CN1514884A - 机械结构用含硫易切削钢 - Google Patents

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Abstract

本发明通过调整钢的化学成分获得机械结构用含硫易切削钢，以提供一种不含铅但具有与传统的含铅易切削钢相当的切削性和机械特性的含硫易切削钢。该种机械结构用含硫易切削钢，它含有按重量％：C：0.10－0.55％、Si：0.05－1.00％、Mn：0.30－2.50％、P：≤0.15％、S：0.050－0.350％、Al：＞0.010％至≤0.020％、Nb：0.015－0.200％、O：0.0015－0.0150％、N：≤0.02％；还含有按重量％：选自V：0.03－0.50％、Ti：0.02－0.20％和Zr：0.01－0.20％中的至少一种；其中：S含量和O含量的比S/O为15－120，选自Nb的氧化物(参照图1)、碳化物、氮化物和碳氮化物中的至少一种作为MnS型夹杂物的析出核。

Description

机械结构用含硫易切削钢
技术领域
本发明涉及一种用作产业机器和汽车部件等的原材料的具有优秀的切削性的机械结构用钢。
背景技术
经机械加工而用于产业机器和汽车部件等的钢材需要具有优秀的切削性。作为具有优秀的切削性的机械结构用钢，JIS(日本工业标准)规定了含有至少一定水平的硫的含硫易切削钢(快削钢)和含有微量铅的含铅易切削钢。此外，还开发了含有例如Bi、Te、Se等性质与铅类似的元素的易切削钢，但是由于价格高等原因而没有实现工业普及。
在切削性方面可期望的最确定的成果是含铅易切削钢，其最大的特色在于即使含有铅也不会使钢的机械性能发生劣化。但是，在含铅易切削钢的制造工艺(过程)和其钢材的切削和旋转切削工艺中，形成含铅烟雾(烟尘)散布在空气中，从而使工作环境恶化，此外，在处理这些工艺中所产生的炉渣和切屑等的工业废物时，由于含有铅而产生环境保护方面的问题。
另一方面，对于作为易切削钢的具有最长历史的含硫易切削钢，由于工业制造的钢中的硫化物的形态和分布方面存在很大的差异，所以切削性方面的可靠性低。如果想使含硫量增加来提高切削性，就会在钢材的制造工艺中发生热脆性，从而造成很多次品。
但是，与铅不同，硫在安全卫生和环境问题方面的问题较少，因此，期待开发一种不含铅但具有与传统的含铅易切削钢相当的切削性的含硫易切削钢。因此，本发明的目的在于提供具有优秀的切削性的机械结构用含硫易切削钢。
发明内容
发明人为开发一种不添加铅但具有与传统的含铅易切削钢相当的切削性的易切削钢对钢的化学成分进行了各种研究。结果发现，在含有S：0.050-0.350重量％的含硫易切削钢中含有0.0015-0.0150重量％并优选地为0.0020-0.0100重量％的氧的情况下，当S含量与O含量的比S/O在15-120的范围时，钢的切削性确实地提高。
也就是说，根据本发明的易切削钢是如下所示的机械结构用含硫易切削钢。
(1)一种机械结构用含硫易切削钢，它含有按重量％：C：0.10-0.55％、Si：0.05-1.00％、Mn：0.30-2.50％、P：≤0.15％、S：0.050-0.350％、Al：＞0.010％且≤0.020％、Nb：0.015-0.200％、O：0.0015-0.0150％、N：≤0.02％；还含有按重量％：选自V：0.03-0.50％、Ti：0.02-0.20％和Zr：0.01-0.20％中的至少一种；其中：S含量和O含量的比S/O为15-120，并且选自Nb的氧化物、碳化物、氮化物及碳氮化物中的至少一种作为MnS型夹杂物的析出核。
(2)一种根据上述(1)所述的机械结构用含硫易切削钢，其特征在于：所述易切削钢含有按重量％：选自Sn：0.020-0.100％和Sb：0.015-0.100％中的至少一种。
(3)一种根据上述(1)或(2)所述的机械结构用含硫易切削钢，其特征在于：所述易切削钢含有按重量％：选自Cr：0.10-2.0％、Ni：0.10-2.0％和Mo：0.05-1.0％中的至少一种。
(4)一种根据上述(1)至(3)中任一项所述的机械结构用含硫易切削钢，其特征在于：所述易切削钢含有按重量％：选自Ca：0.0002-0.020％和Mg：0.0002-0.020％中的至少一种。
下面说明在本发明的机械结构用含硫易切削钢中限制组成元素的含量的原因。含量的以重量％(重量百分比)表示。
C：0.10-0.55％
添加C以确保钢的强度，由于以中、高碳素钢程度的强度为目标，如果低于0.10％则不能获得必要的强度，超过0.55％则韧性会降低。因此，将下限定为0.10％，上限定为0.55％。
Si：0.05-1.00％
添加Si作为脱氧剂，与Mn一起进行共同脱氧。添加约0.05％时表现出脱氧效果，但是如果超过1.00％钢的切削性会降低。因此，将下限定为0.05％，上限定为1.00％。
Mn：0.30-2.50％
添加Mn作为脱氧剂，并且形成MnS从而提高钢的切削性。为形成该硫化物，需要含有至少0.30％的Mn；但是如果超过2.50％，则钢的硬度会增加而切削性会降低。因此，将下限定为0.30％，上限定为2.50％。
Al：＞(超过)0.010％且≤(不超过)0.020％
Al是一种与钢中N结合形成AlN并具有使奥氏体晶粒微细化的效果的元素，通过该微细化有助于提高韧性。为了产生这种效果，需要添加超过0.010％。然而，添加过多会使得可切削性劣化。为了避免该劣化，需要将上限限定为0.020％。因此Al的添加量限定为超过0.010％但不超过0.020％。
P：≤(不超过)0.15％
