CN112899567B - 一种高纯净、高强韧稀土易切削钢 - Google Patents
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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
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 (3)
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，RE0.005～0.015，S 0.010～0.013，O≤0.0010，P≤0.020，Fe余量；
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1～1.15；
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；
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。
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。
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，稀土易切削钢在车削时的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。
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