CN115747619B - 一种含锡易切削钢的制备方法及含锡易切削钢 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含锡易切削钢的制备方法及含锡易切削钢，涉及金属材料类及冶金技术领域，所述方法包括：将合金原料进行打磨处理和烘烤处理，得到炉料；将所述炉料进行熔炼工艺处理，得到铸锭；将所述铸锭进行锻造工艺处理，得到含锡易切削钢。本发明通过使用真空感应炉对合金原料进行熔化、精炼，在真空条件下，没有空气和炉渣污染，金属不易挥发氧化，能够精准地控制和调整含锡易切削钢的化学成分，同时真空冶炼也创造了良好的去气的条件，可以用碳进行脱氧，脱氧产物是气体，同时熔池中存在一定的电磁搅拌，可以促进钢水成分和温度均匀，使钢中的夹杂物上浮，从而得到高品质的含锡易切削钢铸锭。

Description

一种含锡易切削钢的制备方法及含锡易切削钢

技术领域

本发明涉及金属材料类及冶金技术领域，尤其涉及一种含锡易切削钢的制备方法及含锡易切削钢。

背景技术

易切削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，以改善切削性能的合金钢。根据所含易切削元素的不同，可以将易切削钢分为硫系易切削钢、铅系易切削钢、钛系易切削钢以及复合易切削钢等。硫系易切削钢是问世时间最早，迄今为止用量最大且用途最广的易切削钢，占世界和我国易切削钢总产量的比例分别为70％与90％以上。硫系易切削钢主要应用在螺栓、螺母、管接头、汽车制动零部件、弹簧座和模具等复杂部件，这些复杂零部件需要在数控机床上进行切削加工，为了延长刀具使用寿命，降低加工成本，提高生产效率，必须要求钢材具有良好的切削加工性能。硫系易切削钢中的硫主要以硫化锰的形式存在，硫化锰夹杂物可作为应力集中源诱发基体产生许多微裂纹，降低切削抗力并致使钢材在车削加工时容易断屑。

Sims和Dahle最早对钢铁铸造组织中的硫化锰进行了分类，根据硫化锰的形貌与分布不同分了三类：第一类为球形复合夹杂物，任意分布，存在于不用铝脱氧的钢中；第二类是短棒状，沿晶界呈链状或网状分布，存在于用少量铝脱氧的钢中；第三类为块状，无规则分布，存在于加铝量高且有残铝的钢中；后来研究人员又追加了第四类：树枝状硫化物。

Oikawa等人研究了易切削钢中合金元素对硫化锰形态的影响，并对硫化锰进行了分类：第一类球形，由偏晶反应形成；第二类短棒或树枝状，由共晶反应形成；第三类不规则形状，由伪共晶反应生成。含硫易切削钢中硫化锰的尺寸、形貌与分布对钢材的力学性能有着显著的影响，为了获得最佳的切削性能，生产中希望得到球形或纺锤形长宽比较小的硫化物夹杂，这类夹杂物在轧制过程中因塑性小不易变形，可以在基体变形后仍保持纺锤形或椭球形，对改善切削性能非常有益。而长宽比超过4:1的细长条状硫化锰不但破坏基体的连续性，还会造成切削屑粘结，降低工件表面质量。易切削钢在锻造变形后容易生成细长条状的硫化锰，引起钢材的各向异性，降低钢材的综合力学性能。

锡和铅同主族，物理和化学性质相近，是易切削元素的一种。含锡钢在275℃附近有一个脆性谷，在对含锡钢进行切削加工时，当切削温度在脆谷附近时，钢材倾向于脆性断裂，在切削过程中易产生断屑，从而提高钢材的切削性能。锡的沸点高、蒸气压低，不易挥发且无毒，生产和使用含锡易切削钢不会对生态产生不利影响，是一种“绿色环保”的新钢种。锡的资源广泛，价格适宜，是铅的理想替代元素。然而，较低的锡含量很难达到较高的切削性能，而锡含量高又会造成热轧时锡在奥氏体晶界偏聚，引起材料脆性对工艺性能产生有害影响。因此，如何制备锡含量高的易切削钢及其相关的锻造工艺成为关键技术。

专利CN1450192A，公布了“一种含锡易切削钢”，该方法采用中性覆盖渣钢液、扩散脱氧、固体电解质氧浓差电池快速定氧等措施，研制出力学性能和易切削性能兼优的无铅易切削钢种，其抗拉强度为460MPa，延伸率为25％～30％，断面收缩率55％～60％。该发明所制备的易切削钢的抗拉强度仅为460MPa，其强度较低，严重限制了材料的应用范围。

