CN1138015C - 机械特性极佳的机械构件用易切削钢 - Google Patents
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Abstract
一种机械构件用易切削钢，其能够在无铅的状态下稳定和可靠地提供极佳的可与现有加铅刚相当的切削性能(切屑处理性能和刀具寿命)和机械特性(横向韧性)，该易切削钢是这样制成的，即含有质量百分比为0.0005-0.2%的Mg并提供有下面方程式(1)限定的值为0.4-0.65的硫化物微粒的分布系数F1或由下面方程式(2)限定的值为1-2.5的硫化物微粒分布系数F2：F1＝X1/(A/n)1/2...............(1)，或F2＝σ/X2...............(2)
Description
技术领域
本发明涉及一种机械构件用易切削钢，其中的机械构件用来加工成工业机械，汽车和电器产品的元件，尤其是，本发明旨在以所谓的无铅(Pb)钢提供一种切削性能和机械特性极佳的机械构件用易切削钢，其中所谓的无铅钢基本上不含作为切削性能改善成份的铅。
背景技术
由于工业机械，汽车和电器产品的元件是通过切削材料制成的，因此用于这些元件的材料需要有良好的切削性能。考虑到上述因素，这些材料通常使用机械构件用易切削钢，并在这样的易切削钢中经常加入Pb或S(硫)作为切削性能改善成份，尤其是加入少量的Pb就可以提供极佳的切削性能是公知的。
作为上述技术，例如日本专利文献JP-A-205453/1984中公开了一种低碳高硫易切削钢，其中组合加入了Te(铁)，Pb(铅)和Bi(铋)，具有大于预定尺寸的大直径和小直径并具有5或更小比率(大直径/小直径)的各种MnS型夹杂物在整个MnS夹杂物中占50％或更多，Al2O3成份在氧化物夹杂物中占15％或更少。
另外，日本专利文献JP-A-23970/1987中公开了一项通过连铸方法改善含铅的低碳高硫易切削钢切削性能的技术，其中C，Mn，P，S，Pb，O，Si和Al每种成份都是确定的并且MnS型夹杂物的平均尺寸和没有与氧化物结合的硫化物型夹杂物的比率都是确定的，由此改善切削性能。
上述每项技术都涉及具有组合的P和S添加剂的易切削钢。由于Pb引起的环境污染问题已非常突出，因此Pb在钢铁材料中的应用也日趋受到限制，并且有关在所谓无铅状态下改善切削性能的技术研究也已经取得了积极的进展。
考虑到上述情况，在高硫易切削钢中通过控制硫化物型夹杂物如MnS的形式如尺寸或形状来改善切削性能的研究非常重要，但是人们还没有得到切削性能与含铅易切削钢相当的易切削钢。另外，在通过控制硫化物型夹杂物的形式改善切削性能的研究中，所指出的问题是在轧制或锻造钢材料时，硫化物夹杂物如MnS会随基底金属的塑性变形而纵向变形，其会引起机械性能的各项异性和一定方向上的冲击阻力。
顺便说明的是，切削性能是通过下列项目进行评估的，如(1)切削力，(2)刀具寿命，(3)完成表面的粗糙度，(4)切屑处理性能。在这些项目中，刀具寿命和完成表面的粗糙度已经被认为非常重要，但是考虑到操作效率和安全以及随着加工操作中近来的自动化或无人趋势，切屑处理性能也成为一个不可忽视的项目。也就是说，切屑处理性能是用于评估加工中切屑断开成为更短片段的特性。如果该特性恶化，切屑就会螺旋延伸从而造成缠绕刀具由此妨碍了加工的安全运行。从切屑处理性能来看，现有的加铅钢能够提供相对较好的切削性能，但是从无铅钢材料还没有得到良好的特性。
发明概述
鉴于上述情况，本发明已经完成并旨在提供一种机械构件用易切削钢，其能够在无铅的状态下提供极佳的与现有加铅钢相当的切削性能(尤其是切屑处理性能和刀具寿命)和机械特性(横向的韧性)。
