CN1242085C - 含硫易切削钢 - Google Patents

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Abstract

一种含硫易切削钢，按质量百分比计具有如下化学成分：C：0.03-0.20%，Si：0.35%或更少(包括0%)，Mn：0.30-2.00%，P：0.01-0.15%，S：0.35-0.65%，O：0.0100-0.0250%，N：0.020%或更少，Al：0.005%或更少(包括0%)，Nb：0.02-0.20%，还包含：V：0.05-0.50%和/或Ti：0.02至0.20%，以及由Fe和不可避免的杂质组成的剩余部分，其中，包含在钢中的作为主要的非金属夹杂物的硫化物型夹杂物在钢的横截面中具有50μm2或更小的平均尺寸，并且以每平方毫米500至1000个夹杂物的比率存在。该种含硫的易切削钢具有与含有对环境有害的重金属的易切削钢相当或比之更好的切削加工性，而不用添加这些所不希望的重金属。

Description

含硫易切削钢
技术领域
本发明涉及一种用作不需要很大强度的部件的材料的含硫易切削钢(快削钢)，其中使用JIS(日本工业标准)规定的SUM钢和SAE(美国汽车工程师协会)标准规定的SAE 11xx和SAE 12xx钢。
背景技术
含硫易切削钢，例如JIS SUM钢、SAE 11xx钢和SAE 12xx钢，在轧制后进行拉制，和作为抛光棒钢用于自动切削中。其中将S(硫)加入钢中以通过高速钢工具提高钢的切削加工性的含硫易切削钢已被用作这种类型的传统易切削钢。
该种含硫易切削钢的切削加工性随着S的含量增加而改善；然而，另一方面，由于在热加工例如轧制、锻造等期间的热脆性(红脆性)而产生大量的出现破裂等的产品。这是由于高硫含量造成的低熔点FeS在晶界的析出而导致的。此外，在高S钢的情况下，相对于轧制方向的横向的延性和断面收缩率下降，因此在拉制期间产生问题。因此，一般将0.35％设定为S含量的上限，至多该含量限制到0.40％。
此外，已开发了除S以外还含有重金属如Pb、Te、Bi等的复合易切削钢作为具有良好切削加工性的易切削钢。然而，近年来，日益重视环境问题，因此，需要开发不使用对环境具有损害作用的这些重金属且切削加工性与含有重金属的易切削钢相当或比之更好的易切削钢。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有优越的切削加工性的含硫易切削钢，它不用添加对环境有害的重金属而获得改善的切削加工性，并且不在制造期间，特别是在热加工或冷拉伸期间导致问题。
本发明是一种高硫易切削钢，按质量百分比计它具有如下化学成分：
C：0.03-0.20％，
Si：0.35％或更少(包括0％)，
Mn：0.30-2.00％，
P：0.01-0.15％，
S：0.35-0.65％，
O：0.0100-0.0250％，
N：0.020％或更少，
Al：0.005％或更少(包括0％)，
Nb：0.02-0.20％，
还包含：V：0.05-0.50％和/或Ti：0.02-0.20％，以及由Fe和不可避免的杂质组成的剩余(余量)部分，其中，包含在钢中的作为主要的非金属夹杂物的硫化物型夹杂物在钢的横截面中具有50μm2或更小的平均尺寸，并且以每平方毫米(mm2)500至1000个夹杂物的比率(数量)存在。
首先，在本发明中，S含量是一种超过传统上被认为上限的0.35％的的大的S含量。为了防止由这样一种大的S含量引起出现有害的影响例如热脆性等，通过包含大量的Mn来防止FeS的析出，使得只析出MnS型硫化物。
此外，发现可以通过增加在MnS型硫化物和切割工具之间的接触频率获得良好的易切削性能。
因此，尽管MnS型硫化物从熔融钢固化时开始析出到钢中，发现利用在熔融钢的温度下析出到熔融钢中的TiN和在固化过程中析出到γ铁中的NbN和VN作为MnS型硫化物析出的核，可以使夹杂物更微细，因此析出的夹杂物的数量增加；此外，发现可以获得这些夹杂物的均匀的分散。
因此，为了消除缩短工具寿命的α-型Al2O3夹杂物的存在，使用Si-Mn的共同脱氧作为熔融钢的脱氧基而不是使用Al。此外，通过将Si的含量降低到0.35％或更少以使得硬的硅酸盐型氧化物夹杂物最少，除了Nb以外加入V和/或Ti作为脱氧辅助剂，以将脱氧后熔融钢的氧水平保持稳定在0.01-0.025％。发现通过利用熔融钢中的这些元素的残留物作为这些MnS型硫化物析出的核，可以使MnS型硫化物更微细和更均匀地分散和析出。此处所指的残留物也自然地包括Nb等的氧化物；还完全可以考虑将这些物质以复合夹杂物和用于MnS型硫化物析出的核的形式作为粘结剂。
此外，发现通过将氧水平保持在0.01-0.0250％，析出的MnS型硫化物的硬度也降低，因此延长了工具寿命和减少了MnS夹杂物的长宽比(MnS夹杂物的长度与直径的比率)，因此改善了切屑破碎性(碎屑性)。
上述三种发现构成了本发明的基础。开发了一种具有与包含Pb、Bi、Te等重金属的钢相当或比之更好的加工性的含硫易切削钢，而不用添加这些重金属。
附图说明
图1是示出了使用一车床切削本发明钢和对比钢的试样时的切屑破碎性的评价标准的照片。
优选实施例详细说明
下面将说明限制本发明的含硫易切削钢的化学成分的含量的原因。
C：0.03-0.20％
当C含量大时，在拉制期间发生裂缝；因此，将上限设定为0.20％。另一方面，当C含量低时，强度过分降低；因此，将C含量的下限设定为0.03％。
Si：0.35％或更少(包括0％)
Si与Mn用作共同的脱氧剂。然而，当加入过多量的Si时，钢的硬度增加，构成脱氧产物的硅氧化物是硬的，因此工具的寿命劣化(降低)。因此，将其上限设定为0.35％。优选地，其添加量为0.10％或更少，和与Mn进行共同的脱氧。为了确保将铸造前熔融钢中的氧含量保持在0.01-0.025％，使用Nb(见后述)，以及V和Ti中的一种或两种(即V和/或Ti)作为脱氧辅助剂。
Mn：0.30-2.00％
