CN112063924A - 一种高碳含硒锡易切削钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及易切削钢技术领域，尤其涉及一种高碳含硒锡易切削钢及其生产方法。其由如下重量百分含量的化学成分组成：C：0.50％～0.80％、Si：0.20％～0.40％、Mn：0.50％～2.00％、P：0.01％～0.10％、Se：0.30％～0.50％、Sn：0.36％～0.50％、O：0.010％～0.015％，其中，硒锡比Se/Sn为0.6～1.35，氧硒比O/Se为0.02～0.05，氧锡比O/Sn为0.02～0.04，余量为铁及不可避免的杂质。本发明通过添加易切削元素硒和锡，配合高碳，控制钢中有益夹杂物的分布和形态，显著提高高碳结构钢的切削性能与力学性能，满足高碳易切削钢的切削性能改善、切屑高效清理、力学性能与切削性能良好配合。

Description

一种高碳含硒锡易切削钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及易切削钢技术领域，尤其涉及一种高碳含硒锡易切削钢及其生产方法。

背景技术

随着制造业快速发展，切削加工自动化程度提升，易切削钢的需求日益提高。易切削钢主要分为硫系、铅系两大类型。硫系易切削钢的切削性能主要依靠硫元素，切削性能良好，但仅靠硫的作用切削性能很有限，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铅蒸汽对工人身体健康有极大的危害性。目前国内外易切削钢主要采用电弧炉熔炼+二次精炼+连铸工艺进行生产，采用转炉技术相对较少。现有技术中采用转炉工艺制备含硫钢，制得的铸坯表面质量较差，硫收得率相对较低，特别是整支钢锭硫纵向分布不均，影响产品的使用性能。

近年来随着汽车行业迅猛发展，以及全球对环保意识的提高，人们普遍开始探索具有更好切削性能、更好结构强度、环境更加友好的易切削钢，通过添加适当的环保型易切削元素配合常规提升基体强度元素应用于高强度结构件的高碳易切削钢正在不断被探索。研究发现，硒能非常显著提高钢的易切削性能，与硫属于同主族元素，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，效果明显；锡和铅同主族，物理和化学性质相近，沸点高、蒸气压低，不易挥发且无毒，是一种环保型易切削元素，在切削过程中易产生断屑，从而提高钢材切削性能。

CN1540022A公开了“含锡易切削结构钢”，其特征在于：钢中加入较高含量的锡(0.09～0.25wt％)，在该钢中含有一定量Sn，切削性能得到了一定的提升，但该钢锡含量达不到高碳易切削钢切削性能效果，同时没有硒配合切削性能不稳定。

CN106978570A公开了“一种含有较高锡含量的易切削钢及制备方法”，其特征是通过对易切削钢进行Mo、W、稀土元素La的合金化，以解决目前含锡过高造成易切削钢热脆性过大问题。该钢种为获得较好的切削性能，Sn添加量较高，且合金元素添加种类多、含量高，增加了成本和工艺复杂度。

CN105088106A公开了“一种含锡铋的复合易切削钢”，该钢虽具有较好的切削性能，但在冶炼过程中Bi的氧化烧损和蒸发巨大，收得率巨低，工业生产成本高、难度大。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高碳含硒锡易切削钢及其生产方法，显著提高高碳结构钢的切削性能与力学性能，满足高碳易切削钢的切削性能改善、切屑高效清理、力学性能与切削性能良好配合。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种高碳含硒锡易切削钢，由如下重量百分含量的化学成分组成：

C：0.50％～0.80％、Si：0.20％～0.40％、Mn：0.50％～2.00％、P：0.01％～0.10％、Se：0.30％～0.50％、Sn：0.36％～0.50％、O：0.010％～0.015％；

其中，硒锡比Se/Sn为0.6～1.35，氧硒比O/Se为0.02～0.05，氧锡比O/Sn为0.02～0.04，余量为铁及不可避免的杂质。

一种高碳含硒锡易切削钢的生产方法，具体包括如下步骤：

1)转炉冶炼：转炉铁水脱硫、脱碳、脱磷，加入锡锭，出钢1/5～1/4时进行弱脱氧，全氧含量控制在150～200ppm；

2)LF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和硒粉包芯线进行合金化；控制合金化精炼时间30～32min，并保持白渣精炼时间13～15min，氧含量控制在100～150ppm；

3)连铸：采用大方坯连铸，铸坯横断面尺寸不低于280mm×380mm，在连铸过程采用高碳保护渣进行保护浇铸；中间包温度控制在1560～1580℃，连铸拉速控制在1.0～1.5m/min，二冷水采用弱冷，冷却强度为100～120℃/m；

4)铸坯加热、轧制及轧后缓冷：铸坯1200℃～1250℃加热2～3小时，采用再结晶区轧制，开轧温度1150～1200℃，终轧温度860～890℃，轧后以1℃/s～5℃/s的平均冷却速率缓冷至480～530℃。