根据用于实现上述目的的本发明，提供一种具有硫化物型夹杂物的机械构件用易切削钢，其中含有质量百分比为0.0005-0.02％的Mg并且硫化物型夹杂物的分布状态受到控制由此改善机械特性。尤其是提供一种具有硫化物型夹杂物的机械构件用易切削钢，其中含有0.0005-0.02％(此处和下面的“百分比”都是指“质量百分比”) 的Mg并且由下面方程式确定的硫化物型夹杂物微粒的分布系数F1为0.4-0.65：
F1＝X1(A/n)1/2 ............(1)
其中：
X1：表示通过精确测量观测视场内的每个硫化物型夹杂物微粒与观测视场内的所有微粒中离其最近的微粒之间的距离而得到的平均值(μm)，在五个视场内测量该距离并求它们的平均值，其中：
A：表示观测面积(mm2)，及
n：表示在观测面积(数量)内观察到的硫化物型夹杂物微粒的数量。
另外，本发明的上述目的还可以通过这样一种机械构件用易切削钢实现，其中Mg的含量为0.0005-0.02％并且由下面方程式确定的硫化物型夹杂物微粒的分布系数F2为1-2.5：
F2＝σ/X2 ................(2)
其中：
σ：表示每单位面积内硫化物型夹杂物微粒数量的标准偏差，及
X2：表示每单位面积内夹杂物微粒数量的平均值。
在每种机械构件用易切削钢中，优选的是满足这样的条件，即硫化物型夹杂物的大直径L1与小直径L2之间的比率(L1/L2)为1.5-5，其能够进一步改善机械特性(横向韧性)和切削性能(尤其是切屑处理性能和刀具寿命)。
从保证机械构件用易切削钢所需的物理特性考虑，本发明机械构件用易切削钢的化学成份除了Mg之外最好还分别包括0.01-0.7％的C，0.01-2.5％的Si，0.1-3％的Mn，0.01-0.2％的S，0.05％或更少(包括0％)的P，0.1％或更少(包括0％)的Al以及0.002-0.02％的N。选择加入从下面组中选择的至少一组元素也是非常有用的，这些组包括(a)0.002-0.2％的Ti，0.0005-0.02％的Ca和总共0.0002-0.2％的稀土元素(REM)，及(b)0.3％或更少(不包括0％)的Bi。
为了实现上述目的，本发明者从多视角特别研究了切屑处理性能和易切削钢内的硫化物夹杂物之间的关系。结果发现，不但硫化物型夹杂物如MnS的尺寸和形状与切屑处理性能有密切的关系而且硫化物型夹杂物的分布状态也与切屑处理性能有密切的关系。进一步研究还发现，通过控制硫化物型夹杂物的分布状态并加入0.0005-0.02％的Mg能够在无铅状态下提供具有极佳机械特性(横向韧性)，切屑处理性能以及刀具寿命的机械构件用易切削钢，并且已经实现了本发明。下面将对本发明的功能和效果进行说明。
如上所述，本发明极佳机械特性的机械构件用易切削钢的特征在于加入了0.0005-0.02％的Mg并且对硫化物型夹杂物的分布状态进行控制。
Mg：0.0005-0.02％
当将Mg加入易切削钢内时，含Mg的氧化物构成了硫化物型夹杂物的核子以控制夹杂物的形式并减少大的硫化物型夹杂物，由此能够得到机械特性(横向韧性)和切屑处理性能都极佳的机械构件用易切削钢。另外，当加入Mg时，通常呈现为硬氧化铝型氧化物的氧化物成份转变成含Mg的氧化物以降低硬氧化铝型氧化物的硬度。由硬含Mg氧化物引起的不利可以通过下面的作用得到减轻，即含Mg氧化物由硫化物包围由此改善刀具寿命。然而，如果Mg的含量少于0.0005％，那么Mg在硫化物型夹杂物内的固体溶解量不足并且不能有效控制硫化物型夹杂物的形式。另外，如果Mg的含量超过0.02％，那么硫化物就过分坚硬由此降低了切削性能(切屑处理性能)。
如上所述，作为评估自动加工中切削性能的一个项目，切屑需要断开成为小的片段。本发明者已经证实切屑能够通过断裂分开，这种断裂是由于钢内夹杂物附近的应力集中引起的。另外，当提供的夹杂物在钢内纵向延伸时，加工中沿一定方向能够得到良好的切屑处理性能，但是当加工方向改变时，切屑处理性能突然降低。另一方面，在球形夹杂物的情况下，尽管没有切削性能根据加工方向而改变的各向异性，但是切屑处理性能总是不令人满意。
