CN1427088A - 具有良好切削性和切屑破碎性的机械结构用钢 - Google Patents

Abstract

具有良好切削性和切屑破碎性的机械结构用钢以及生产该钢的方法。该钢基本由(重量％)C：0.05－0.8％，Si：0.01－2.0％，Mn：0.1－3.5％，S：0.01－0.2％，Al：0.001－0.020％，Ca：0.0005－0.02％，O：0.0005－0.01％和N：0.001－0.04％和更进一步的Ti：0.002－0.010％和Zr：0.002－0.025％中的一种或两种，余量是Fe和不可避免的杂质组成。在钢的生产中，通过满足一定条件的操作进行可控制的脱氧作用，以至于可以形成至少一定量的具有特定化学组成的“复合夹杂物”，添加Ti和/或Zr以沉淀细分散的含有Ti－氧化物和/或Zr－氧化物核的MnS夹杂物微粒。细分散的MnS夹杂物必须分占整个硫化物型夹杂物的主要部分。

Description

具有良好切削性和切屑 破碎性的机械结构用钢

技术领域

本发明涉及一种在采用硬质合金刀具进行切削方面具有良好的切削性和切屑破碎性的机械结构用钢，以及生产这种钢的方法。本发明也涉及除了良好的切削性和切屑破碎性之外还显示出高疲劳强度和可弯直性的机械结构用钢。

背景技术

在本发明中，术语“复合夹杂物(duplex inclusion)”表示一种具有以下结构的夹杂物，其中主要由氧化物夹杂物构成的核被主要由硫化物构成的另一个夹杂物包围。术语“刀具寿命率”和“寿命率”表示在采用硬质合金刀具进行车削时，依据本发明的易切削钢的刀具寿命与含有相同S含量的普通硫易切削钢的刀具寿命的比率。“细分散的”MnS夹杂物微粒比在普通钢中含有的普通MnS夹杂物微粒中的那些微粒更细，并且以均匀分布的状态存在于钢基体中，没有团聚或集中。

对于具有高切削性的机械结构用钢的研究和开发已经进行了许多年，申请人已经提出许多申请。近年来，作为一种有代表性的技术，要谈到题目为“具有良好机械性能和钻孔切削性的机械结构用钢”的日本专利公开No.10-287953。该发明的易切削钢，其特征在于具有纵横比(长度/宽度)最高达到5的纺锤形的含有1％或更多Ca的钙-锰硫化物型夹杂物，包裹含有8-62％CaO的铝酸钙的核。尽管钢显示极好的切削性，但是有时发生切削性的分散。这被认为是由于上述钙镁硫化物型夹杂物的多种形式造成的。

在日本专利公开No.2000-34534“在车削中具有良好切削性的机械结构用钢”中，中请人公开了将含Ca的硫化物型夹杂物分为三组，以在显微视野中观察到的Ca含量的面积百分比计算，A：Ca含量超过40％，B：Ca含量为0.3-40％和C：Ca含量少于0.3％，满足条件A/(A+B+C)≤0.3和B/(A+B+C)≥0.1的钢，在车削中显示延长的刀具寿命。

申请人更进一步的研究，公开在日本专利公开No.2000-219936“易切削钢”中，通过澄清钢中所需夹杂物微粒的数量成功地减少切削性的分散。该发明的钢的特征在于，在每3.3mm²含有五个或更多的等效直径为5μm或更大的含0.1-1.0％Ca的硫化物型夹杂物的微粒。但是，对于切削性的分散仍可以改进。

然后，申请人研制了具有改进切削性分散的机械结构用钢，在采用硬质合金刀具进行切削中具有非常高的切削性，以至于得到五倍或更多倍的刀具寿命率，并进行申请(日本专利申请No.2001-174606“在采用硬质合金刀具进行切削中具有非常良好切削性的易切削钢”)。易切削钢以夹杂物状态为特征。该钢的特征是上述的“复合夹杂物”，即具有以下结构的夹杂物，其中“含有1.0重量％或更多Ca的并靠近含有8-62重量％CaO的氧化物型夹杂物微粒的硫化物型夹杂物微粒”至少以一定量存在，具体说“在显微视野中，被硫化物型夹杂物占据的面积是每3.5mm²为2.0×10^-4mm²或更多”。

在专利申请中公开了制造含有上述复合夹杂物的易切削钢的方法，在钢的制备中，为实施操作，满足下述条件是必要的：[S]/[O]：8-40[Ca]×[S]：1×10^-5-1×10^-3[Ca]/[S]：0.01-20，和[Al]：0.001-0.020％

