成在我国钢铁产量严重过剩的大背景下易切削钢仍需大量进口的事实。目前，欧美等发达国家正逐步立法限制含铅易切削钢的生产、使用和回收。

硫系易切削钢是常见的无铅易切削钢，MnS在钢中形成裂纹源，并在机械加工过程不断扩展，达到断屑的目的。硫系易切削钢切削性能取决于MnS夹杂数量、分布以及形态，而较高的硫含量有助于提高钢中MnS夹杂数量和分布；较高的氧含量则有助于形成有利于切削性能提高的Ⅰ型MnS夹杂，因此硫系易切削钢硫、氧含量较高。

但较高的硫、氧含量会使钢材面临如下问题：

（1）机械性能、热加工性能以及焊接性能显著降低。较高的氧含量，恶化钢质，导致钢中氧化物夹杂增多，同时MnS夹杂会沿轧制方向延伸，导致钢材力学性能各向异性增大，严重限制硫系易切削钢的使用范围。

（2）生产困难。高硫、高氧易切削钢是世界三大难连铸的钢种之一，连铸工艺难点在于：高氧含量、高硫含量大大降低钢水表面张力，使钢渣分离困难，从而造成钢渣混卷，形成大量表面及皮下缺陷，甚至造成漏钢；高锰含量、高氧含量高温下会与耐火材料发生反应，加速耐火材料浸蚀，导致溢钢或中间包漏钢；钢液粘度大，流动性差，为保证其可浇性必须提高浇注温度，但同时易切削钢又是裂纹敏感钢种，又必须采用弱冷制度。这些相互矛盾的要求，使得硫系易切削钢连铸工艺面临极大的挑战。因此，国内硫系易切削钢主要由特钢企业生产，普通企业缺乏相关工艺技术条件，限制了硫系易切削钢的生产、推广与应用。

经检索：中国专利申请号为CN200380103425.5的专利文献，公开了一种切削性优良的钢，其特征在于，它是按质量％由C：0.005～0.2％、Si：0.001～0.5％、Mn：0.2～3.0％、P：0.001～0.2％、S：0.03～1.0％、B：0.005～0.05％、总N：0.002～0.02％、总O：0.005～0.035％、余量为Fe和不可避免的杂质构成。其存在的不足：该文献钢种为高硫、高氧的硫系易切削钢，冶炼生产困难、成本高，钢质纯净度差，主要依赖MnS改善钢材切削性能，因而不可避免的导致机械性能、热加工性能等偏低；同时，该文献钢种化学成分复杂，含有大量贵金属合金，因而工艺复杂、生产成本较高。而本发明：硫含量（＜0.2%）和氧含量（＜0.02%）较低，成分简单易控，切削性能优良（利用MnS和BN共同提高钢材切削性能）且力学性能良好，生产工艺控制简单，适合非特钢企业生产，具有良好的可推广性和适用性。

中国专利申请号为CN200980138439.8的专利文献，公开了一种不含铅的快速切削钢，其包括(以重量％计)0.03-0.13重量％的碳(C)、0.1重量％以下的硅(Si)、0.7-2.0重量％的锰(Mn)、0.05-0.15重量％的磷(P)、0.2-0.5重量％的硫(S)、0.001-0.01重量％的硼(B)、0.1-0.5重量％的铬(Cr)、0.05-0.4重量％的钛(Ti)、0.005-0.015重量％的氮(N)、0.03重量％以下的氧(O)、余量的铁(Fe)和其他不可避免的杂质。其存在的不足：该文献钢种属于高硫易切削钢，B的加入目的为提高钢的淬透性（固溶入钢中）而不是提高切削性能（生产BN夹杂），且钢中Ti、N、O含量较高，容易生产大量钛的碳氮化物和氧化，导致冶炼、连铸困难，并造成钢中硬质夹杂物增多恶化切削性能。

中国专利申请号为CN200780048197.4的专利文献，公开了一种无Pb的易切削钢，由0.03-0.30wt％的碳(C)、0.01-0.30wt％的硅(Si)、0.2-2.0wt％的锰(Mn)、0.02-0.10wt％的磷(P)、0.06-0.45wt％的硫(S)、0.04-0.20wt％的铋(Bi)、0.04-0.20wt％的锡(Sn)、0.001-0.015wt％的硼(B)、0.001-0.010wt％的氮(N)、0.002-0.025wt％的总氧(T[O])和余量的铁以及不可避免的杂质形成。其存在的不足：该文献钢种属于复合系易切削钢，钢中稀土元素（Bi、Sn）含量高，因而生产成本高昂，同时，硫含量较高而B含量较低，未能充分发挥BN夹杂改善钢材切削性能的效果，过多的MnS夹杂在钢中必然会恶化钢材机械性能、热加工性能等，因而该文献钢种成本高昂、使用效能低。

目前，易切削钢往往由特钢企业生产，但现有铅系、硫系及复合系易切削钢，或因环境污染严重；或因生产困难，切削性能、力学性能欠佳；或因成本太高、性价比低下等原因，难以满足经济社会发展需求。为克服上述现有技术的不足，本发明利用BN和MnS共同改善钢材切削性能，开发出一种适合非特钢企业生产的新型高性能、低成本复合易切削钢。