专利CN1450192A，公布了“一种含锡易切削结构钢”，该发明含锡易切削结构钢的成分范围为：C：0.05％～0.50％；Si：0～0.4％；Mn：0.3％～2.0％；Cr：0～2.0％；S：0.005％～0.35％；P：0.005％～0.05％；Sn：0.09％～0.25％，余量为Fe。该发明可通过转炉或者电炉冶炼，冶炼工艺基本同普钢，能较好地进行热加工，热轧时比高硫易切削钢更易操作并且具有良好的室温综合力学性能。但该发明中可控制的Sn含量较低，仅为0.09％～0.25％，对硫化物的调控有限，限制了切削性能的提高。

专利CN109295384A，公布了“一种含硫锡碲的易切削钢及其制造方法”，钢中Mn、S、Te质量百分比满足Mn/Te＞20，0.05＜Te/S小于0.3，该钢种的生产工艺为：转炉冶炼→LF炉精炼→连铸→加热炉加热→轧制、冷却→缓冷，Sn在转炉出钢时以含锡废钢形式加入或在精炼末期以碲粉包芯线形式加入。该方法生产工艺复杂，工艺流程较长，不适合制造高质量的易切削钢产品。

本发明的目的为针对上述已有技术存在的不足，提供一种含锡易切削钢的制备方法及含锡易切削钢。

发明内容

本发明目的在于提供一种含锡易切削钢的制备方法及含锡易切削钢，本发明所制备的含锡易切削钢，通过添加锡元素，有效改善了易切削钢中硫化物的形态与分布状态，并通过合理的锻造工艺有效提高了材料的强度。本发明所制备的含锡易切削钢棒材具有高强度和高切削性能，可以有效降低机加工成本、提高生产效率与产品竞争力，适用于制造汽车、高铁、家电及办公装备等行业的零部件。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种含锡易切削钢的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

