CN109207840A - 一种易切削非调质钢及其制造方法 - Google Patents

一种易切削非调质钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种易切削非调质钢，其化学元素质量百分比为：C：0.35‑0.45％；Si：0.45‑0.0.65％；Mn：1.35‑1.65％；S：0.025‑0.065％；V：0.07‑0.15％；Ti：0.01‑0.018％；N：0.012‑0.017％；Al：0.015‑0.035％；Ca：0.0008‑0.0025％；余量为铁和其他不可避免的杂质；且满足S/Ca为20‑60。此外，本发明还提出了一种上述的易切削非调质钢的制造方法，包括步骤：(1)冶炼和精炼；(2)浇铸；(3)轧制；(4)锻造；(5)两段式冷却。本发明所述的易切削非调质钢保证塑韧性的基础上，提高了材料的强度。

Description

一种易切削非调质钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种钢及其制造方法，尤其涉及一种非调质钢及其制造方法。
背景技术
非调质钢起源于第二次石油危机，在节能动力的推动下和微合金化技术的基础上,德国蒂森公司开发了第一个非调质锻钢49MnVS3。随后英、法等国的钢铁公司建立了一系列的非调质钢，并形成了国际标准牌号；近年来日本研究非调质钢最为活跃,处于世界先进水平,新日铁、神户、爱知、山阳特殊制钢等相继建立了各自的非调质钢系列。与国际相比，我国研制非调质钢的起步较晚，20世纪90年代相继开发了F45MnV、F35MnVN、35MnVS、40MnVS等钢种。
随着汽车行业的快速发展，汽车安全性、稳定性及能耗等指标要求汽车零部件可靠、环保与减重；同时，汽车零部件的加工制造以数控机床为中心，对材料的切削性能提出越来越高的要求,因此高强韧性的易切削非调质钢成为汽车零部件的最佳选择。
汽车曲轴用非调质钢是在低、中碳锰钢中添加合金元素，通过细晶强韧化，沉淀析出强化，使其强度达到调质钢的水平，同时又有一定的塑韧性。传统的易切削钢含有Pb元素，其加工性能优良，但是这种重金属元素对环境有害，随着对环保的重视，而逐步淘汰；另外一种是含硫的易切削钢，其切削加工性能随着硫含量的增加而改善，然而硫含量过高会带来轧制及锻造加工过程中的热脆现象。因此，期望一种高强韧性非调质钢,其为具有优秀切削加工性的不含Pb的易切削钢。
现有技术中公开了一种技术方案，其为含硫易切削钢，在低碳钢中添加0.35-0.65％的硫，并对硫化物的比例进行了限制，来替代含Pb的易切削钢。其硫含量较高，在曲轴的轧制或锻造过程中容易发生热脆现象。
此外,现有技术中还公开了一种技术方案,其为具有改善的切屑可处理性的机械结构用易切削钢，在钢中添加了一定的氧，并规定每平方毫米氧化物的数量不少于10。然而,过多的氧化物类夹杂物对加工过程中刀具的磨损及寿命影响较大。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种易切削非调质钢，针对现有技术中的产品强度不足，或者高强度低塑韧性的问题，该易切削非调质钢通过合金成分的调整，并结合V、N、Ti的析出强化及细晶强化作用，在不降低塑韧性的前提下，提高材料的强度。
为了实现上述目的，本发明提出了一种易切削非调质钢，其化学元素质量百分比为：
C：0.35-0.45％；Si：0.45-0.65％；Mn：1.35-1.65％；S：0.025-0.065％；V：0.07-0.15％；Ti：0.01-0.018％；N：0.012-0.017％；Al：0.015-0.035％；Ca：0.0008-0.0025％；余量为铁和其他不可避免的杂质；且满足S/Ca为20-60。
本发明所述的易切削非调质钢的各化学元素的设计原理如下所述：
C：在本发明所述的易切削非调质钢中，C对钢的强韧性影响较大，钢的塑韧性随着C的质量百分比的增加而降低，因此，C的质量百分比越低，钢的塑韧性越好，但是C元素又是保证强度的重要手段，碳的质量百分比较低时，其强度不足。因此，在本发明所述的易切削非调质钢中对C的质量百分比控制在0.35-0.45％时，既能保证较高的强度，同时塑韧性又没有明显的下降。
Si：在本发明所述的易切削非调质钢中，Si能够提高钢的强度，通过增加Si元素，能够在一定程度上提高钢的强度，但是随着Si的质量百分比的进一步增加，容易造成钢中生成马氏体组织，因此，本发明所述的易切削非调质钢对Si的质量百分比控制在0.45-0.65％。
