CN112899567A

CN112899567A - 一种高纯净、高强韧稀土易切削钢

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Publication number: CN112899567A
Application number: CN202110063568.8A
Authority: CN
Inventors: 郑雷刚; 胡小强; 李殿中
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2021-01-18
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2021-06-04
Anticipated expiration: 2041-01-18
Also published as: CN112899567B

Abstract

本发明涉及高品质特殊钢领域，具体为一种高纯净、高强韧稀土易切削钢。按重量百分比计，其化学成分范围为：C 0.35～0.45，Si 0.2～0.3，Mn 0.6～0.8，Cr 0.80～1.20，Mo 0.1～0.3，RE 0.005～0.100，S 0.010～0.050，O≤0.0010，P≤0.020，Fe余量。本发明稀土易切削钢夹杂物主要为稀土硫化物，尺寸小，呈球形。经调质处理后，具有良好的强韧性匹配。在车削加工过程中，表现出优异的切削性能，可形成短而不连续的断屑。所述稀土易切削钢的纯净度、力学性能和切削性能均优于目前常用的硫系易切削钢，可用于制造大型轴类部件，降低切削加工成本的同时，延长零部件的使用寿命。

Description

一种高纯净、高强韧稀土易切削钢

技术领域

本发明涉及高品质特殊钢领域，具体为一种高纯净、高强韧稀土易切削钢。

背景技术

切削加工性能在零部件的生产过程中占有非常重要的地位，据统计，切削加工的费用占零部件成本的50％左右，尤其是在高强度零件的加工过程中显得更加突出。一般而言，高强度钢的切削加工性较差，不仅具有较高的切削抗力，对刀具的磨损较大，大幅降低刀具的使用寿命，而且加工后的表面质量较差，增加生产成本的同时，急剧降低产品质量。因此，改善高强度钢的切削加工性能是降低生产成本、提高生产效率、改善表面质量的关键所在。

通过添加特殊元素获得有利于切削加工的非金属夹杂物，是改善钢铁材料切削加工性能最常用的方法，如：通过添加S、Pb、Ca、Se、Te、P等元素，获得硫化物或氧化物提升切削性能。易切削钢的研究始于上世纪20年代的德国，最早出现的是硫系易切削钢。此后，英、美、日、法、俄等国相继生产和使用硫系易切削钢，并逐渐标准化，时至今日，硫系易切削钢仍占有很高的比例。随后，Pb系、Se系、Te系易切削钢，以及Pb-S系、Pb-S-Se系、Pb-S-Te系等复合型易切削钢不断问世，钢的切削性能得到进一步改善。但是，S、Pb等元素在钢中属于杂质元素或有害元素，随着这些元素含量的增加，钢的力学性能，尤其是冲击韧性会严重恶化。此外，Pb、Te等元素的氧化物易挥发、有毒性，对环境造成污染，从而限制了此类易切削钢的大面积推广。

新世纪以来，具备环境保护要求的高纯净、高强韧易切削钢成为了各大钢铁企业追求的目标和研究的热点。如美国研制了以铋代铅的无铅易切削钢，日本研制了含锡易切削钢，我国立足于稀土资源的特色优势，开展了稀土易切削钢的研究。稀土元素在钢中具有强烈的变质夹杂作用和微合金化作用，通过稀土元素调整夹杂物类型、形态和数量，能够确保钢具有良好切削性能的同时，具有良好的强韧性。然而，由于稀土易切削钢的稀土元素类型、含量及其与S、O元素的比例尚不明确，导致稀土净化钢液、变质夹杂效果不佳，造成杂质元素含量高，夹杂物尺寸大，力学性能较差等缺点。因此，如何保证高强钢切削性能的同时，提升纯净度和强韧性匹配成为目前亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高纯净、高强韧稀土易切削钢，通过添加稀土元素，调整RE/S比例和O含量，控制其主要夹杂物为稀土硫化物，提升保证纯净度和强韧性的同时，提升切削性能，解决目前易切削钢纯净度、力学性能和切削性能不能兼得的技术难题。