将合金原料进行打磨处理和烘烤处理，得到炉料；

将所述炉料进行熔炼工艺处理，得到铸锭；

将所述铸锭进行锻造工艺处理，得到含锡易切削钢。

进一步地，所述熔炼工艺具体为：

通过真空感应炉熔化升温使高纯铁、铬铁和镍板全部熔清，得到钢液；

向所述钢液中依次加入石墨、硅铁、锰铁、磷铁、钼铁、硫铁和金属锡后进行电磁搅拌和浇铸操作，得到铸锭；其中，

所述熔化升温具体为：

设置设备功率为30％，持续15min～20min；

设置设备功率为60％，持续10min～20min；

设置设备功率为75％，持续10min～20min；

设置设备功率为90％～100％，使高纯铁、铬铁和镍板全部熔清。

进一步地，所述的将所述铸锭进行锻造工艺处理，得到含锡易切削钢具体为：

将铸锭进行预加热，得到锻压锭；

将所述锻压锭进行第一趟锻造，得到方坯；

将所述方坯进行第二趟锻造，得到锻棒；

将所述锻棒进行第三趟锻造，得到含锡易切削钢。

进一步地，所述的将铸锭进行预加热，得到锻压锭具体为：

设置加热炉温度为1150℃～1200℃，将铸锭表面温度和心部温度均控制在±10℃内，并保温时间为3h～5h，得到锻压锭。

进一步地，所述第一趟锻造的工艺条件包括：

所述锻压锭的送进速度为0.3m/s～0.5m/s；

所述锻压锭的旋转送进角度为90°/锤；

所述锻压锭的锻造锤击频率控制在80次/min～100次/min。

进一步地，所述第二趟锻造的工艺条件包括：

所述方坯的送进速度为0.3m/s～0.5m/s；

所述方坯的旋转送进角度为45°/锤；

所述方坯的锻造锤击频率控制在80次/min～100次/min。

进一步地，所述第三趟锻造的工艺条件包括：

所述锻棒的送进速度为0.3m/s～0.5m/s；

所述锻棒的旋转送进角度为15°/锤；

所述锻棒的锻造锤击频率控制在80次/min～100次/min。

进一步地，所述第一趟锻造得到尺寸为100mm～120mm的方坯；

所述第二趟锻造得到外接圆尺寸为80mm～90mm的正八边形锻棒；

所述第三趟锻造得到直径为50mm～80mm的含锡易切削钢。

基于上述制备方法，另一方面，本发明还提供了一种含锡易切削钢，所述含锡易切削钢的组分及质量百分含量为：

C含量为0.01％～0.05％，Si含量为0.1％～0.35％，Mn含量为1.5％～2.5％，Cr含量为15.0％～18.0％，Ni含量为8.0％～9.0％，S含量为0.2％～0.5％，O含量为0.005％～0.01％，Mo含量为0.1％～0.25％，Sn含量为0.4％～0.6％，N含量为0.01％～0.015％，O含量为0.005％～0.01％，P≤0.01％，其余为Fe和杂质元素。

进一步地，所述Sn的质量百分比含量为：0.5～0.6wt％；

所述S的质量百分比含量为：0.3～0.5wt％；

所述的Sn与S的质量百分比需满足：1.2wt％≤Sn/S≤2.0wt％。

本发明的技术效果和优点：

本发明通过使用真空感应炉对合金原料进行熔化、精炼，在真空条件下，没有空气和炉渣污染，金属不易挥发氧化，能够精准地控制和调整含锡易切削钢的化学成分，同时真空冶炼也创造了良好的去气的条件，可以用碳进行脱氧，脱氧产物是气体，同时熔池中存在一定的电磁搅拌，可以促进钢水成分和温度均匀，使钢中的夹杂物上浮，从而得到高品质的含锡易切削钢铸锭。

第一，本发明熔炼及锻造工艺简单，钢材的原材料来源广泛，降低了含锡易切削钢的生产成本。

第二，本发明的含锡易切削钢中不含有铅元素，不会对环境造成污染并且符合节能减排的发展趋势。

第三，本发明的含锡易切削钢锻棒中长宽比≤3的硫化物所占比例达50％以上，抗拉强度＞700MPa，屈服强度＞600MPa，断面收缩率＞60％，断后伸长率＞50％，冲击韧性＞75J，具有良好的强度、塑韧性与切削性能配合。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本发明一种含锡易切削钢的制备方法流程示意图；

图2为本发明实施例的锻态含锡易切削钢中硫化物长宽比分布示意图；

图3为本发明实施例的锻态含锡易切削钢中硫化物尺寸分布示意图；

图4为本发明实施例的锻态含锡易切削钢中硫化物最大弦长分布示意图；

图5为本发明实施例的锻态含锡易切削钢中硫化锰SEM形貌示意图；

图6为本发明实施例的含锡易切削钢的铸态及锻态应力-应变曲线示意图；

图7为本发明实施例的含锡易切削钢的拉伸宏观断口SEM形貌示意图；

图8为本发明实施例的含锡易切削钢的切削屑示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为解决现有技术的不足，一方面，本发明公开了一种含锡易切削钢的制备方法，图1为本发明一种含锡易切削钢的制备方法流程示意图，如图1所示，所述方法包括如下步骤：

