CN109943772B - 石墨钢用钢材及改善切削性的石墨钢 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨钢用钢材及改善切削性的石墨钢。根据本发明的一个实施例的石墨钢用钢材，其以重量％计包含C：0.60％至0.90％、Si：2.0％至2.5％、Mn：0.1％至0.6％、Al：0.01％至0.05％、Ti：0.005％至0.02％、N：0.0030％至0.0100％、P：小于等于0.015％(0除外)、S：小于等于0.030％(0除外)、余量的Fe及其他不可避免的杂质。

Description

石墨钢用钢材及改善切削性的石墨钢

技术领域

本发明涉及改善切削性的石墨钢。更具体地，本发明涉及一种石墨钢用钢材及包含均匀微细的石墨的改善切削性的石墨钢。

背景技术

通常，作为需具有切削性的机械零部件等材料会使用加入Pb、Bi、S等易切削元素的易切削钢。对于最典型的易切削钢，即加入Pb的易切削钢，切削操作时会排放毒性烟雾(fume)等有害物质，对人体非常有害，还存在对钢材的再利用也非常不利的问题。因此，为了解决这些问题提出了加入S、Bi、Te、Sn等的方案，但是加入Bi的钢材在制造时容易产生龟裂，存在生产非常困难的问题，而加入S、Te及Sn的钢材也存在热轧时产生龟裂的问题。

为了解决如上所述的问题而提出的钢就是石墨钢。石墨钢是铁素体基体或铁素体和珠光体基体内部包含微细石墨颗粒的钢，内部的微细石墨颗粒在切削时成为裂纹源(source)起到断屑(chip breaker)的作用，从而具有切削性也良好的性质。

然而，尽管石墨钢具有这些优点，目前石墨钢还没有普及。这是因为，当钢中加入碳时，尽管石墨是稳定相，还是会以亚稳相即渗碳体形式析出，如不加以进行10小时以上的长时间热处理则难以使石墨析出，而在如此长时间的热处理过程中会发生脱碳，对最终产品的性能产生不良影响。

不仅如此，即便通过石墨化热处理使石墨颗粒析出，如果在钢的基体内石墨粗大析出，则产生龟裂的可能性也会变高，并且如果石墨颗粒不是球状，而是以不规则形状不均匀分布，则切削时性能分布不均匀导致断屑性或表面粗糙度变得非常差，工具寿命也会缩短，从而难以获得石墨钢的优点。

因此，需要一种大幅缩短热处理时间且热处理时可使微细石墨颗粒在基体内以有规则的形状均匀分布的石墨钢用钢材及由此导出的改善切削性的石墨钢。

发明内容

技术问题

本发明一方面旨在提供一种大幅缩短热处理时间且热处理时可使微细石墨颗粒在基体内以有规则的形状均匀分布的石墨钢用钢材。

本发明另一方面旨在提供一种切削性优异的石墨钢。

技术方案

根据本发明的一个实施例的石墨钢用钢材，其以重量％计包含C：0.60％至0.90％、Si：2.0％至2.5％、Mn：0.1％至0.6％、Al：0.01％至0.05％、Ti：0.005％至0.02％、N：0.0030％至0.0100％、P：小于等于0.015％(0除外)、S：小于等于0.030％(0除外)、余量的Fe及其他不可避免的杂质。

此外，根据本发明的一个实施例，所述石墨钢用钢材满足下述式(1)。

式(1)：-0.01≤[Ti]-3.43×[N]≤0.01

其中，[Ti]、[N]各自表示该元素的重量％。

此外，根据本发明的一个实施例，所述石墨钢用钢材满足下述式(2)。

式(2)：400≤3.1+169.0×[Si]+127.7×[Mn]≤500

其中，[Si]及[Mn]各自表示该元素的重量％。

根据本发明的一个实施例的改善切削性的石墨钢，其以重量％计包含C：0.60％至0.90％、Si：2.0％至2.5％、Mn：0.1％至0.6％、Al：0.01％至0.05％、Ti：0.005％至0.02％、N：0.0030％至0.0100％、P：小于等于0.015％(0除外)、S：小于等于0.030％(0除外)、余量的Fe及其他不可避免的杂质，并且铁素体基体中包含以面积分数计大于等于2.0％的石墨颗粒，所述石墨颗粒的平均长宽比可小于等于2.0。

