CN114990444A - 一种含硫含碲的易切削304不锈钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及不锈钢技术领域，特别涉及一种含硫含碲的易切削304不锈钢及其制造方法。所述不锈钢以重量百分百计，包含C≤0.08％、Si≤1.0％、Mn≤2.0％、P≤0.045％、S:0.020～0.030％、Ni:8.0～10.0％、Cr:18.0～20.0％、Te:0.0040～0.010％、B:0.002～0.010％，其余为铁和不可避免的杂质。所述制备方法包括：冶炼、连铸、钢坯加热、轧制、固溶，得到具有易切削性的304不锈钢。本方法生产的含硫含碲易切削304不锈钢，解决轧制开裂问题，轧制成材率≥96％，具有较好表面质量，对比原有工艺生产的304不锈钢，本发明生产的不锈钢具有易切削性，可用于高速车床加工，提高产品的加工效率和加工精度，同时仍具有良好的耐蚀性能和稳定的力学性能及优异塑性，盐雾测试96小时不生锈，抗拉强度Rm：560～620MPa，延伸率A≥62％，收缩率Z≥75％。

Description

一种含硫含碲的易切削304不锈钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及不锈钢技术领域，特别涉及一种含硫含碲的易切削304不锈钢及其制造方法。
背景技术
304不锈钢是应用最为广泛的一种铬-镍不锈钢，作为一种用途广泛的钢，具有良好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机械特性，它广泛地用于制作要求良好综合性能(耐腐蚀和成型性)的设备和机件，如餐具、汽车配件、医疗器具，建材等，但304不锈钢加工硬化大，使其可切削性差，从而使得产品的加工效率得到限制，加工精度也受到影响，因此，研制一种易切削的304不锈钢具有重要得到意义。
易切削不锈钢是指在钢中加入一定数量的一种或一种以上的硫、磷、铅、钙、硒、碲等易切削元素，以改善其切削性的不锈钢。目前常用的方法是在不锈钢中加入硫元素，主要原理是硫易与不锈钢中锰形成硫化锰，硫化锰较脆，在切削加工室可作为应力集中源，降低切削力，另外硫化锰也能起到润滑刀具的作用。但过高的硫会严重影响材料的力学性能和耐腐蚀性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种易切削的304不锈钢，本发明通过选择复合添加硫、碲两种易切削元素，使其相对于原有304不锈钢，具有更优良的易切削性，可用于高速车床加工，提高产品的加工效率和加工精度，同时仍能保留良好的耐蚀性能、力学性能和塑性。
本发明的另一个目的在于提供一种上述易切削的304不锈钢的制备方法，解决加碲、硫带来的轧制开裂问题，轧制成材率≥96％。
为实现上述两个目的，本发明提供如下技术方案：
一种含硫含碲的易切削304不锈钢，所述不锈钢按质量百分比计，包含以下成分：C≤0.08％、Si≤1.0％、Mn≤2.0％、P≤0.045％、S:0.020～0.030％、Ni:8.0～10.0％、Cr:18.0～20.0％、Te:0.0040～0.010％、B:0.002～0.010％，其余为铁和不可避免的杂质。
作为优选，所述不锈钢，按质量百分比计，包含以下成分：C:0.03～0.07％、Si:0.3～0.6％、Mn:1.0～1.5％、P≤0.040％、S:0.022～0.028％、Ni:8.5～9.5％、Cr:18.5～19.5％、Te:0.0050～0.0080％、B:0.003～0.008％，其余为铁和不可避免的杂质。
一种含硫含碲的易切削304不锈钢的制备方法，包括以下步骤：电炉冶炼→AOD冶炼→LF精炼→连铸→钢坯加热→轧制→固溶，其中：
电炉冶炼：在电炉中将原料熔化为钢水；
AOD精炼：钢水脱碳至C＜0.010％；
LF精炼：向上一步钢水中按各成分目标值补加材料，之后加入硼铁，使B含量为目标值，再喂入碲线，使Te含量为目标值；
