CN105671441A - 石墨化热处理用钢材及切削性和冷锻性优异的石墨钢 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨化热处理用钢材及切削性和冷锻性良好的石墨钢。本发明的一个方面提供一种石墨化热处理用钢材，以重量％计，其包括：0.30～0.80％的碳(C)、2.0～3.0％的硅(Si)、0.01～1.00％的锰、0.001～0.020％的铝(Al)、0.01～0.02％的镁(Mg)、0.01～0.50％的铜(Cu)、0.030％以下的磷(P)、0.030％以下的硫(S)、0.002～0.006％的硼(B)、0.006～0.012％的氮(N)、0.005％以下的氧(O)、余量的Fe及不可避免的杂质。

Description

石墨化热处理用钢材及切削性和冷锻性优异的石墨钢

技术领域

本发明涉及一种石墨化热处理用钢材及切削性和冷锻性优异的石墨钢。

背景技术

一般来说，工业机械或汽车等机械部件通常是通过切削加工工序或冷锻工序中的一种方式加工成具有复杂形状的部件。但是，为了将原材料加工成最终形状，切削工序具有加工量增加、由此导致的部件损失大、生产成本过多的问题。相反，相比切削工序，冷锻工序具有材料损失比较少，且通过简单的工序就能实施的优点，但在部件的最终形状复杂的情况下，仅通过锻造工序很难完成复杂的形状。因此，通过冷锻工序加工成与最终形状相近的形状，然后通过切削工序最终加工成复杂形状，这种方式在节约材料和减少生产成本等方面最为适宜。但是，为了在冷锻后进行切削工序，材料需要具有优异的切削性、冷锻性，但普通的钢无法满足所述物理性质。

一般，要求具备切削性的机械部件等的材料使用添加了Pb、Bi、S等具有切削性的元素的快销钢。然而，在进行切削工序时，虽然这种快销钢从表面粗糙度、芯片处理、工具寿命等钢的快削性方面来看非常有利，但利用所述快销钢进行冷锻工序时冷锻性处于劣势，因为由切削性提高元素组成的夹杂物导致的裂缝，即使微小的变形也会产生龟裂等。

而且，具有代表性的添加了Pb的快销钢在进行切削工序时会排放有毒烟气(fume)等有害物质，不仅具有对人体非常有害，而却对钢材的二次利用也很不利的问题。因此，为了代替这种快销钢，曾提出添加S、Bi、Te、Sn等元素，但添加Bi的钢材在制造过程中易发生龟裂，由此具有在生产方面非常苛刻的问题，S、Te及Sn等是在热轧时导致龟裂。

一方面，冷锻用钢具有优异的韧性和延展性，因此在进行冷锻工序时材料几乎不会发生龟裂，有利于加工成与最终形状相似的形状，但随后进行切削工序时，从芯片可处理性和工具磨损度等切削性方面考虑非常欠佳，因此存在难以使用的问题。

为解决上述问题而提出的钢就是石墨钢。石墨钢为在铁酸盐基体或铁酸盐及珠光体基体内部包含微细石墨粒的钢，其具有良好的冲击韧性和延展性，从而具有优异的冷锻性，同时其内部的微细石墨粒在切削时作为裂缝来源(source)，充当着断屑器(chipbreaker)的作用，因此所述石墨钢是同时具有良好的切削性的钢。

但是，这种石墨钢尽管拥有上述优点，但现在还没有被普及。其主要原因是尽管钢里添加碳会使石墨的性质更稳定，但由于被析出亚稳状态碳化铁，若不经过额外的长时间的热处理难以析出石墨，在这种长时间的热处理过程中会发生脱碳，对成品的性能产生负面影响。而且，即便通过石墨化热处理析出石墨粒，如果钢基体内石墨被粗略地析出，发生龟裂的可能性就会高，从而冷锻性低下，当以非球形的不规则地形状不均匀地分布时，因切削时物理性质分布不均匀，芯片可处理性或表面粗糙度会变得很差，工具寿命也会缩短，从而很难获得石墨钢的优点。因此，需要提供一种能够大幅度缩短热处理时间的同时，热处理时使微细石墨粒以规则的形状在基体内均匀分布的石墨化热处理用钢材。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的一个方面是提供一种能够大幅度缩短热处理时间的同时，使微细石墨粒以规则的形状在基体内均匀分布的石墨化热处理用钢材。