本发明的技术方案是：

一种高纯净、高强韧稀土易切削钢，按重量百分比计，稀土易切削钢的成分范围为：C 0.35～0.45，Si 0.2～0.3，Mn 0.6～0.8，Cr 0.80～1.20，Mo 0.1～0.3，RE 0.005～0.100，S 0.010～0.050，O≤0.0010，P≤0.020，Fe余量。

所述的高纯净、高强韧稀土易切削钢，稀土元素RE为纯Ce、纯La或La、Ce混合稀土，稀土元素RE与S元素重量比例为1～5。

所述的高纯净、高强韧稀土易切削钢，通过稀土元素RE变质、细化夹杂物，稀土易切削钢中的主要夹杂物为稀土硫化物，A类夹杂物级别≤0.5级。

所述的高纯净、高强韧稀土易切削钢，稀土元素RE处理前钢水中O含量控制在40ppm以下，稀土元素RE处理时选用纯度≥99wt％的高纯稀土金属，加入稀土元素RE处理后，能够保持良好的强韧性匹配。

所述的高纯净、高强韧稀土易切削钢，稀土易切削钢的锻棒经880℃正火+840℃淬火+650℃回火的调质处理后，屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥900MPa，延伸率≥16％，室温V口冲击功≥90J。

所述的高纯净、高强韧稀土易切削钢，稀土易切削钢在车削时的断屑具有小而短的卷曲半径，直接进行大切削量粗加工及高精度要求的精加工。

本发明的稀土易切削钢设计思想是：

采用稀土微合金化，产生强烈的净化钢液、变质夹杂作用，保证夹杂物主要为稀土硫化物，尺寸小，呈球形，提升易切削钢的纯净度，降低传统A类夹杂物对力学性能造成的不利影响；同时，稀土原子偏聚于晶界、相界、马氏体板条界等界面，产生强烈的微合金化作用，提高强韧性匹配。优选的，高纯净、高强韧稀土易切削钢中，RE＝0.005～0.03。

控制RE/S的比例，调整稀土易切削钢中稀土硫化物和A类夹杂物的占比，在切削过程中，硫化物夹杂起到断屑作用，形成短而不连续的断屑，有效改善切削加工性能。优选的，高纯净、高强韧稀土易切削钢中，RE/S＝1～3。

本发明的优点及有益效果是：

1.本发明通过加入适当的稀土元素，同时调整RE/S比例和O含量，控制夹杂物主要为细小弥散的稀土硫化物，纯净度大幅增加。硫化物在切削过程中起到断屑的作用，能够有效提高切削加工性能，能够显著降低传统A类夹杂物对力学性能造成的不利影响，从而保证易切削钢具有良好的强韧性匹配。

2.本发明具有良好的纯净度、强韧性和切削性能，均优于目前常用的硫系易切削钢，可用于制造对力学性能和表面质量要求较高的大型轴类部件，降低切削加工成本的同时，提升服役寿命。

附图说明

图1为本发明稀土易切削钢与硫系易切削钢典型夹杂物形貌；其中，(a)为硫系易切削钢夹杂物形貌，(b)为本发明稀土易切削钢夹杂物形貌。

图2为稀土易切削钢与硫系易切削钢在不同车削参数下的断屑形貌。图中，n代表车削转速(r/min)，f代表进给量(mm/r)，ap代表吃刀量(mm)。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明提供一种高纯净、高强韧稀土易切削钢，具体如下：

1.稀土易切削钢采用200kg真空感应炉进行钢水熔炼，原材料为纯铁和中间合金，选择合理的布料方式和加入顺序，严格控制S、O元素的含量。

2.采用高纯稀土(纯度≥99wt％)金属铈进行稀土处理，稀土处理前钢水充分脱氧，钢水中O含量控制在40ppm以下。稀土金属破碎成小块，用铝箔包裹，出钢前，从钢水顶部加入。稀土加入量与S元素重量比例为1～5，加入稀土元素RE处理后，能够保持良好的强韧性匹配。