将合金原料进行打磨处理和烘烤处理，得到炉料；

将所述炉料进行熔炼工艺处理，得到铸锭；

将所述铸锭进行锻造工艺处理，得到含锡易切削钢。

优选地，所述熔炼工艺具体为：

通过真空感应炉熔化升温使高纯铁、铬铁和镍板全部熔清，得到钢液；

向所述钢液中依次加入石墨、硅铁、锰铁、磷铁、钼铁、硫铁和金属锡后进行电磁搅拌和浇铸操作，得到铸锭；其中，

所述熔化升温具体为：

设置设备功率为30％，持续15min～20min；

设置设备功率为60％，持续10min～20min；

设置设备功率为75％，持续10min～20min；

设置设备功率为90％～100％，使高纯铁、铬铁和镍板全部熔清。

优选地，所述的将所述铸锭进行锻造工艺处理，得到含锡易切削钢具体为：

将铸锭进行预加热，得到锻压锭；

将所述锻压锭进行第一趟锻造，得到方坯；

将所述方坯进行第二趟锻造，得到锻棒；

将所述锻棒进行第三趟锻造，得到含锡易切削钢。

优选地，所述的将铸锭进行预加热，得到锻压锭具体为：

设置加热炉温度为1150℃～1200℃，将铸锭表面温度和心部温度均控制在±10℃内，并保温时间为3h～5h，得到锻压锭。

优选地，所述第一趟锻造的工艺条件包括：

所述锻压锭的送进速度为0.3m/s～0.5m/s，优选为0.5m/s；

所述锻压锭的旋转送进角度为90°/锤；

所述锻压锭的锻造锤击频率控制在80次/min～100次/min，优选为100次/min。

优选地，所述第二趟锻造的工艺条件包括：

所述方坯的送进速度为0.3m/s～0.5m/s，优选为0.5m/s；

所述方坯的旋转送进角度为45°/锤；

所述方坯的锻造锤击频率控制在80次/min～100次/min，优选为100次/min。

优选地，所述第三趟锻造的工艺条件包括：

所述锻棒的送进速度为0.3m/s～0.5m/s，优选为0.5m/s；

所述锻棒的旋转送进角度为15°/锤；

所述锻棒的锻造锤击频率控制在80次/min～100次/min，优选为100次/min。

优选地，所述第一趟锻造得到尺寸为100mm～120mm的方坯，优选为100mm的方坯；

所述第二趟锻造得到外接圆尺寸为80mm～90mm的正八边形锻棒，优选为外接圆为85mm的正八边形锻棒；

所述第三趟锻造得到直径为50mm～80mm的含锡易切削钢，优选为直径为60mm的含锡易切削钢。

基于上述制备方法，另一方面，本发明提供了一种含锡易切削钢，所述含锡易切削钢的组分及质量百分含量为：

C含量为0.01％～0.05％，Si含量为0.1％～0.35％，Mn含量为1.5％～2.5％，Cr含量为15.0％～18.0％，Ni含量为8.0％～9.0％，S含量为0.2％～0.5％，O含量为0.005％～0.01％，Mo含量为0.1％～0.25％，Sn含量为0.4％～0.6％，N含量为0.01％～0.015％，O含量为0.005％～0.01％，P≤0.01％，其余为Fe和杂质元素。

优选地，所述Sn的质量百分比含量优选为：0.5～0.6wt％；

所述S的质量百分比含量优选为：0.3～0.5wt％；

所述的Sn与S的质量百分比需满足：1.2wt％≤Sn/S≤2.0wt％。

具体地，按照本发明的技术方案以高纯铁、铬铁、镍板、石墨、金属硅、金属锰、磷铁、硫铁、钼铁、金属锡为合金原料，本发明的方法包括以下步骤，各合金原料的成分及质量百分含量如表1所示。

表1各合金原料的成分及质量百分含量

步骤a：熔炼前预准备

熔炼前预准备，将熔炼所需的合金原料在150～250℃烘烤1h～2h，优选为250℃烘烤2h。各合金原料配料如表2所示，按照配料表中所规定的合金原料质量准确称量，高纯铁、金属铬等大块炉料采用100Kg电子称称量，石墨、金属硅、金属锰、磷铁、硫铁、钼铁、镍板、金属锡等重量小的炉料采用200g电子称称量，各合金原料称量前用砂轮打磨，去掉其表面氧化皮，每炉配料145Kg，并在装炉前再次进行核对。装料顺序：高纯铁、铬铁、镍板随炉装填，装料尽量紧密，避免搭桥，将石墨、金属硅、金属锰、磷铁、硫铁、钼铁、金属锡置于真空感应炉的单独料仓中。

表2各合金原料配料表

合金原料	重量/Kg
		高纯铁	101.098
石墨	0.048
		金属硅	0.416
金属锰	2.901
		磷铁	0.178
硫铁	1.879
		钼铁	0.528
金属铬	25.267
		镍板	11.923
金属锡	0.763

步骤b：熔炼

熔炼前期，当熔炼室的真空度≤1Pa时，启动真空感应炉，加热炉料，使炉料开始熔化，熔化升温的工艺步骤如下：设置设备功率为30％，持续15～20min，优选为20min；设置设备功率为60％，持续10～20min，优选为20min；设置设备功率为75％，持续10～20min，优选为20min；设置设备功率为90％～100％，持续熔炼直到高纯铁、铬铁、镍板全部熔清，得到钢液。

熔炼中期，炉料熔清后，继续升温到1600℃后将送电功率适当降低，使钢液的温度保持在1500℃～1550℃，保持10～20min，优选为20min。在精炼期，始终保持熔炼室的真空度≤1Pa。

