CN1616701A - 具有优异的表面粗糙度和抗释气性的铁素体易切削不锈钢 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有优异的表面粗糙度和抗释气性的铁素体易切削不锈钢，其包含以重量百分比计的0.06％或更低的C、0.05至1.0％的Si、2.0％或更低的Mn、0.050％或更低的P、0.05至0.50％的S、2.0％或更低的Cu、2.0％或更低的Ni、9.0至25.0％的Cr、4.0％或更低的Mo、0.065至2.0％的Ti、0.0150％或更低的O、0.020％或更低的N、0.001至0.100％的Al，以及铁和在剩余部分中不可避免的杂质，其中所述钢满足方程式中的方程式(1)和(2)，[Ti]≥1.3×[S]——方程式(1)，[Mn]/[Ti]≤3——方程式(2)，(WTi+WCr)>2×WMn——方程式(3)，其中所述钢中含有的Ti的量以[Ti]表示，S的量以[S]表示，且Mn的量以[Mn]表示，并且所述钢满足方程式(3)，其中在所述钢的组织结构中所生成的硫化物中所含有的Ti的量以WTi表示，Cr的量以WCr表示，且Mn的量以WMn表示。

Description

具有优异的表面粗糙度和抗释气性的铁素体易切削不锈钢

技术领域

本发明涉及具有优异的表面粗糙度和抗释气性(outgass resistance)的铁素体易切削不锈钢。

技术背景

近年来，为了推动使计算机、其外围设备或其它电子产品免于维修的趋势，可以以较低成本获得抗腐蚀性的铁素体不锈钢被广泛用作其部件的材料。尤其是，由于可切削(加工)性的改善被认为对于要求精密的精切削加工以确保尺寸精度的部件和具有复杂形状且涉及大的切削量(machining removal)的部件而言是重要的，故要包含的提供易切削性能的元素的量趋于增加。此外，这些元素在使用时不仅分别加入其中的每一种而且也组合加入。

作为提供可切削性的元素，已知S、Pb、Se、Bi、Te和Ca等。在这些元素中，铅(Pb)在全球对环境保护的关注提升的近年来逐渐被排斥，因此，限制使用铅的设备和部件越来越多。于是，将硫用作改善可切削性元素的主要元素的材料被认为是一种替代材料(参见例如日本专利申请公开Nos.S56-16653、S62-258955、S54-17567和H10-46292)。通过在这些材料中生成锰基硫化物如主要是MnS，可以将其用于改善当切削硫化物而形成切屑时的应力集中效应，以及由于工具和切屑之间的润滑作用而产生的可切削性和可磨削性。

然而，当生成锰基硫化物时，硫化物成为一个降低合金的抗腐蚀性和抗释气性的因素。降低抗释气性意味着当合金暴露于大气时，合金材料中包含的硫成分产生含硫的气体并释放该气体，该气体易于造成部件外围电路的腐蚀。这种含硫气体尤其易于在组件如经常在密封状态下使用的计算机的外围设备，例如硬盘驱动器(HDD)中造成故障。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁素体易切削不锈钢，其具有优异的表面粗糙度、抗腐蚀性和抗释气性，同时具有优异的可切削性。

为了实现以上目的，根据本发明的一个方面，提供一种具有优异的表面粗糙度和抗释气性的铁素体易切削不锈钢，包含：

以重量百分比计0.06％或更低的C、0.05至1.0％的Si、2.0％或更低的Mn、0.050％或更低的P、0.05至0.50％的S、2.0％或更低的Cu、2.0％或更低的Ni、9.0至25.0％的Cr、4.0％或更低的Mo、0.065至2.0％的Ti、0.0150％或更低的O、0.020％或更低的N、0.001至0.100％的Al，以及铁和在余下部分中的不可避免的杂质，其中：

所述不锈钢满足以下方程式中的方程式(1)和(2)，

[Ti]≥1.3×[S]……方程式(1)

[Mn]/[Ti]≤3……方程式(2)

(WTi+WCr)＞2×WMn……方程式(3)

其中所述不锈钢中含有的Ti的量以[Ti]表示，S的量以[S]表示，且Mn的量以[Mn]表示，且其中

所述不锈钢满足方程式(3)，其中在钢组织结构中所生成的硫化物中所含有的Ti的量以WTi表示，Cr的量以WCr表示，且Mn的量以WMn表示。

通常，S易于与钢材料中的成分Mn形成硫化物。然而，如上所述，锰基硫化物成为一个降低合金的抗腐蚀性和抗释气性的因素。则根据本发明，通过在钢的组织结构中加入Ti以生成钛基硫化物如TiS而不是锰基硫化物，抗腐蚀性和抗释气性得以改善。此外，由于钛基硫化物呈球体形式并很细致地分散，故本发明的铁素体易切削不锈钢具有优异的可切削性，并且在精密机加工中具有优异的杂质掉落性能(inclusion fallingproperty)，尤其是表面粗糙度。而且，当硫化物含有Cr时可以取得同样的效果。这里使用的“A”基硫化物指的是其中在与硫结合的成分中以最高重量比被包含在硫化物中的成分(元素)是“A”的硫化物。也就是说，在钛基硫化物中，与其它元素(如Mn)相比，有更多的Ti与S结合。