连铸：上一步钢水进行浇铸，得到钢坯；
钢坯加热：上一步钢坯进行预热后出炉轧制；
轧制：加热后钢坯进行轧制，轧制包括粗轧、精轧、吐丝和集卷，粗轧和精轧中间还设置有“感应加热”步骤；
固溶：轧制后经固溶处理，得到含硫含碲的易切削304不锈钢。
作为优选，所述原料为低P废不锈钢，P≤0.040％。
作为优选，电炉冶炼和AOD精炼步骤中，按下述化学成分冶炼成钢水：C≤0.08％、Si≤1.0％、Mn≤2.0％、P≤0.045％、S:0.020～0.030％、Ni:8.0～10.0％、Cr:18.0～20.0％，其余为铁和不可避免的杂质；AOD钢水温度1600～1630℃时出钢。
作为优选，AOD冶炼步骤分为化钢期、氧化期、还原期、精炼期。化钢期：先在AOD炉中加入石灰，再加入预先配置好的铬铁、镍铁等合金冷料，最后兑入电炉冶炼的粗钢水，升温熔化冷料，温度控制在1550～1600℃；脱碳期：快速吹氧升温至1700～1750℃，吹氧气脱碳至C＜0.010％；还原期：根据钢水及成品Si含量要求计算需加入硅铁量进行还原，控制此时炉渣碱度R在1.7-2.0，还原温度1580～1630℃，还原时间6～10min；精炼期：加入石灰、萤石进行精炼，精炼温度1560～1640℃，精炼时间6～8min，调整温度到1600～1630℃出钢。AOD冶炼过程全程吹氩气搅拌。
作为优选，所述LF精炼步骤中补加的材料为铬铁、镍铁、硅铁、纯锰、硫铁合金的至少一种，根据各元素目标含量选择性补加。
作为优选，所述LF精炼步骤中调整钢水温度为1620～1630℃。
作为优选，所述碲线为一种铁皮包芯线，直径13mm，外部铁皮重130～180g/m，内部芯粉重500～550g/m，芯粉组成为纯碲粉。更优选的，碲线的喂线速度为100-150m/min。能够进一步保证碲的收得率，同时避免扯断碲线。
作为优选，LF精炼步骤中喂入碲线后，软吹氩气6-15分钟，软吹压力以不裸露钢液为准，调整温度1540～1560℃，吊包上连铸。
作为优选，所述连铸步骤中采用三机三流弧形连铸机；中间包温度控制在1490～1510℃，连铸拉速控制在0.8～1.2m/min。
作为优选，所述钢坯加热步骤分三段加热，第一段，将钢坯(连铸坯)以13～15℃/min速度升至850±20℃并保温15min；第二段，以8～12℃/min速度升至1200±20℃并保温20min；第三段，以6～8℃/min速度升至1240±20℃并保温20min，然后出炉轧制。
作为优选，所述轧制步骤中采用达涅利高速线材轧制。轧制步骤分为粗轧、精轧、吐丝和集卷。粗轧开轧温度1230～1240℃；粗轧结束后，采用“感应加热”给轧件在线升温，“感应加热”设置温度为1150～1180℃，然后进入精轧，终轧温度控制在1020～1100℃；吐丝温度控制1000～1050℃；吐丝后经过斯太尔摩风冷线，冷却至温度≤300℃再集卷，集卷后自然冷却至室温。
作为优选，所述固溶步骤在环形炉固溶炉中处理，当固熔炉温度800±5℃时进炉，保温40～45min，然后以10～16℃/min速度加热到1050±5℃，保温25～30min后出炉直接入水冷却至80℃以下。
作为优选，具体包括以下步骤：
1)电炉冶炼、AOD冶炼：化学成分重量百分比为：C≤0.08％、Si≤1.0％、Mn≤2.0％、P≤0.045％、S:0.020～0.030％、Ni:8.0～10.0％、Cr:18.0～20.0％，其余为铁和不可避免的杂质；按上述化学成分冶炼成钢水，AOD钢水温度1600～1630℃时出钢。
2)LF精炼：测温取样，根据成分目标值补加铬铁、镍铁、硅铁、纯锰、硫铁合金微调；调整钢水温度1620～1630℃，加入硼铁，软吹氩气3-5min，使满足B:0.002～0.010％，之后喂入碲线，喂线量根据钢水量和Te要求计算，使钢水满足Te:0.0040～0.010％，所述碲线为一种铁皮包芯线，直径13mm，外部铁皮重130～180g/m，内部芯粉重500～550g/m，芯粉组成为纯碲粉，之后软吹氩气6-15分钟，软吹压力以不裸露钢液为准，调整温度1540～1560℃，吊包上连铸。