熔炼后期，精炼结束后充氩气到20000～30000Pa，优选为25000Pa，依次加入石墨、硅铁、锰铁、磷铁、钼铁、硫铁及金属锡。上述炉料分批加入后进行电磁搅拌，电磁搅拌3～5min，优选为5min；然后静置3～5min，优选为5min。之后进行浇铸操作，浇铸温度为1480～1550℃，优选为1550℃；浇铸时间为3～5min，优选为3min；浇铸金属模尺寸为钢液在炉内凝固并冷却至室温后得到/>的铸锭。利用ELTRACS800型红外碳硫仪测定铸锭中碳、硫及锡元素的质量分数，使用ONH-2000型氧氮氢分析仪测定铸锭中氧、氮、氢元素的质量分数，利用OBLF QSN750型光谱仪测得铸锭中剩余其他主要元素的质量分数，铸锭的组分及质量百分含量如表3所示。需要说明的是，后续的锻造工艺并不会改变铸锭的化学成分。

表3铸锭的组分及质量百分含量(wt％)

步骤c：锻造

锻造前将步骤b中的铸锭在蓄热式步进加热炉中加热，加热温度设置为1150～1200℃，优选为1200℃，锻锭表面温度和心部温度均控制在±10℃以内，锻锭保温时间为3～5h，优选为5h，得到锻压锭。

锻压锭出炉后进行锻造工艺，该锻造工艺包括3趟锻造，最终得到的直径为60mm的含锡易切削钢棒材。

第一趟锻造，步骤b中锻压锭从出炉到第一趟开锻的时间间隔为10s～120s，优选为60s；第一趟锻造过程中，锻压锭的送进速度为0.3～0.5m/s，优选为0.5m/s；旋转送进角度为90°/锤；锻造锤击频率为80～100次/min，优选为100次/min，通过控制锤击频率，使锻压锭表面温升控制在0℃～20℃，心部温升控制在15℃以下；第一趟最终将锻压锭锻造成尺寸为100～120mm的方坯，优选为100mm的方坯。

第二趟锻造，第一趟锻造完成后，锻造第二趟，第一趟结束至第二趟开锻的时间间隔为1～15s，优选为15s；第二趟锻造过程中方坯的送进速度为0.3～0.5m/s，优选为0.5m/s；旋转送进角度为45°/锤；锻造锤击频率为80～100次/min，优选为100次/min，通过控制锤击频率，使锻压锭表面温升控制在0℃～20℃，心部温升控制在15℃以下；第二趟结束最终将方坯锻造成外接圆尺寸为80～90mm的正八边形锻棒，优选为85mm的正八边形锻棒。

第三趟锻造，第二趟锻造完成后，锻造第三趟，第二趟结束至第三趟开锻的时间间隔为1～15s，优选为15s；第三趟锻造过程中锻棒的送进速度为0.3～0.5m/s，优选为0.5m/s；旋转送进角度为15°/锤；锻造锤击频率为80～100次/min，优选为100次/min，通过控制锤击频率，使锻压锭表面温升控制在0℃～20℃，心部温升控制在15℃以下；第三趟结束最终得到直径为50～80mm的含锡易切削钢，优选为60mm的含锡易切削钢。

步骤d：硫化物检测

采用Phenom Partical X台式扫描电镜-能谱仪对含锡易切削钢中硫化物进行定量分析，该方法对硫化物的检测准确率高、效率高，从检测结果中统计分析硫化物的尺寸、长宽比、最大弦长等重要信息。首先对含锡易切削钢进行磨制并抛光，然后将待检测试样置于扫描电镜样品室内、并对样品室抽真空，调节电镜工作距离使样品中硫化物能够清晰地呈现。设置样品扫描区域面积，并且调整视场对比度，使硫化物能够在所选区域全部被选中，对电压、束斑尺寸及硫化物做小尺寸等信息进行定义后开始扫描，扫描结束后将扫描结果导出至Excel表格。对扫描结果中硫化物的尺寸、长宽比、最大弦长及长宽比进行分析，并用Origin软件作图。

本发明中各元素对含锡易切削钢切削性能及机械性能的影响如下：

C：碳是提高易切削钢强度和硬度的重要元素之一，碳含量的高低直接影响钢材的强度、塑性、韧性和焊接性能。0.01％～0.05％的C对易切削钢的切削性能及力学性能最为有利。当钢中的碳含量过低时，铁素体含量会增加，钢材的强度与硬度下降，由于钢太软太韧，切削屑容易黏刀，其切削性能下降；反之，当钢中的碳含量过高时，其硬度会升高，同样会造成刀具磨损，降低钢材的切削性能。因此，本发明中的C含量控制在0.01％～0.05％的范围内。