添加P以改善钢的可切削性特别是精加工面(成品表面)的性质。如果添加量超过0.15％则韧性降低。因此将0.15％作为上限。
S：0.050-0.350％
S作为一种改善钢的可切削性的元素是众所周知的，S的含量越高则可切削性越好。添加量小于0.050％时不能获得优秀的可切削性。但是，即使是与Mn一起添加时，如果S的含量过高，则钢的热加工性降低。因此将0.350％作为上限。
O：0.0015-0.0150％
当O的含量小于0.0015％时，则赋予好的可切削性的MnS型夹杂物的形成过少，当超过0.0150％时，则由于通过冷却时的脱氧而产生的二次脱氧生成物的量过多而使得可切削性劣化。将氧含量保持在0.0015-0.0150％的范围并且将S含量和O含量的比S/O保持在15-120的范围，对改善钢的可切削性是重要的。因此将O含量限定在0.0015-0.0150％的范围。
N：≤(不超过)0.02％
如果N含量超过0.02％，则钢的延性会降低。因此将上限限定为0.02％。
Cr：0.10-2.00％
Ni：0.10-2.00％
Mo：0.05-1.00％
添加从Cr、Ni和Mo中选出的至少一种。
如果Cr、Ni和Mo各元素的含量小于上述各个范围的下限，则不能确保钢的淬硬性和韧性。如果这些元素的含量超过上述各个范围的上限，则钢的硬度变大，可切削性变差。因此将Cr、Ni和Mo的添加量分别限定为上述范围。
Nb：0.015-0.200％
当Nb的含量在上述范围内时，Nb的氧化物、碳化物、氮化物及碳氮化物中的至少一种会在钢中适度地析出，并成为MnS型夹杂物的析出核，从而有助于所述夹杂物在钢中均匀的分散和析出。即，如果Nb的含量小于0.015％，则这种效果较小，而超过0.20％时会使得钢的可切削性变差。此外，适量的Nb会使得钢中的奥氏体晶粒粒度微细化，从而不会损害钢的韧性。
V：0.03-0.50％
如果V的含量在上述范围内时，则V的碳氮化物在γ铁中适度地析出，起到提高钢的机械性能的作用。而且适量的V将使得钢中的奥氏体晶粒粒度微细化，从而不会损害钢的韧性。因此将V的添加量范围限定为0.03-0.50％。
Ti：0.02-0.20％
Zr：0.01-0.20％
因为这些元素对氧具有较强的亲合力，容易生成氧化物，所以优选地在脱氧操作完成后将它们加入到钢水中。
当Ti含量小于0.02％或Zr含量小于0.01％时其脱氧效果较小，而当Ti含量超过0.20％或Zr含量超过0.20％时，则会产生很多使得可切削性恶化的碳氮化物。而且适量的Ti会使得钢中的奥氏体晶粒粒度微细化，从而不会损害钢的韧性。因此将Ti和Zr的添加量限定为上述范围。
Sn：0.020-0.100％
由于Sn在基体中固溶并使得钢变脆(脆化)，所以可以改善可切削性。为了产生该效果，需要添加至少0.020％的Sn。然而，添加过量会使得韧性劣化。为避免该劣化，需要将0.100％限定为上限。因此，将Sn的添加量范围限定为0.020-0.100％。
Sb：0.015-0.100％
由于Sb在基体中固溶并使得钢变脆，所以可以改善可切削性。为了产生该效果，需要添加至少0.015％的Sb。然而，添加过量会使得韧性劣化。为避免该劣化，需要将0.100％限定为上限。因此，将Sb的添加量范围限定为0.015-0.100％。
Ca：0.0002-0.020％
Ca是钢的脱氧元素并生成可有效地改善钢的可切削的氧化物。如果Ca含量小于0.0002％则不能表现出该效果。然而，即使添加量超过0.020％，对可切削性也没有进一步的效果。因此，将Ca的添加量范围限定为0.0002-0.020％。
Mg：0.0002-0.020％
Mg是钢的脱氧元素并生成可有效地改善钢的可切削性的氧化物。如果Mg含量小于0.0002％，则不能表现出该效果。然而，即使添加量超过0.020％对可切削性也没有进一步的效果。因此，将Mg的添加量范围限定为0.0002-0.020％。
附图简介
图1是示出根据本发明的机械结构用含硫易切削钢中生成了以Nb的氧化物为核的MnS型夹杂物的EPMA解析图像；
图2是示出在上述钢中生成了以Nb的碳化物为核的MnS型夹杂物的EPMA解析图像。
具体实施方式
下面根据实施例详细说明本发明。
实施例1(机械结构用含硫易切削钢的制造)
通过下述工艺制造根据本发明的机械结构用含硫易切削钢。
用15吨电炉熔炼一种具有与机械结构用钢相当成分的钢。在氧化期间(阶段)进行0.3％的脱碳，在氧化末期钢水中的氧的量为0.028-0.042％。在氧化期间除去炉渣，并在还原期间重新产生炉渣，在初期脱氧时使用的脱氧剂为60Kg的Fe-Si和100Kg的Si-Mn。此后，使用5Kg的Al(对比材料使用10Kg)。在确认炉渣中的FeO含量等于或小于2％后，将钢水出钢至钢包。
此时钢水中的含氧量为0.0050-0.0130％。然后，将该钢包设置在钢包精炼炉(LF炉)的位置，利用电弧使钢水升温并对各成分进行微调整，在钢水的温度达到1650℃之后，进行增硫(回硫)和缓和富氧，通过在钢包底部设置的多孔塞以30升/分的流量吹入氩气，并进行15分钟的搅拌。此后，在使用LF炉的电弧升温后，添加Nb、Ti、Zr，铸成4.7吨的钢块(钢锭)。将该钢块轧制成直径100mm的圆棒(棒材)，并从该圆棒制成供切削试验用的试件。所获得的化学成分如下表1所示。含量的单位为重量％。但是，N和O以ppm为单位。
表1                                                                                                                                                                                        单位：重量％，N和O以ppm表示