基于近来的研究结果，申请人研制出了不仅具有长的刀具寿命而且具有良好的切屑破碎性的易切削钢，并且适用于自动化机械加工。该易切削钢已经提出申请(日本专利申请No.2001-362733)。易切削钢基本上由作为基础的合金组分构成，以重量百分比计，C：0.05-0.8％，Si：0.01-2.5％，Mn：0.1-3.5％，S：0.01-0.2％，Al：0.001-0.020％，Ca：0.0005-0.02％，O：0.0005-0.01％和N：0.001-0.04％和更进一步的Ti：0.002-0.010％和Zr：0.002-0.025％中的一种或两种，余量是Fe和不可避免的杂质，其特征在于含有1.0重量％或更多的Ca并且靠近含有0.2-62重量％CaO的氧化物型夹杂物微粒的硫化物型夹杂物微粒占据的面积是，显微视野中每3.5mm²为2.0×10^-4mm²或更多，上述MnS夹杂物微粒细分散在钢中。

该发明与先前发明相比，新的特征是，一方面，形成复合夹杂物的氧化物型夹杂物微粒的CaO含量的扩展下限，另一方面，更为重要的区别是“MnS夹杂物的细分散”。后一特征带来改进的切屑破碎性，结果，实现刀具寿命和切屑破碎性的适当平衡。前面的特征，MnS夹杂物的细分散可以通过添加一定量或数量的Ti和/或Zr以形成精细的Ti-氧化物、Zr-氧化物或(Ti+Zr)-氧化物来获得，以使MnS沉淀在氧化物核上。这些氧化物可能包括氧化锰，所以，假使那样，它们可能是TiO₂-MnO₂、ZrO₂-MnO₂或TiO₂-ZrO₂-MnO₂。

易切削钢涉及机械结构用钢类别中的各种各样的钢。已经发现，在适用领域建立实际的合金组分的方法中，该发明是有用的，甚至在相对高的S含量范围内。换句话说，已经揭示上述操作条件，[S]/[O]的上限：8-40可以增加到约80。另一方面，在宽范围的试验之后，仍然可以观察到在刀具寿命和切屑破碎性之间平衡的某些分散。

发明内容

本发明的目的是对已经改进切削分散性的机械结构用易切削钢进行更进一步的改进，通过利用上述复合夹杂物使得在可切削性方面得到改进，达到5倍或更多倍的刀具寿命和良好的切屑破碎性，进而提供一种钢，其总是可以获得较好的切屑破碎性并适用于机械加工，特别是车削。为了提供一种机械结构用易切削钢，除了确保切削性和切屑破碎性的平衡之外，良好的疲劳强度和良好的可弯直性也是本发明的目的。

依据本发明达到上述目的的机械结构用易切削钢，或具有良好切削性以及良好切屑破碎性的钢，其基本上由以下作为基础的合金组分构成，以重量百分比计，C：0.05-0.8％，Si：0.01-2.0％，Mn：0.1-3.5％，S：0.01-0.2％，Al：0.001-0.020％，Ca：0.0005-0.02％，O：0.0005-0.01％和N：0.001-0.04％和更进一步，Ti：0.002-0.010％和Zr：0.002-0.025％中的一种或两种，余量是Fe和不可避免的杂质，其特征在于，含有1-45重量％的Ca并且靠近含有0.2-62重量％CaO的氧化物型夹杂物微粒，以及具有熔点为1500-1750℃的硫化物型夹杂物微粒占据的面积是，显微视野中每3.5mm²为2.0×10^-4mm²或更多，除了上述定义的硫化物型夹杂物微粒之外的硫化物型夹杂物微粒作为MnS细分散在钢中。