本发明的另一方面是提供一种切削性及冷锻性优异的石墨钢。

(二)技术方案

本发明的一个方面是提供一种石墨热处理用钢材，以重量％计，其包括：0.30～0.80％的碳(C)、2.0～3.0％的硅(Si)、0.01～1.00％的锰(Mn)、0.001～0.020％的铝(Al)、0.01～0.02％的镁(Mg)、0.01～0.50％的铜(Cu)、0.030％以下的磷(P)、0.030％以下的硫(S)、0.002～0.006％的硼(B)、0.006～0.012％的氮(N)、0.005％以下的氧(O)、余量的Fe和不可避免的杂质。

并且，本发明的另一个方面是提供一种切削性优秀的石墨钢，以重量％计，其包括：0.30～0.80％的碳(C)、2.0～3.0％的硅(Si)、0.01～1.00％的锰(Mn)、0.01～0.03％的铝(Al)、0.01～0.02％的镁(Mg)、0.01～0.50％的铜(Cu)、0.030％以下的磷(P)、0.030％以下的硫(S)、0.002～0.006％的硼(B)、0.006～0.012％的氮(N)、0.005％以下的氧(O)、余量的Fe和不可避免的杂质，铁酸盐基体包括面积分数为1％以上的石墨粒，所述石墨粒的平均纵横比(长轴/短轴)小于或等于1.5。

(三)有益效果

本发明的石墨钢同时具有切削性和冷锻性，优选地，可用作工业机械或汽车等的机械部件的原材料。

具体实施方式

下面，对本发明的一个方面的石墨化热处理用钢材进行详细说明。首先，对钢材的合金组成及成分范围进行详细说明。

碳(C):0.30～0.80重量％

碳是形成石墨粒的必要元素。所述碳含量小于0.30重量％的情况下，提高切削性的效果不足，相反，在其含量过多的情况下，石墨粒会被粗略地析出，从而存在冷锻性会降低的隐患。因此，所述碳含量的上限优选为0.80重量％，更优选为0.70重量％。

硅(Si)：2.0～3.0重量％

硅是制造钢锭时作为脱氧剂所必要的成分，是通过将钢中的碳化铁变得不稳定，使碳变成石墨而析出的石墨化促进元素，因此积极添加。为了实现所述效果，本发明包括所述硅的含量优选为2.0重量％，更优选为2.2重量％。相反，其含量过多不仅效果会饱和，且由于固溶强化效果，存在切削性降低，诱发根据非金属夹杂物的增加的易碎性，且热轧时诱发脱碳的隐患。因此，所述硅含量的上限优选为3.0重量％，更优选为2.8重量％。

锰(Mn):0.01～1.00重量％

锰提高钢材的强度和冲击特性，与钢中的硫(S)结合形成MnS夹杂物，从而有助于提高切削性。为了实现所述效果，本发明包括所述锰的含量优选为0.01重量％以上，更优选为0.1重量％。相反，其含量过多会抑制石墨化，从而存在延迟石墨化时间的隐患。因此，所述锰(Mn)含量的上限优选为1.00重量％，更优选为0.6重量％。

铝(Al)：0.01～0.03重量％

铝(Al)是强脱氧元素，不仅有助于脱氧，而且是促进石墨化的有用元素。铝在石墨化热处理过程中促进碳化铁分解的同时，与氮结合形成AlN，从而起到妨碍碳化铁稳定性的作用。并且，添加铝之后，钢中形成的铝氧化物将成为BN的析出核，在促进石墨结晶化方面也有效果。为了实现所述效果，本发明包括所述铝的含量优选为0.01重量％以上，更优选为0.012重量％。相反，其含量过多不仅效果会饱和，而且热变形性也会明显下降。因此，所述铝含量的上限优选为0.03重量％，更优选为0.028重量％。

镁(Mg)：0.01～0.02重量％

镁与钢中氧结合形成MgO等氧化物，这些会形成单独或与硫化物的复合夹杂物，作为石墨或BN的成核位置，并在基体内均匀分散石墨粒，使石墨粒变成球状。为了实现所述效果，本发明包括所述镁的含量优选为0.01重量％以上，更优选为0.012重量％。相反，其含量过多会出现炼钢难的问题。因此，所述镁含量的上限优选为0.02重量％，更优选为0.018重量％。

铜(Cu)：0.01～0.50重量％

铜具有使碳化铁不稳定，促进石墨化而有助于提高切削性，且改善钢的耐腐蚀性的作用。为了实现所述效果，本发明包括所述铜的含量优选为0.01重量％以上，更优选为0.05重量％。相反，其含量过多不仅效果会饱和，晶界偏析时熔点(meltingpoint)会变低，由此在投送至用于轧钢的加热炉时产生根据晶粒间脆化的表面裂纹的可能性变高，成品的冲击韧性降低。因此，所述铜含量的上限优选为0.50重量％，更优选为0.40重量％。

