CN1718828A - 低碳高硫磷易切削钢 - Google Patents

Abstract

低碳高硫磷易切削钢，其特征在于钢的化学元素成分(重量％)是：C＝0.03－0.20％、Si＝0.01～0.50％、Mn＝0.60～2.00％、P＝0.04～0.15％、S＝0.08～0.50％、N＝0.0010～0.0200％，Ca＝0.0001～0.0100％、Mg＝0.0001～0.010％、Al＝0.001～0.010％、O＝0.0030～0.0150％，其余为Fe；且[Mn]/[C]＝10～50、[Mn]/[Si]≥20(改善连铸过程和热轧过程的热塑性)，[Si]/[S]≤0.3(获得优良加工性能相匹配的材料的硫化物分布)。本发明工业化(电炉冶炼；钢液连铸；连轧机热加工轧制)生产的Φ5－30mm线材和棒材成品，硫化物尺寸、分布是：直径≥1.69μm的硫化物数量＞1000个/mm²；其中直径≥5.08μm的硫化物数量占40％以上，面积≥40μm²的硫化物数量占35％以上。经用户使用，切削性能和机械性能优良，数控机床加工零部件时，数控机床主轴转速可达到5000r/min，达到铅系易切削钢水平，满足了机械制造商的要求，经济效益显著。

Description

低碳高硫磷易切削钢

技术领域

本发明涉及冶金行业易切削结构钢的成分设计，尤其是指硫系易切削结构钢。

背景技术

结构钢是常见的钢铁品种，近年来，随着机械、设备制造工业的迅速发展(机械加工自动化程度的提高、数控机床的广泛应用)，结构钢材料的易切削化(降低零部件的机加工成本、提高生产效率)成为钢铁使用商的追求(切削加工的费用占零件总成本的50％左右，而应用零部件的家电、办公装备、汽车、IT等行业价格竞争日趋激烈，易切削钢的用量在钢铁需求总量中的比例逐年上升。如在日本，零件在自动化生产线上的切削加工时间，每缩短1秒，即可节省1日元。)，为满足机械、设备制造工业的金属材料易切削化(金属材料的切削性能是一个综合指标，通常是指材料在被切削加工中的生产率、刀具耐用度、切削力、切屑形状及切削加工之后零件表面粗糙度等。金属材料的力学性能、物理性能、化学成分及金相组织等直接影响着材料的切削性能。)要求，以结构钢为基础的易切削钢品种也日趋增加。

按照易切削相分类，易切削钢主要可分为硫系易切削钢、铅系易切削钢。50余年历史的铅系易切削钢(铅在钢中以球状形态存在，铅颗粒分布均匀，减少了化学成分偏析，对钢材的力学性能影响不大。由于铅的熔点很低，铅在切削过程中熔解而润滑刀具，能提高切削效率，降低刀具磨损)具备独一无二的切削性能并兼备一定的机械性能，因而广泛应用于机械加工行业(目前国内采用数控机床加工零部件，当机床主轴转速大于4000r/min时，其材料基本上采用铅系易切削钢)；然而，铅是重金属，对人体健康有致命的影响(使用铅系易切削钢生产的零部件，组装在电脑、打印机等办公自动化装备，汽车零配件、空调、电视等家电设备，由于这些设备有一定的工作温度，且与人们的生产生活息息相关，因此，不可避免地对人体健康造成危害。)，且污染环境(铅的熔点很低，在高温下容易挥发，因此在冶炼和加工过程中，会不可避免地污染大气环境)。在此背景下，硫系易切削钢受到了钢铁制造商(钢铁厂)、机械、设备制造工业商(钢铁用户单位)的欢迎，其使用量也不断增加，应用范围不断扩大。

硫系易切削钢(一般来说：S含量≥0.04％、P含量≥0.04％，称之为硫磷易切削钢；S含量≥0.08％、P含量≥0.04％，称之为高硫磷易切削钢；S含量≥0.08％，称之为高硫易切削钢；C含量≤0.20％，称之为低碳易切削钢)诞生于第一次世界大战，其特点是在结构钢中添加适量S、P含量(一般来说，钢中的S元素，使之产生硫化物夹杂，降低钢的塑性和横向性能；钢中的P元素，提高固溶体强度，从而脆化铁素体；但是，适量的S、P含量，通过控制硫化物形态、S、P的均匀分布，对钢的机械性能影响并不大)，目的在于大幅度提高钢材的机加工切削性能(为机械制造业朝着高速化、精密化及自动化方向的发展提供了材料基础)。硫系易切削钢的优点是：没有铅污染，属于环保型的易切削钢；缺点是：易切削性能低于铅系易切削钢。