Si：硅在易切削钢中主要起脱氧作用，用来控制易切削钢中的氧含量并且可以提高钢的屈服强度与加工硬化率，可以影响钢中硫化物夹杂变形和钢材的切削性能，硅含量过高容易生成硅酸盐夹杂物，硅酸盐夹杂物会造成刀具磨损，降低切削性能，硅含量过高还会导致钢材在热加工过程中产生大量氧化皮，降低钢材的表面质量，促使磷从基体中析出，在晶界形成磷化物薄膜，恶化钢的热加工性。因此，要需要合理控制易切削钢中的硅含量，本发明中Si含量控制在0.1％～0.35％的范围内。

Mn：锰是提高易切削钢切削性的重要元素之一，锰容易与硫元素结合形成硫化锰相，硫化锰是易切削钢中最重要的易切削相。锰含量过高会增加钢的强韧性降低切削性能，锰含量过低则硫化锰生成量较少，不利于改善切削性能。因此，本发明中Mn含量控制在1.5％～2.5％的范围内。

Ni：镍是优良的耐腐蚀材料，也是易切削钢的重要合金化元素。镍既能提高钢的强度又能使钢材保持良好的塑韧性，镍在钢中是形成奥氏体的元素，可以使材料获得纯奥氏体组织。本发明中Ni含量控制在8.0％～9.0％的范围内。

Cr：铬在钢中的主要作用是提高钢材耐腐蚀性能，铬元素还能提高钢的淬透性，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能；铬还能提高钢的强度，尤其是当有其他合金元素加入时，效果会更加显著。但钢中铬含量过高会增加钢的硬度，硬度过高会影响钢材的切削性能。因此，本发明中Cr含量控制在15％～18％的范围内。

S：硫是易切削钢中最主要的易切削元素，硫主要以硫化物的形式分布在钢材基体中，硫化物的尺寸、含量、形貌与分布直接影响钢材的切削性能。当硫含量低于0.1％时，钢材中不能生成足够含量的硫化物，无法满足高切削性能的要求；反之，当硫含量超过0.6％时，其热加工性能会降低并容易造成铸锭中心硫元素偏析。因此，本发明中S含量控制在0.2％～0.5％的范围内。

Mo：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能。钼与铬、锰并存时可以降低或抑止因其他元素所导致的回火脆性。因此，本发明中Mo含量控制在0.1％～0.25％的范围内。

Sn：锡与铁高温液态互溶，固态α-Fe中最大溶解度达到17.7％，然而随温度降低锡在钢中的溶解度变小，在200℃以下Sn在α-Fe中的固溶度急剧降低，理论上将生产FeSn，但Sn扩散非常缓慢，Sn以固溶形式存在，没有明显宏观偏析，只有一小部分形成FeSn，但实际上难检测出。含锡钢在275℃附近有一个脆性谷，当切削加工时，切削温度在脆性谷附近，钢材倾向于脆性断裂，在切削过程中易于产生断屑，从而提高钢材的切削性能。美国开发出一种用锡代铅的易切削钢，并投入市场。该切削钢的机械性能与含铅易切削钢基本相图，更易于切削，美国专利“Tin-bearing free-machining steel”(US 5961747，Oct.5,1999)要求的化学成分中Sn含量为0.04％～0.08％，本发明提供的钢种与美国专利相比主要特点是：锡含量有大幅度提高，将锡作为改善钢切削性能的主要添加元素。因此，本发明中Sn含量控制在0.4％～0.6％的范围内，优选为0.5％～0.6％。