磷(P)：0.030重量％以下

磷是必不可少的夹杂物。虽然磷在钢中对碳的石墨化有一定的帮助，但会增加铁酸盐的硬度，在晶界偏析后使钢材的韧性和耐延迟断裂性能降低，促进表面裂纹的发生，因此优选尽可能降低其含量。虽然理论上是将磷的含量控制在0重量％时比较有利，但在制造工序中必然会包含磷。因此，重要的是管理磷含量的上限，在本发明中将其上限控制为0.030重量％。

硫(S)：0.030重量％以下

硫是必不可少的杂质。硫不仅大大妨碍钢中碳的石墨化，而且晶界偏析后降低韧性，并形成低熔点硫化物，从而阻碍热轧，因此优选控制硫含量到最低。理论上是将硫的含量控制在0重量％时比较有利，但在制造工序中必然会包含硫。因此重要的是管理硫含量的上限，在本发明中将其上限控制为0.030重量％。

硼(B)：0.002～0.006重量％

硼在钢中与氮结合形成BN，所述BN作为成核位置促进石墨化，因此积极添加。为了实现所述效果，本发明优选包括0.002重量％以上的硼，更优选地，包括0.003重量％的硼。相反，其含量过多不仅效果会饱和，而且会出现BN的晶界析出使晶界强度降低，热加工性降低的问题。因此，所述硼含量的上限优选为0.006重量％，更优选为0.005重量％。

氮(N)：0.006～0.012重量％

氮与硼、铝结合形成氮化物，以其为核生成石墨粒并生长，因此积极添加。另一方面，为了形成有效地促进石墨化的氮化物，应添加与硼和铝几乎相同的当量，但为了将这些氮化物均匀地微细分散，优选地，添加量微高于化学当量。并且，由于氮通过动态应变时效来改善芯片可处理性，因此稍微过多添加较为有利。由此，在本发明中积极添加0.006重量％以上，但添加量为0.012重量％以上时会使其效果饱和，因此所述氮含量优选控制在0.006～0.012重量％。

氧(O)：0.005重量％以下

氧与钢中的铝结合形成氧化铝。所述氧化物的生成会降低铝的有效浓度。结果是减少对石墨化有效的AIN的生成量，实质上是导致妨碍石墨化作用。不仅如此，由于生成的铝氧化物会在切削时损坏切削工具，导致切削性的降低。由此，优选尽可能降低钢中的氧含量。但是，钢中的氧含量过低，会引起炼钢过程的精炼负荷，氧含量达到0.005重量％时，由氧引起的问题不会太大，因此将其上限控制为0.005重量％。

本发明中其余成分是铁(Fe)。只是在一般制造过程中必然会从原料或周围环境中混入杂质，因此无法排除杂质。一般制造过程的技术人员都会知道这些杂质，因此不在本说明书中特别说明。

根据本发明的一个具体实施例，针对具有所述成分范围的钢材进行合金设计时，C、Si及Mn含量优选控制为满足如下关系式1。如下关系式1是表示基于C、Si及Mn含量的石墨化难易性程度的石墨化指数，当[C]+[Si]/3-[Mn]/2值过小时，石墨化速度显著降低，从而具有石墨化时间过于冗长的缺点。因此，所述[C]+[Si]/3-[Mn]/2值优选为1.0以上，更优选为1.1以上，再更优选为1.2以上。然而，当[C]+[Si]/3-[Mn]/2值过于大时，虽然从石墨化方面考虑是有利的，但热轧性显著降低，具有制造难度大的缺点。因此，所述[C]+[Si]/3-[Mn]/2值优选为2.0以下，更优选为1.9以下，再更优选为1.8以下。

[关系式1]

1.0≤[C]+[Si]/3-[Mn]/2≤2.0

其中，所述[C]、[Si]及[Mn]分别表示相应元素的重量％。

并且，根据本发明的一个具体实施例，针对具有所述成分范围的钢材进行合金设计时，B、Al及N含量优选控制为满足如下关系式2。当(3[B]+[Al])/2[N]值过于小时，B和Al的含量不足，且有助于生成石墨粒核的AlN及BN析出物的数量不足，由此可导致石墨粒分率降低，由于过量的氮，使固溶到基材的氮含量增加，从而具有导致石墨化速度降低的隐患。因此，所述(3[B]+[Al])/2[N]值优选为1.0以上。然而，当(3[B]+[Al])/2[N]值过高时，即使B和Al含量充足，但氮含量不足，从而导致有助于生成石墨粒核的AlN和BN析出物的数量不足，由此可使石墨粒分率下降。因此，所述(3[B]+[Al])/2[N]值优选为3.0以下，更优选为2.5以下，再更优选为2.0以下。

