CN111876689B

CN111876689B - 一种仪器仪表用低碳含硒的易切削钢及其制造方法

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Publication number: CN111876689B
Application number: CN202010934458.XA
Authority: CN
Inventors: 王冬; 刘祥; 王宏亮; 安慧竹; 尹一; 徐曦; 任玉辉
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2020-09-08
Filing date: 2020-09-08
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2040-09-08
Also published as: CN111876689A

Abstract

本发明涉及易切削钢技术领域，尤其涉及一种仪器仪表用低碳含硒的易切削钢及其制造方法。其由如下重量百分含量的化学成分组成：C：0.01％～0.10％、Si：0.01％～0.10％、Mn：0.50％～1.50％、P：0.01％～0.10％、S：0.25％～0.35％、Se：0.18％～0.30％、O：0.0040％～0.0060％，硒硫比Se/S为0.2～2，氧硒比O/Se为0.016～0.17，余量为铁及不可避免的杂质。本发明通过一定的锰、硒配比和一定的硒与硫配合，使得在切削过程中降低切削抗力和切削热，保护刀具，同时可起到润滑刀具作用，并得到良好的加工表面粗糙度。

Description

一种仪器仪表用低碳含硒的易切削钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及易切削钢技术领域，尤其涉及一种仪器仪表用低碳含硒的易切削钢及其制造方法。

背景技术

随着汽车工业的发展，各工序自动化程度不断提高，切削加工也由于NC车床和数控机床的采用实现了自动化，在这种情况下，钢的切屑处理性成为影响切削加工的瓶颈。虽然装备了先进的切削机械，但是切屑缠绕在刀具和工件上，要进行人工处理，费时费力，因此切屑处理性良好的易切削钢得到了广泛应用。

按成分分类易切削钢主要分为硫系和铅系两大体系。硫系易切削钢的切削性能主要依靠硫元素，其切削性能良好，但仅靠硫作用切削性能有限，同等情况下比铅系易切削钢降低40％左右；铅系易切削钢被誉为切削性能最好的特殊钢，不仅具有优良的易切削性能而且能有效保护刀具，但铅是公认的非环保物质，同时生产过程中产生的铅蒸汽对工人有极大危害。因此通过添加环保型易切削元素的无铅易切削钢应运而生，并成为易切削钢重要发展方向。

硒对提高钢的易切削性能非常显著，与硫属同主族元素，物理和化学性质相近，近年来用于超易切削钢开发和生产中成分设计，效果明显，主要作用是阻断钢中硫化锰夹杂在轧制中出现变形，确保了硫化锰夹杂形态为球状或纺锤状以提高钢的切削性能。硒的添加还可使钢中形成少量弥散的MnSe，在钢切削过程中起到良好的润滑作用，既提高切削性能又能有效保护刀具，延长刀具寿命，同时一定含量的硒也有利于易切削钢耐腐蚀性。硒用量少，对改善钢的切削性能效果非常显著。

目前提高易切削钢切削性能关键是控制硫化物形态和分布，CN102676955A公开了“一种具有优异切削性能的高硫易切削钢”，对钢易切削性能有一定提高，但碲元素价格较高，不利于降低成本，且生产效率较连铸大大降低等不足。CN104404386A公开了“一种铁合金制备方法”，其铁合金为高碳，对材料易切削性能改善有限。张利武等通过改善精炼工艺，实现了钢中硫化物形态的改善并降低了脆性夹杂物出现的机率及尺寸，不过从工艺调整前后的分析指标来看，改善效果有限，而且该方法中提到的增加渣中MgO比例的措施，对于镁铝尖晶石类硬质有害夹杂物的抑制较为不利。

发明内容

为了克服现有技术的不足，提供一种仪器仪表用低碳含硒的易切削钢及其制造方法，按照本发明钢的化学成分及生产工艺要求生产的产品，可显著提高低碳钢的切削性能，满足自动机床用易切削钢的切削性能要求和加工效率。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种仪器仪表用低碳含硒的易切削钢，由如下重量百分含量的化学成分组成：

C：0.01％～0.10％、Si：0.01％～0.10％、Mn：0.50％～1.50％、P：0.01％～0.10％、S：0.25％～0.35％、Se：0.18％～0.30％、O：0.0040％～0.0060％；

其中，硒硫比Se/S为0.2～2，氧硒比O/Se为0.016～0.17，余量为铁及不可避免的杂质。

一种仪器仪表用低碳含硒的易切削钢的制造方法，具体包括如下步骤：

1)转炉冶炼：转炉铁水不脱硫，仅脱碳、磷；出钢1/5～1/4时进行脱氧，全氧含量控制在40～60ppm；

2)LF炉精炼：先加入精炼渣、埋弧渣，然后加入硅铁、碳化硅对钢液进行渣面脱氧，吹氩保证钢水不翻滚，白渣处理后向钢液中加入低磷锰铁、硫铁和硒粉包芯线、纯硒粒或硒化锰进行合金化；控制合金化精炼时间35～40min，并保持白渣精炼时间14～18min。