O：易切削钢中的氧主要起调控硫化物形态的作用，当氧含量高于0.02％时，在钢中形成第一类硫化物(球状、无规则分布，夹杂物为单相或两相，常存在于不用铝脱氧的钢中，可显著提高钢材的切削性能)；当钢中氧含量在0.004％～0.01％时，易形成第二类硫化物(短棒状，沿晶界呈链状或网状分布，常存在于用少量铝脱氧的钢中)；当钢中氧含量小于0.004％时，易形成第三类硫化物(块状，无规则分布，常存在于加铝量高且有残铝的钢中)，硫化物的三种类型往往在钢中同时出现，既有球状、块状，也有短棒状，第二类和第三类硫化物会对钢材的切削加工性能产生不利影响。硫化物中的氧会与其他元素形成(Mn、Fe)(S、O)复合型夹杂物，这类夹杂物的塑性较小，在热加工变形的过程中不易变形，能够保持纺锤形及球形，对改善切削性能有利。然而，氧含量过高也会影响易切削钢的表面质量，产生皮下气泡，在铸坯中心产生严重的成分偏析，若钢水中氧含量过高还会使钢水在连铸时水口堵塞，并且硬质氧化物夹杂含量过高会对刀具磨损产生不利影响，最终影响钢材的切削性能。氧含量增加还会降低试验钢的高温力学性能。通过合理控制氧含量在钢中生成含硫夹杂物形核心的氧化物，可以达到调控改善硫化物尺寸、数量、分布及形态的效果。因此，本发明中O含量控制在0.01％～0.015％的范围内。

P：磷可提高钢的强度与淬透性，但其含量过高会降低钢的切削性能并导致热加工性能下降。因此，本发明中P含量控制在0.01％以下的范围内。

N：氮可以与钛元素结合形成氮化物和碳氮化物，这些氮化物和碳氮化物常常在晶界处形核并析出，有利于细化晶粒，提高钢的强度。在钢液凝固过程中氮化物和碳氮化物也可作为硫化物形核的核心，有利于改善硫化物的分布状态，从而提高易切削钢的切削性能。但氮含量过高时，容易形成大颗粒的夹杂物，降低钢的切削性能。因此，本发明中N含量控制在0.01％～0.015％的范围内。

表4为本发明实施例得到的含锡易切削钢中硫化锰的长宽比统计，实施例铸态及锻态中长宽比≤3的硫化锰所占比例均大于50％，主要以球型及纺锤型为主，有利于提高含锡易切削钢的切削性能。

表4本发明实施例得到的含锡易切削钢中硫化锰的长宽比统计

长宽比	铸态	锻态
			X≤3	88.49％	52.91
3＜X≤5	8.41％	27.59
			5＜X≤10	2.86％	17.73
10＜X≤30	0.23％	1.72
			X＞30	0.01％	0.04

参考GB/T228.1-2010与GB/T19748-2005现行国家标准做成直径为5mm的拉伸试样和10mm×10mm×55mm的标准V型缺口夏比冲击试样，通过MTS Landmark 370电液伺服万能试验机与MTS落锤式冲击试验机进行室温拉伸与夏比冲击试验，测定本发明实施例的含锡易切削钢的力学性能。实施例的含锡易切削钢铸态和锻态的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率及冲击韧性如表5所示。从表5可以看出，锻态的抗拉强度＞700MPa，锻态的屈服强度＞600MPa，锻态的断面收缩率＞60％，锻态的断后伸长率＞50％，锻态的冲击韧性＞75J。说明经过锻造工艺处理的含锡易切削钢，具有更优异的力学性能，其强度与切削性能相匹配。

表5本发明实施例的含锡易切削钢的力学性能

图2为本发明实施例的锻态含锡易切削钢中硫化物长宽比分布，当硫化物的长宽比≤3时，在热加工时变形最小，钢材的切削性能较好，钢材的横向力学性能降低得最少，由图2可以看出，长宽比≤3的硫化物占比达到52.91％，说明硫化物的形态不仅有利于其切削性能的提高，还可使其力学性能降低很少。图3为本发明实施例的锻态含锡易切削钢中硫化物尺寸分布示意图，由图3可以看出，的硫化物所占比例为53.03％，由此可以看出，硫化物的尺寸较小，有利于材料切削性能的提高。图4为本发明实施例的锻态含锡易切削钢中硫化物最大弦长分布示意图，图4可以看出，最大弦长≤3μm的硫化物所占比例为46.87％，所占比例较高，并且大弦长的硫化物比例较少，这十分有利于其力学性能。图5为本发明实施例的锻态含锡易切削钢中硫化锰SEM形貌示意图，由图5可以看出，组织中的硫化锰呈纺锤状及椭圆形，长条形的硫化锰含量很少，硫化锰形貌十分有助于提高材料的切削性能。图6为本发明实施例的含锡易切削钢的铸态及锻态应力-应变曲线示意图，由图6可以看出，试验钢锻造后的抗拉强度、屈服强度与铸态相比均有明显改善，说明锻造工艺明显提高了材料的力学性能。图7为本发明实施例的含锡易切削钢的拉伸宏观断口SEM形貌示意图，由图7可以看出，宏观断口颈缩明显，这说明材料具有良好的塑韧性。图8为本发明实施例的含锡易切削钢的切削屑(500转/分钟，进给量0.06mm)示意图，由图8可以看出，切削屑分布均匀细小含锡易切削钢具有很好的切削性能。

