CN106191710A - 用于石墨化热处理的钢材及切削性优异的石墨钢 - Google Patents

Abstract

公开一种用于石墨化热处理的钢材及切削性优异的石墨钢。本发明的一个方面提供一种用于石墨化热处理的钢材，其以重量％计，包含：碳(C)：0、80～1.20％、硅(Si)：2.0～3.0％、锰(Mn)：0.01～1.00％、铝(Al)：0.01～0.03％、镁(Mg)：0.01～0.02％、铜(Cu)：0.01～0.5％、磷(P)：0.030％以下、硫(S)：0.01％～0.35％、硼(B)：0.002～0.006％、氮(N)：0.006～0.012％、氧(O)：0.010％以下、残余的铁(Fe)以及不可避免的杂质。

Description

用于石墨化热处理的钢材及切削性优异的石墨钢

技术领域

本发明涉及一种用于石墨化热处理的钢材及切削性优异的石墨钢。

背景技术

作为要求具备优异的切削性的工业机械或汽车等的机器配件中使用的钢材，一般使用添加了Pb、Bi、S等切削性赋予元素的易切削钢。

但是，像作为典型的易切削钢的Pb易切削钢的情况，由于进行切削作业时排放有毒烟雾，因此对人体有害且非常不利于钢材的再利用。因而，为了替代Pb易切削钢，提出了添加S、Bi、Te、Sn等元素的钢材，然而添加Bi的钢材在制造过程中容易产生龟裂，因此生产非常困难，而且S、Te以及Sn等元素在热轧过程中会产生龟裂。

为了解决上述的问题而提出的钢就是石墨钢。石墨钢是在铁素体基体或铁素体以及珠光体基体的内部包含微细的石墨粒的钢，由于石墨具有润滑性优异并且原子层间结合力弱的结构，因此进行切削时作用为断裂源(source)并起到断屑槽(chip breaker)的作用，由此提高切削性。

但是，尽管石墨钢具有这些优点，但是目前石墨钢还没有被商用化。这是由于如果在钢中添加碳，尽管石墨是稳定状态，但还是以不稳定状态的碳化铁的形式析出，从而不经过另外的长时间的热热处理过程，则难以析出石墨，而且在长时间的热热处理过程中会产生脱碳，从而产生对产品的最终性能起到不利影响的弊端。不仅如此，虽然通过石墨的析出来提高了钢的切削性，但是至今还没有确保能够超越现有的Pb易切削钢的切削性，。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的一个方面，其目的在于提供一种用于石墨化热处理的钢材，其可以大幅缩短石墨化热处理时间，且进行所述热热处理时，使微细的石墨粒可以在基体内以规则的形状均匀分布。

本发明的另外一个方面，其目的在于提供一种切削性优异的石墨钢。

(二)技术方案

本发明的一个方面提供一种用于石墨化热处理的钢材，以重量％计，包含：碳(C)：0.80～1.20％、硅(Si)：2.0～3.0％、锰(Mn)：0.01～1.00％、铝(Al)：0.01～0.03％、镁(Mg)：0.01～0.02％、铜(Cu)：0.01～0.50％、磷(P)：0.030％以下、硫(S)：0.01％～0.35％、硼(B)：0.002～0.006％、氮(N)：0.006～0.012％、氧(O)：0.010％以下、余量的铁(Fe)以及不可避免的杂质。

并且，本发明的另外一个方面提供一种石墨钢，以重量％计，包含：碳(C)：0.80～1.20％、硅(Si)：2.0～3.0％、锰(Mn)：0.01～1.00％、铝(Al)：0.01～0.03％、镁(Mg)：0.01～0.02％、铜(Cu)：0.01～0.50％、磷(P)：0.030％以下、硫(S)：0.01％～0.35％、硼(B)：0.002～0.006％、氮(N)：0.006～0.012％、氧(O)：0.010％以下、余量的铁(Fe)以及不可避免的杂质，在铁素体基体上以面积分数计，包含3％以上的石墨粒和1.0％以上的MnS夹杂物，且所述石墨粒的平均纵横比(长轴/短轴)为1.5以下。