其中，石墨颗粒的长宽比是指一个石墨颗粒的最长轴与最短轴之比。

此外，根据本发明的一个实施例，所述改善切削性的石墨钢满足下述式(1)。

式(1)：-0.01≤[Ti]-3.43×[N]≤0.01

其中，[Ti]、[N]各自表示该元素的重量％。

此外，根据本发明的一个实施例，所述改善切削性的石墨钢满足下述式(2)。

式(2)：400≤3.1+169.0×[Si]+127.7×[Mn]≤500

其中，[Si]及[Mn]各自表示该元素的重量％。

此外，根据本发明的一个实施例，所述石墨颗粒的平均颗粒尺寸可小于等于5μm。

此外，根据本发明的一个实施例，所述石墨颗粒的每单位面积数量可为1000个/mm²至5000个/mm²。

此外，根据本发明的一个实施例，所述石墨钢的硬度可为70HRB至80HRB。

有益效果

根据本发明的石墨钢，由于切削性优异，可应用于工业机械或汽车等的机械零部件的材料。

具体实施方式

根据本发明的一个实施例的石墨钢用钢材，其以重量％计包含C：0.60％至0.90％、Si：2.0％至2.5％、Mn：0.1％至0.6％、Al：0.01％至0.05％、Ti：0.005％至0.02％、N：0.0030％至0.0100％、P：小于等于0.015％(0除外)、S：小于等于0.030％(0除外)、余量的Fe及其他不可避免的杂质。

下述实施例是为了向本发明所属技术领域的普通技术人员充分传达本发明的技术思想而提供的。本发明不限于下述实施例，能够以其他方式实施。为了使本发明清楚起见，附图中省略了与说明无关的部分，并略微放大示出了构成要素的尺寸，以便于理解。

在通篇说明书中，某一部分“包含”某一构成要素时，除非有特别相反的记载，否则表示还可包含其他构成要素，并不是排除其他构成要素。

除非上下文中另有说明，否则单数形式也意在包括复数形式。

下面描述石墨化热处理时可使微细石墨颗粒在基体内以有规则的形状均匀分布的钢材。

下面参照附图详细说明根据本发明的实施例。首先，对石墨钢用钢材进行说明后，再对改善切削性的石墨钢进行说明。

根据本发明的一个方面的石墨钢用钢材，其以重量％计包含C：0.60％至0.90％、Si：2.0％至2.5％、Mn：0.1％至0.6％、Al：0.01％至0.05％、Ti：0.005％至0.02％、N：0.0030％至0.0100％、P：小于等于0.015％(0除外)、S：小于等于0.030％(0除外)、余量的Fe及其他不可避免的杂质。

下面说明限制本发明的实施例中的合金成分含量的理由。下文中单位是重量％，除非另有说明。

C的含量为0.60％至0.90％。

碳(C)是用于形成石墨颗粒的必要元素。如果碳的含量小于0.60重量％，则切削性改善效果不足，并且石墨化结束时石墨颗粒的分布也不均匀。相反地，如果碳的含量过多，则石墨颗粒粗大生成，长宽比变大，进而切削性下降，尤其是表面粗糙度下降。因此，碳含量的上限可以限制为0.90重量％。

Si的含量为2.0％至2.5％。

硅(Si)是制造钢水时作为脱氧剂必要的成分，硅作为使钢中渗碳体变得不稳定让碳以石墨形式析出的石墨化促进元素，优选加入大于等于2.0重量％。但是，如果硅的含量过多，不仅造成其效果饱和，还会因固溶强化效果而导致硬度增加，进而切削时加快工具磨损，并且引发非金属夹杂物的增加所导致的脆性，热轧时导致过度脱碳。因此，硅含量的上限可以限制为2.5重量％。