本发明提供了一种含锡易切削钢棒材的制备方法，并提供一种环境友好型的含锡易切削钢，为了获得超高的切削性能，本发明在现有技术的基础上提高锡元素含量，通过真空冶炼制备出“超级”易切削钢，还通过成分调控与合理的锻造工艺，既保证了材料的良好机械性能，又能获得极佳的切削性能。本专利的特点在于通过合理添加Sn元素，有效控制并改善易切削钢中硫化物的形貌、尺寸、长宽比、最大弦长及分布状态，并通过合理的锻造工艺有效提高了材料的强度。本发明制备的易切削钢棒材中长宽比≤3的硫化物所占比例达50％以上，抗拉强度＞700MPa，屈服强度＞600MPa，断面收缩率＞60％，断后伸长率＞50％，冲击韧性＞75J。本发明所制备的高强度且高切削性能兼备的易切削钢适用于制造汽车、高铁、家电及办公装备等行业的零部件，可以有效降低机加工成本、提高生产效率与产品竞争力。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种含锡易切削钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

将合金原料进行打磨处理和烘烤处理，得到炉料；

将所述炉料进行熔炼工艺处理，得到铸锭；

将所述铸锭进行锻造工艺处理，得到含锡易切削钢，具体为：

将铸锭进行预加热，得到锻压锭；

将所述锻压锭进行第一趟锻造，得到方坯；所述第一趟锻造的工艺条件包括：所述锻压锭的送进速度为0.3m/s～0.5m/s；所述锻压锭的旋转送进角度为90°/锤；所述锻压锭的锻造锤击频率控制在80次/min～100次/min；

将所述方坯进行第二趟锻造，得到锻棒；所述第二趟锻造的工艺条件包括：所述方坯的送进速度为0.3m/s～0.5m/s；所述方坯的旋转送进角度为45°/锤；所述方坯的锻造锤击频率控制在80次/min～100次/min；

将所述锻棒进行第三趟锻造，得到含锡易切削钢；所述第三趟锻造的工艺条件包括：所述锻棒的送进速度为0.3m/s～0.5m/s；所述锻棒的旋转送进角度为15°/锤；所述锻棒的锻造锤击频率控制在80次/min～100次/min；

所述含锡易切削钢的组分及质量百分含量为：

C含量为0.01％～0.05％，Si含量为0.1％～0.35％，Mn含量为1.5％～2.5％，Cr含量为15.0％～18.0％，Ni含量为8.0％～9.0％，S含量为0.3％～0.5％，O含量为0.005％～0.01％，Mo含量为0.1％～0.25％，Sn含量为0.5％～0.6％，N含量为0.01％～0.015％，P≤0.01％，其余为Fe和杂质元素；所述的Sn与S的质量百分含量需满足：1.2≤Sn/S≤2.0。

2.根据权利要求1所述的一种含锡易切削钢的制备方法，其特征在于，所述熔炼工艺具体为：

通过真空感应炉熔化升温使高纯铁、铬铁和镍板全部熔清，得到钢液；

向所述钢液中依次加入石墨、硅铁、锰铁、磷铁、钼铁、硫铁和金属锡后进行电磁搅拌和浇铸操作，得到铸锭；其中，

所述熔化升温具体为：

设置设备功率为30％，持续15min～20min；

设置设备功率为60％，持续10min～20min；

设置设备功率为75％，持续10min～20min；

设置设备功率为90％～100％，使高纯铁、铬铁和镍板全部熔清。

3.根据权利要求2所述的一种含锡易切削钢的制备方法，其特征在于，所述的将铸锭进行预加热，得到锻压锭具体为：

设置加热炉温度为1150℃～1200℃，将铸锭表面温度和心部温度均控制在±10℃内，并保温时间为3h～5h，得到锻压锭。

4.根据权利要求2所述的一种含锡易切削钢的制备方法，其特征在于，

所述第一趟锻造得到尺寸为100mm～120mm的方坯；

所述第二趟锻造得到外接圆尺寸为80mm～90mm的正八边形锻棒；

所述第三趟锻造得到直径为50mm～80mm的含锡易切削钢。