3)连铸：连铸过程，结晶器尺寸180mm×180mm，中间包温度控制在1490～1510℃，连铸拉速控制在0.8～1.2m/min，结晶器水流量控制90～93m3/h，得到尺寸180mm×180mm×6000mm的连铸坯。
4)钢坯加热：钢坯分三段加热，第一段，将连铸坯以13～15℃/min速度升至850±20℃并保温15min；第二段，以8～12℃/min速度升至1200±20℃并保温20min；第三段，以6～8℃/min速度升至1240±20℃并保温20min。
5)轧制：采用高速线材轧机，分为粗轧、精轧、吐丝和集卷。粗轧开轧温度1230～1240℃；粗轧结束后，采用“感应加热”给轧件在线升温，设置温度为1150～1180℃，然后进入精轧，终轧温度控制在1020～1100℃；吐丝温度控制1000～1050℃；吐丝后经过斯太尔摩风冷线，冷却至温度≤300℃再集卷，集卷后自然冷却至室温。
6)固溶：在环形炉固溶炉中处理，当固熔炉温度800±5℃时进炉，在800±5℃保温40～45min，然后以10～16℃/min速度加热到1050±5℃，保温25～30min后出炉直接入水冷却至80℃以下。
下面对本发明的不锈钢盘条的各化学成分在材料中的作用进行解释。
碳(C)：碳是奥氏体形成元素，能增高不锈钢的强度，碳含量过高会使不锈钢耐蚀性降低、冷加工难度增大、塑性降低，本发明的碳含量控制在≤0.08％。
硅(Si)：硅是强烈的脱氧剂，降低钢中的氧含量，改善钢中夹杂物。但硅较高也会使不锈钢的冷加工性能下降，同时影响不锈钢塑性和耐氯离子腐蚀能力。所以本发明硅含量控制在≤1.00％。
锰(Mn)：锰是奥氏体形成元素，在不锈钢中可以增加钢的强度，同时Mn与钢中的硫生成MnS，MnS是一种重要的易切削相，可以帮助改善切削性能，MnS的塑性较好，也可改善含硫钢的热加工性能，防止加工开裂，本发明Mn≤2.00％。
磷(P)：磷是钢中有害元素，能使钢脆性增加，本发明磷含量控制在≤0.045％。
硫(S)：硫对于普通不锈钢来说是有害元素，但硫也为易切削元素，少量的硫也能提高钢的易切削性能，钢中硫与锰形成硫化锰，硫化锰在车削加工时会成为应力缺口，降低不锈钢的切削抗力，起到润滑刀具的作用，随着硫含量的增加，不锈钢的切削性会明显提升，但过高的硫会使硫化物沿着轧制方向变形，形成长条状，并聚集在一起，严重影响不锈钢的塑性，尤其是横向性能，因此本发明硫含量控制在0.020～0.030％。
镍(Ni)：镍是强烈奥氏体形成元素，使不锈钢保持稳定的奥氏体态，提高材料的强度、塑性，同时镍和Cr配合也能显著提高不锈钢的耐腐蚀性，因此本发明镍含量控制在8.0～10.0％。
铬(Cr)：铬是不锈钢之所以不锈的主要元素，当钢中铬含量超过10.5时会在表面形成一层钝化膜，阻碍氧化反应的进一步发生，从而使不锈钢具有显著的耐蚀性，随着不锈钢中铬含量的增加，不锈钢的耐腐蚀性能越高，本发明铬含量控制在18.0～20.0％。
碲(Te)：碲本身是易切削元素，少量的碲就能明显提升不锈钢的切削性能，钢中含硫时，碲会一部分固溶于硫化锰之中，通常以MnTe形式存在包裹着MnS的外部，使轧制过程中硫化锰不易伸长，起到球化硫化物的作用，使硫化物弥散、细小分布，可明显提高不锈钢的切削性，消除长条状粗大硫化物，提高机加工性能和耐腐蚀性能，即达到提高切削性能目的，又不影响材料的力学性能和塑性，但过高的碲会影响材料热加工性能，不利于轧制，所以本发明碲控制在0.0040～0.010％。
硼(B)：硼可以提高奥氏体不锈钢的晶界强度，改善材料的高温塑性，减轻加碲带来的热塑性变差问题，但B元素含量也不能太高，不然造成晶界偏聚反而带来有害的作用，所以本发明硼控制在0.002～0.010％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过控制钢中S的含量并添加少量的Te元素，从而形成少量弥散分布的MnS/MnTe夹杂物，相比于原有的304具有更优良的切削性能，同时仍能保持良好的耐蚀性能和稳定的力学性能及优异塑性，盐雾测试96小时不生锈。