(三)有益效果

本发明的石墨钢的切削性非常优异，从而可以优选地应用为工业机械或汽车等的机器配件的材料。

具体实施方式

以下，对本发明的一个方面的用于石墨化热处理的钢材进行详细说明。首先，对钢材的合金成分以及成分范围进行详细说明。

碳(C)：0.80～1.20重量％

碳是通过石墨粒的形成来提高切削性的元素。在本发明中为了体现这样的效果，优选包含0.80重量％以上的碳。但是，在碳的含量过多的情况下，存在热轧性能显著降低等制造上的困难。因而，所述碳含量的上限优选为1.20重量％，更优选为1.10重量％。

硅(Si)：2.0～3.0重量％

硅是制造钢液时作为脱氧剂所需的成分，而且是使钢中的碳化铁变得不稳定而使碳以石墨的形式析出的石墨化促进元素，因此需要积极添加。在本发明中为了体现这样的效果，所述硅的含量优选为2.0重量％以上，更优选为2.2重量％以上。相反，在硅的含量过多的情况下，则不尽其效果被饱和，而且因固溶强化效应而降低切削性，且引起根据非金属夹杂物的增加的脆化，进行热轧时产生脱碳。因而，所述硅含量上限优选为3.0重量％。

锰(Mn)：0.01～1.00重量％

锰提高钢材的强度以及冲击特性，锰与钢中的硫结合，形成MnS夹杂物，并有助于切削性的提高。在本发明中为了体现这些效果，所述锰的含量优选为0.01重量％以上，更优选为0.05重量％以上，再更加优选为0.1重量％以上。相反，如果锰的含量过多，会阻碍石墨化，由此具有石墨化时间被延迟的忧虑。因而，所述锰含量的上限优选为1.00重量％，更优选为0.8重量％。

铝(Al)：0.01～0.03重量％

铝是强力的脱氧元素，不仅有助于脱氧，而且是促进石墨化的有用的元素。进行石墨化热处理时，促进碳化铁的分解的同时，与氮结合而形成AlN，从而起到妨碍碳化铁的稳定性的作用。并且，通过铝的添加在钢中形成的铝氧化物也可以作为BN的析出核，且在促进石墨的结晶化方面有效。在本发明中为了体现这些效果，所述铝的含量优选为0.01重量％以上。相反，在其含量过多的情况下，不仅其效果被饱和，而且具有热变形显著降低的问题。因而，所述铝含量的上限优选为0.03重量％。

镁(Mg)：0.01～0.02重量％

镁与钢中的氧结合形成MgO等的氧化物，这些形成单独的或与硫化物的复合夹杂物，由此作用为石墨或BN的核生成点，且起到在基体内均匀分散石墨粒，且对石墨粒进行球化的作用。在本发明中为了体现这样的效果，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，在其含量过多的情况下，具有难以制造钢的问题。因而，所述镁含量的上限优选为0.02重量％，且更优选为0.018重量％。

铜(Cu)：0.01～0.50重量％

铜起到使碳化铁不稳定，促进石墨化并有助于切削性的提高，且改善钢的腐蚀阻力的作用。在本发明中为了体现这些效果，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，在其含量过多的情况下，不仅其效果被饱和，而且进行晶间偏析时熔点(melting point)降低，由此提高通过用于轧钢的加热来装入时产生根据晶粒间脆化的表面瑕疵的可能性，且在最终的产品中的冲击韧性会降低。因而，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

磷是不可避免地被含有的杂质。虽然磷在一定程度上有助于钢中的碳的石墨化，但是其增加铁素体的硬度，偏析在晶粒间并减小钢材的韧性以及延迟破坏的抵抗性，且提高表面瑕疵的产生，因此优选地将其含量控制在尽可能低的程度。理论上最好将磷的含量控制为0重量％，然而在制造工序上必然被含有。因而关键是管理其含量上限，在本发明中将其含量上限管理为0.030重量％。

硫(S)：0.01～0.35重量％

通常硫偏析在晶粒间并降低韧性，且形成低熔点的硫化物并妨碍热轧，因此被看作为杂质，然而在本发明中为了诱导MnS的形成而刻意添加0.01重量％以上的所述硫，优选地添加0.1重量％以上的所述硫。但是，在其含量过多的情况下，不仅其效果被饱和，而且制造工序上困难，因此优选地将其含量上限管理为0.35重量％，更优选地管理为0.32重量％。