3)连铸：连铸过程采用低碳保护渣进行保护浇铸，中间包温度控制在1530～1545℃，连铸拉速控制在1.2～1.8m/min，二冷水采用弱冷，冷却强度为100～125℃/m；中间包温度控制在1530～1545℃，连铸拉速控制在1.2～1.8m/min，二冷水采用弱冷，冷却强度为100～125℃/m。

4)铸坯加热：铸坯采用冷装，铸坯横断面尺寸不低于120mm×120mm，加热时间要求高热度长时间，即1200℃～1300℃加热2～3h；

5)铸坯轧制和轧后缓冷：采用再结晶区轧制，开轧温度1030～1065℃，终轧温度860～890℃，轧后以0.1℃/s～1℃/s的平均冷却速率缓冷至430～475℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过一定的锰、硒配比，形成硒化物如FeSe、MnSe，配合一定的氧含量，实现精炼中形核析出并弥散分布于钢中，使得在切削过程中降低切削抗力和切削热，保护刀具。

(2)本发明通过一定的硒与硫配合，使得在切削加工中切屑容易排除，切削性能显著提高；通过一定的氧、硒、硫配比和工艺、成分控制，在切削过程中可起到润滑刀具作用，并可得到良好的加工表面粗糙度。

(3)本发明使得切削性能指标在f＝0.09mm/r，转速800r/min切削工况下，C型切屑的比例≥75％，工件的平均表面光洁度≤5.0微米，可获得的先进的易切削钢切削性能和表面质量水平。

具体实施方式

本发明公开了一种仪器仪表用低碳含硒的易切削钢及其制造方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

本发明所述一种仪器仪表用低碳含硒的易切削钢的化学成分重量百分比为C：0.01％～0.10％、Si：0.01％～0.10％、Mn：0.50％～1.50％、P：0.01％～0.10％、S：0.25％～0.35％、Se：0.18％～0.30％、O：0.0040％～0.0060％，硒硫比(Se/S)为0.2～2，氧硒比(O/Se)为0.016～0.17，余量为铁及不可避免的杂质。

本发明化学成分设计理由：

C：碳是钢铁材料最基本的基体强化元素，本发明中碳元素的添加是保证基体拥有稍微的强度，并与硒元素配合获得优良的切削性能。当碳含量低于0.01％时，无法保证盘条的强度指标；当碳含量高于0.10％时，无法与硒元素形成良好配合，降低切削性能。因此本发明一种仪器仪表用低碳含硒的易切削钢及其制造方法的碳含量控制在0.01％～0.10％范围内。

Si：硅是本发明中良好的脱氧剂，与Mn一起进行共同脱氧，当硅含量低于0.01％时，共同脱氧效果不好；当硅含量高于0.10％时，则显著降低易切削性能。因此，本发明一种仪器仪表用低碳含硒的易切削钢及其制造方法的硅含量控制在0.01％～0.10％范围内。

Mn：是本发明中MnS、MnSe类夹杂物重要组成元素，有利于提高易切削性能。当锰含量低于0.50％时，硫化锰、硒化锰数量与形态较差；当锰含量高于1.50％时，则盘条硬度超标，破坏易切削性能。因此本发明一种仪器仪表用低碳含硒的易切削钢及其制造方法的锰含量控制在0.50％～1.50％范围内。

P：对于对力学性能要求不高的仪器仪表用易切削钢，适当的磷会提高易切削性能，高于0.10％则产生“冷脆”，降低切削性能。因此本发明一种仪器仪表用低碳含硒的易切削钢及其制造方法的磷含量控制在0.01％～0.10％。

S：硫是易切削元素，适量添加与锰和硒形成化合物可明显改善易切削性能，当硫含量低于0.25％时，不能与锰和硒很好的形成有助于切削性能化合物；当硫含量高于0.35％时，则钢的热加工性降低。因此本发明一种仪器仪表用低碳含硒的易切削钢及其制造方法的硫含量控制在0.25％～0.35％范围内。

Se：硒是有效的易切削元素，能够与锰形成硒化锰，改变夹杂物形态和分布，与硫配合更能显著提升易切削钢的切削性能与表面质量和切屑形貌。当硒含量低于0.18％时，达不到上述效果；当硒含量超过0.30％时，无法再继续提高易切削性能且增加冶炼成本。因此本发明一种仪器仪表用低碳含硒的易切削钢及其制造方法的硒含量控制在0.18％～0.30％范围内。硒硫比(Se/S)要控制在0.2～2。