(2)本发明通过添加Te，使长条状的MnS球化，消除横向性能变差的问题，再通过优化固溶工艺，使固溶后材料力学性能稳定、塑性优良，抗拉强度Rm：560～620MPa，延伸率A≥62％，收缩率Z≥75％。
(3)本发明通过添加B元素，提高晶界间的结合力，并在轧制时采用“感应加热”给轧件升温，补偿过程温度流失，解决加Te、S带来的热塑性变差导致轧制开裂的问题，轧制成材率≥96％。
附图说明
图1实施例1不锈钢的表面宏观图片；
图2根据本发明制造的实施例3的不锈钢盐雾96小时后表面形貌；
图3根据本发明制造的实施例2的不锈钢硫化物金相照片；
图4实施例1～4及常规304车屑实验后断屑形貌。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的更详细的阐述。这些实施例只是对本发明最佳实施方案的阐述，并不对本发明的范围有任何限制。
实施例1～4按质量百分比计，不锈钢包含以下成分：
C≤0.08％、Si≤1.0％、Mn≤2.0％、P≤0.045％、S:0.020～0.030％、Ni:8.0～10.0％、Cr:18.0～20.0％、Te:0.0040～0.010％、B:0.002～0.010％，其余为铁和不可避免的杂质。
实施例1～4采用以下工艺流程：
1)电炉冶炼：采用30t电炉进行钢水初炼，先加入800～1500Kg石灰垫在炉底，之后分三次加入低P(P≤0.040％)废不锈钢，第一次12～14吨，第二次7～8吨，第三次5～6吨，第一次料加入后开始通电熔化，熔化温度一般为1650-1700℃，以能使原料熔化即可，每次熔化超过1/2废料后开始加入下一篮料，熔化过程吹氧气1000～1400m3/h助熔，熔化结束后加入300～600Kg硅铁还原，并进行底吹氩气搅拌，还原结束后扒3/4炉渣，调节温度至1550～1560℃出钢。
2)AOD冶炼：分为化钢期、氧化期、还原期、精炼期。化钢期：先在AOD炉中加入1200-1500Kg石灰，再加入预先配置好的铬铁、镍铁等合金冷料，最后兑入电炉冶炼的粗钢水，升温熔化冷料，温度控制在1550～1600℃，化钢结束后拔掉90％炉渣；氧化期：快速吹氧升温至1700～1750℃，吹氧气脱碳至C＜0.010％；还原期：根据钢水及成品Si含量要求计算需加入硅铁量进行还原，控制此时炉渣碱度R在1.7-2.0，还原温度1580～1630℃，还原时间6～10min，还原结束扒渣90％以上；精炼期：加入400～800Kg石灰、200～500Kg萤石进行精炼，精炼温度1560～1640℃，精炼时间6～8min，调整温度到1600～1630℃出钢。AOD冶炼过程全程吹氩气搅拌。
3)LF精炼：AOD钢水到站后，测温取样，根据成分目标值补加铬铁、镍铁、硅铁、纯锰、硫铁合金微调；调整钢水温度1620～1630℃，加入硼铁，软吹氩气3-5min，使满足B:0.002～0.010％，之后喂入碲线，喂线速度120m/min，喂线量根据钢水量和Te要求计算，使钢水满足Te:0.0040～0.010％，所述碲线为一种铁皮包芯线，直径13mm，外部铁皮重130～180g/m，内部芯粉重500～550g/m，芯粉组成为纯碲粉，之后软吹氩气6-15分钟，软吹压力以不裸露钢液为准，调整温度1540～1560℃，吊包上连铸。
4)连铸：采用三机三流弧形连铸机，结晶器尺寸180mm×180mm，中间包温度控制在1490～1510℃，连铸拉速控制在0.8～1.2m/min，结晶器水流量控制90～93m3/h，得到尺寸180mm×180mm×6000mm的连铸坯。
5)钢坯加热：钢坯分三段加热，第一段，将连铸坯以13～15℃/min速度升至850±20℃并保温15min；第二段，以8～12℃/min速度升至1200±20℃并保温20min；第三段，以6～8℃/min速度升至1240±20℃并保温20min，然后出炉轧制。