附图说明

图1是表示依据本发明的机械结构用易切削钢内夹杂物形状的显微镜照片。

图2是出表示了普通含硫易切削钢内夹杂物形状的显微镜照片。

图3是表示被“复合夹杂物”占据的面积和机械结构用易切削钢的刀具寿命之间关系的图表。

图4是表示在整个硫化物型夹杂物中被“复合夹杂物”分占的面积和机械结构用易切削钢的刀具寿命之间关系的图表。

图5是表示在整个硫化物型夹杂物中被“复合夹杂物”分占的面积和钻孔效率以及机械结构用易切削钢的车削疲劳极限之间关系的图表。

图6是通过绘制Al含量和机械结构用易切削钢的刀具寿命之间关系得到的图表。

图7是表示含有各种S含量和O含量的机械结构用易切削钢内部“复合夹杂物”是否形成的图表。

图8是表示是否达到本发明的目的，含有各种S含量和Ca含量的机械结构用易切削钢是否获得5倍刀具寿命率的图表；和

图9是表示被MnS夹杂物的细化MnS微粒分占的百分比与机械结构用易切削钢中的切屑破碎性之间关系的图表。

具体实施方案

生产依据本发明的上述机械结构用易切削钢的方法，包括通过用于常规钢制备的熔炼和精炼过程，制备基本由下列组分构成的合金的步骤，以重量百分含量计，C：0.05-0.8％，Si：0.01-2.0％，Mn：0.1-3.5％，S：0.01-0.2％，Al：0.001-0.020％，Ca：0.0005-0.02％，O：0.0005-0.01％和N：0.001-0.04％，余量的Fe和不可避免的杂质，其中可控制的脱氧作用在下述条件下进行：[S]/[O]：8-40[Ca]×[S]：1×10^-5-1×10^-3[Ca]/[S]：0.01-20和以便调整含有1-45重量％的Ca并且靠近含有0.2-62重量％CaO的氧化物型夹杂物微粒以及熔点为1500-1750℃的硫化物型夹杂物微粒的面积百分比达到显微视野中每3.5mm²为2.0×10^-4mm²或更多，之后，添加一种或两种Ti：0.002-0.010％和/或Zr：0.002-0.025％，在上述可控制的脱氧作用之后，通过在钢中用Ti和/或Zr与氧反应以形成细化Ti-氧化物和/或Zr-氧化物，并利用得到的复合氧化物微粒作为MnS夹杂物微粒沉淀和细化分散的核。

下面解释选择上述本发明机械结构用易切削钢的基本合金组分的原因。C：0.05-0.8％

碳是保证钢强度的必要元素，当含量少于0.05％时，强度不足以用于机械结构。另一方面，碳增强硫的活性，在高C含量时，很难得到复合夹杂物，其只能在[S]/[O]、[Ca]×[S]、[Ca]/[S]的特殊平衡和特殊量[Al]的条件下得到。而且，大量C会降低钢的弹性和切削性，所以设定上限为0.8％。Si：0.01-2.0％

硅在钢制造中用作脱氧剂，作为钢的组分以增加其淬透性。当Si含量小于0.01％时，不能达到这种作用。Si也增强S的活性。大量Si含量会造成由于大量C而产生的相同问题，可以理解这样会阻碍复合夹杂物的形成。大量硅会损害钢的延展性并且在塑性加工中出现裂缝。所以，添加量的上限为2.0％。Mn：0.1-3.5％

锰是形成硫化物的必要元素。Mn含量少于0.1％不能得到充分量的硫化物，然而，超过3.5％的过多量会硬化钢进而降低切削性。S：0.01-0.2％

硫对于改进钢的切削性不仅有用而且必要，所以，至少添加0.01％的S。为得到5倍或更多倍的刀具寿命率，需要0.01％或更多的S。S含量超过0.2％不仅损坏弹性和延展性，而且造成CaS的形成，CaS具有高熔点而且使铸造钢变难。Al：0.001-0.020％

需要铝以获得氧化物型夹杂物的合适组分，其添加量至少为0.001％。当Al含量超过0.020％时，会形成硬的氧化铝簇并降低钢的切削性。在制备本发明的易切削钢的过程中，Al含量的调整必须在添加Ti和/或Zr之前进行。下面将会解释这一点。Ca：0.0005-0.02％

钙是依据本发明的钢的非常重要的组分。为了在硫化物中含有Ca，添加至少0.0005％的Ca是必要的。另一方面，如上所述添加的钙超过0.02％，会形成高熔点的CaS，其会使铸造钢产品变难。O：0.0005-0.0100％

氧是形成氧化物的必要元素。在极端脱氧的钢中，高熔点CaS将形成并在铸造中造成麻烦，所以，至少0.0005％，优选0.015％或更多的O是必要的。另一方面，0.0100％或更多的O会形成大量硬的氧化物，这使得形成所需的硫化钙变难并损害钢的切削性。双脱氧剂Ca和Al的脱氧作用造成CaO-Al₂O₃型夹杂物的形成，其是低熔点夹杂物，有利于切削性没有改进切屑破碎性。所以，优选使CaO-Al₂O₃型夹杂物达到最小。为达到此目的，优选调整Al含量达到上述谈到的适当范围以得到适当程度的脱氧作用然后添加Ca。