如上所述，在加工期间当本发明者根据分析对用于评估硫化物型夹杂物微粒的分布状态的方法进行许多研究后发现，当加入0.0005-0.02％的Mg并且由上面方程式(1)或(2)确定的硫化物型夹杂物微粒的分布系数F1或F2在预定范围内时能够实现本发明目的。接下来对硫化物型夹杂物微粒的分布系数F1和F2进行说明。
首先，硫化物型夹杂物微粒的分布系数F1是指比率[(X1/(A/n)1/2)]的值，其中X1表示通过精确测量观测视场内的硫化物型夹杂物微粒与观测视场内所有微粒中与其最近的微粒之间的距离而得到的平均值，测量五个视场内的距离并求它们的平均值，(A/n)1/2是指全部观测到的微粒在阵点上均匀排列起来时的内部微粒距离(其中A表示观测面积(mm2)，及n表示在观测面积(N)内观测到的硫化物型夹杂物微粒的数量。
例如，下面参考图1对观测视场内具有12个硫化物型夹杂物微粒的情况进行说明。在实际的观测视场内，硫化物型夹杂物微粒的分布如图1A所示，假设每个硫化物型夹杂物上的最近距离为X1-X12，平均值X1表示为：
X1＝(X1+X2+......X12)/12
假设硫化物型夹杂物微粒如图1B所示均匀地分布，那么每个硫化物型夹杂物微粒上的最近距离表示为：
X1＝X2＝......＝X12
假设观测的面积为A，那么最近的距离X2就可以表示为：
X2＝(X1+X2+......X12)/12
＝(A/12)1/2
X1与X2的比率定义为硫化物型夹杂物微粒的分布系数F1。
当硫化物分布完全均匀但偏离1时，硫化物型夹杂物微粒的分布系数F1取值大约为1，当分布不均匀时，其取值小于1。根据本发明者的研究，在本发明含有0.0005-0.02％Mg的易切削钢中，当F1在0.4到0.65的范围内时，硫化物型夹杂物微粒分布状态的形式和平衡得到改善并且切屑处理性能和横向韧性也都良好。另一方面，当值F1超过0.65时，尽管硫化物型夹杂物微粒均匀，但是切屑处理性能不能说良好。另外，如果F1小于0.4，那么在轧制或锻造期间硫化物型夹杂物微粒就会结块并且纵向延伸，从而无法得到切屑处理性能和横向韧性都极佳的易切削钢。
另一方面，硫化物型夹杂物微粒的分布系数F2是指通过将一定面积的视场分成格子，并通过每单位面积内硫化物型夹杂物微粒数量的平均值X2将每个单元格子内的硫化物型夹杂物数量的标准偏差σ规格化而得到的值。在该例中，当硫化物型夹杂物的分布完全均匀时，值F2接近0。在本发明含有0.0005-0.02％Mg的易切削钢中发现，当值F2在1-2.5的范围内时，硫化物型夹杂物微粒的分布状态和形式良好并且切屑处理性能和横向韧性都令人满意。另一方面，如果它小于1，那么硫化物型夹杂物均匀分布从而降低了切屑处理性能。另外，当值F2超过2.5时，硫化物型夹杂物微粒就会通过轧制或锻造纵向延伸或结块，从而无法得到满意的横向韧性。
另外，在本发明机械构件用易切削钢中，硫化物型夹杂物的大直径L1与小直径L2的比率(L1/L2，纵横比)最好控制在1.5-5内，这样其能够提供更佳的切屑处理性能和横向韧性。即硫化物型夹杂物通过轧制或锻造变形到一定程度。当平行切削样品并且观测到硫化物型夹杂物的纵横比小于1.5时，切屑处理性能降低。另一方面，如果该值太大超过5时，那么横向韧性降低。
对于钢材料的种类没有特别的限制，但是从满足机械构件用易切削钢所需的特性来看，除了Mg之外，最好分别加入0.01-0.7％的C，0.01-2.5％的Si，0.1-3％的Mn，0.01-0.2％的S，0.05％或更少(包括0％)的P，0.1％或更少(包括0％)的Al和0.002-0.02％的N。当对组成的化学成份如上所述进行控制时，在保持机械构件用易切削钢所需抗拉强度的同时还能得到良好的特性，且硫化物型夹杂物的分布和形状也得到改善从而使切削性能和机械性能更佳。上述每种成份的作用如下。