硼(B)：0.002～0.006重量％

硼与钢中的氮结合并形成BN，所述BN作用为石墨的核生成点并促进石墨化，因此积极添加硼。在本发明中为了体现这些效果，优选地添加0.002重量％以上的所述硼。但是，在其含量过多的情况下，不仅其效果被饱和，而且因BN的晶间析出而具有降低晶间强度，热加工性降低的问题。因而，所述硼的含量上限优选为0.006重量％，更优选为0.005重量％。

氮(N)：0.006～0.012重量％

氮与硼、铝结合并形成氮化物，并将其作为核进行石墨粒的生成和成长，因此积极添加氮。另一方面，为了形成对石墨化的促进有效的氮化物而添加与硼、铝的当量几乎相近的氮，然而为了将这些氮化物均匀而细微地分散，优选添加比化学当量稍微高的量。并且，氮是通过动态的变形时效来改善切削处理性，因此稍微过多添加是有利的。因这些理由，在本发明中积极添加0.006重量％以上，然而在添加0.012重量％以上的情况下，由于其效果被饱和，因此优选地将所述氮的含量限制在0.006～0.012重量％。

氧(O)：0.010重量％以下

氧与钢中的铝结合并形成铝氧化物。这种氧化物的生成会减小铝的有效浓度。结果，减少对石墨的结晶化有效的AlN的生成量，因而实质上导致了妨碍石墨化作用的结果。不仅如此，所生成的铝氧化物在进行切削时损坏切削工具，因此导致切削性的降低。因这些理由，优选地将钢中的氧的含量管理为尽量低的程度。但是，将钢中的氧的含量管理为过低的程度的情况下，导致制钢工序的精炼负荷，在0.010重量％时由氧引起的问题并不很明显，因此优选地将其含量的上限管理为0.010重量％，更优选地管理为0.008重量％。

本发明的剩余的成分是铁(Fe)。但是，在通常的制造过程中，不可避免地混入来自原料或周围环境的杂质，因此不能排除所述铁。关于这点只要是通常的制造过程中的技术人员都会知道，因此在本说明书中没有特别提到这方面的所有内容。

根据本发明的一个具体实施例，进行具有如上所述的成分范围的钢材的合金设计时，更优选地控制C、Si以及Mn的含量，以便使其满足下述的关系式1。下述关系式1是表示根据C、Si以及Mn的含量的石墨化的容易程度的石墨化指数，在[C]+[Si]/3-[Mn]/2的值过低的情况下，石墨化速度会显著降低，由此具有石墨化时间过度延长的缺点。因而，所述[C]+[Si]/3-[Mn]/2的值优选为1.0以上，更优选为1.2以上，再更加优选为1.4以上。但是，[C]+[Si]/3-[Mn]/2的值过大的情况下，虽然在石墨化方面上是有利的，但是热轧性显著降低，由此具有难以制造的缺点。因而，所述[C]+[Si]/3-[Mn]/2的值优选为2.0以下，更优选为1.9以下，再更加优选为1.8以下。

[关系式1]

1.0≤[C]+[Si]/3-[Mn]/2≤2.0

其中，[C]、[Si]以及[Mn]分别表示对应元素的含量(重量％)。

根据本发明的一个具体实施例，进行具有如上所述的成分范围的钢材的合金设计时，更优选地控制Mn和S的含量，以便使其满足下述的关系式2。在本发明中通过石墨的析出来提高钢材的切削性的同时，析出MnS夹杂物来进一步提高切削性。像硫的情况，如上所述，其在钢材中不以MnS夹杂物的形式析出，而是单独析出在晶粒间的情况下，可能产生各种副作用，因此优选地，在钢材中将硫尽可能地以MnS夹杂物的形式析出。下述关系式2是通过化学计算来导出能够极大化MnS夹杂物的形成的条件的式，在不满足下述关系式2的情况下，可能产生韧性降低等问题。

[关系式2]

0<[Mn]-1.7[S]≤0.3

其中，[Mn]和[S]分别表示对应元素的含量(重量％)。

根据本发明的一个具体实施例，本发明中提供的用于石墨化热处理的钢材在750℃的环境下进行120分钟的石墨化热处理，然后石墨化率可以达到99％以上。即，本发明中提供的用于石墨化热处理的钢材可以大幅缩短石墨化所需的时间，由此具有可以节约用于石墨化的热热处理费用的优点。另一方面，石墨化率是指钢中所添加的碳含量与在钢中以石墨的状态存在的碳含量的比值，所述石墨化率由下述关系式3定义，99％以上被石墨化是指所添加的碳的99％以上已被用于生成石墨(因铁素体内固溶碳量极少，因此不考虑)，表示存在极其微量的未分解的珠光体，即，具有铁素体和石墨粒的微细组织。