Mn的含量为0.1％至0.6％。

锰(Mn)提高钢材的强度及冲击特性，并与钢中的硫结合而形成MnS夹杂物，对改善切削性做出贡献，因此优选加入大于等于0.1重量％。但是，如果锰的含量过多，就会妨碍石墨化，存在延迟石墨化结束时间的可能性，而且会提高强度和硬度导致工具磨损深度下降。因此，锰含量的上限可以限制为0.6重量％。

Al的含量为0.01％至0.05％。

铝(Al)是强有力的脱氧元素，不仅对脱氧做出贡献，还会促进石墨化。铝在石墨化热处理时促进渗碳体的分解，同时与氮结合而形成AlN，从而妨碍渗碳体的稳定化起到促进石墨化的作用。不仅如此，加入铝而形成的铝氧化物成为石墨的析出核，从而有效地促进石墨的结晶化，因此优选加入大于等于0.01重量％。但是，如果铝的含量过多，不仅造成其效果饱和，而且热变形性明显下降。此外，如果铝过多，则在奥氏体晶界生成AlN，进而以AlN为核的石墨在晶界不均匀分布。因此，铝含量的上限可以限制为0.05重量％。

Ti的含量为0.005％至0.02％。

钛(Ti)和硼、铝等一起与氮结合生成TiN、BN、AlN等氮化物，这些氮化物在恒温热处理时成为生成石墨的核。但是，BN、AlN等由于生成温度低，在形成奥氏体后，向晶界不均匀析出，而TiN由于生成温度高于AlN或BN，在奥氏体生成完之前结晶化，因而均匀地分布在奥氏体晶界及晶内。因此，以TiN为成核点所生成的石墨颗粒也会微细且均匀地分布。为了显示出这种效果，优选加入大于等于0.005重量％，但是如果钛的含量过多，就会成为粗大的碳氮化物，从而消耗掉形成石墨所需的碳，进而损害石墨化。因此，钛含量的上限可以限制为0.02重量％。

N的含量为0.0030％至0.0100％。

氮(N)与钛、硼、铝结合而生成TiN、BN、AlN等，尤其BN、AlN等氮化物主要形成在奥氏体晶界。当石墨化热处理时，由于以这些氮化物为核形成石墨，可能会导致石墨的不均匀分布，因此有必要加入适量的氮。如果氮加入量过多，有些氮不能与氮化物形成元素结合，而是以固溶氮形式存在于钢中，则起到提高强度以及使渗碳体稳定化而延迟石墨化的有害作用。因此，在本发明中将氮含量的下限限制为0.0030重量％，而上限限制为0.0100重量％，其理由是使氮消耗在用于形成成为石墨核生成点的氮化物，而不是以固溶氮残留。

P的含量小于等于0.015％。

磷(P)是不可避免含有的杂质。虽然磷削弱晶界一定程度上有助于切削性，但是由于相当大的固溶强化效果，致使铁素体的硬度增加，降低钢材的韧性和抗延迟断裂性，促使表面缺陷产生，因此优选将磷的含量控制成尽可能低。在理论上，将磷的含量控制成0重量％更有利，但是制造工艺上必然会含有磷。因此，重要的是控制磷含量的上限，本发明中磷含量的上限控制为0.015重量％。

S的含量小于等于0.030％。

硫(S)是不可避免含有的杂质。硫不仅严重阻碍钢中碳的石墨化，而且向晶界偏析导致韧性下降，还会形成低熔点硫化物损害热轧性，因此优选将硫的含量控制成尽可能低。当硫的含量过多时，因生成MnS而具有切削性改善效果，但是因轧制而延伸的MnS导致出现机械各向异性。在本发明中，在不引起机械各向异性且改善切削性的范围内加入S，以引导MnS的生成。将硫的含量控制成0重量％更有利，但是制造工艺上必然会含有磷。因此，重要的是控制磷含量的上限，本发明中磷含量的上限控制为0.030重量％。