C：0.01-0.7％
从上述来看，C是保证成品强度的重要元素并且C的含量优选是0.01％或更多。然而，如果C的含量过多，由于韧性会下降并对切削性能如刀具寿命产生不希望有的影响，因此其最好是为0.7％或更少。另外，C的含量更优选的是下限为0.05％，更优选的上限为0.5％。
Si：0.01-2.5％
Si作为一种还原元素非常有用，另外还能通过固溶强化改善机械构件的强度。为了得到这样的效果，其含量优选为0.01％，或更优选为0.1％或更多。然而，由于过多的含量会对切削性能产生不希望有的影响，因此其优选为2.5％或更少，并且更优选的为2％或更少。
Mn：0.1-3％
Mn是一种不但能改善淬透性从而提高强度而且有助于硫化物型夹杂物的形成从而改善切屑处理性能的元素。为了有效实现上述效果，其含量优选为0.1％或更多。但是，由于过多的含量会降低切削性能，因此其优选为3％或更少，更优选为2％或更少。
S：0.01-0.2％
S是一种对硫化物型夹杂物的形成非常有用从而改善切削性能的元素。为了得到上述效果，其含量优选为0.01％或更多，更优选是为0.03％或更多。然而，由于过多的S会引起从硫化物如MnS开始破裂，因此其含量优选为0.2％或更少，更优选为0.12％或更少。
P：0.05％或更少(包括0％)
由于P会引起晶界偏析从而降低冲击强度，因此其应保持在0.05％或更少，更优选是为0.02％或更少。
Al：0.1％或更少(包括0％)
Al作为一种还原元素在通过冶炼生产钢材料时非常重要，另外，对于形成奥氏体晶粒精炼的氮化物也非常有效。然而，由于过多的含量会使晶粒粗糙从而对韧性产生不希望有的影响，因此其含量优选为0.1％或更少，更优选为0.05％或更少。
N：0.002-0.02％
N同Al或Ti一起构成精细的氮化物从而有助于精炼的改善并提高了组织强度。为了达到上述效果，其含量优选为0.002％或更多。但是由于过多的含量可能会导致大的氮化物，因此应保持在0.02％或更少。
上面对本发明机械构件用易切削钢中的优选的组成化学成份进行了描述，其余的成份基本上包括铁和不可避免的杂质。如上所述，由于本发明具有这样的技术特征，即对含有0.0005-0.02％Mg的易切削钢内的硫化物型夹杂物的分布状态进行限定，因此除了Mg其他的化学成份不限制本发明，但是根据机械构件用易切削钢的应用和所需的特性，该成份可能会与上述优选的化学成份有一定程度的偏差。另外，除了这些元素，下列元素可以选择有效地加入。
从由下列元素构成的组中选择一组或多组：0.002-0.2％的Ti，0.0005-0.02％的Ca和总共0.0002-0.2％的稀土元素。
当通过冶炼生产钢材料时，硫化物型夹杂物微粒的分布状态通过添加Ti，Ca或稀土元素改变，并且与没有添加它们相比能够得到更佳的特性。然而，如果Ti的含量少于0.002％，那么添加的效果就不充分。另一方面，如果添加量超过0.2％或更多，抗冲击力就会显著降低。在添加Ca的情况下，如果添加量小于0.0005％，那么添加效果就不充分，如果添加量超过0.02％或更多，就会像加Ti一样引起抗冲击力的降低。另外，在添加Ce，La，Pr或Nd等稀土元素的情况下，如果总量小于0.002％那么添加效果就不充分。反之如果含量超过0.2％那么冲击强度就会像加入Ti或Ca一样降低。Ti，Ca或稀土元素中可以单独加入，或两种一起加入，或多种同时加入。由于总量如果超过0.22％横向韧性就会降低，因此其上限限定为0.22％。
Bi：0.3％或更少(不包括0％)
Bi是一种能有效改善切削性能的元素，但是过多的含量不但会使其效果饱和而且会损害热锻性从而降低机械特性，因此其含量应为0.3％或更少。