以下将说明对本发明的权利要求书的限定理由。

C(碳)：0.06％或更低

当C的含量过多时，C通过形成许多单质形式的碳化物而阻碍可切削性的改善。因此，上限是0.06％且优选范围是0.03％或更低。更优选的范围是0.015％或更低。

Si(硅)：0.05至1.0％

Si作为钢的脱氧剂加入。为了获得脱氧剂的效果，需要0.05％或更多的Si。然而，当Si的含量过多时，钢的热加工性降低。因此，上限是1.0％。强调热加工性的优选范围是0.05至0.5％。

Mn(锰)：2.0％或更低

Mn作为钢的脱氧剂加入，此外，因为其产生锰基硫化物(MnS)而具有改善可切削性的作用。然而，由于锰基硫化物(MnS)降低抗腐蚀性，故含量上限是2.0％。当特别强调抗腐蚀性时，含量范围是1.0％或更低。更优选的是0.5％或更低。

P(磷)：0.050％或更低

由于P除了通过在颗粒边界偏析而增加颗粒间的腐蚀敏感性之外，还引起刚性降低，所以希望其含量尽可能地低。P的含量范围理想地为0.050％或更低。优选的是0.030％或更低。

S(硫)：0.05至0.50％

S是硫化物的组成元素，可改善可切削性，为获得此效果需要有0.05％的S。然而，当S的含量过多时，热加工性降低，故上限是0.50％。考虑到可切削性的改善和热加工性的降低之间的平衡，S的含量范围理想地为0.15至0.40％。

Cu(铜)：2.0％或更低

因为Cu可有效改善抗腐蚀性，尤其是在还原性酸性环境中的抗腐蚀性，故Cu可在需要时加入。然而，由于过量加入Cu会降低热加工性，故上限是2.0％，理想地为1.0％或更低。

Ni(镍)：2.0％或更低

Ni是为了补充仅含Cr时抗腐蚀性的不足所必需的元素。然而，由于过量加入Ni引起成本增加，故上限是2.0％。此外，考虑到有效的抗腐蚀性和综合成本之间的平衡，Ni的含量理想地为1.0％或更低。

Cr(铬)：9.0至25.0％

Cr是改善抗腐蚀性的元素，为了获得此效果，应含有9.0％或更多的Cr。另一方面，当Cr的含量过多时，除增加成本外还降低热加工性，故上限是25.0％。此外，考虑到有效的抗腐蚀性和综合成本之间的平衡，Cr的含量范围理想地为13.0至21.0％。

Mo(钼)：4.0％或更低

Mo可进一步改善抗腐蚀性和强度。然而，由于过量加入Mo降低热加工性，除此之外还引起成本增加，故上限是4.0％。考虑到成本的增加，Mo的含量范围理想地为1.5％或更低。

Ti(钛)：0.065至2.0％

Ti是生成改善可切削性的钛基硫化物必需的元素，为了获得此效果必须含有0.065％或更多的Ti。另一方面，由于Ti含量过多时成本增加，故Ti含量的上限是2.0％。此外，为了获得更有效的可切削性，Ti的含量范围理想地为0.075至2.0％。

O(氧)：0.0150％或更低

O含量的上限是0.0150％，这是因为O与可有效改善可切削性的化合物的组成元素Ti结合并形成不利于改善可切削性的氧化物。O的含量范围理想地为0.0080％或更低，而且考虑到制造成本并且为了确保形成钛基硫化物所必需的Ti的有效量，更理想的O含量为0.0050％。

N(氮)：0.020％或更低

N的含量上限是0.020％，这是因为N与可有效改善可切削性的化合物的组成元素Ti结合并形成不利于改善可切削性的氮化物。N的含量范围理想地为0.010％或更低，考虑到制造成本并且为了确保形成钛基硫化物所必需的Ti的有效量，更理想的N含量为0.006％或更低。

Al(铝)：0.001至0.100％

Al作为钢的脱氧剂加入。然而，Al含量的上限是0.100％，这是因为当Al含量过多时形成对可切削性不利的氧化物。Al的含量范围理想地为0.050％或更低。

[Ti]≥1.3×[s]……方程式(1)