除了形成复合氧化物型夹杂物，O通过结合Ti和/或Zr以形成细化氧化物微粒来使MnS微粒细化，该氧化物微粒提供MnS沉淀的核。为达到这种作用，需要形成达到最小量的Ti-氧化物，Zr-氧化物或(Ti+Zr)氧化物，其中Mn-氧化物如上所述会同时存在，所以，应当满足上述条件，[O]/[N]：0.06或更多。众所周知，N趋于与Ti和Zr结合，如果这种氮化物形成，氧化物的形成将不充足。N：0.001-0.04％

N是用于防止晶粒粗化的元素。而且，由于与Ti结合形成TiN，N是重要的。从这种观点出发，添加N的量为0.001％或更多是必要的。过多的N会导致铸造缺陷，所以上限设定为0.04％。Ti：0.002-0.010％和Zr：0.002-0.025％中的一种或两种

在用Ca和Al脱氧的钢中，少量Ti和Zr与O结合以形成细化的氧化物。如上所述，氧化物微粒充当MnS沉淀的核并促进MnS的细分散。使用Ti和Zr(例如，0.005％的Ti+0.015％的Zr)是有利的，因为可以得到高效粉碎的MnS夹杂物微粒。为形成合适量的Ti-氧化物和Zr-氧化物，而不对上述复合夹杂物和其它氧化物的形成造成影响。需要控制Ti和Zr的量，其范围分别为0.002-0.010％和0.002-0.025％。保证复合夹杂物的形成也是必要的，以实施可控制的脱氧作用，然后添加Ti和Zr。

当Ti形成细化的Ti(CN)微粒时，它们抑制先前在热锻造阶段的奥氏体晶粒的生长。为达到这种效果需要提供Ti的量至少为0.002％，上述的下限，以满足条件[Ti]×[N]：5×10^-6到2×10^-4。在依据本发明的钢中，那些满足这些平衡的钢显示高疲劳强度和良好的可弯直性，所以适用于作为曲柄轴和连杆的材料，对于它们来说需要这些性能。

磷，不可避免的杂质，对于钢的弹性有害，存在量超过0.2％是不利的。但是，在这个限度内，P会改进切削性，特别是车削表面的性能。这种作用适用的量为0.001％或更高。

除了上述讨论的基本合金组成之外，本发明的易切削钢可以更进一步含有至少下面定义的一定量的一种元素选自各自组中。下面解释在修改的具体实施方案中任选添加的合金元素的作用和限定这些组分范围的原因。Cr：最大为3.5％和Mo：最大为2.0％中的一种或两种

铬和钼增强钢的淬透性，所以，建议添加适当量的一种或几种元素。但是，大量的添加会损坏钢的热加工性和造成裂缝。而且从制造成本的观点出发，设定各自的上限为3.5％的Cr和2.0％的Mo。Cu：最大为2.0％

铜使钢结构细化并增强钢的强度。从热加工性和切削性方面考虑，不需要很多添加量。添加量应当最大为2.0％。Ni：最大为4.0％

镍也增强钢的淬透性，对于切削性来说是不利的组分。把制造成本考虑在内，选择上限为4.0％。B：0.0005-0.01％

硼甚至在含量少时，都增强钢的淬透性。为达到这种效果，需要硼的添加量为0.0005％或更多。B含量超过0.01％是有害的，因为会降低热加工性。Mg：最大为0.02％

镁对于形成氧化物型夹杂物微粒是有效的，这种微粒成为双结构夹杂物微粒的核。大量Mg的添加导致MgS的形成。MgS与CaO反应形成CaS，CaS使铸造变难。所以设定上限为0.2％。Nb：最大为0.2％

在高温下，铌对于防止钢的晶粒粗化是有效的。因为当添加量增加时，这种效果饱和，建议Nb的添加量最大为0.2％。V：最大为0.5％

钒与碳和氮结合以形成碳氮化物，使钢的晶粒细化。这种作用在V含量超过0.5％时达到饱和。Pb：最大为0.4％，Bi：最大为0.4％

铅和铋都是改进切削性的元素。铅作为钢中的夹杂物，单独存在或和硫化物一起以粘附物质的形式存在于硫化物型夹杂物微粒的外表面，并且改进切削性。上限设定为0.4％，因为，即使如果大量添加，过量铅不能溶解在钢中并团聚以至于在钢锭中形成缺陷。Bi上限的设定原因与此是相同的。Se：最大为0.4％，Te：最大为0.2％