       试件     C    Si    Mn     P     S    Ni    Cr    Mo     Al     Nb     V    Ti    Zr    Sn    Sb    Pb    Ca     Mg      N     O     S/O
  对比材料     1   0.45   0.25   0.73   0.009   0.093   0.01   0.14   0.01   0.019     -   -   -   -   -   -   0.29   -     -     117     17     54.7
    2   0.45   0.26   0.71   0.010   0.068   0.01   0.14   0.02   0.015     -   -   -   -   -   -   0.21   -     -     101     12     56.7
    3   0.49   0.26   0.99   0.007   0.019   0.01   0.19   0.01   0.031     -   0.10   -   -   -   -   0.06   -     -     104     13     14.6
    4   0.48   0.24   0.97   0.010   0.054   0.01   0.16   0.02   0.025     -   0.10   -   -   -   -   0.29   -     -     91     8     67.5
    5   0.21   0.32   0.65   0.012   0.008   1.82   0.55   0.16   0.033     -   -   -   -   -   -   -   -     -     120     28     2.9
    6   0.22   0.28   0.65   0.015   0.012   1.63   0.60   0.16   0.035     -   -   -   -   -   -   -   -     -     128     22     5.5
    7   0.21   0.33   0.63   0.015   0.010   1.65   0.63   0.17   0.035     -   -   -   -   -   -   0.07   -     -     116     16     6.3
  本发明材料     8   0.43   0.24   0.66   0.011   0.073   0.00   0.05   0.01   0.014     0.047   0.10   -   -   -   -   -   -     -     55     18     40.6
    9   0.42   0.97   0.66   0.009   0.193   0.00   0.03   0.01   0.017     0.015   0.09   0.05   0.08   -   -   -   -     -     42     66     29.2
    10   0.53   0.18   0.67   0.010   0.199   0.00   0.05   001   0.015     0 039   0.08   -   0.07   -   -   -   -     -     43     80     24.9
    11   0.43   0.17   0.65   0.008   0.187   0.01   0.05   0.01   0.018     0.185   0.13   -   -   0.030   -   -   -     -     53     70     26.7
    12   0.45   0.23   0.63   0.013   0.120   0.02   0.03   0.01   0.020     0.029   -   -   -   -   0.083   -   -     -     48     40     30.0
    13   0.42   0.15   0.71   0.011   0.231   0.00   0.03   0.01   0.013     0.023   -   0.06   0.08   0.086   0.025   -   -     -     45     53     43.6
    14   0.25   0.17   2.28   0.020   0.220   1.56   0.75   0.17   0.018     0.030   0.07   -   -   -   -   -   -     -     140     50     44.0
    15   0.24   0.23   0.73   0.018   0.195   1.53   0.83   0.97   0.017     0.025   -   -   0.08   -   -   -   -     -     120     36     54.2