6)轧制：采用达涅利高速线材轧制，分为粗轧、精轧、吐丝和集卷。粗轧开轧温度1230～1240℃；粗轧结束后，采用“感应加热”给轧件在线升温，设置温度为1150～1180℃，然后进入精轧，终轧温度控制在1020～1100℃；吐丝温度控制1000～1050℃；吐丝后经过斯太尔摩风冷线，冷却至温度≤300℃再集卷，集卷后自然冷却至室温。
7)固溶：在环形炉固溶炉中处理，当固熔炉温度800±5℃时进炉，在800±5℃保温40～45min，然后以10～16℃/min速度加热到1050±5℃，保温25～30min后出炉直接入水冷却至80℃以下。
表1实施例1-4的具体成分及其质量分数
Figure BDA0003698353580000081
注：余量为Fe和不可避免的杂质
表2实施例1-4的过程制备参数
Figure BDA0003698353580000082
表2实施例1-4的过程制备参数(续)
Figure BDA0003698353580000083
表3实施例1-4的轧制成材率和性能测试结果
Figure BDA0003698353580000091
实施例1～4的成分配比如表1所示，各成分均在本发明要求范围内。实施例1～4的具体相关工艺参数如表2所示。实施例1～4的轧制成材率和性能测试结果如表3所示，可知，实施例1～4轧制成材率都在96％以上，可知本申请通过对制备过程的协同调控，使得不锈钢在添加碲元素后依然具有较高的轧制成材率，与对比例中未添加碲的304轧制成材率基本一致甚至更高；实施例1～4抗拉强度稳定控制在560～620MPa，延伸率和收缩率都与常规304接近，具有稳定力学性能和优异的塑性；盐雾试验与对比例常规304一样都能保持96小时不生锈，具有良好的耐蚀性。
图1为实施例1不锈钢的表面宏观图片，表面光滑无缺陷，表明质量优良；图2为实施例3不锈钢盐雾试验经过96小时后的表面，无生锈情况，表明耐蚀性优良；图3为实施例2不锈钢的金相显微镜观察下的硫化物图片，硫化物分布均匀、细小，这是不锈钢具有良好切削性的表现。
试验例
经过本发明生产的实施例1-4含硫含碲易切削304不锈钢和常规304同时进行车削实验，材料的车削参数都相同，实验在在CA6140车床上进行，采用硬质合金刀片，车削转速1500r/min，吃刀深度0.5mm，走刀速度0.15mm/r，实验结果如表4所示。其中，实施例1-4切削后所得车件表面粗糙度低，明显优于对比例常规304；实施例1-4切削后所得车件表面硬度要低于常规304，说明车屑加工后硬化率小于常规304，材料中硫化物降低了切削阻碍力；实施例1-4断屑形貌如图4所示，碎屑比例高，碎屑效果明显优于常规304，材料中硫化物提高了断屑效果。综合上述评价，本发明实施例的不锈钢具有更优良的切削性能。
表4车削实验性能评价参数
Figure BDA0003698353580000101
综上所述，本发明制作的含硫含碲易切削304不锈钢，具有较好的表面质量，对比原有工艺生产的304不锈钢，本发明生产的不锈钢具有更优良切削性，可用于高速车床加工，提高产品的加工效率和加工精度，同时仍具有良好的耐蚀性能和稳定的力学性能及优异的塑性。
以上所述的实施例只是本发明的较佳方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种含硫含碲的易切削304不锈钢，其特征在于，所述不锈钢按质量百分比计，包含以下成分：C≤0.08％、Si≤1.0％、Mn≤2.0％、P≤0.045％、S:0.020～0.030％、Ni:8.0～10.0％、Cr:18.0～20.0％、Te:0.0040～0.010％、B:0.002～0.010％，其余为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述一种含硫含碲的易切削304不锈钢，其特征在于，所述不锈钢按质量百分比计，包含以下成分：C:0.03～0.07％、Si:0.3～0.6％、Mn:1.0～1.5％、P≤0.040％、S:0.022～0.028％、Ni:8.5～9.5％、Cr:18.5～19.5％、Te:0.0050～0.0080％、B:0.003～0.008％，其余为铁和不可避免的杂质。