Mn：在本发明所述的易切削非调质钢中，Mn作为合金元素除了能够提高强度之外，Mn的质量百分比在一定的范围之内还对韧性有一定的帮助。当Mn的质量百分比较低时，强度表现不足，但是当Mn的质量百分比过高时既不利于韧性，对强度的贡献也较弱，因此，Mn在本发明所述的易切削非调质钢中质量百分比控制在1.35-1.65％。
S：在本发明所述的易切削非调质钢中，S是热脆性和易切削加工性元素，已知切削加工性能随着硫的质量百分比的增加而改善，但是热加工性随着硫含量的增加而变差，因此，对于锻造本发明所述的易切削非调质钢来说，S的质量百分比不宜过多，控制S的质量百分比上限在0.065％以下。此外，当硫的质量百分比低于0.025％时，其切削性又无法体现。因此，在本发明所述的技术方案中，S的质量百分比的控制范围为0.025-0.065％。
V：V是重要的析出强化元素，加入0.1wt％左右的V，在不影响塑韧性的情况下，在铁素体和奥氏体中的析出物，较大地提高了材料的强度，V含量过低其强化效果不明显。当添加V的质量百分比高于0.15％时增加了成本，而对钢的性能提升效果不大，因此，在本发明所述的易切削非调质钢中，V的控制的质量百分比为0.07-0.15％。
Ti：在本发明所述的技术方案中，钢中添加Ti元素形成的TiN或Ti(N、C)，由于熔点较高，是稳定的第二相粒子，能够阻止奥氏体再结晶时的晶粒长大，起到细化晶粒的作用。当Ti的质量百分比低于0.01％时，在锻造过程中抑制晶粒长大的作用不是很明显，当Ti的质量百分比超过0.018％时，在晶界上析出的粒子过多，弱化了晶界，降低了材料的韧性，因此，在本发明所述的易切削非调质钢中对Ti的质量百分比控制在0.01-0.0.18％。
N：N与合金元素V、Ti等易生产氮化物或氮碳化物，将晶粒细化，进而通过析出强化来提高钢的强韧性；另一方面，钢中的N的质量百分比过高，则容易产生空隙缺陷。根据N对本发明所述的易切削非调质钢的性能影响，本案发明人将本发明所述的易切削非调质钢中N的质量百分比限定在0.012-0.017％。
Al：在本发明所述的易切削非调质钢中，Al加入钢中，一方面和Si一样在炼钢过程中脱氧，且产生的复合脱氧产物可以有效地改善切屑，另外Al与N形成的AlN颗粒可以有效的细化晶粒，避免高温加热过程中发生过热等影响材料性能的热缺陷。为获得上述效果，铝的质量百分比应该不少于0.015％，然而，当铝的质量百分比超过0.035％时，又容易在浇注的过程中发生二次氧化，因此，在本发明所述的易切削非调质钢中对Al的质量百分比限制在0.015-0.035％之间。
Ca：在本发明所述的易切削非调质钢中，Ca具有通过控制硫化物形态而改善各项异性，降低MnS的长宽比，同时对氧化物进行包裹，改善材料的切削加工性能。可以通过加入质量百分比不少于0.0008％的Ca来达到上述效果，然而，当钙的质量百分比超过0.0025％时，其收得率明显下降。因此，在本发明所述的技术方案中，对Ca的质量百分比控制在0.0008-0025％之间。
本技术方案中，S/Ca比是用来控制MnS夹杂物的形态，通过实验研究发现，当S/Ca比小于20时，钢中的MnS多以颗粒状存在于钢中，对切削断屑的作用较弱。随着S/Ca比的增加硫化物在纵向上延伸，纵横比增加，当S/Ca比超过60时，硫化物过长，对钢的力学性能又产生较大的负面影响，因此，通过控制S/Ca比在20-60之间，来达到提高本发明所述的易切削非调质钢的高强韧性和易切削性能的目的。
进一步地，在本发明所述的易切削非调质钢中，其微观组织为铁素体+珠光体。
进一步地，在本发明所述的易切削非调质钢中，根据MnS的分布特征，为了提高材料的切削加工性能，所述的易切削非调质钢其具有长条形的MnS夹杂物。
进一步地，在本发明所述的易切削非调质钢中，所述长条形MnS的长度方向与钢板的轧制方向基本一致。
进一步地，在本发明所述的易切削非调质钢中，所述长条形MnS的长宽比6.0-8.5。
进一步地，在本发明所述的易切削非调质钢中，所述长条形MnS在易切削非调质钢的钢板截面内的面积占比为1.25-1.85％。
上述方案中，MnS夹杂物在金属切削加工过程中，作为应力源，容易导致切屑断开，提高了切削效率，降低了刀具磨损。而通过试验研究发现MnS在截面上的长宽比及面积比跟切削性存在着一定的关系，进而权衡钢的力学性能与切削加工性能的关系后，将长条形MnS的长宽比控制在6.0-8.5，长条形MnS在易切削非调质钢的钢板截面内的面积占比为1.25-1.85％。