    16   0.20   0.18   0.65   0.015   0.210   1.60   1.98   0.16   0.015     0.027   -   0.16   -   -   -   -   -     -     125     42     50.0
    17   0.30   0.15   0.68   0.145   0.200   1.66   0.93   0.16   0.016     0.028   0.18   0.08   -   0.033   -   -   -     -     145     33     60.6
    18   0.13   0.10   1.30   0.023   0.230   1.95   0.61   0.15   0.015     0.030   -   0.05   0.07   -   0.061   -   -     -     133     48     47.9
    19   0.21   0.73   0.69   0.024   0.325   1.73   0.58   0.18   0.019     0.020   0.45   -   0.09   0.027   0.030   -   -     -     162     34     95.6
    20   0.44   0.22   0.40   0.013   0.185   0.01   0.04   0.01   0.013     0.023   0.10   -   0.10   -   0.042   -   0.0120     -     50     62     29.8
    21   0.45   0.20   0.70   0.005   0.130   0.02   0.05   0.01   0.014     0.027   -   0.07   0.07   -   -   -   -     0.0060     30     50     26.0
    22   0.46   0.45   0.53   0.016   0.225   1.12   0.59   0.14   0.016     0.028   0.15   -   -   0.030   -   -   0.01     0.0043     51     48     46.9
实施例2(MnS型夹杂物中的析出核的EPMA分析)
为了确认在本发明的机械结构用含硫易切削钢中用作MnS型夹杂物的析出核的Nb元素的作用，对试件8(本发明的材料)的钢用电子探针显微分析仪(EPMA)进行了分析。其结果如图1、图2所示。
图1是示出生成以Nb的氧化物为核的MnS型夹杂物的EPMA解析图像，而图2是示出生成以Nb的碳化物为核的MnS型夹杂物的EPMA解析图像。
标记为SEI的照片为在基体中析出的MnS型夹杂物的二次电子图像。图1、图2两图像中示出包含在一较大的岛状体(岛状相)内的较小的岛状体。在每个图下部的4个EPMA解析图像中示出：这些较小的岛状体在图1中为Nb的氧化物，在图2中为Nb的碳化物。在照片上示出了元素Nb、O、C、Mn和S的解析图像，其中白色部分分别示出这些元素的存在位置。从这些照片可以明白，较小的岛状体是Nb的氧化物或Nb的碳化物，并可知它们是MnS型夹杂物(较大的岛状体)的核。
实施例3(旋转切削试验)
使由与上述试件1-22的钢相同的钢水(heats)得到的直径为100mm的圆棒退火，用碳化钨(硬质合金)工具(刀具)进行32分钟的旋转切削(车削)，对工具的切削面的磨耗进行测定。旋转切削速度为160m/分。其结果在表2中示出。
表2
试件     无切削油(单位：mm)   使用切削油(单位：mm)
对比材料 试件5和6的平均(无铅钢)       0.4      0.15
试件1-4和7的平均(含铅钢)       0.1      0.05
  本发明的材料 试件8-22的平均       0.1      0.05
本发明的材料与试件5、6的对比材料相比较，在不使用切削油时，本发明的材料的工具磨耗是对比材料的工具磨耗的1/4。
此外，在不使用切削油和使用切削油的两种情况下，本发明的材料与试件1-4和7的含铅易切削钢的值相当。
其次，对使用市售的切削油时的旋转切削加工的生产率进行比较。
为此，使用高速钢工具通过旋转切削由各种上述试件制造小齿轮。以每小时制造的个数测定生产率。结果在表3中示出。
表3
            试件  使用市售的切削油：个/小时
  对比材料     1             130
    2             138
    3             105
    4             140
    5             72
    6             85
    7             135
  本发明的材料     8             125
    9             130
    10             128
    11             125
    12             138
    13             142
    14             123
    15             134
    16             110
    17             120
    18             131
    19             125
    20             133