发明内容

本发明的目的再与解决现有技术的不足，提供一种不仅具有良好的力学性能，及切削性能与铅系易切削钢相近，且吨钢成本至少能降低150元，还适合非特钢企业生产的高性能经济复合易切削钢。

实现上述目的的措施：

一种高性能经济复合易切削钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.21～0.48 %、Si：＜0.08 %、Mn：1.2～1.5 %、P＜0.001 %、S：0.01～0.03 %、N：0.06～0.08 %、B：0.05～0.07 %、O：0.015～0.025 %、Ca：0.001～0.009 %、Mg：0.002～0.0080 %、Al：0.01～0.02 %，其余为Fe及不可避免的杂质；同时满足N/B=1.1～1.4；BN夹杂长度45～65μm，宽度≤5μm的BN夹杂数量＞3000个/mm²；MnS夹杂当量圆直径为0.1～0.4μm的MnS数量＞500个/mm²。

优选地：N重量百分比含量为0.06～0.07%。

优选地：B重量百分比含量为0.05～0.06%。

优选地：S重量百分比含量为0.02～0.03%。

其在于：添加有重量百分比含量为：Ni：0.01～0.03 %、或Cu：0.01～0.03 %、或Cr：0.03～0.05 %中的一种，或含量为0.04～0.06 %的Ni、Cu及Cr中两种及以上以任意比例的混合物。

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，降低钢材力学性能和断屑性能。通过实验发现当碳含量低于0.21%时钢质偏软，钢材力学性能难以满足要求，且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0.38%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0.21～0.48%。

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0.001%以下。

S：MnS夹杂可改善钢材切削性能，并作BN夹杂形核核心，提高BN夹杂形核率，增加钢中BN夹杂数量、提高BN夹杂分布均匀性，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0.01%～0.03%，优选的0.02～0.03%。

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0.06～0.08%，优选的0.06～0.07%。

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0.05～0.07 %，优选的0.05～0.06 %。

O：MnS夹杂有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种类型，其中只有Ⅰ型MnS有助于提高切削性能，研究表明[O]＞0.012%时，MnS主要为Ⅰ型，同时高熔点细小、弥散分布的氧化物夹杂将成为MnS形核核心，进而有利于BN夹杂的析出和分布。但过高的氧含量会恶化钢材机械性能，并导致连铸困难，因此本发明氧含量控制在0.015～0.025 wt %

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、高硬度的三氧化二铝，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=1.1～1.4：本发明期望通过生产BN夹杂，与MnS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，结合试验研究和生产经济性本发明将N/B控制在1.1～1.4之间，此时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，其切削性能优于经典的硫系易切削钢Y45MnS，与含铅复合系易切削钢Y45MnSPb相似，综合切削性能优良；适合非特钢企业生产：成分简单易控，冶炼、连铸以及轧制过程无需特殊工艺，属于环境友好型易切削钢，产品应用广泛；具有优良的机械性能、热加工性能，性价比高，不环境污染，吨钢成本至少能降低150元，市场竞争力强。

附图说明

图1为本发明切削试验磨损曲线图；

图2为本发明钢中BN夹杂形貌图；

图3为本发明图2中第1点的BN夹杂能谱图；

图4为本发明图2中第2点的MnS夹杂能谱图；

图5为本发明图2中第3点的Al₂O₃夹杂能谱图；

图6为本发明图2中第4点的BN夹杂能谱图。

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及使用安全性检验情况列表。

本发明各实施例按照以下常规工艺生产：

电炉或转炉→精炼（LF、VD、RH）→连铸→（加热）轧制成材。

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及使用安全性检验情况列表

从表2可以看出，本发明切削性能优于经典的硫系易切削钢Y45MnS，与含铅复合系易切削钢Y45MnSPb相似，综合切削性能优良，且兼具良好的力学性能；满足非特钢企业生产和环保要求，吨钢成本至少能降低150元，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

1.一种高性能经济复合易切削钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.21～0.48 %、Si：＜0.08 %、Mn：1.2～1.5 %、P＜0.001 %、S：0.01～0.03 %、N：0.06～0.08 %、B：0.05～0.07 %、O：0.015～0.025 %、Ca：0.001～0.009 %、Mg：0.002～0.0080 %、Al：0.01～0.02 %，其余为Fe及不可避免的杂质；同时满足N/B=1.1～1.4；BN夹杂长度45～65μm，宽度≤5μm的BN夹杂数量＞3000个/mm²；MnS夹杂当量圆直径为0.1～0.4μm的MnS数量＞500个/mm²。

2.如权利要求1所述的一种高性能经济复合易切削钢，其特征在于：N重量百分比含量为0.06～0.07%。

3.如权利要求1所述的一种高性能经济复合易切削钢，其特征在于：B重量百分比含量为0.05～0.06%。

4.如权利要求1所述的一种高性能经济复合易切削钢，其特征在于：S重量百分比含量为0.02～0.03%。

5.如权利要求1所述的一种高性能经济复合易切削钢，其特征在于：添加有重量百分比含量为：Ni：0.01～0.03 %、或Cu：0.01～0.03 %、或Cr：0.03～0.05 %中的一种，或含量为0.04～0.06 %的Ni、Cu及Cr中两种及以上以任意比例的混合物。