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、锡、氧配比，形成弥散分布、纺锤状硒化物、锡化物，使得在切削加工中切屑容易排除，切削性能显著提高，同时兼具良好的力学性能。

(2)本发明切削性能指标在f＝0.06-0.09mm/r，转速600-800r/min切削工况下，C型切屑的比例≥70％；抗拉强度为850-950MPa，屈服强度≥750MPa，断后伸长率≥9％，洛氏硬度≥25HRC，力学性能与切削性能良好配合。

本发明通过添加易切削元素硒和锡，配合高碳，控制钢中有益夹杂物的分布和形态，显著提高高碳结构钢的切削性能与力学性能，满足汽车结构件用高碳易切削钢的切削性能改善、切屑高效清理、力学性能与切削性能良好配合。

具体实施方式

本发明公开了一种高碳含硒锡易切削钢及其生产方法。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。

本发明所述的一种高碳含硒锡易切削钢化学成分重量百分比为C：0.50％～0.80％、Si：0.20％～0.40％、Mn：0.50％～2.00％、P：0.01％～0.10％、Se：0.30％～0.50％、Sn：0.36％～0.50％、O：0.010％～0.015％。

其中，硒锡比(Se/Sn)为0.6～1.35，氧硒比(O/Se)为0.02～0.05，氧锡比(O/Sn)为0.02～0.04，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，本发明中易切削结构钢具有较高强度，碳元素的添加是取得较好力学性能的保证，并与硒、锡元素配合获得优良的切削性能。当碳含量低于0.40％时，无法保证盘条的强度指标；当碳含量高于0.70％时，严重降低切削性能。因此本发明的碳含量控制在0.40％～0.70％范围内。

Si：硅是本发明中良好的脱氧剂，也提供一定的强度，当硅含量低于0.20％时，脱氧效果不好；当硅含量高于0.40％时，则显著降低易切削性能。因此，本发明的硅含量控制在0.20％～0.40％范围内。

Mn：是本发明中Mn、Se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2.00％时，则钢的硬度和强度过高，破坏易切削性能。因此的锰含量控制在0.50％～2.00％范围内。

P：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。因此本发明的磷含量控制在0.01％～0.10％。

Sn：锡是易切削元素，适量添加与硒形成联合作用可明显改善易切削性能，当锡含量低于0.36％时，不能与硒形成有机配合，在切削加工中形成断屑脆性区；当硫含量高于0.50％时，则钢的热加工性降低。因此本发明的锡含量控制在0.36％～0.50％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，与锡配合更能显著提升易切削钢的切削性能与切屑形貌。当硒含量低于0.30％时，达不到上述效果；当硒含量超过0.50％时，无法阻止锡的晶界偏聚，且增加冶炼成本。因此本发明硒含量控制在0.30％～0.50％范围内。硒锡比(Se/Sn)要控制在0.80～1.38。

O：本发明中为硒锡配合提供酸碱环境，当氧含量低于0.010％时，硒化物不能形成弥散分布，导致锡在高碳易切削钢中的脆性温度区太高；当氧含量高于0.015％时，导致锡在高碳易切削钢中的脆性温度区太低。因此本发明的氧含量控制在0.010％～0.015％范围内，氧硒比(O/Se)要控制在0.02～0.10。

通过一定的氧、硒、锡、碳配比和工艺、成分控制，在切削过程中可起到润滑刀具作用断屑可清理度高。切削性能指标在f＝0.06-0.09mm/r，转速600-800r/min切削工况下，C型切屑的比例≥70％，抗拉强度为850-950MPa，屈服强度≥750MPa，断后伸长率≥9％，洛氏硬度≥25HRC。

一种高碳含硒锡易切削钢的生产方法包括：转炉冶炼→LF炉精炼→连铸→加热炉加热→轧制→缓冷，可形成线材盘条、棒材直条等；Sn与Se的添加顺序和方式必须遵循：易切削元素Sn在转炉出钢时以锡锭加入，易切削元素Se在LF炉精炼末期以硒粉包芯线、纯硒粒或硒化锰形式加入，具体包含以下步骤：

①转炉冶炼：转炉铁水脱硫、脱碳、脱磷，加入锡锭，出钢五分之一时进行弱脱氧，全氧含量控制在150～200ppm。本工序目的在于为精炼创造良好的氧硒、氧锡环境，通过添加一定含量的锡元素进行改质处理，为后工序硒元素、锡元素和碳元素形成有机配合奠定基础。

②LF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和硒粉包芯线进行合金化，控制合金化精炼时间30～32min，并保持白渣精炼时间13～15min，氧含量控制在100～150ppm。