硒和碲也是改进切削性的元素。各自的添加量上限为：0.4％的Se和0.2％的Te，这决定于对钢的热加工性的不利影响。

依据本发明的机械结构用易切削钢中存在的夹杂物，如图1所示，是复合夹杂物和MnS夹杂物。EPMA分析显示由Ca、Mg、Si和Al构成的核，并且该核被含有CaS的MnS包围。在本发明的钢中MnS夹杂物微粒被细化分散。与此相反，普通易切削钢的MnS夹杂物微粒，其中MnS对于改进切削性的作用被简单地认为是，如图2所示，在轧制阶段的变粗并伸长。

对于得到由本发明目的设定的5倍刀具寿命率的良好切削性和下面讨论的贯穿这种机理的良好切屑破碎性来说，复合夹杂物的形状和数量是必要的。尽管在现有发明的公开中已部分提到，但是形状和数量的重要性将在下面与新知识一起说明。

含有1.0％Ca或更多并且靠近含有0.2-62％CaO的氧化物型夹杂物微粒的硫化物型夹杂物微粒占据的面积是，显微视野中每3.5mm²为2.0×10^-4mm²或更多：

满足上述条件的夹杂物占据的面积与通过车削采用本发明的钢和相同S含量的普通硫易切削钢的硬质合金刀具得到的刀具寿命率之间的关系示于图3中。通过车削，本发明的S45C-系列易切削钢得到图3的数据，显示只有当复合夹杂物占据的面积为2.0×10^-4mm²或更多时，结果才能得到5倍刀具寿命率。由具有平均直径为1.0μm或更大的细化分散MnS夹杂物微粒占据的面积分占60-85％，由含有1-45重量％的Ca并靠近含有0.2-62重量％CaO的氧化物型夹杂物和具有熔点为1500-1750℃的硫化物型夹杂物微粒占据的面积分占40-15％的显微视野：

对于刀具寿命来说，优选在整个硫化物型夹杂物中含有很多复合夹杂物的钢。为得到本发明目的的5倍刀具寿命，需要复合夹杂物占有整个硫化物型夹杂物的至少15％。这一点示于表4中。另一方面，发现，从增强切屑破碎性角度的来说，除了复合夹杂物之外的简单硫化物型夹杂物的百分含量必须不低于一定的限量。这种限量是：在整个硫化物型夹杂物中复合夹杂物的分摊不超过40％。对于这一点可以从图5得到支持。

对于旋转弯曲疲劳极限，图5的图表显示40％或更少面积百分比的重要性。对于接受反复弯曲应力的机械部件来说，高旋转弯曲疲劳极限(一种应力极限，在该极限或低于该极限没有疲劳破坏发生，甚至是反复进行)是需要的。如果复合夹杂物占优势以达到40％或更多的水平，非常大的复合夹杂物微粒会形成，因为发生破裂并从其中扩散的机理造成这种破坏。然后，旋转弯曲疲劳极限将降低，所以，优选的复合夹杂物面积百分比不超过40％。

实现上述复合夹杂物特征的条件是上面提到的操作条件。条件的重要性已经在相关的先前发明中进行解释。但是，因为其重要性，再次进行解释。[S]/[O]：8-80

涉及各种S含量和O含量的机械结构用易切削钢的5倍刀具寿命率的目标是否达到，用不同的标绘示于图7的图表中。那些成功的(用●标绘)是在[S]/[O]＝8的线和[S]/[O]＝80的线之间的三角形区域，那些不成功的(用x标绘)是三角形以外的区域。[Ca]/[S]：0.01-20和[Ca]×[S]：1×10^-5-1×10^-3

类似上述数据，涉及各种S含量和Ca含量的机械结构用易切削钢的5倍刀具寿命率的目标是否达到，示于图8的图表中。从图表中可以看出那些成功的(用●标绘)集中在被[Ca]/[S]＝0.01和20的线和[Ca]×[S]＝1×10^-5和1×10^-3的线包围的四边形区域。所有那些满足上述涉及[S]/[O]、[Ca]/[S]和[Ca]×[S]条件的钢都能达到5倍刀具寿命率的目的。

作为依据本发明的机械结构用钢的良好切削性的原因，发明者考虑了下述由复合夹杂物提供的改进保护性和润滑性的机理。这些在先前的发明中也已经解释，但是，下面再次解释。

复合夹杂物微粒具有CaO-Al₂O₃基复合氧化物的核，并且核的周围被(Ca，Mn)基复合硫化物包围。所述这些氧化物具有来自于CaO·Al₂O₃基氧化物的相对低的熔点，然而复合硫化物具有高于那些简单硫化物或MnS的熔点。低熔点的CaO·Al₂O₃基氧化物可以以硫化物包裹氧化物的形式存在，通过这种安排，复合夹杂物当然沉淀。众所周知，当切削时，夹杂物软化以涂覆刀具表面并保护它。如果夹杂物仅是硫化物，涂层膜的形成和持续时间不稳定，但是，依据发明者的发现CaO·Al₂O₃基的低熔点氧化物和硫化物的共同存在会带来涂层膜的稳定形成，而且(Ca，Mn)S基的复合硫化物比简单的MnS具有较好的润滑作用。