    21             124
    22             118
使用市售的切削油时本发明的材料的生产率与不含铅的对比材料5和6相比提高约60％。而且，与对比材料1-4和7的含铅易切削钢相比较，本发明的材料具有几乎不变的优秀结果。
实施例4(机械特性的测定)
对试件1-22的机械结构用钢的机械特性进行测定。在对所有试件进行850℃的油淬火和650℃的回火后，测定关于强度、延性、韧性和硬度的参数，并将结果在表4中示出。
对于所有特性，本发明的材料表现出与对比材料基本相等或比之更优的值。
 表4
        试件   0.2％屈服强度N/mm2  抗拉强度N/mm2    延伸率％  断面收缩率％  摆锤式冲击值J/cm2    硬度HB
  对比材料     1     635     705     25.8     61.4     130     211
    2     657     730     25.5     62.1     133     220
    3     707     786     24.9     60.3     128     239
    4     691     768     25.2     61.8     130     235
    5     732     854     22.7     58.1     125     270
    6     743     865     22.2     57.6     120     272
    7     754     870     21.3     56.2     117     273
  本发明的材料     8     635     705     26.0     63.0     153     211
    9     558     620     27.7     65.4     161     190
    10     597     663     26.3     62.5     142     200
    11     715     830     22.2     59.3     142     269
    12     648     713     27.3     64.2     167     223
    13     652     724     26.4     63.2     158     227
    14     730     840     23.0     58.3     129     267
    15     760     873     21.0     56.1     115     274
    16     732     860     22.5     57.1     125     270
    17     750     865     22.9     56.9     118     276
    18     730     850     23.2     58.7     130     273
    19     740     858     22.5     57.3     123     277
    20     668     733     23.3     59.8     140     230
    21     637     710     27.2     63.2     165     210
    22     685     758     24.1     57.7     151     233
实施例5(奥氏体晶粒粒度的测定)
根据JISG0551对试件1-22的奥氏体晶粒粒度进行测定。结果在表5中示出。
奥氏体晶粒粒度号数为8或其以上，本发明的材料与对比材料表现出基本相同的值。
产业实用性
如以上所述，根据本发明，可以提供一种在安全卫生和环境方面具有较少问题、并且具有和含铅易切削钢相当的切削性和机械特性的机械结构用含硫易切削钢。

Claims (4)

1.一种机械结构用含硫易切削钢，它含有按重量％：C：0.10-0.55％、Si：0.05-1.00％、Mn：0.30-2.50％、P：≤0.15％、S：0.050-0.350％、Al：＞0.010％至≤0.020％、Nb：0.015-0.200％、O：0.0015-0.0150％、N：≤0.02％；还含有按重量％：选自V：0.03-0.50％、Ti：0.02-0.20％和Zr：0.01-0.20％中的至少一种；其中：S含量和O含量的比S/O为15-120，选自Nb的氧化物、碳化物、氮化物及碳氮化物中的至少一种作为MnS型夹杂物的析出核。
2.一种根据权利要求1所述的机械结构用含硫易切削钢，其特征在于：所述易切削钢含有按重量％：选自Sn：0.020-0.100％和Sb：0.015-0.100％中的至少一种。
3.一种根据权利要求1或2所述的机械结构用含硫易切削钢，其特征在于：所述易切削钢含有按重量％：选自Cr：0.10-2.00％、Ni：0.10-2.00％和Mo：0.05-1.00％中的至少一种。
4.一种根据权利要求1至3中任一项所述的机械结构用含硫易切削钢，其特征在于：所述易切削钢含有按重量％：选自Ca：0.0002-0.020％和Mg：0.0002-0.020％中的至少一种。
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