为了防止导致热脆性的低熔点FeS在晶界的析出，加入Mn以析出稳定的MnS。为了有效地获得该作用，需要添加0.30-2.00％的Mn。
P：0.01-0.15％
添加0.01-0.15％范围的P以改善钢的成品切割表面。在该范围之外不能充分地实现所希望的目标。
S：0.35-0.65％
已知切削加工性随着S含量的增加而改善，和热加工性随着S含量的增加而劣化。因此，传统上将S含量的上限设定为0.35％。如果使用本发明的Nb以及V和/或Ti作为脱氧辅助剂进行Si-Mn的共同脱氧，则即使是将S含量的上限设定为0.65％，热加工性也没有损失。
O(氧)：0.0100-0.0250％
在熔融钢的脱碳精炼的末期氧含量为大约600-1200ppm。然而，在该氧水平时，不可能利用沸腾作用进行连续铸造；因此，通常利用Al进行强制脱氧。然而，如果用Al进行脱氧，会生成作为脱氧产物的硬α-型的Al2O3，这在切削期间造成工具寿命的缩短。因此，在本发明中不准备利用Al进行脱氧。此外，Si的添加量优选地保持在0.10％或更少，使用具有与Mn相当脱氧能力的Nb或V和少量的Ti作为辅助剂进行脱氧，以将氧含量保持稳定在大约250ppm-这是Si-Mn的共同脱氧限-至100ppm之间。
N：0.020％或更少
本发明的一个特色是微细的NbN，VN和TiN在γ铁中析出作为析出核，然后MnS围绕这些核析出，以实现Mn硫化物在钢中基本上均匀的散布和析出。因此，最大N含量需要为0.020％。
Al：0.005％或更少(包括0％)
如上所述，不打算利用Al进行脱氧。然而，在所使用的FeSi、FeNb、FeV和FeTi中含有少量的Al，因此，当将这些化合物添加到熔融钢中时痕量(微量)的Al仍保留在钢中。因此，Al的最大含量限制到0.005％。
Nb：0.02-0.20％
如上所述，本发明的一个目的在于使用MnS的产物抑制FeS的析出以改善热和冷加工性和切削加工性。用作一种脱氧辅助剂的Nb在熔融钢的固化期间在γ铁中析出脱氧产物、氮化物和碳氮化物，这些化合物有效地作为MnS的析出核而作用，因此，硫化物夹杂物来得更微细，析出的夹杂物数量增加，使这些夹杂物均匀分散，从而改善热和冷加工性和切削加工性。如果Nb的添加量小于0.02％或大于0.20％，则该效果不充分。
V：0.05-0.50％和/或Ti：0.02-0.20％
如上所述，这些元素在Si-Mn的共同脱氧中起辅助作用。在γ铁中析出的V的氮化物和在熔融钢中析出的TiN有效地起作用，以保持在熔融钢中的氧的量稳定在100至250ppm范围内，以保持熔融钢固化后的MnS为一种近似于球形的形状，该形状对切削加工性有好的影响，并且，象如上所述的Nb那样，使得析出的MnS在钢中基本上均匀地分散。如果所使用的量小于对应的下限值或大于对应的上限值，效果就不充分。
本发明的钢具有上述成分，并且包括作为主要非金属夹杂物的硫化物型夹杂物，在该钢中，硫化物型夹杂物在钢的横截面中的平均尺寸为50μm2或更小，并且以每平方毫米500至1000个夹杂物的比率存在。由于这些数值上的限制，本发明的钢具有优越的切削加工性以及良好的可加工性。如果上述尺寸和数量在上述范围之外，则不能达到足够的切削加工性和可加工性。
示例和对比示例
利用高频感应炉生产了具有如表1所示成分的钢，并铸造成20千克的钢锭。
                                                                       表1
                                                                                                                                (质量％)
  编号   C   Si   Mn   P   S   Al   Ti   Nb   V   O   N   Pb
  1   0.03   0.10   1.15   0.035   0.498   0.001   0.195   0.021   0.10   0.0132   0.0198   -
  2   0.08   0.02   1.14   0.044   0.487   -   -   0.026   0.05   0.0111   0.0075   -
  3   0.09   0.02   1.20   0.012   0.535   0.001   0.020   0.028   -   0.0128   0.0076   -
  4   0.07   0.01   0.83   0.051   0.354   0.002   -   0.022   -   0.0245   0.0101   -
  5   0.12   0.07   1.06   0.070   0.511   -   0.024   0.020   -   0.0140   0.0092   -
  6   0.11   0.07   1.54   0.056   0.417   -   -   0.035   0.16   0.0186   0.0100   -
  7   0.19   0   1.23   0.042   0.508   -   -   0.084   -   0.0243   0.0073   -
  8   0.08   0.02   1.18   0.023   0.486   0.004   -   0.199   -   -0.0226   0.0090   -
  9   0.05   0.01   1.98   0.052   0.488   0.002   0.081   0.033   0.48   0.0210   0.0079   -
  10   0.14   0.03   1.06   0.048   0.475   0.001   -   0.025   -   0.0198   0.0045   -