由(Ca，Mn)S基复合硫化物在刀具边缘形成的涂层膜的重要性，是抑制称为硬质合金刀具的“热扩散磨损”。热扩散磨损是由刀具脆化引起的刀具磨损，其机理是刀具接触恰好在高温下伴随碳化物的热分解切割的来自于原料的切片，所述碳化物的代表物为碳化钨WC，且由于扩散到切片中导致碳损失。如果在刀具边缘形成高润滑作用的涂层，会防止刀具温度的增加，碳的扩散将被抑制。

复合夹杂物CaO-Al₂O₃/(Ca，Mn)S可以解释为具有MnS的优点，其是普通硫易切削钢中的夹杂物，也具有钙长石夹杂物CaO·Al₂O₃·2SiO₂赋予的优点，其是普通钙易切削钢中的夹杂物。MnS夹杂物在刀具边缘显示润滑作用，然而涂层膜的稳定性在某种程度上不能令人满意，没有抵抗热扩散磨损的能力。另一方面，CaO·Al₂O₃·2SiO₂形成稳定的涂层膜以防止热扩散磨损，然而基本没有润滑作用。本发明的复合夹杂物形成稳定涂层膜以有效地防止热扩散磨损，同时，提供较好的润滑作用。

如上所述，复合夹杂物的形成从低熔点温度复合氧化物的制备开始，所以[Al]含量是重要。至少0.001％的[Al]是必要的。但是，如果[Al]太多，复合氧化物的熔点会升高，所以，[Al]的量必须最高为0.020％。然后，为达到调整成形的CaS量的目的，[Ca]×[S]和[Ca]/[S]的值控制在上文所述水平。

上述讨论的机理不仅是假设，也附带被证明。用于车削依据以前发明的易切削钢的硬质合金刀具表面的比较和车削普通硫易切削钢的熔融的、粘附的夹杂物的分析可以支持这一点。

如上所述，通过MnS夹杂物微粒的粉碎，产生赋予本发明的机械结构用易切削钢特性的改进的切屑破碎性。在夹杂物的总数是恒定的条件下，粉碎意味着微粒数量的增加。在本发明的钢中MnS夹杂物的数量主要决定于硫含量。S含量的变化范围是0.01-0.2％，因为最终得到的MnS量的变化，粉碎的夹杂物微粒的数量会变化。在本发明的易切削钢中的MnS夹杂物微粒比普通易切削钢中的细化。在细化的微粒中，影响切屑破碎性的微粒是那些具有平均粒径为1.0μm或更大的微粒。(“平均粒径”表示在显微视野中微粒横界面的长直径和短直径的平均值)

在依据本发明的含有不同S含量，都具有良好的切屑破碎性的钢中，用放大倍数400的光学显微镜，对每单元横界面(m²)具有平均直径为1.0μm和更大的MnS夹杂物微粒的数量进行研究。结果如下所示，包括微粒数量和S含量之间的关系接近恒定。钢中S含量  MnS夹杂物微粒数量  每0.01％-S的微粒数量0.01％     5.4/mm²           5.4/mm²0.03％     16.2/mm²          5.4/mm²0.062％    32.0/mm²          5.2/mm²0.125％    77.0/mm²          6.2/mm²

基于这些数据，可以推定，在大范围的S含量内如果MnS夹杂物微粒的数量不小于每0.01％-S，含有5微粒/mm²，良好的切屑破碎性可以得到。图9的图表清楚地表示出这一点。通过具有平均直径为1.0μm和更大并且小于普通易切削钢的MnS夹杂物微粒直径的MnS夹杂物微粒的百分比与切屑破碎性之间的关系的图来绘制该图。该图显示，较小的MnS夹杂物微粒的百分比越大，切屑破碎性指数越高。

依据本发明的机械结构用易切削钢显示与先前发明的易切削钢相同水平的良好的切削性。因为复合夹杂物以最好的形式存在于钢中，所以容易达到本发明的目的，在机械加工特别是采用硬质合金刀具车削中，达到5倍于普通硫高速合金钢的刀具寿命率。