本发明的余量成分是铁(Fe)。但是，常规制造过程中会不可避免地混入来自原料或周围环境的意想不到的杂质，因此无法排除混入杂质。这些杂质是常规制造过程的技术人员任何人都知道的杂质，因此相关的所有内容本说明书中不再赘述。

此外，根据本发明的一个实施例，满足前述的合金组分的石墨钢用钢材可满足下述式(2)。

式(2)：400≤3.1+169.0×[Si]+127.7×[Mn]≤500

其中，[Si]、[Mn]各自表示该元素的重量％。

在石墨化热处理后的钢材即石墨钢中，硬度、拉伸强度及延展性受到Si、Mn的加入量的影响，因此为了获得在断屑性、表面粗糙度及工具磨损度方面能得到满足的切削性，3.1+169.0×[Si]+127.7×[Mn]值优选满足大于等于400小于等于500的范围。

如果3.1+169.0×[Si]+127.7×[Mn]值小于400，则拉伸强度降低，软质材料的特性上切削时表面粗糙度会变得不良或者断屑性会下降，而如果该值大于500，则硬度值变高，切削时工具磨损程度会变得严重。

根据本发明的一个实施例，满足前述的合金组分的石墨钢用钢材可满足下述式(1)。

式(1)：-0.01≤[Ti]-3.43×[N]≤0.01

其中，[Ti]、[N]各自表示该元素的重量％。

如果[Ti]-3.43×[N]值小于-0.01，则生成TiN后残留的过量氮固溶于钢中使渗碳体稳定化，存在延迟石墨化的可能性。因此，优选所述[Ti]-3.43×[N]值大于等于-0.01，但是如果[Ti]-3.43×[N]值过大，则钢中会过量存在没有生成为TiN的余量的Ti。由于余量的Ti会形成粗大的碳氮化物，从而消耗掉形成石墨的碳，进而减少石墨分数或者可能会生成粗大的石墨，因此优选[Ti]-3.43×[N]值小于等于0.01。

根据所公开的实施例的石墨钢用钢材在730℃～770℃下石墨化热处理300分钟后，石墨化率可达到99％以上。

石墨化率是指加入钢中的碳含量与以石墨状态存在的碳含量之比，可以由下述式(3)表示。

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

99％以上石墨化是指加入的碳都消耗在用于生成石墨(铁素体内固溶碳量极少不予考虑)，表示具有不存在未分解的珠光体，即石墨颗粒分布在铁素体基体的显微组织。

可以通过各种方法制造上面说明的本发明的石墨钢用钢材，本发明中对制造方法不做特别限制。例如，铸造具有上述的成分范围的铸坯后，在1100℃～1300℃下进行均质化热处理5小时～10小时，再于1000℃～1100℃下进行热轧后空冷，由此可以制造出石墨钢用钢材。

下面详细说明根据本发明的另一个方面的改善切削性的石墨钢。

根据所公开的实施例的石墨钢具有与前述的石墨钢用钢材相同的合金组分及成分范围，对合金元素含量的数值限定理由的说明如上所述。

也就是说，根据所公开的实施例的石墨钢可满足下述式(1)或式(2)。

式(1)：-0.01≤[Ti]-3.43×[N]≤0.01

式(2)：400≤3.1+169.0×[Si]+127.7×[Mn]≤500

其中，[Si]、[Mn]、[Ti]、[N]各自表示该元素的重量％。

根据本发明的一个实施例，改善切削性的石墨钢在铁素体基体中可包含以面积分数计大于等于2.0％的石墨颗粒。石墨颗粒的面积分数越高切削性越改善。因此，对石墨颗粒的面积分数的上限没有特别限制。

根据本发明的一个实施例，所述石墨颗粒的平均长宽比可小于等于2.0。石墨颗粒的长宽比是指一个石墨颗粒内最长轴与最短轴之比。如此，若石墨颗粒被球化，则加工时各向异性减低，进而明显改善切削性及冷锻性。

根据本发明的一个实施例，所述石墨颗粒的平均颗粒尺寸可小于等于5μm。石墨颗粒的平均颗粒尺寸是指观察石墨钢的截面而检测到的颗粒的平均等效圆直径(equivalentcircular diameter)，平均颗粒尺寸越小切削时越有利于表面粗糙度。因此，对平均颗粒尺寸的下限没有特别限制。