另外，除了上述Ti，Ca和稀土元素以外，还可以加入Ni，Cr，Mo，Cu，V，Nb，Zr，或B以得到能满足本发明条件的机械构件用易切削钢。
当把冶炼方法用作生产本发明机械构件用易切削钢的方法时，选择用于添加Mg的Mg合金，并且以很好的平衡方式控制添加Mg合金时的氧溶解量，从加入Mg合金到开始浇铸的时间以及控制从浇铸开始到凝固的平均凝固速度(冷却速度)非常重要。通过以良好的平衡控制它们，可以加入0.005-0.02％的Mg并且将方程式(1)或(2)定义的硫化物型夹杂物微粒的分布系数F1和F2控制在本发明的范围内。尤其是，添加Mg合金时氧的溶解量对于提高Mg的效果非常重要，在下面描述的实施例中，氧的溶解量通过在添加Mg合金之前有选择地控制Al的添加量调节。另外，作为本发明的目的对于硫化物型夹杂物的种类没有限制，它们可以为Mn，Ca，Zr，Ti，Mg和其他元素的硫化物，复合硫化物，二硫化碳或酸性硫化物，只要夹杂物的分布状态能够满足方程式(1)或(2)限定的条件就可以。
附图简述
图1A和1B为用于说明硫化物夹杂物分布系数F1计算方法的视图；
图2A和2B为用于说明观测视场内硫化物型夹杂物数量计算方法的视图；
图3A，3B和3C分别为通过切屑，刀具寿命和横向韧性相对于值F1绘制的图形；
图4A，4B和4C分别为通过切屑，刀具寿命和横向韧性相对于值F2绘制的图形。
优选实施例的详细描述
下面通过实施例对本发明进行更详细的描述，但是下列实施例并不是为了限制本发明，任何根据上述和下述目的进行的设计修改都包含在本发明的技术范围内。
(实施例)
通过下面的冶炼方法生产出多种钢材料用于硫化物型夹杂物微粒分别状态的比较研究同时在易切削钢中改变它们。
利用高频感应电炉，首先在熔融的钢内加入C，接下来加入Fe-Mn合金和Fe-Si合金，进而加入Fe-Cr合金和Fe-S合金，随后加入Al和Mg。对于Mg的添加，使用的是多块状的Ni-Mg合金，Si-Mg合金及Ni-Mg-Ca合金中的一种。根据Mg合金的添加熔融钢内的溶解氧通过在Mg添加合金之前控制Al的添加调节。另外，在改变从添加Mg合金到浇铸的时间以及浇铸后的平均凝结速度的同时铸成φ140mm的钢锭。表1示出了每种样品的化学成份，表2示出了溶解的氧量，添加合金的种类，浇铸时间以及平均的凝固速度。
表1
| 序号 | 化学成份组成(质量百分比) | |||||||||||
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Al | N | Mg | Bi | O | 其他 | |
| 1 | 0.30 | 0.013 | 0.85 | 0.01 | 0.060 | 0.13 | 0.020 | 0.006 | 0.023 | - | 0.0011 | |
| 2 | 0.29 | 0.014 | 0.85 | 0.01 | 0.060 | 0.13 | 0.022 | 0.005 | 0.022 | - | 0.0008 | |
| 3 | 0.31 | 0.014 | 0.86 | 0.01 | 0.056 | 0.13 | 0.021 | 0.006 | 0.025 | - | 0.0022 | |
| 4 | 0.30 | 0.014 | 0.87 | 0.01 | 0.058 | 0.13 | 0.022 | 0.006 | 0.024 | - | 0.0011 | |
| 5 | 0.30 | 0.013 | 0.88 | 0.02 | 0.059 | 0.13 | 00.23 | 0.006 | 0.023 | - | 0.0010 | |
| 6 | 0.29 | 0.012 | 0.86 | 0.02 | 0.095 | 0.12 | 0.025 | 0.005 | 0.026 | - | 0.0013 | |