进一步地，在本发明所述的易切削非调质钢中，其抗拉强度Rm≥900MPa；屈服强度RP0.2≥550MPa，延伸率A≥18％，断面收缩率Z≥40％，冲击功AKv≥30J。
本发明的另一目的在于提供一种上述的易切削非调质钢的制造方法，采用该制造方法所获得的易切削非调质钢在相同的塑韧性水平下，比现有钢种的强度明显提高，同时，切削加工性能明显提升，特别适合于制造曲轴等汽车热锻零部件材料。
为了达到上述目的，本发明提出了一种上述的易切削非调质钢的制造方法，包括步骤：
(1)冶炼和精炼；
(2)浇铸；
(3)轧制；
(4)锻造；
(5)两段式冷却：其中第一阶段以20-30℃/min的冷却速度冷却至650℃-700℃，然后第二阶段空冷到室温。
冷却速度的设定和加热温度的选择是根据钢种的CCT曲线来设计的，当钢锻造完成以后，从高温开始冷却，以20-30℃/min的速度冷却时，在该冷却速度范围内冷却，有利于形成细小的组织，但是又必须有足够的时间让组织转变成铁素体和珠光体，因此，当冷却到650℃-700℃时，采用缓冷的形式，让组织转变完成，从而形成极细小的铁素体和珠光体片层。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在所述步骤(1)中，冶炼时控制出钢温度为1640-1660℃。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在所述步骤(2)中，控制浇铸开始温度为1530-1560℃。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在所述步骤(3)中，控制终轧温度为950-1000℃。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在所述步骤(4)中，控制终锻温度为920-960℃。
本发明所述的易切削非调质钢综合了高强度与低塑韧性之间的矛盾，创造性地利用Ti在奥氏体再结晶时的溶质阻力抑制晶粒长大，及V的析出强化作用，并提供Ti、V析出所需的N元素，在保证塑韧性的基础上，提高了材料的强度，从而使得所获得的易切削非调质钢的抗拉强度Rm≥900MPa；屈服强度RP0.2≥550MPa，延伸率A≥18％，断面收缩率Z≥40％，冲击功AKv≥30J。MnS夹杂物在纵截面上的长宽比为6.0-8.5，MnS夹杂物所占的面积为1.25-1.85％。
此外，通过本发明所述的制造方法所获得的易切削非调质钢在相同的塑韧性水平下，比现有钢种的强度明显提高，同时，切削加工性能明显提升，特别适合于制造曲轴等汽车热锻零部件材料。
附图说明
图1示意了V的质量百分比对本发明所述的易切削非调质钢的屈服强度的影响。
图2示意了V的质量百分比对本发明所述的易切削非调质钢的抗拉强度的影响。
图3示意了N的质量百分比对本发明所述的易切削非调质钢的抗拉强度的影响。
图4示意了N的质量百分比对本发明所述的易切削非调质钢的屈服强度的影响。
图5示意了N的质量百分比对本发明所述的易切削非调质钢的延伸率的影响。
图6示意了N的质量百分比对本发明所述的易切削非调质钢的冲击功的影响。
图7为实施例3的易切削非调质钢的金相组织图。
图8为实施例3的易切削非调质钢中MnS夹杂物的金相组织图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的易切削非调质钢
及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实施例1-7以及对比例1
表1列出了实施例1-7的易切削非调质钢以及对比例1的常规钢中的各化学元素的质量百分比。
表1.(wt％，余量为Fe和除了P以外的其他不可避免的杂质元素)
实施例1-7的易切削非调质钢以及对比例1的常规钢的制造方法包括步骤：
(1)冶炼和精炼：冶炼时控制出钢温度为1640-1660℃。；
(2)浇铸：控制浇铸开始温度为1530-1560℃。；
(3)轧制：控制终轧温度为950-1000℃。；
(4)锻造：控制终锻温度为920-960℃。；
(5)两段式冷却：其中第一阶段以20-30℃/min的冷却速度冷却至650℃-700℃，然后第二阶段空冷到室温。
表2列出了实施例1-7的易切削非调质钢以及对比例1的常规钢的制造方法中的具体工艺参数。
表2.