目前，国内外科研机构和钢铁制造商在硫系易切削钢的基础研究方面投入了前所未有的热情，以期在硫系基础上开发新型复合易切削钢，使之具备材料上绿色环保、制造方法上经济低廉、并兼备优良切削性能和一定机械性能等特征的环保型易切削钢。从国内来看，易切钢研究、生产的发展很慢，纳入国标的易切削钢钢种很少，切削性能与进口材料相比存在着较大的差距，目前的研究与应用主要涉及材料的设计方面(一方面，材料的基本成分影响了钢的热加工性，而热加工性直接决定了该材料能否采用工业化的连铸连轧生产模式；另一方面，材料的基本成分也决定了钢中易切削相—硫化物的组成、形态和分布，而硫化物的组成、形态和分布又直径决定了材料的切削性能。因此，材料的成分设计，不仅关系到理论上的切削性能，也关系到冶炼、加工工艺的工业化难易程度。而材料的最终性能取决于成分设计、冶炼工艺、加工工艺)，达到铅系易切削结构钢切削性能的硫系易切削钢，工业化生产尚未形成(国内对易切削钢的冶炼方法、夹杂物控制、热加工塑性和轧制工艺的研究很少，易切削钢的关键技术不成熟，如生产效率高、交货期短、生产成本低的低碳高硫磷易切削钢的连铸及连铸连轧尚是禁区)，造成了该材料基本依耐于进口的局面(进口材料基本上是SUM24L、12L14等铅系易切削钢)。从国外来看，一些切削性能较良好的硫系易切削钢已纳入标准，如美国牌号的1211钢(C≤0.13％，Mn＝0.60～0.90％，P＝0.07～0.12％，S＝0.10～0.15％)、1213钢(C≤0.13％，Mn＝0.70～1.00％，P＝0.07～0.12％，S＝0.24～0.33％)，最新的研究进展也发表了不少专利(如日本住友公司在中国申请的专利：一种低碳硫易切削钢，申请号03103453.5)，但是，这些纳入生产标准或发表的专利均存在以下几个方面的问题：一是高硫磷钢的热脆性难以控制，导致生产困难；二是绝大部分发表的专利采用的是实验室手段，如中频炉或小电炉冶炼、浇注钢锭、锻制棒材的工艺生产出来的，这样的工艺无法模拟连铸和连轧工艺，因而其研究成果难以转化到工业化生产中；三是其切削性能稳定性较差，要真正替代铅系易切削钢(切削性能良好的铅系易切削钢，零部件加工时，数控机床主轴转速可达到4000r/min，以φ20mm的易切削钢棒材为例，棒材表面的线速度可达到251.327m/min)，尚不具备工业化生产的能力。

发明内容

本发明开发一种低碳高硫磷易切削钢，适用于冶炼工艺、加工工艺的工业化(连铸连轧)生产，该易切削钢在具备一定机械性能(符合标准要求)的同时，兼备低碳铅系易切削钢(例如12L14铅系易切削钢)相当的切削加工性能(零部件加工时，易切削钢棒材表面的线速度可达到300m/min)，满足了市场的需要。

本发明开发的低碳高硫磷易切削钢，其特征在于钢的化学元素成分(重量％)是：C＝0.03-0.20％、Si＝0.01～0.50％、Mn＝0.60～2.00％、P＝0.04～0.15％、S＝0.08～0.50％、N＝0.0010～0.0200％，Ca＝0.0001～0.0100％、Mg＝0.0001～0.010％、Al＝0.001～0.010％、O＝0.0030～0.0150％，其余为Fe；且[Mn]/[C]＝10～50、[Mn]/[Si]≥20(改善连铸过程和热轧过程的热塑性)，[Si]/[S]≤0.3(获得优良加工性能相匹配的材料的硫化物分布)。

上述钢的最佳化学元素成分(重量％)是：C＝0.03～0.20％、Si＝0.01～0.10％、Mn＝0.60～1.80％、P＝0.04～0.15％、S＝0.08～0.50％、N＝0.0010～0.0200％，Ca＝0.0001～0.0100％、Mg＝0.0001～0.010％、Al＝0.001～0.005％、O＝0.0030～0.0150％，其余为Fe；且[Mn]/[C]＝10～50、[Mn]/[Si]≥20，[Si]/[S]≤0.3。