| 7 | 0.31 | 0.015 | 0.84 | 0.01 | 0.095 | 0.13 | 0.028 | 0.005 | 0.058 | - | 0.0014 | |
| 8 | 0.30 | 0.014 | 0.85 | 0.01 | 0.096 | 0.13 | 0.024 | 0.006 | 0.004 | - | 0.0018 | |
| 9 | 0.45 | 0.022 | 1.01 | 0.02 | 0.055 | 0.12 | 0.025 | 0.005 | 0.025 | - | 0.0012 | |
| 10 | 0.30 | 0.012 | 0.84 | 0.02 | 0.057 | 0.12 | 0.025 | 0.005 | 0.032 | - | 0.0013 | Ca：0.0017 |
| 11 | 0.31 | 0.017 | 0.85 | 0.02 | 0.060 | 0.13 | 0.022 | 0.004 | 0.025 | - | 0.0014 | Ti：0.015 |
| 12 | 0.29 | 0.018 | 0.86 | 0.02 | 0.055 | 0.14 | 0.024 | 0.006 | 0.026 | - | 0.0015 | REM：0.00 |
| 13 | 0.30 | 0.014 | 0.86 | 0.02 | 0.056 | 0.13 | 0.028 | 0.006 | 0.022 | 0.02 | 0.0017 | |
| 14 | 0.30 | 0.008 | 0.79 | 0.02 | 0.055 | 0.12 | 0.001 | 0.005 | - | - | 0.0042 | |
REM(稀土元素)总量＝％Ce+％La+％Pr+％Nd
表2
| 序号 | 溶解的氧量(ppm) | 添加合金的种类 | 浇铸时间(分钟) | 平均凝固速度(℃/分钟) |
| 1 | 8.0 | Ni-Mg | 6.5 | 32 |
| 2 | 4.9 | Ni-Mg | 6.5 | 32 |
| 3 | 18.2 | Ni-Mg | 7 | 32 |
| 4 | 8.2 | Si-Mg | 7 | 32 |
| 5 | 8.0 | Ni-Mg | 6.5 | 10 |
| 6 | 7.9 | Ni-Mg | 7.5 | 32 |
| 7 | 7.8 | Ni-Mg | 7 | 32 |
| 8 | 8.5 | Ni-Mg | 15 | 32 |
| 9 | 8.5 | Ni-Mg | 7 | 32 |
| 10 | 9.1 | Ni-Mg-Ca | 6.5 | 32 |
| 11 | 7.7 | Ni-Mg | 6.5 | 32 |
| 12 | 10.2 | Ni-Mg | 6 | 32 |
| 13 | 7.9 | Ni-Mg | 7.5 | 32 |
| 14 | - | - | - | 32 |
将通过上述浇铸得到的铸锭加热到大约1200℃，热锻到φ80mm，切割成合适的尺寸并进行淬火，回火以便将维氏硬度均匀地调节为270±10。然后进行机械切削试验，刀具寿命测量和冲击试验，并且测量硫化物型夹杂物微粒的形式。
对于机械切削试验，在垂直于锻造的压延方向上切割出试件，以便在平行于锻造的压延方向上加工试样。钻头使用的是由高速钢制成的直钻(直径为10mm)并计算两个钻孔的切屑数量。另外，在速度为20m/分，进给速度为0.2mm/转及孔深为10mm的加工条件下进行干加工。在刀具寿命的计算中，除了将速度增加到50m/分，其他条件与机械切削试验中的条件相同。
另外，使用沿垂至于锻造的压延方向切割出的试件并进行却贝氏(Charpy)冲击试验以确定横行韧性。