本工序目的在于一是控制氧硒比(O/Se)在0.02～0.05，氧锡比(O/Sn)在0.02～0.04，实现硒化物则在锡化物析出后以其为基点而形核析出，并包裹锡化物，由硒化物比锡化物软，则在后续热变形过程中形态可控，且可增加锡化物韧性，此时两者联合，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，同时强韧性得以保证，避免易切削钢过脆而降低力学性能。如果超出上述比例范围，则导致先形成的锡化物硬脆相比硒化物体积小且脆，并单独存在会弱化钢的力学性能，同时达不到易切削性能效果；二是实现硒锡比(Se/Sn)要控制在0.80～1.38，在高碳条件下，硒与锡元素有机配合后在切削加工中形成断屑脆性区，经过本发明中锡的含量与硒元素作用后，会弱化高含量锡对材料力学性能的破坏，有效平衡锡对高碳易切削钢在保证材料力学性能的前提下提高易切削性能，易切削钢的硒与锰形成硒化锰，使易切削钢兼具良好的力学性能和优良的切削性能。

③连铸：在连铸过程采用高碳保护渣进行保护浇铸，中间包温度控制在1560-1580℃，连铸拉速控制在1.0～1.5m/min，二冷水采用弱冷，冷却强度为100～120℃/m以确保连铸坯质量。本发明必须使用大方坯连铸，坯料规格尺寸不低于280mm×380mm，原因在于一是避免二火成材，降低轧制成本；二是大变形量保证力学性能。

④铸坯加热、轧制、冷却：铸坯1200℃～1250℃加热2～3小时，采用再结晶区轧制，开轧温度1150～1200℃，终轧温度860～890℃，轧后以1℃/s～5℃/s的平均冷却速率缓冷至480～530℃，选择以上工艺制度目的在于：本发明经过CCT曲线测试发现，该区间轧制能够保证全部在再结晶区轧制，有效细化晶粒，提升力学性能，同时能够保证硒化物和锡化物形态呈纺锤状而不被拉长，并弥散分布，提高切削性能。

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，试验钢相对切削系数Kr、切屑类型、抗拉强度、屈服强度、断后延伸率、硬度的见表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，试验钢相对切削系数Kr、切屑类型、抗拉强度、屈服强度、断后延伸率、硬度的统计情况

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试验钢均未出现端部开裂现象。由此可以看出，本发明“一种高碳含硒锡易切削钢及其生产方法”成分设计与工艺设计匹配良好，轧制过程的连续性、稳定性良好。

本发明对轧材表面质量、力学性能进行评价，主要是对各实施例的盘条表面是否存在皮下气泡、结疤表面缺陷、抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、硬度进行统计，由表3所示，各实施例所对应的试验钢表面均未出现皮下气泡和结疤现象，对比钢Y45Sn出现了皮下气泡现象。力学性能也优于对比钢Y45Sn。由此可以说明本发明具有明显表面质量优势和力学性能。

在切削性能评价方面，采用INDEX G200数控车床分别对对比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＝0.5-0.9mm/r，切削深度ap＝0.8-1.2mm；切削速率选用v＝300-600r/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，由此可以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Y45Sn易切削钢存在少量螺旋屑，说明本发明易切削钢具有更优异切削性能。

本发明通过添加易切削元素硒和锡，配合高碳，控制钢中有益夹杂物的分布和形态，显著提高高碳结构钢的切削性能与力学性能，满足汽车结构件用高碳易切削钢的切削性能改善、切屑高效清理、力学性能与切削性能良好配合。

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 (4)

1.一种高碳含硒锡易切削钢，其特征在于，由如下重量百分含量的化学成分组成：

C：0.50％～0.80％、Si：0.20％～0.40％、Mn：0.50％～2.00％、P：0.01％～0.10％、Se：0.30％～0.50％、Sn：0.36％～0.50％、O：0.010％～0.015％；

其中，硒锡比Se/Sn为0.6～1.35，氧硒比O/Se为0.02～0.05，氧锡比O/Sn为0.02～0.04，余量为铁及不可避免的杂质。

2.一种如权利要求1所述高碳含硒锡易切削钢的生产方法，具体包括如下步骤：

1)转炉冶炼：转炉铁水脱硫、脱碳、脱磷，加入锡锭，出钢1/5～1/4时进行弱脱氧，全氧含量控制在150～200ppm；

2)LF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和硒粉包芯线进行合金化；

3)连铸：采用大方坯连铸，铸坯横断面尺寸不低于280mm×380mm，在连铸过程采用高碳保护渣进行保护浇铸；

4)铸坯加热、轧制及轧后缓冷：铸坯1200℃～1250℃加热2～3小时，采用再结晶区轧制，开轧温度1150～1200℃，终轧温度860～890℃，轧后以1℃/s～5℃/s的平均冷却速率缓冷至480～530℃。

3.根据权利要求2所述高碳含硒锡易切削钢的生产方法，其特征在于，步骤2)所述LF精炼还包括，控制合金化精炼时间30～32min，并保持白渣精炼时间13～15min，氧含量控制在100～150ppm。

4.根据权利要求2所述高碳含硒锡易切削钢的生产方法，其特征在于，步骤3)所述连铸还包括，中间包温度控制在1560～1580℃，连铸拉速控制在1.0～1.5m/min，二冷水采用弱冷，冷却强度为100～120℃/m。