通过添加少量Ti(或Zr)以形成细化分散的MnS夹杂物微粒来赋予在先前发明的易切削钢中实现的相当好的切屑破碎性。这种作用也在本发明的易切削钢中获得。切屑破碎性高的事实当然对车削特别有利。在钢中，形成细化的Ti(C，N)微粒，在热加工阶段先前奥氏体晶粒的生长受到抑制，所以钢不仅具有良好的切削性和切屑破碎性，而且具有良好的疲劳强度和可弯直性，适用于需要这些性能的应用。

本发明的制造方法是，通过该方法能够确保生产上述机械结构用易切削钢。该方法的特征是：在添加Ca和其它组分之前调整Al含量以进行可控制的脱氧作用，并有利地形成复合夹杂物，然后在适当的时间或由可控制的脱氧作用形成复合夹杂物之后，添加适量的Ti，所以，易切削钢中MnS夹杂物微粒被细化分散，而且，刀具寿命和切屑破碎性适当地由在整个硫化物型夹杂物中的复合夹杂物微粒的特殊分配来平衡。当实施生产的方法是含有适当选择的Ti含量以及O含量和N含量的情况时，在钢中形成细化的Ti(C，N)微粒，并且产品是具有改进的疲劳强度和可弯直性的机械结构用易切削钢。

实施例

在下述实施例中，具有大写字母(A1，B1……)序号的是操作实施例，具有小写字母(a1，b1……)序号的是对照实施例。制备的合金被铸造成钢锭，从中切割下直径72毫米的圆棒测试片用于测试。测试方法和标准如下所述。[复合夹杂物占据的面积]

当复合夹杂物或含有Ca并靠近氧化物型夹杂物微粒的硫化物型夹杂物微粒，每3.5mm²占据2.0×10^-4mm²或更多面积的情况标记为“是”，相反的情况，“不是”。[复合夹杂物的面积百分比]

在显微照片(放大倍数200)中整个硫化物型夹杂物被分为简单的硫化物型夹杂物和复合夹杂物。求出由复合夹杂物分占的面积百分比。[可切削性]

在下述条件下进行硬质合金刀具的车削：切削速度：200m/min进给速度：0.2mm/rev切削深度：2.0mm

在得到所需的夹杂物的成功的实施例中，和得到被夹杂物保护的实施例中，结果记录为“是”，而在不成功的实施例中结果记录为“不是”。以S含量为0.01-0.2％的硫易切削钢的刀具寿命作为标准，达到本发明目的的钢，5倍的刀具寿命率，标记为“是”，不能达到上述目标的钢标记为“不是”。[切屑-破碎性]

在下述条件通过切削得到的切屑被收集：切削速度：150m/sec进给：0.025-0.200mm/rev深度：0.3-1.0mm刀具：DNMG150480-MA

依据其长度，点0-4分别分配给切屑。整个30个切削状态的点的总数记录为“切屑-破碎性指数”。得到的指数与含有相同硫含量的含硫易切削钢的切屑破碎性指数相比较，评价如下：较好点：“好”，相同或较低点：“不好”实施例1

本发明应用于S45C钢。合金组分示于表1(操作实施例)和表2(对照实施例)。易切削钢的操作条件，组分比率和诸如刀具寿命和切屑-破碎性的性能数据一起示于表3(操作实施例)和表4(对照实施例)中。

在表3和表4中(也包括随后表示测试结果的表)，缩写具有下述含义：S/O：[S]/[O]Ca·S：[Ca]×[A][←原文如此]Ca/S：[Ca]/[S]TiZrN：[Ti+Zr]×[N]S.I.面积：硫化物夹杂物占据的面积MnS Numb.：MnS夹杂物微粒数量

(每0.01％-S的微粒/mm²)D.S.I.面积：复合夹杂物分占的面积百分比(％)Pro.Film：刀具保护膜的形成(是/不是)Mach.：切削性(是/不是)Chip-Brk.：碎屑-破碎性(好/差)实施例2

与实施例1相同的生产过程和切削性试验应用于S15C钢。合金组分示于表5(操作实施例)和表6(对照实施例)，和试验结果示于表7(操作实施例)和表8(对照实施例)。实施例3

与实施例1相同的生产过程和切削性试验应用于S55C钢。合金组分示于表9(操作实施例)和表10(对照实施例)，和试验结果示于表11(操作实施例)和表12(对照实施例)。实施例4

与实施例1相同的生产过程和切削性试验应用于SCR415钢。合金组分示于表13(操作实施例)和表14(对照实施例)，和试验结果示于表15(操作实施例)和表16(对照实施例)。实施例5