另一方面，为了测量硫化物的形式，使用沿平行于锻造的压延方向切割出的试件。利用放大倍数为100的光学显微镜在100个视场内进行测量，每个视场的面积为0.5mm×0.5mm，对硫化物型夹杂物的形状和分布状态进行下述图像分析。
(硫化物型夹杂物的形状)
对于硫化物型夹杂物微粒的形状，对全部观测的100个视场内每个1.0μm2或更大的面积内的硫化物型夹杂物的大直径，小直径，面积和数量进行测量。在夹杂物微粒延伸在两个观测视场上的情况下，跨越视场四个边中的两个边与相邻图像接触的夹杂物微粒不计算在内以便不计算重叠微粒的数量。即，如图2A所示，与右边和底边接触的夹杂物微粒不计算在内，但是它们计算为邻接观测视场内的夹杂物。尤其是，如图2b所示，硫化物型夹杂物微粒的数量在视场内计算。(硫化物型夹杂物的分布状态)
硫化物型夹杂物微粒的分布状态通过下面的硫化物型夹杂物微粒分布系数F1和F2评估。[F1]
对于每个面积为0.5mm×0.5mm的视场，面积为1.0μm2或更大的硫化物型夹杂物微粒的重心是确定的，对于每个硫化物型夹杂物微粒，相对于其他硫化物型夹杂物微粒测量它们重心之间的距离，并且到最近微粒的距离是确定的。然后，取X1与(A/n)1/2的比率即比率[X1/(A/n)1/2]并定义为硫化物型夹杂物微粒的分布系数F1，其中X1为每个视场内最近微粒之间距离的精确测量值的平均值，(A/n)1/2为最近微粒之间的距离，其中相同数量的硫化物型夹杂物微粒均匀地分散在格子图案中的相同面积内。在五个视场内测量系数并且确定平均值。目标硫化物的面积限定为1.0μm2或更大，因为通过控制小尺寸的硫化物不能得到实质的效果。[F2]
将面积为0.5mm×0.5mm的每个视场分成25个0.1mm×0.1mm的格子(在每个纵向和横向上均匀地分成5个)，测量其重心包含在每个格子内的微粒的数量，计算25个格子中每个之间的数量偏差作为标准偏差σ，通过数量的平均值X2(每单位面积内硫化物微粒的数量平均值)将标准偏差σ规格化得到的值(σ/X2)定义为硫化物型夹杂物微粒的分布系数F2。在五个视场内测量系数并确定平均值。表3所示为分布系数和硫化物型夹杂物微粒的形式(纵横比)以及机械切削试验，刀具寿命测量和冲击试验的结果。
表3
| 序号 | 硫化物微粒分布系数 | 纵横比 | 切屑数量(N/g) | 刀具寿命(cm) | 横向韧性(J/cm2) | 备注 | |
| F1 | F2 | ||||||
| 1 | 0.55 | 1.23 | 2.5 | 26 | 45 | 26.5 | 加工例 |
| 2 | 0.39 | 2.71 | 3.8 | 36 | 28 | 17.7 | 比较例 |
| 3 | 0.38 | 2.65 | 3.7 | 33 | 28 | 18.6 | |
| 4 | 0.35 | 2.75 | 3.9 | 36 | 29 | 16.7 | |
| 5 | 0.38 | 2.58 | 4.0 | 35 | 28 | 16.7 | |
| 6 | 0.48 | 1.57 | 2.8 | 32 | 56 | 24.5 | 加工例 |
| 7 | 0.54 | 1.26 | 2.6 | 30 | 62 | 25.5 | |
| 8 | 0.37 | 2.65 | 3.5 | 35 | 29 | 17.7 | 比较例 |
| 9 | 0.54 | 1.25 | 2.6 | 28 | 34 | 21.6 | 加工例 |
| 10 | 0.62 | 1.19 | 2.2 | 25 | 72 | 28.4 | |
| 11 | 0.43 | 2.03 | 3.2 | 33 | 40 | 24.5 | |
| 12 | 0.45 | 1.89 | 2.9 | 34 | 39 | 24.5 | |
| 13 | 0.54 | 1.24 | 2.6 | 42 | 113 | 26.5 | |