O：本发明中氧提供硒化物弥散分布的热力学条件，当氧含量低于0.0040％时，MnSe、FeSe析出较少且不能形成弥散分布；当氧含量高于0.0060％时，硒化物呈现长大趋势。因此本发明一种仪器仪表用低碳含硒的易切削钢及其制造方法的氧含量控制在0.0040％～0.0060％范围内，氧硒比(O/Se)要控制在0.016～0.17，当氧硒比(O/Se)不在这个范围内时，将导致锰与硒、铁与硒结合能力差，析出很少，无法形成弥散分布。

本发明中通过一定的锰、硒配比，形成硒化物如FeSe、MnSe，配合一定的氧含量，即氧硒比(O/Se)要控制在0.016～0.17，实现精炼中形核析出并弥散分布于钢中，最主要的效果是在切削过程中降低切削抗力和切削热，保护刀具。

通过一定的硒与硫配合，即硒硫比(Se/S)要控制在0.2～2，此时精炼时形成的硫化物比硒化物体积小，且优先形核析出，硒化物则在硫化物析出后以硫化物为基点而形核析出，并包裹硫化物，形成“硬核质点包裹软核质点”，在后续热变形过程中形态可控，基本呈球状或纺锤状分布在钢中，使得在切削加工中切屑容易排除，切削性能显著提高，这是本发明的创新亮点之一。当硒硫比(Se/S)不在0.2～2时，将丧失了硒硫的配合作用，精炼过程中硫化物体积将高于硒化物体积，导致硒化物优先析出，使得硫化物以硒化物为形核基点，形成“软核质点包裹硬核质点”在后续轧制变形中形态被拉长不可控，无法获得球状或纺锤状，无法显著提升易切削性能。

本发明中通过一定的氧、硒、硫配比和工艺、成分控制，在切削过程中可起到润滑刀具作用，并可得到良好的加工表面粗糙度。切削性能指标在f＝0.09mm/r，转速800r/min切削工况下，C型切屑的比例≥75％，工件的平均表面光洁度≤5.0微米。

一种仪器仪表用低碳含硒的易切削钢的制备方法，具体包括如下步骤：

1)转炉冶炼：转炉铁水不脱硫，仅脱碳、磷；出钢1/5～1/4时进行脱氧，全氧含量控制在40～60ppm。本发明冶炼中全氧含量须控制在这一区间，是本发明硒元素与硫元素形成析出的形核热力学环境关键，全氧含量超出这个范围将弱化硒元素的析出效果，当全氧低于55ppm时，硒元素无法弥散分布，当高于75ppm时，析出快速长大，无法包裹硫化物，这是本发明冶炼创新点之一。

2)LF炉精炼：加入精炼渣、埋弧渣，加入硅铁、碳化硅对钢液进行渣面脱氧，吹氩保证钢水不翻滚，白渣处理后向钢液中加入低磷锰铁、硫铁和硒粉包芯线、纯硒粒或硒化锰进行合金化，控制合金化精炼时间35～40min，并保持白渣精炼时间14～18min。本发明精炼关键是精炼时间与白渣时间控制，使得自由氧控制在30～50ppm，保证自由氧较高全氧较低，使得本发明硫硒元素含量在该条件下依附形核，弥散析出。

3)连铸：在连铸过程采用低碳保护渣进行保护浇铸，中间包温度控制在1530～1545℃，连铸拉速控制在1.2～1.8m/min，二冷水采用弱冷，冷却强度为100～125℃/m以确保连铸坯质量。本发明连铸不同于其他钢，由于极易产生微裂纹，要求缓慢垃速，缓慢冷却。

4)铸坯加热：由于铸坯降温速度非常快，为保证轧制时不因降温导致坯头开裂堆钢，铸坯采用冷装，铸坯横断面尺寸不低于120mm×120mm，加热时间要求高热度长时间，即1200℃～1300℃加热2～3h。

5)铸坯轧制和轧后缓冷：采用再结晶区轧制，开轧温度1030～1065℃，终轧温度860～890℃，轧后以0.1℃/s～1℃/s的平均冷却速率缓冷至430～475℃。本发明采用再结晶区轧制才能与成分有效配合，保证硫化物均匀弥散分布，形成纺锤状或大米粒状转变，同时可以晶粒细化增加境界数量，细化硫化物形态尺寸。