Ti的含量是S含量的1.3倍或更高，以便抑制降低抗腐蚀性和抗释气性的锰基硫化物(MnS)的生成并将钢组织结构中所有的S固定于Ti上。更理想地是，[Ti]≥1.5×[S]，即Ti的含量可以是S含量的1.5倍或更高。[]表示钢中所含成分的量。

[Mn]/[Ti]≤3……方程式(2)

Mn的含量是Ti含量的3倍或更低，以便抑制降低抗腐蚀性和抗释气性的锰基硫化物(MnS)的生成，并且(以便降低硫化物中Mn的含量并提高Ti的含量)而导致生成钛基硫化物。

(WTi+WCr)＞2×WMn……方程式(3)

为了使钢具有优异的抗腐蚀性和抗释气性，优选在硫化物中Ti的含量和Cr的含量的和超过Mn含量的两倍。这里，“W”表示其后的成分在硫化物中的量。

在本发明的铁素体易切削不锈钢中，除上述成分外，所述不锈钢还可含有以重量百分比计的任何一种或多种选自以下的成分：0.01至0.30％的Pb、0.01至0.30％的Se、0.10％或更低的Te和0.01至0.30％的Bi。

由于Pb(铅)、Se(硒)、Te(碲)和Bi(铋)可进一步改善可切削性，故可在需要时加入。然而，由于其过量加入会降低热加工性，故其每一种的加入量的上限分别为：0.3％的Pb、0.30％的Se、0.10％的Te和0.30％的Bi。为了充分获得改善可切削性的效果，理想的是分别加入0.01％或更多的以上每种成分。

在本发明的铁素体易切削不锈钢中，除上述成分外，所述不锈钢还可含有以重量百分比计的任何一种或多种选自以下的成分：0.05％或更低的Ca、0.02％或更低的Mg、0.02％或更低的B、0.02％或更低的REM、0.50％或更低的V、0.50％或更低的Nb、2.0％或更低的W和0.50％或更低的Ta。

由于Ca(钙)、Mg(镁)、B(硼)和REM(一种或多种稀土元素)可以改善钢的热加工性，故它们可以在需要时加入。然而，由于其过量加入使效果饱和并相反地会降低热加工性，故所要加入量的上限是0.05％的Ca、0.02％的Mg、0.02％的B和0.02％的REM。

由于W(钨)可以改善钢的抗腐蚀性和强度，故可在需要时加入。然而，由于其过量加入会降低热加工性并引起成本增加，故所要加入量的上限为2.0％。

由于Nb(铌)、V(钒)和Ta(钽)具有通过形成碳氮化物和使钢中的晶粒非常细而改善粗糙度的效果，故其中每一种可分别在0.50％或更低的范围内加入。

具体实施方式

为了验证本发明的效果，进行了以下的实验。

首先，通过将具有表1中所示组成成分的每种类型的钢的50kg锭料在高频感应电炉中熔化制备后，通过冷却所熔化的钢制成钢锭。然后，将每个钢锭加热至1050至1100℃，通过热锻形成长度为20mm的圆棒。再将这些圆棒在800℃加热一小时后，将其在空气中冷却(退火)并用于各实验。各实验的结果示于表1。

wt％                           表1

(1)可切削性的评价

通过评价切削后工件外部直径的偏差、表面粗糙度和切屑形状而对可切削性进行评价。

使用硬质合金刀具在不溶性油中在下列条件下进行切削：100mm/min的切削速度、0.10mm的切削深度和0.01mm/rev的每转进给量。对50个样本实施切削，测量试样的外部直径和切削后工具的磨损。

外部直径的偏差是相对于初始工件(initial work)外部直径的变化。将判定改变的标准确定为：横向后角(lateral relief)的磨损小于50μm的情形为“小”，等于或大于50μm和等于或小于100μm的情形为“中”，以及超过100μm的情形为“大”。

表面粗糙度是用JIS-B0601所指定的方法测量切削后的工件表面的算术平均值(Ra：μm)。

此外，切屑的形状可以目测，并且大约10mm或更小尺寸的、具有良好碎裂性能的切屑被评价并表示为“好”，而其它没有彼此分离的切屑被评价并表示为“差”。

(2)抗腐蚀性

抗腐蚀性评价试验以湿式试验(wet-type test)的形式进行。使用具有圆柱形状、直径为10mm且高度为50mm的工件作为试样，并将它们的表面用400目的砂纸抛光并且清洗以去油。此后，将这些工件在50℃的温度和98％的相对湿度的高温和高湿度环境中存放98小时。然后，通过目测其外表来评价工件是否生锈。