[关系式3]

石墨化率(％)＝(钢中以石墨状态存在的碳含量/钢中碳含量)×100

以上说明的本发明的用于石墨化热处理的钢材可以通过多种方法来制造，在本发明中没有特别限定其制造方法。例如，铸造具有所述的成分范围的锭之后，在1100～1300℃的环境下进行5～10个小时的均质化热处理，在1000～1100℃的环境下进行热轧之后通过空冷的冷却方式来制造。

以下，对于本发明的另一个方面的切削性优异的石墨钢进行详细说明。本发明的另一个方面的切削性优异的石墨钢的合金成分及成分范围与与所述的用于石墨化热处理的钢材相同，且各成分的数值限定理由也与上述的理由相同。

另一方面，本发明的石墨钢在铁素体基体上包含石墨粒和MnS夹杂物。此时，所述石墨粒的含量以面积分数计，优选为3.0％以上，更优选为3.2％以上，所述MnS夹杂物的含量，优选为0.5％以上，更优选为0.7％以上，再更加优选为1.0％以上。另一方面，石墨粒和MnS夹杂物的面积分数越高，石墨钢的切削性也越高，其上限没有特别限定。

此时，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。所述石墨粒以如上所述的方式被球化的情况下，加工时的各向异性降低，从而显著提高切削性和冷锻性。

根据本发明的一个具体实施例，所述石墨粒的平均晶粒的大小可以为10μm以下，更优选为9μm，再更加优选为8μm以下。并且，根据本发明的一个具体实施例，所述石墨粒的单位面积的数量可以为1000～5000个/mm²。如上所述，钢材内的微细的石墨粒均匀分散的情况下，所形成的石墨粒减小切削摩擦，且作用为裂纹起始位置，从而可以显著提高切削性和冷锻性。其中，石墨粒的平均晶粒的大小是指观察石墨钢的一个端面并检测的粒子的平均等效圆直径(equivalentcircular diameter)，且平均晶粒的大小越小则越有利于切削性和冷锻性的提高，因此对于其下限没有特别定义。

以上说明的本发明的石墨钢可以通过多种方法来制造，虽然对其制造方法没有特别限制，但例如，可以通过将用于石墨化热处理的钢材在730～770℃的环境下进行120分钟左右的石墨化热处理(恒温热处理)来制造。所述的温度区域是等温转变曲线中对应于石墨生成的突出部位(nose)的温度区域，其属于可以大幅缩短热处理时间的温度区域。

以下，通过实施例详细说明本发明。但是，以下的实施例只是用于更加详细说明本发明的例子，本发明的权利范围并不限定于此。

(实施例)

铸造具有下述的表1表示的成分组成的锭之后，在1250℃的环境下进行8个小时的均质化热处理，然后热轧成27mm的厚度之后通过空冷的冷却方式获得用于石墨化热处理的钢材。其中，进行所述热轧时的收尾温度是1000℃。

[表1]

然后，将所述用于石墨化热处理的钢材在750℃的环境下进行两个小时的石墨化热处理并获得石墨钢。但是，像比较钢5的情况，由于其中硫(S)的含量过高，因此进行热轧时产生损坏，从而没有进行单独的热处理，像比较钢6的情况，将进行石墨化热处理的温度设定为600℃。然后，利用图像分析仪(image analyzer)测量MnS夹杂物的面积分数、石墨粒的面积分数、石墨粒的平均大小以及石墨粒的平均纵横比，并将其结果表示在表2中。此时，被检面以9.6mm²为基准。

其中，石墨粒的面积分数、平均大小以及平均纵横比的测量方法如下。将各个试片以一定的大小切割并安装在光学显微镜上，然后在不进行蚀刻而只进行研磨的状态下拍摄了200倍的放大倍数下的图片。此时，为了提高分析的可靠性，每个试片各拍摄了15张的图片。在这样获得的光学显微镜图片中，根据清晰的对比度(contrast)的差距能够明确区分铁素体基体和石墨粒，且通过图像分析软件来测量所述石墨粒的面积分数、平均大小以及平均纵横比。其中，石墨粒的平均大小是指石墨粒的平均等效圆直径(equivalent circulardiameter)，石墨粒的纵横比是指在一个石墨粒内的最长轴与最短周的比值。