[关系式2]

1.0≤(3[B]+[Al])/2[N]≤3.0

其中，所述[B]、[Al]及[N]分别表示相应元素的重量％。

根据本发明的一个具体实施例，本发明中提供的石墨化热处理用钢材在750℃中经过120分钟的石墨化热处理后，石墨化率能够达到99％以上。即，本发明提供的石墨化热处理用钢材能够大大缩短石墨化所需时间，从而节约石墨化热处理成本。另一方面，石墨化率是指钢中所添加的碳含量与以石墨状态存在的碳含量的比值，其可通过如下关系式3来定义，石墨化99％以上意味着所添加的碳的99重量％以上均消耗在生成石墨过程当中(因铁酸盐内使用的碳含量极少，故暂不考虑)，未分解的珠光体极少存在，即意味着拥有铁酸盐及石墨粒的微结构。

[关系式3]

石墨化率(％)＝(钢中的以石墨状态存在的碳含量/钢中的碳含量)×100

如上所示，本发明的石墨化热处理用钢材可以通过多种方式来制造，本发明对其方式不作特别限制。例如，制造方法可以是，铸造拥有上述成分范围的铸锭，然后在1100～1300℃下经过5～10小时的均质化热处理，并通过在1000～1100℃下进行热轧后进行空冷的方法来制造。

下面，对本发明的另一方面的切削性及冷锻性优异的石墨钢进行详细说明。本发明的另一侧面的切削性及冷锻性优异的石墨钢具有与所述石墨化热处理用钢材相同的合金组成及成分范围，各组成成分的数值限定理由如同上述的说明内容。

另外，本发明的石墨钢中的铁酸盐基体包含面积分数为1.0％以上(更优选为1.2％以上，再更优选为1.5％以上)的石墨粒。随着石墨粒的面积分数的提高，切削性也随之提高，且对其上限不作特别限定。

所述石墨粒的平均纵横比(长轴/短轴)优选为1.5以下，更优选为1.3以下，再更优选为1.2以下。如上所述，石墨粒为球状时，加工过程中的各向异性降低，从而显著提高切削性和冷锻性。在此，石墨粒的纵横比是指在一个石墨粒内的最长轴与最短轴的比值。

根据本发明的一个具体实施例，所述石墨粒的平均晶粒大小可以是10μm以下(更优选为8μm以下，再更优选为6μm以下)，所述石墨粒的单位面积数量可以是1000～5000个/mm2。如上所述，钢材内微细石墨粒均匀分散时，所形成的石墨粒降低切削摩擦，充当形成裂缝的开始部位，从而能够显著提高切削性和冷锻性。在此，石墨粒的平均晶粒大小是指经过观察石墨钢的一个截面而检测出的颗粒的平均等效圆直径(equivalentcirculardiameter)，平均晶粒的大小越小，对切削性和冷锻性的提高就越有利，因此对其下限不作特别的限定。

如上所述的本发明的石墨钢可以通过多种方法来制造，对其制造方法不作特别的限定，例如，可以通过将石墨化热处理用钢材在730～770℃下进行超过120分钟的石墨化热处理(等温热处理)的方法来制造。所述温度范围是等温转变曲线图中的相当于石墨生成曲线的突出部分的温度范围，是能够大幅缩短热处理时间的温度范围。

下面，通过实施例详细说明本发明。但，如下实施例只是用于进一步详细说明本发明的例子，并不限定本发明的权利范围。

(实施例)

通过铸造具有如下表1中的组成成分的锭，在1250℃下进行8小时的均质化热处理后，热轧成27mm厚度并进行空气冷却，从而获得石墨化热处理用钢材。所述热轧时收尾温度为1000℃。

[表1]

接着，在750℃下对石墨化热处理用钢材进行两个小时的石墨化热处理后获得石墨钢。但，由于比较例2中的Mg含量过于高，在热轧中发生破损，因此没有另作石墨化热处理，在比较例5和6中，石墨化热处理温度各设置为600℃和800℃。之后，利用图像分析仪(imageanalyzer)测量石墨粒面积分数、平均大小及平均纵横比，并将该结果显示在表2中。此时，被检测面以9.6mm²为基准。