与实施例1相同的生产过程和切削性试验应用于SCM440钢。合金组分示于表17(操作实施例)和表18(对照实施例)，和试验结果示于表19(操作实施例)和表20(对照实施例)。

Claims (9)

1、一种具有良好切削性和切屑破碎性的机械结构用钢，以重量百分比计，其基本上由C：0.05-0.8％，Si：0.01-2.0％，Mn：0.1-3.5％，S：0.01-0.2％，Al：0.001-0.020％，Ca：0.0005-0.02％，O：0.0005-0.01％和N：0.001-0.04％和更进一步的Ti：0.002-0.010％和Zr：0.002-0.025％中的一种或两种，余量是Fe和不可避免的杂质组成，其特征在于，含有1-45重量％的Ca并且靠近含有0.2-62重量％CaO的氧化物型夹杂物微粒并具有熔点为1500-1750℃的硫化物型夹杂物微粒占据的面积，在显微视野中是每3.5mm²为2.0×10^-4mm²或更多，除了上述定义的硫化物型夹杂物微粒之外的硫化物型夹杂物微粒作为MnS细分散在钢中。

2、依据权利要求1的机械结构用钢，其中具有平均直径为1.0μm或更大的细分散的MnS夹杂物微粒的数量是每0.01％的S含量为5微粒/mm²。

3、依据权利要求2的机械结构用钢，其中由具有平均直径为1.0μm或更大的细分散MnS夹杂物微粒占据的面积分占显微视野的60-85％，由含有1-45重量％的Ca并靠近含有0.2-62重量％CaO的氧化物型夹杂物并具有熔点为1500-1750℃的硫化物型夹杂物微粒占据的面积分占40-15％。

4、依据权利要求1的机械结构用钢，其中合金组成中[O]/[N]的比率为0.06或更大。

5、依据权利要求1的机械结构用钢，其中除了在权利要求1中阐述的合金组分之外，钢更进一步含有Cr：最大为3.5％，Mo：最大为2.0％，Cu：最大为2.0％，Ni：最大为4.0％，B：0.0005-0.01％和Mg：最大为0.2％中的一种或更多种。

6、依据权利要求1的机械结构用钢，其中除了在权利要求1中阐述的合金组分之外，钢更进一步含有Nb：最大为0.2％和V：最大为0.5％中的一种或两种。

7、依据权利要求1的机械结构用钢，其中除了在权利要求1中阐述的合金组分之外，钢更进一步含有Pb：最大为0.4％，Se：最大为0.4％和Te：最大为0.2％中的一种或更多种。

8、一种生产在权利要求1中阐述的具有良好切削性和切屑破碎性的机械结构用钢的方法，包括制备基本上由下列组分构成的合金的步骤，以重量百分比计，C：0.05-0.8％，Si：0.01-2.0％，Mn：0.1-3.5％，S：0.01-0.2％，Al：0.001-0.020％，Ca：0.0005-0.02％，O：0.0005-0.01％和N：0.001-0.04％，余量的Fe和不可避免的杂质，上述合金的制备步骤采用用于普通钢制备的熔炼和精炼过程，其中可控制的脱氧作用在下述条件下进行：

[S]/[O]：8-40

[Ca]×[S]：1×10^-5-1×10^-3

[Ca]/[S]：0.01-20和以便调整含有1-45重量％的Ca并且靠近含有0.2-62重量％CaO的氧化物型夹杂物微粒以及具有熔点为1500-1750℃的硫化物型夹杂物微粒的面积百分比达到在显微视野中每3.5mm为2.0×10^-4mm²或更多，之后，添加Ti：0.002-0.010％和Zr：0.002-0.025％中的一种或两种，在上述可控制的脱氧作用之后，通过在钢中用Ti和/或Zr与氧反应以形成细小Ti-氧化物和/或Zr-氧化物，并利用得到的复合氧化物微粒作为MnS夹杂物微粒析出和细化分散的核。

9、依据权利要求8的具有良好切削性和切屑破碎性的机械结构用钢的生产方法，其中具有改进的疲劳强度和可弯直性的机械结构用钢是通过添加Ti时调整Ti、N和O的含量以调整Ti(C，N)和TiO的平均微粒尺寸并在热加工阶段保持先前的奥氏体晶粒的细化来生产的，

添加Ti的时候要满足下述条件：

[Ti]×[N]：5×10^-6-2×10^-4

[O]/[N]：0.06或更大以保证采用TiO作为核的MnS细小析出和分散的量。

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