上述低碳高硫磷易切削钢中，硫化物尺寸、分布：直径≥1.69μm的硫化物数量(N0)＞1000个/mm²，其中直径≥5.08μm的硫化物数量(N1)占40％以上，也就是(N1*100/N0)＞40％，面积≥40μm²的硫化物数量(N2)占35％以上，也就是(N2*100/N0)＞35％(Ca＝0.0001～0.0100％、Mg＝0.0001～0.010％、Al＝0.001～0.010％、O＝0.0030～0.0150％，且[Si]/[S]≤0.3的条件下，硫化物尺寸、分布可以达到满意的效果，成品易切削钢能获得相匹配的优良加工性能)。

上述低碳高硫磷易切削钢，选用Nb＝0.005～0.020％，Ti＝0.01～0.05％，B＝0.0003～0.0080％三种元素中的至少一种；同时，选用Cr＝0.02～0.50％，Ni＝0.02～0.50％，Cu＝0.02～0.50，Sn＝0.01～0.20％，As＝0.01～0.20％，Sb＝0.005～0.05％中的至少一种。

上述低碳高硫磷易切削钢的主要原料为废钢(适应循环经济的需要)时，需控制废钢原料Cr、Ni、Cu、Sn、As、Sb合金元素：Cr＝0.02～0.50％，Ni＝0.02～0.50％，Cu＝0.02～0.50％，Sn＝0.01～0.20％，As＝0.01～0.20％，Sb＝0.005～0.05％。

上述材料每种元素的作用如下：

C：碳是保证易切削钢具有一定硬度和强度的重要元素之一。C＝0.03％～0.20％对切削性能有利。由于C含量多少是影响钢的硬度的一个关键的元素，而钢的硬度对钢的切削性能的影响成正态分布，在钢的硬度达到HB＝180时，其切削性能达到峰值，原因是，钢中碳含量过高，以铁素体为基的珠光体数量增加，会导致钢的硬度和强度升高，使钢的切削性能下降。若钢中碳含量低于0.03％，则基体中铁素体组成数量增加，钢的强度、硬度下降，由于钢太软太韧，使切削性能下降，并影响切削加工时零件的尺寸精度。

Si：硅用于控制低碳易切削钢的脱氧程度，是影响钢中硫化物夹杂变形和切削性能的关键元素，同时也是恶化切削性能的元素之一。硅在钢中形成硅酸盐，会导致刀具磨损，硅高会促使磷从基体中析出，在晶界易形成磷化物薄膜，恶化钢的热加工性能。优选地硅控制在0.10％以下。

Mn：锰是一种改善钢的淬透性和提高强度的元素，锰与硫结合形成的MnS是钢中一种最重要的易切削相，能改善切削性能。为保证钢中生成的硫化物主要以MnS的形式存在；同时为了保证高温和常温下的加工性能和必要的力学性能，钢中必须含有0.60～2.00％的锰。锰含量过高会增加强度和韧度，降低切削性能，锰含量过低，则MnS生成量少，不利于改善切削性能。

P：磷是易切削元素。磷溶解在铁素体中，能提高铁素体硬度，起到改善冷加工后成品的表面光洁度和切削加工时良好的断屑作用，因此要求控制磷含量在0.04％～0.15％；如P大于0.15％，热加工性恶化。

S：硫是主要易切削元素之一，硫对改善易切削钢的切削性能具有及其显著的作用，随着钢中硫含量的增加，钢的切削性能指数明显提高。硫以硫化锰(MnS)的形式分布在钢中，由于MnS夹杂物割断了基体的连续性而使切屑易断，又由于MnS的润滑作用而降低了刀具的磨损，从而改善了钢材的切削加工性能，因此要求S在0.08％以上。由于MnS在热轧过程中沿轧制方向伸长，加剧了钢材各向异性，降低了硫易切削钢的横向力学性能，而且钢中硫含量超过一定的数值后，热加工困难，钢材表面磨修量增加，成材率下降，因此硫含量控制在0.50％以下。

N：氮能与铝、钛、钒、硼、铌等元素结合，在铁素体晶界处生成氮化物和碳氮化物，有利于细化晶粒，改善钢的强度，在凝固过程中这些夹杂物作为硫化物的析出核心，有利于硫化物的均匀分布，从而改善切削性能。当氮含量超过0.020％时，容易生成大颗粒的夹杂物，影响刀具寿命。

Ca：钙作为夹杂物变性剂加入钢中，与易切削钢中的硅、铝等复合氧化，形成CaO.Al₂O₃.2SiO₂(钙斜长石)复合氧化物。当切削温度升高时，该复合氧化物会在刀具切削刃面上软化和堆积，形成积屑瘤，从而妨碍切屑与刀具直接接触，抑制了刀具的磨损。钙常用作为炼钢的脱氧剂，在钢凝固过程中，其氧化产物作为硫化物形核核心，可以促进硫化物的析出及硫化物的均匀分布，钙还起到改变硫化物形态的作用。当钙低于0.0001％时，以上作用不充分；由于钢中钙溶解度最大0.01％，因此钙含量不大于0.01％。