  11   0.09   0.12   1.37   0.046   0.376   0.021   -   -   -   0.0083   0.0090   0.23
  12   0.08   0.16   1.12   0.048   0.380   0.006   -   -   -   0.0106   0.0079   0.26
  13   0.09   0.11   1.21   0.052   0.325   -   -   -   -   0.0174   0.0085   0.22
  14   0.10   0.12   1.11   0.056   0.331   -   -   -   -   0.0156   0.0083   0.32
其中：编号1-10：本发明的钢
编号11-14：对比钢
通过将上述锭块锻造拉伸成直径为40mm的圆棒试样，使用一车床对这些试样进行切削加工性测试。测试条件如下。
样品热处理：正火
工具：碳化物镶尖工具SNGA 120404
(三菱材料公司制造)
切削速度：100m/min
切削深度：1mm
进给：0.02、0.05、0.10、0.15、0.20mm/rev(毫米/转)
切削油：无
评价项目：各试样的切屑破碎性
对使用车床对这些试样进行切削时的切屑破碎性的评价，以及在横截面上硫化物类型夹杂物的平均尺寸和每平方毫米测试面积的夹杂物的数量示于表2中。
                                          表2
  编号                      试样的切屑破碎性   平均尺寸(μm2)   数量
  进给0.02(mm/rev)   进给0.05(mm/rev)   进给0.10(mm/rev)   进给0.15(mm/rev)   进给0.20(mm/rev)
  1   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   26   853
  2   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   29   612
  3   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   33   654
  4   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   44   988
  5   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   37   673
  6   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   30   721
  7   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   32   815
  8   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   28   784
  9   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   23   713
  10   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   42   580
  11   ×   △   △   ○   ◎   62   353
  12   ◎   △   ○   △   △   70   379
  13   ◎   △   △   ○   ◎   58   430
  14   ◎   △   ○   ○   ○   75   418
其中：编号1-10：本发明钢
编号11-14：对比钢
由以上结果明显可知，本发明的易切削钢可与包含对环境有害的重金属的传统的易切削钢相媲美或甚至比之更好，但却不包含这些有害的重金属。通过对比各试样的切屑破碎性对切削加工性进行了评价。关于用来评价测试结果的切屑破碎性的相对优越性的评价标准，利用图1中所示的四级◎、○、△和×对测试结果进行评价。
如表2所示，在车床的所有各进给速率下，本发明获得◎级即最优级。
此外，按如下方法对钢中的硫化物的性质(平均尺寸、数量)进行了调查。在作为切削加工性试样的延长物的直径D为40mm的圆棒上，从相对于锻造拉制方向的横截面，即从该横截面的表皮延伸到1/6直径(D/6)的地方切出一个用于显微观察的样品，使用一个400倍的光学显微镜对硫化物型夹杂物的平均尺寸和数量计数。对横截面中的夹杂物的观察使得可以容易地确定夹杂物的尺寸和分布。
本发明提供了一种具有与在添加对环境有害的重金属的情况中所获得的相当或比之更好的切削加工性的含硫易切削钢，而不用添加这些所不希望的重金属来实现切削加工性的改善，并且不会造成制造方面的问题。

Claims (1)

1.一种含硫易切削钢，按质量百分比计具有如下化学成分：
C：    0.03-0.20％，
Si：   0.35％或更少(包括0％)，
Mn：   0.30-2.00％，
P：    0.01-0.15％，
S：    0.35-0.65％，
O：    0.0100-0.0250％，
N：    0.020％或更少，
Al：   0.005％或更少(包括0％)，
Nb：   0.02-0.20％，
还包含：V：0.05-0.50％和/或Ti：0.02-0.20％，以及由Fe和不可避免的杂质组成的剩余部分，其中，包含在钢中的作为主要的非金属夹杂物的硫化物型夹杂物在钢的横截面中具有50μm2或更小的平均尺寸，并且以每平方毫米500至1000个夹杂物的比率存在。
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