| 14 | 0.67 | 0.95 | 1.4 | 16 | 22 | 27.5 | 比较例 |
在图3中，相对于硫化物型夹杂物微粒的分布系数F1分别绘出了切屑的数量(图3A)，刀具寿命(图3B)和横向韧性(图3C)。在图4中，相对于硫化物型夹杂物微粒的分布系数F2分别绘出了切屑的数量(图4A)，刀具寿命(图4B)和横向韧性(图4C)。满足F1或F2的本发明实例表示为“●”而对比实例表示为“○”。
从这些结果可以得出以下结论。第1，6，7和9-13号为本发明实例，它们为具有良好均衡制造条件的易切削钢并能满足F1和F2及纵横比，同时切屑处理性能和机械特性(横向韧性)良好。从图1B或图2B可看出，本发明实例机械构件用易切削钢的刀具寿命特别佳。
另一方面，第2，5和8号为比较实例，其中易切削钢的制造条件不均衡，尽管它们能满足纵横比，但是它们都不满足F1和F2。即它们为具有良好切屑处理性能的易切削钢，但是机械特性(横向韧性)和刀具寿命不佳。尤其是，在第8号中，Mg的含量还超出了本发明的条件。
另外，第14号也是一个比较实例，其根本不含有Mg。第14号不满足本发明有关F1，F2和纵横比的条件，而且其显示了这样的结果，即机械特性与本发明尽管基本上相等，但是切屑处理性能和刀具寿命极差。
本发明具有上述构成，其能够提供一种含Mg的易切削钢，即使在无铅状态下，这种易切削钢也具有可与现有加铅钢相比的机械特性(横向韧性)和切屑处理性能，另外，还能够稳定和可靠地提供极佳的刀具寿命。
Claims (6)
1.一种具有硫化物型夹杂物的机械构件用易切削钢，其特征在于以质量百分比为基础，其分别包括，C：0.01-0.7％，Si：0.01-2.5％，Mn：0.1-3％，S：0.01-0.2％，P：0.05％或更少(包括0％)，Al：O.1％或更少(包括0％)，N：0.002-0.02％；以及0.0005-0.02％的Mg，其中由下面的方程式(2)确定的硫化物型夹杂物微粒的分布系数F2为1-2.5：
F2＝σ/X2 .................(2)
其中：
σ：表示每单位面积内硫化物型夹杂物微粒数量的偏差，及
X2：表示每单位面积内夹杂物微粒数量的平均值。
2.如权利要求1所述的机械构件用易切削钢，其中硫化物型夹杂物的大直径L1与小直径L2之间的比率(L1/L2)为1.5-5。
3.如权利要求1所述的机械构件用易切削钢，以质量百分比为基础，其还包括从下列元素组中选择的至少一种元素：
Ti：0.002-0.2％，
Ca：0.0005-0.02％及
稀土元素：总共0.0002-0.2％。
4.如权利要求1所述的机械构件用易切削钢，以质量百分比为基础其还包括0.3％或更少(不包括0％)的Bi。
5.一种具有硫化物型夹杂物的机械构件用易切削钢，其特征在于以质量百分比为基础，其分别包括，C：0.01-0.7％，Si：0.01-2.5％，Mn：0.1-3％，S：0.01-0.2％，P：0.05％或更少(包括0％)，Al：0.1％或更少(包括0％)，N：0.002-0.02％；以及0.0005-0.02％的Mg，其中由下面的方程式(1)确定的硫化物型夹杂物微粒的分布系数F1为0.4-0.65：
F1＝X1/(A/n)1/2 ............(1)
其中：
X1：表示通过精确测量观测视场内的每个硫化物型夹杂物微粒与观测视场内的所有微粒中离其最近的微粒之间的距离而得到的平均值(μm)，在五个视场内测量该距离并求它们的平均值，其中，
A：表示观测面积(mm2)，及
n：表示在观测面积(数量)内观察到的硫化物型夹杂物微粒的数量。
6.如权利要求5所述的机械构件用易切削钢，其中硫化物型夹杂物的大直径L1与小直径L2之间的比率(L1/L2)为1.5-5。
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