(3)抗释气性

抗释气性的评价通过确定所产生硫的量而进行。更具体而言，所使用的试样是矩形平行六面体，尺寸为高15mm、宽3mm且深25mn，其全部表面已用400目的砂纸抛光。然后，将所述试样、一张银箔(尺寸：高0.1mm、宽5mm且深10mm；且纯度为99.9％或更高)和0.5cc的纯水置于一个容积为250cc的密封容器中。然后，将容器内的温度保持在85℃下20小时。当含硫气体产生时，该银箔作为吸气剂，并且当该银箔所吸收的硫成分过量时，银箔的表面因为硫化银的生成而变黑。然后，通过目测来检查银箔表面颜色的变化，并且将抗释气性评价为3级，其中颜色没有任何变化的评价为“A”，颜色略微变化的评价为“B”，颜色明显变化的评价为“C”。那些获得A或B的评价结果的被认为抗释气性优异。

根据表1所列的试验结果，可以看出，根据本发明的任何类型的钢均具有良好的可切削性和表面粗糙度，并且具有优异的抗腐蚀性和抗释气性。

下面，对于本发明的一些钢型和对比的钢型，利用电子探针显微分析法(EPMA)对钢组织结构中产生的硫化物进行组成分析。分析结果示于表2。根据表2，可以看出，本发明的钢的硫化物的组成满足方程式(3)并且硫化物含有高比例的Ti。相比之下，对于钢的组成不满足方程式(1)和(2)的4号对比钢和钢的组成不满足方程式(1)的7号对比钢，其硫化物中所含的Ti和Mn的量几乎相同，并且硫化物的组成不满足方程式(3)。具有这种硫化物的对比钢4号和7号抗腐蚀性和抗释气性差，这从表1中也可以明显看出。

[Ti]≥1.3×[S]……方程式(1)

[Mn]/[Ti]≤3……方程式(2)

(WTi+WCr)＞2×WMn……方程式(3)

                       表2

本发明的钢	硫化物组成(wt％)			(Ti+Cr)/Mn
					Ti	Cr	Mn
	No.1	58.9	0.7					0.4	149.0
No.4				48.5	1.5	10.5	4.8
	No.8	56.5	0.8					2.8	20.5
No.17				48.3	1.2	8.1	6.1
	No.19	51.9	0.3					8.1	6.4
No.27				42.8	8.2	9.6	5.3
	No.28	42.6	1.1					17.0	2.6
对比钢				硫化物组成(wt％)			(Ti+Cr)/Mn
	Ti	Cr	Mn
				No.4	33.3	1.2		26.8	1.3
No.14	38.4	0.8	22.3				1.8

Claims (3)

1.一种具有优异的表面粗糙度和抗释气性的铁素体易切削不锈钢，包含：

以重量百分比计的0.06％或更低的C、0.05至1.0％的Si、2.0％或更低的Mn、0.050％或更低的P、0.05至0.50％的S、2.0％或更低的Cu、2.0％或更低的Ni、9.0至25.0％的Cr、4.0％或更低的Mo、0.065至2.0％的Ti、0.0150％或更低的O、0.020％或更低的N、0.001至0.100％的Al，以及Fe和在剩余部分中不可避免的杂质，其中：

所述钢满足以下方程式中的方程式(1)和(2)，

[Ti]≥1.3×[S]......方程式(1)

[Mn]/[Ti]≤3......方程式(2)

(WTi+WCr)＞2×WMn......方程式(3)

其中所述钢中含有的Ti的量以[Ti]表示，S的量以[S]表示，且Mn的量以[Mn]表示，并且

所述钢满足方程式(3)，其中在所述钢的组织结构中所生成的硫化物中所含有的Ti的量以WTi表示，Cr的量以WCr表示，且Mn的量以WMn表示。

2.一种具有优异的表面粗糙度和抗释气性的铁素体易切削不锈钢，其中：

除了权利要求1中所述的成分外，所述钢含有以重量百分比计的任何一种或多种选自以下的成分：0.01至0.30％的Pb、0.01至0.30％的Se、0.10％或更低的Te，以及0.01至0.30％或更低的Bi。

3.一种具有优异的表面粗糙度和抗释气性的铁素体易切削不锈钢，其中：

除了权利要求1或2中所述的成分外，所述钢含有以重量百分比计的任何一种或多种选自以下的成分：0.05％或更低的Ca、0.02％或更低的Mg、0.02％或更低的B、0.02％或更低的REM、0.50％或更低的V、0.50％或更低的Nb、2.0％或更低的W，以及0.50％或更低的Ta。