在此，石墨粒的面积分数、平均大小及平均纵横比的测量方法如下。将各测试样本以规定大小切割并放置在光学显微镜上，在不进行蚀刻只进行研磨的状态下，以200倍的倍数进行放大的情况下拍摄图像。此时，为了提高分析的可靠性，对每个测试样本拍摄了15张图片。通过用这种方式得到的光学显微镜图像中，能够通过明显的对比度(contrast)来明确区分铁酸盐基体和石墨粒，并利用图像分析仪测量了所述石墨粒面积分数、平均大小及平均纵横比。在此，石墨粒的平均大小是指石墨粒的平均等效圆直径(equivalentcirculardiameter)，石墨粒的纵横比是指在一个石墨粒内的最长轴与最短轴的比值。

[表2]

参考表2，可以看出石墨粒面积分数和石墨粒平均大小主要受碳含量的影响。另外，比较例1中，C含量低，石墨没有充分析出，比较例3中，Si含量过于低，石墨化时间冗长，经2个小时的热处理没有被充分析出，比较例4中，由于未添加Mg，石墨粒平均纵横比超出了本发明所建议的范围，比较例5中，由于石墨化热处理温度低，经2个小时的热处理，石墨粒没有被充分析出，比较例6中，超出了石墨化适宜温度，几乎没有产生石墨粒，冷却过程中只产生了少量石墨粒。

接着，为评价切削性，针对上述表2的石墨钢，测量了芯片可处理性、工具磨损深度及表面粗糙度，即，测量了切削加工表面的粗糙度(roughness)。为此，首先将上述表2的石墨钢加工成直径为25mm的棒状，然后再将其切削加工成自动车床。评价芯片可处理性时，芯片在2圈以下被分段就属于良好，在3～6圈被分段就属于一般，如果是7圈以上就属于不良。工具磨损深度是将180个直径为25mm的棒状加工至直径为15mm为止后测量的磨损的工具刀刃深度。此时在150mm/min的传送速度、0.05mm/rev的切削速度的条件下，使用切削液进行切削。

之后，为评价冷锻性，针对上述表2的石墨钢，制作直径10mmX、高15mm的测试样本后，测量了常温压缩时产生龟裂时的临界体积变化率的临界冷锻率。此时，临界冷锻率的测量是通过对每个测试样本进行了10次测量，并去除最大值和最小值后使用剩余的平均值进行的评价。

[表3]

参考表3，可以了解到与本发明的钢相比，比较例的大部分工具磨损程度高，芯片可处理性不良。并且，可知冷锻性也如此，比较例的钢的大部分都是处于劣势的。另外，在比较例3和4中，石墨粒的球状化程度不足，呈现出不均匀的切削性，因此表面粗糙度处于劣势。

Claims (7)

1.一种石墨化热处理用钢材，其特征在于，以重量％计，包括：0.30～0.80％的碳(C)、2.0～3.0％的硅(Si)、0.01～1.00％的锰(Mn)、0.001～0.020％的铝(Al)、0.01～0.02％的镁(Mg)、0.01～0.50％的铜(Cu)、0.030％以下的磷(P)、0.030％以下的硫(S)、0.002～0.006％的硼(B)、0.006～0.012％的氮(N)、0.005％以下的氧(O)、余量的Fe及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的石墨化热处理用钢材，其特征在于，所述C、Si及Mn的含量满足如下关系式1，

[关系式1]

1.0≤[C]+[Si]/3-[Mn]/2≤2.0

其中，所述[C]、[Si]及[Mn]分别表示相应元素的重量％。

3.如权利要求1所述的石墨化热处理用钢材，其特征在于，所述B、Al及N的含量满足如下关系式2，

[关系式2]

1.0≤(3[B]+[Al])/2[N]≤3.0

其中，所述[B]、[Al]及[N]分别表示相应元素的重量％。

4.如权利要求1所述的石墨化热处理用钢材，其特征在于，所述钢材在750℃下进行120分钟的石墨化热处理时，石墨化率为99％以上，石墨化率包括100％。

5.一种石墨钢，其特征在于，以重量％计，包括：0.30～0.80％的碳(C)、2.0～3.0％的硅(Si)、0.01～1.00％的锰(Mn)、0.01～0.03％的铝(Al)、0.01～0.02％的镁(Mg)、0.01～0.50％的铜(Cu)、0.030％以下的磷(P)、0.030％以下的硫(S)、0.002～0.006％的硼(B)、0.006～0.012％的氮(N)、0.005％以下的氧(O)、余量的Fe及不可避免的杂质，其中铁酸盐基体中包含面积分数为1％以上的石墨粒，所述石墨粒的平均纵横比，即长轴/短轴为1.5以下。

6.如权利要求5所述的石墨钢，其特征在于，所述石墨粒平均晶粒的大小为10μm以下，所述石磨粒平均晶粒的大小不包括0μm。

7.如权利要求5所述的石墨钢，其特征在于，所述石墨粒的单位面积数量为1000～5000个/mm²。