3.浇注后铸锭高温脱模，缓慢冷却，在1150～900℃温度区间进行锻造，锻成

圆棒，保证锻造比大于7。

4.锻棒热处理工艺为880℃/保温2h正火+840℃/保温1.5h淬火+650℃/保温3h回火，热处理后在不同车削参数下进行切削性能评价。

下面，结合具体实施例和附图详细描述本发明。

表1为本发明各实施例与比较例的具体成分列表；

表2为本发明各实施例与比较例的夹杂物统计分析列表；

表3为本发明各实施例与比较例的力学性能列表。

表1本发明各实施例与比较的具体成分列表，wt.％

类别	C	Si	Mn	Cr	Mo	Ce	P	S	O	Fe
											实施例1	0.42	0.24	0.71	1.13	0.23	0.040	0.005	0.015	0.0007	余量
实施例2	0.40	0.26	0.74	1.14	0.23	0.080	0.006	0.022	0.0006	余量
											实施例3	0.43	0.26	0.74	1.15	0.22	0.015	0.005	0.013	0.0007	余量
比较例1	0.44	0.35	0.75	1.11	0.23	－	0.013	0.014	0.0010	余量
											比较例2	0.44	0.23	0.79	1.19	0.22	－	0.014	0.018	0.0006	余量
比较例3	0.43	0.23	0.77	1.17	0.18	－	0.017	0.020	0.0007	余量

表2本发明各实施例与比较例的夹杂物统计评级列表

表3本发明各实施例与比较例的力学性能列表

由表1列出的成分可知，与比较例的传统硫系易切削钢相比，本发明各实施含有较低的P含量，纯净度得到提升。如图1所示，加入稀土元素后，夹杂物由以长条状MnS为主转变为以颗粒状稀土硫化物为主。表2列出了夹杂物统计评级结果，本发明实施例的硫化物夹杂尺寸和A类夹杂物级别明显小于比较例，细小弥散的夹杂物有利于力学性能的提升；经调质处理后，本发明各实施例的屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥900MPa，延伸率≥16％，室温V口冲击功≥90J，与传统硫系易切削钢持平或有所提高。如图2所示，在不同转速、进给量和吃刀量条件下的断屑形貌，本发明各实施例的切屑具有较小的卷曲半径(卷曲半径可在1～3mm范围内)，断屑更加容易，具有优异的切削性能，延长零部件的使用寿命。

实施例和比较例结果表明，本发明稀土易切削钢通过稀土处理，主要夹杂物为稀土硫化物，具有优异的强韧性匹配和易切削特点。车削断屑具有小而短的卷曲半径，可直接进行大切削量粗加工及高精度要求的精加工。

Claims

1.一种高纯净、高强韧稀土易切削钢，其特征在于，按重量百分比计，稀土易切削钢的成分范围为：C 0.35～0.45，Si 0.2～0.3，Mn 0.6～0.8，Cr 0.80～1.20，Mo 0.1～0.3，RE0.005～0.100，S 0.010～0.050，O≤0.0010，P≤0.020，Fe余量。

2.按照权利要求1所述的高纯净、高强韧稀土易切削钢，其特征在于，稀土元素RE为纯Ce、纯La或La、Ce混合稀土，稀土元素RE与S元素重量比例为1～5。

3.按照权利要求1所述的高纯净、高强韧稀土易切削钢，其特征在于，通过稀土元素RE变质、细化夹杂物，稀土易切削钢中的主要夹杂物为稀土硫化物，A类夹杂物级别≤0.5级。

4.按照权利要求1或3所述的高纯净、高强韧稀土易切削钢，其特征在于，稀土元素RE处理前钢水中O含量控制在40ppm以下，稀土元素RE处理时选用纯度≥99wt％的高纯稀土金属，加入稀土元素RE处理后，能够保持良好的强韧性匹配。

5.按照权利要求4所述的高纯净、高强韧稀土易切削钢，其特征在于，稀土易切削钢的锻棒经880℃正火+840℃淬火+650℃回火的调质处理后，屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥900MPa，延伸率≥16％，室温V口冲击功≥90J。

6.按照权利要求1所述的高纯净、高强韧稀土易切削钢，其特征在于，稀土易切削钢在车削时的断屑具有小而短的卷曲半径，直接进行大切削量粗加工及高精度要求的精加工。