3.一种权利要求1-2任意一种所述含硫含碲的易切削304不锈钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：电炉冶炼→AOD冶炼→LF精炼→连铸→钢坯加热→轧制→固溶，其中：
电炉冶炼：在电炉中将原料熔化为钢水；
AOD精炼：钢水脱碳至C＜0.010％；
LF精炼：向上一步钢水中按各成分目标值补加材料，之后加入硼铁，使B含量为目标值，再喂入碲线，使Te含量为目标值；
连铸：上一步钢水进行浇铸，得到钢坯；
钢坯加热：上一步钢坯进行预热后出炉轧制；
轧制：加热后钢坯进行轧制，轧制包括粗轧、精轧、吐丝和集卷，粗轧和精轧中间还设置有“感应加热”步骤；
固溶：轧制后经固溶处理，得到含硫含碲的易切削304不锈钢。
4.根据权利要求3所述一种含硫含碲的易切削304不锈钢的制备方法，其特征在于，所述原料为低P废不锈钢，P≤0.040％。
5.根据权利要求3所述一种含硫含碲的易切削304不锈钢的制备方法，其特征在于，电炉冶炼和AOD精炼步骤中，按下述化学成分冶炼成钢水：C≤0.08％、Si≤1.0％、Mn≤2.0％、P≤0.045％、S:0.020～0.030％、Ni:8.0～10.0％、Cr:18.0～20.0％，其余为铁和不可避免的杂质；AOD钢水温度1600～1630℃时出钢。
6.根据权利要求3所述一种含硫含碲的易切削304不锈钢的制备方法，其特征在于，所述LF精炼步骤中补加的材料为铬铁、镍铁、硅铁、纯锰、硫铁合金的至少一种，根据各元素目标含量选择性补加。
7.根据权利要求3所述一种含硫含碲的易切削304不锈钢的制备方法，其特征在于，所述碲线为一种铁皮包芯线，直径13mm，外部铁皮重130～180g/m，内部芯粉重500～550g/m，芯粉组成为纯碲粉。
8.根据权利要求3所述一种含硫含碲的易切削304不锈钢的制备方法，其特征在于，所述钢坯加热步骤分三段加热，第一段，将钢坯(连铸坯)以13～15℃/min速度升至850±20℃并保温15min；第二段，以8～12℃/min速度升至1200±20℃并保温20min；第三段，以6～8℃/min速度升至1240±20℃并保温20min，然后出炉轧制。
9.根据权利要求3所述一种含硫含碲的易切削304不锈钢的制备方法，其特征在于，轧制步骤分为粗轧、精轧、吐丝和集卷；粗轧结束后，采用“感应加热”给轧件在线升温，“感应加热”设置温度为1150～1180℃。
10.根据权利要求3所述一种含硫含碲的易切削304不锈钢的制备方法，其特征在于，所述固溶步骤在环形炉固溶炉中处理，当固熔炉温度800±5℃时进炉，保温40～45min，然后以10～16℃/min速度加热到1050±5℃，保温25～30min后出炉直接入水冷却至80℃以下。
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Denomination of invention: A sulfur-containing and tellurium containing free cutting 304 stainless steel and its preparation method

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Pledgee: China Construction Bank Qingtian Sub branch

Pledgor: ZHEJIANG TSINGSHAN IRON & STEEL Co.,Ltd.

Registration number: Y2024980014337

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