[表2]

参照表2可知，石墨粒的面积分数和石墨粒的平均大小主要受到碳含量的影响。另一方面，像比较例1的情况，由于C的含量过低，因此没有充分析出石墨，像比较例2的情况，由于C的含量过低，因此石墨化时间被延迟了很长时间，因此通过两个小时的热处理没有充分析出石墨粒，像比较例6的情况，由于进行石墨化热处理的温度低，因此仅通过两个小时的热处理没有充分析出石墨粒。

然后，为了评价切削性，以所述表2的石墨钢为对象，测量切削处理性、工具的磨损深度以及表面粗度，即，测量切削加工面的粗糙度(roughness)。为此，首先将表2的石墨钢加工成25mm的棒状，然后通过自动车床对所述石墨刚进行了切削加工。评价切削处理性时，若切削在两圈以下分段则判定为优秀，在3～6圈分段则判定为一般，在7圈以上分段则判定为差。工具的磨损深度是将180个直径为25mm的棒状加工成直径为15mm的棒状后测量工具刃的深度来获得。此时在150mm/min的移送速度，0.05mm/rev的切削速度的切削条件下使用切削油来进行。

[表3]

参照表3可知，与发明钢相比，大部分的比较钢的工具的磨损程度大，且切削热处理性差。像比较例3的情况，可以确认由于石墨粒和MnS的面积分数高，因此切削处理性优异，但是与发明例相比工具的磨损程度差。这是缘于因所添加的Si的含量高，由此通过固溶强化的铁素体的硬度提高。根据实际的硬度的测量结果，发明例的情况均为180Hv以下，而比较例3的情况被测量为210Hv。并且，如比较例2和比较例4所示，可以确认在石墨粒和MnS的面积分数不充分的情况下，切削处理性相对差并且工具的磨损程度大。

Claims (7)

1.一种用于石墨化热处理的钢材，以重量％计，包含：碳(C)：0.80～1.20％、硅(Si)：2.0～3.0％、锰(Mn)：0.01～1.00％、铝(Al)：0.01～0.03％、镁(Mg)：0.01～0.02％、铜(Cu)：0.01～0.50％、磷(P)：0.030％以下、硫(S)：0.01％～0.35％、硼(B)：0.002～0.006％、氮(N)：0.006～0.012％、氧(O)：0.010％以下、余量的铁(Fe)以及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的用于石墨化热处理的钢材，所述C、Si以及Mn的含量满足下述关系式1：

[关系式1]

1.0≤[C]+[Si]/3-[Mn]/2≤2.0

其中，[C]、[Si]以及[Mn]分别表示对应元素的含量(重量％)。

3.根据权利要求1所述的用于石墨化热处理的钢材，所述Mn和S的含量满足下述关系式2：

[关系式2]

0<[Mn]-1.7[S]≤0.3

其中，[Mn]和[S]分别表示对应元素的含量(重量％)。

4.根据权利要求1所述的用于石墨化热处理的钢材，所述钢材在750℃的环境下进行120分钟的石墨化热处理之后，石墨化率达到99％以上。

5.一种石墨钢，以重量％计，包含：碳(C)：0.80～1.20％、硅(Si)：2.0～3.0％、锰(Mn)：0.01～1.00％、铝(Al)：0.01～0.03％、镁(Mg)：0.01～0.02％、铜(Cu)：0.01～0.50％、磷(P)：0.030％以下、硫(S)：0.01％～0.35％、硼(B)：0.002～0.006％、氮(N)：0.006～0.012％、氧(O)：0.010％以下、余量的铁(Fe)以及不可避免的杂质，

在铁素体基体上以面积分数计，包含3％以上的石墨粒和1.0％以上的MnS夹杂物，且所述石墨粒的平均纵横比，即长轴/短轴为1.5以下。

6.根据权利要求5所述的石墨钢，所述石墨粒的平均晶粒大小为10μm以下，0μm除外。

7.根据权利要求5所述的石墨钢，所述石墨粒的每单位面积的数量为1000～5000个/mm²。