注：表2中F+P标示铁素体+珠光体。
实施例1-7的易切削非调质钢以及对比例1的常规钢进行了性能测定，并将其结果列于表3。
表3.
由表3可以看出，本案各实施例的易切削非调质钢，其抗拉强度Rm≥900MPa；屈服强度RP0.2≥550MPa，延伸率A≥18％，断面收缩率Z≥40％，冲击功AKv≥30J，其性能参数均优于对比例1的常规钢。
进一步地，将实施例1-7的易切削非调质钢与对比1的常规钢在相同的数控机床上进行车削加工，机床转速400r/min，车削1小时之后的刀具损耗量列于表4。
表4
编号 刀具损耗(mm)
实施例1-7 0.2
对比例1 0.6
由表4可以看出，本案各实施例1-7的刀具损耗均值为0.2mm，而对比例1的刀具损耗为0.6mm，本案各实施例1-7对切削刀具的损耗是对比例1的1/3。
图1示意了V的质量百分比对本发明所述的易切削非调质钢的屈服强度的影响。图2示意了V的质量百分比对本发明所述的易切削非调质钢的抗拉强度的影响。
如图1和图2所示，在V质量百分比为0.07-0.15％。对于屈服强度和抗拉强度的提升效果作为显著，综合考虑生产成本以及钢强度的提升作用，本发明所述的易切削非调质钢对V的质量百分比控制在0.07-0.15％。
图3示意了N的质量百分比对本发明所述的易切削非调质钢的抗拉强度的影响。图4示意了N的质量百分比对本发明所述的易切削非调质钢的屈服强度的影响。图5示意了N的质量百分比对本发明所述的易切削非调质钢的延伸率的影响。图6示意了N的质量百分比对本发明所述的易切削非调质钢的冲击功的影响。
如图3至图6所示，添加不同质量百分比的N对于钢性能具有不同的提升效果，综合考虑添加成本以及提升效果，本案发明人将N的质量百分比限定在0.12-0.17％，在此质量百分比范围内的N，既有利于提高钢的强度，又能使得N与合金元素V、Ti等易生产氮化物或氮碳化物，将晶粒细化，进而通过析出强化来提高钢的强韧性。此外，还能避免钢中的N的质量百分比过高，而容易产生空隙缺陷。
图7为实施例3的易切削非调质钢的金相组织图。
如图7所示，本案实施例3的易切削非调质钢的微观组织为铁素体+珠光体。
图8为实施例3的易切削非调质钢中MnS夹杂物的金相组织图。
如图8所示，实施例3中的易切削非调质钢具有长条形的MnS夹杂物，该长条形的MnS的长度方向与钢板的轧制方向基本一致，长条形MnS的长宽比在6.0-8.5，并且经测试计算得到，长条形MnS在易切削非调质钢的钢板截面内的面积占比为1.25-1.85％。
需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种易切削非调质钢，其特征在于，其化学元素质量百分比为：
C：0.35-0.45％；Si：0.45-0.65％；Mn：1.35-1.65％；S：0.025-0.065％；V：0.07-0.15％；Ti：0.01-0.018％；N：0.012-0.017％；Al：0.015-0.035％；Ca：0.0008-0.0025％；余量为铁和其他不可避免的杂质；且满足S/Ca为20-60。
2.如权利要求1所述的易切削非调质钢，其特征在于，其微观组织为铁素体+珠光体。
3.如权利要求1所述的易切削非调质钢，其特征在于，其具有长条形的MnS夹杂物。
4.如权利要求3所述的易切削非调质钢，其特征在于，所述长条形MnS的长度方向与钢板的轧制方向基本一致。
5.如权利要求3所述的易切削非调质钢，其特征在于，所述长条形MnS的长宽比6.0-8.5。
6.如权利要求3所述的易切削非调质钢，其特征在于，所述长条形MnS在易切削非调质钢的钢板截面内的面积占比为1.25-1.85％。
7.如权利要求1所述的易切削非调质钢，其特征在于，其抗拉强度Rm≥900MPa；屈服强度RP0.2≥550MPa，延伸率A≥18％，断面收缩率Z≥40％，冲击功AKv≥30J。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的易切削非调质钢的制造方法，其特征在于，包括步骤：
(1)冶炼和精炼；
(2)浇铸；
(3)轧制；
(4)锻造；
(5)两段式冷却：其中第一阶段以20-30℃/min的冷却速度冷却至650℃-700℃，然后第二阶段空冷到室温。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，冶炼时控制出钢温度为1640-1660℃。
10.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，控制浇铸开始温度为1530-1560℃。
11.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，控制终轧温度为950-1000℃。
12.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，控制终锻温度为920-960℃。
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