根据本发明的一个实施例，所述石墨颗粒的每单位面积数量可为1000个/mm²至5000个/mm²。更具体地，平均颗粒尺寸小于等于3μm的石墨颗粒的每单位面积数量可为1200个/mm²至3500个/mm²。

如上所述，在石墨钢内微细石墨颗粒均匀分散时，所形成的石墨颗粒会减少切削摩擦，而且石墨颗粒成为裂纹起始点，从而可以明显改善切削性。

根据本发明的一个实施例，所述石墨钢的硬度满足70HRB至80HRB的范围。

上面说明的本发明的石墨钢可通过各种方法制造，对制造方法没有特别限制，但是可以通过如下方法制造：例如，将石墨钢用钢材在730℃～770℃下石墨化热处理(空冷前的恒温热处理)600分钟以上。所述温度区域是相当于等温转变曲线中石墨生成曲线鼻部(nose)附近的温度区域，属于可缩短热处理时间的温度区域。

下面通过本发明的优选实施例更详细地说明。

实施例

如下表1所示改变各成分的含量铸造出铸坯(Ingot)后，在1250℃下均质化热处理8小时。

然后，以1000℃的终轧温度热轧成厚度为27mm并进行空冷，从而生产出石墨钢用钢材。

【表1】

然后，将所述石墨钢用钢材在750℃下石墨化热处理5小时而得到石墨钢。但是，对比例17及18的石墨化热处理温度分别为700℃及800℃，藉以比较基于热处理温度的石墨化程度。

然后，以石墨化热处理后的钢材为对象，利用图像分析仪(image analyzer)测定了石墨颗粒面积分数、石墨颗粒平均尺寸及石墨颗粒平均长宽比。

石墨颗粒的面积分数、平均尺寸及平均长宽比的测定方法如下：将各试样切割成一定尺寸后，在未进行蚀刻仅实施研磨的状态下，利用光学显微镜在200倍的倍率下拍摄图像。在如此得到的图像中，由基体和石墨相的明显的对比度之差可以清楚地区分，因此使用图像分析软件进行了分析。此外，为了提高分析的可靠性，每个试样拍摄了15张图像。

另外，石墨的面积分数定义为观察到的总面积中石墨所占的面积的比率，石墨的平均尺寸及长宽比分别是指平均等效圆直径(equivalent circular diameter)及一个石墨颗粒内最长轴与最短轴之比。

【表2】

然后，为了评价切削性，加工成零部件后，测定了断屑性、工具磨损深度及表面粗糙度即切削加工面的粗糙度(roughness)。为此，首先将板状的钢在表2的石墨化热处理温度下石墨化热处理5小时后，再加工成直径为25mm的棒状，然后用CNC自动车床进行切削加工。在评价断屑性时，切屑在两卷以下断屑的情形评价为优秀，在3卷～6卷断屑的情形评价为普通，在7卷以上断屑的情形评价为不良。表2中“F”、“G”和“P”分别表示铁素体、石墨和珠光体。

对于工具磨损深度，将直径为25mm棒状材料加工成直径为15mm、长度为200mm的200个零部件后，比较加工前后工具刀片深度以求出磨损程度。此时，切削条件是在切削速度为100mm/分钟、移动速度为0.1mm/转、切削深度为1.0mm的条件下用切削油实施。

【表3】

参照表1和表2，本发明中提出的组分及制造条件都得到满足的发明例1至9，其显微组织由珠光体和石墨组成，石墨面积分数大于等于2％，石墨颗粒平均长宽比小于等于2.0，石墨颗粒的密度大于等于1000个/mm²。此外，参照表3，根据所公开的实施例的石墨钢，其断屑性、表面粗糙度、工具寿命特性良好。

参照表2可知，石墨化面积分数大致上与加入的碳量成比例。因此，对比例10由于C含量高，其石墨面积分数满足本发明的范围，但是由于形成粗大的石墨颗粒，长宽比相对高。因此，如表3所示，切削面的表面粗糙度相对差。