实施例：

本发明实施例的化学成分见表1；相应实施例钢、对比例钢的制造工艺参数见表2；相应实施例的轧坯端部开裂、表面结疤、气泡缺陷和相对切削系数Kr和切屑类型见表3。

表1本发明实施例钢、对比例钢的成分wt％

表2本发明实施例钢、对比例钢的制造工艺参数

表3轧坯端部开裂、表面结疤、气泡缺陷和相对切削系数Kr和切屑类型的统计情况

本发明通过上述技术创造，对不同成分设计(见表1)的连铸坯热轧连续性和稳定性进行评价，主要对各实施例连铸坯在热轧时端部是否存在开裂现象进行了统计，由表3所示各实施例所对应的连铸坯和盘条均未出现端部开裂现象。由此可以看出，本发明的成分设计与工艺设计匹配良好，可以保证热轧时机架间轧坯的顺利过钢，热轧过程的连续性、稳定性良好。

本发明对轧材表面质量评价方面，主要是对各实施例的盘条表面是否存在皮下气泡和结疤表面缺陷现象进行统计，由表3所示各实施例所对应的盘条表面均未出现皮下气泡和结疤现象，常规高硫1215易切削钢(对比钢1215易切削钢)出现了皮下气泡现象。由此说明本发明与常规高硫1215易切削钢相比具有明显表面质量优势。

在切削性能评价方面，采用INDEX G200数控车床分别对(对比钢1215易切削钢)和各实施例进行切削试验，控制进给量和切削深度不变，而仅改变切削速率。试验用试样尺寸为Φ20mm×220mm，试验刀具为无涂层硬质合金刀片，切削在不使用切削液的条件下进行，选用的进给量f＝0.2-0.4mm/r，切削深度ap＝0.8-1.2mm；切削速率选用v＝100-300m/min。测量不同切削时间t时的刀具后磨损宽度VB，由此确定相应的V60值(即刀具耐用度T定为切削60分钟时，所允许的切削速度)，再与45钢的(V60)j值相比，得到了各实施例的相对切削系数Kr＝V60/(V60)j，如表3所示。Kr越大，切削加工性越好；Kr越小，切削加工性越差。Kr＞1说明材料易切削性能较好，Kr＞2，说明材料易切削性能很好且护刀，说明本发明具有优异的刀具耐用度和易切削性能。同时，对切屑的类型进行了统计，各实施例切屑以C型屑为主，对比钢1215易切削钢存在少量螺旋屑，说明本发明比常规高硫1215易切削钢具有更优异切削性能。

本发明通过一定的锰、硒配比，形成硒化物如FeSe、MnSe，配合一定的氧含量，实现精炼中形核析出并弥散分布于钢中，使得在切削过程中降低切削抗力和切削热，保护刀具。本发明通过一定的硒与硫配合，使得在切削加工中切屑容易排除，切削性能显著提高；通过一定的氧、硒、硫配比和工艺、成分控制，在切削过程中可起到润滑刀具作用，并可得到良好的加工表面粗糙度。本发明使得切削性能指标在f＝0.09mm/r，转速800r/min切削工况下，C型切屑的比例≥75％，工件的平均表面光洁度≤5.0微米，可获得的先进的易切削钢切削性能和表面质量水平。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种仪器仪表用低碳含硒的易切削钢的制造方法，所述易切削钢由如下重量百分含量的化学成分组成：

C：0.01%～0.10%、Si：0.01%～0.10%、Mn：1.20%～1.40%、P：0.01%～0.10%、S：0.25%～0.35%、Se：0.22%～0.25%、O：0.0040%～0.0060%；

其中，硒硫比Se/S为0.2～2，氧硒比O/Se为0.016～0.17，余量为铁及不可避免的杂质；

其特征在于，具体包括如下步骤：

1）转炉冶炼：转炉铁水不脱硫，仅脱碳、磷；出钢1/5～1/4时进行脱氧，全氧含量控制在40～60ppm；

2）LF炉精炼：先加入精炼渣、埋弧渣，然后加入硅铁、碳化硅对钢液进行渣面脱氧，吹氩保证钢水不翻滚，白渣处理后向钢液中加入低磷锰铁、硫铁和硒粉包芯线、纯硒粒或硒化锰进行合金化；

3）连铸：连铸过程采用低碳保护渣进行保护浇铸，中间包温度控制在1530～1545℃，连铸拉速控制在1.2～1.8m/min，二冷水采用弱冷，冷却强度为100～125℃/m；

4）铸坯加热：铸坯采用冷装，铸坯横断面尺寸不低于120mm×120mm，加热时间要求高热度长时间，即1200℃～1300℃加热2～3h；

5）铸坯轧制和轧后缓冷：采用再结晶区轧制，开轧温度1030～1065℃，终轧温度860～890℃，轧后以0.1℃/s～1℃/s的平均冷却速率缓冷至430～475℃。

2.根据权利要求1所述的一种仪器仪表用低碳含硒的易切削钢的制造方法，其特征在于，所述步骤2）LF炉精炼还包括，控制合金化精炼时间35～40min，并保持白渣精炼时间14～18min。