相比之下，对比例11由于C含量低，没有生成足够量的石墨，所测定的石墨的面积分数低，因此不仅工具磨损深度增加，而且断屑性差。

对比例12至15是在超出式(1)的范围内加入Mn和/或Si的钢材，硬度测定结果也超出了本发明提出的硬度值的范围。具体地，对比例13及14的硬度为89.2及82.3超过80，因此工具磨损程度严重。

相比之下，对比例12及15的硬度为61.3及66.3不到70，因此表面粗糙度特性差。

对比例16及19相对于Ti加入量所加入的N过多，没有满足式(2)，因此没能形成TiN而残留在钢中的固溶氮过多，从而在给出的热处理时间内不会完全石墨化，剩下一些珠光体，硬度为82.6超过80，因此工具磨损程度严重。

对比例17的石墨化热处理温度为700℃较低，石墨化热处理时珠光体不会完全石墨化，在显微组织中观察到珠光体，硬度为83.1超过80，因此工具磨损程度严重。

对比例18的石墨化热处理温度为800℃较高，相变为奥氏体后，在冷却时再生成珠光体，硬度为94.3较高，因此工具磨损程度严重。

对比例20相对于N加入量所加入的Ti过多，没有满足式(2)，因此形成粗大的石墨颗粒，表面粗糙度相对差。

根据本发明的一个实施例的石墨钢在基体内充分形成石墨颗粒，而且微细的石墨颗粒以有规则的形状均匀分布，从而可以改善切削性。

上面说明了本发明的示例性实施例，但本发明不限于此，所属领域的普通技术员在不超出权利要求书的概念及范畴的范围内可以进行各种变更及变形。

工业实用性

根据本发明的实施例的石墨钢用钢材及石墨钢可应用于机械零部件材料等。

Claims (3)

1.一种石墨钢用钢材，其特征在于：

所述石墨钢用钢材以重量%计包含C：0.60%至0.90%、Si：2.0%至2.5%、Mn：0.1%至0.6%、Al：0.01%至0.05%、Ti：0.005%至0.02%、N：0.0030%至0.0100%、P：小于等于0.015%且0除外、S：小于等于0.030%且0除外、余量的Fe及其他不可避免的杂质，

所述石墨钢用钢材满足下述式(1)和式(2)，

式(1)：-0.01 ≤ [Ti]-3.43×[N] ≤ 0.01

其中，[Ti]、[N]各自表示该元素的重量%,

式(2)：400 ≤ 3.1+169.0×[Si]+127.7×[Mn] ≤ 500

其中，[Si]及[Mn]各自表示该元素的重量%。

2.一种改善切削性的石墨钢，其特征在于：

所述石墨钢以重量%计包含C：0.60%至0.90%、Si：2.0%至2.5%、Mn：0.1%至0.6%、Al：0.01%至0.05%、Ti：0.005%至0.02%、N：0.0030%至0.0100%、P：小于等于0.015%且0除外、S：小于等于0.030%且0除外、余量的Fe及其他不可避免的杂质，

所述石墨钢满足下述式(1)和式(2)，

式(1)：-0.01 ≤ [Ti]-3.43×[N] ≤ 0.01,

其中，[Ti]、[N]各自表示该元素的重量%,

式(2)：400 ≤ 3.1+169.0×[Si]+127.7×[Mn] ≤ 500

其中，[Si]及[Mn]各自表示该元素的重量%，

铁素体基体中包含以面积分数计大于等于2.0%的石墨颗粒，

平均颗粒尺寸小于等于3μm的所述石墨颗粒的每单位面积数量为1200个/mm²至3500个/mm²，

所述石墨颗粒的平均长宽比小于等于2.0，

其中，石墨颗粒的长宽比是指一个石墨颗粒的最长轴与最短轴之比。

3.根据权利要求2所述的改善切削性的石墨钢，其特征在于：

所述石墨钢的硬度为70HRB至80HRB。