Mg：镁是比钙更活跃的金属元素，常用作炼钢脱氧剂、脱硫剂。在钢液凝固过程中，镁的脱氧产物作为硫化物的形核核心，可以促进硫化物的均匀分布；镁还起到改善硫化物形态的作用。

Al：铝可以用于控制低碳易切削钢的脱氧，但是铝与氧结合形成高熔点、高硬度的氧化铝，会加剧对刀具的磨损，更优选地将铝控制在0.005％以下。

O：易切钢中适当的氧含量对改善钢中硫化物形态有利，故易切钢在脱氧方式的选择上一般采用不完全脱氧方式，以保证钢中适当的氧含量。氧与硅、铝、钙、镁、铌、钛、硼等脱氧元素结合形成的脱氧产物，在凝固过程中作为硫化物的析出核心，有利于硫化物的均匀分布，从而改善切削性能。当氧含量低于0.003％时，以上作用不充分，当氧含量大于0.015％时，会造成钢的连铸困难，表面质量恶化，并影响钢的热加工性能。

Nb：可以不添加铌，若添加铌，则铌的氧化物、氮化物、碳氮化物可以细化晶粒，改善钢的机械性能，在凝固过程中还可作为硫化物的析出核心，改善硫化物的形态和促进其均匀分布。当铌含量大于0.020％时，会恶化钢的热加工性，且大颗粒的铌的氮化物会恶化钢材的切削性能，导致刀具寿命下降。

Ti：可以不添加钛，若添加钛，则钛的氧化物、氮化物、碳氮化物可以细化晶粒，改善钢的机械性能，在凝固过程中还可作为硫化物的析出核心，改善硫化物的形态和促进其均匀分布。当钛含量大于0.05％时，会形成大颗粒、高熔点的钛氮化物，恶化切削性能。

B：可以不添硼，若添加硼，硼容易与O、C、N等元素结合形成各类夹杂物，并在高温下析出，促进硫化物的均匀分布。硼的夹杂物在晶界沉淀，起到细化晶粒的作用。因此硼能提高钢的强度和淬透性。当硼含量高于0.010％时，容易生成大颗粒的高熔点夹杂物，影响刀具寿命，并恶化材料的切削性能。

Cr：可以不添加Cr，若添加Cr，能提高钢的硬度和淬透性，改善易切削钢的机械性能。当Cr含量高于0.50％时，钢的硬度增加过多，不利于改善切削性能。对于以废钢为主要原料的钢厂，熔炼钢水即使不添加Cr，也能满足Cr的成分要求。

Ni：可以不添加Ni，若添加Ni，能提高钢的硬度和淬透性，改善易切削钢的机械性能。当Ni含量高于0.50％时，钢的硬度增加过多，不利于改善切削性能。对于以废钢为主要原料的钢厂，熔炼钢水即使不添加Ni，也能满足Ni的成分要求。

Cu：可以不添加铜，若添加0.50％以下的铜，使钢获得合适的硬度，当Cu大于0.50％时，钢的热加工性能恶化。对于以废钢为主要原料的钢厂，熔炼钢水即使不添加铜，也能满足铜的成分要求。

Sn：可以不添加Sn，若添加Sn，Sn与铁素体固溶，并脆化铁素体组织，从而改善切削性能。当Sn含量高于0.20％时，钢的热加工性能恶化。对于以废钢为主要原料的钢厂，熔炼钢水即使不添加Sn，也能满足Sn的成分要求。

As：可以不添加As，若添加As，As与铁素体固溶，并脆化铁素体组织，从而改善切削性能。当As含量高于0.20％时，钢的热加工性能恶化。对于以废钢为主要原料的钢厂，熔炼钢水即使不添加As，也能满足As的成分要求。

Sb：可以不添加Sb，若添加Sb，Sb与铁素体固溶，并脆化铁素体组织，从而改善切削性能。当Sb含量高于0.05％时，钢的热加工性能恶化。对于以废钢为主要原料的钢厂，熔炼钢水即使不添加Sb，也能满足Sb的成分要求。

在实施以上成分控制的同时，需对以下元素重量百分含量的比例实施进一步的控制：

[Mn]/[C]＝10～50：本发明的宗旨在于实现低碳硫系易切削钢的连铸连轧的工业化生产，将锰碳比控制在此范围内，材料的热加工性最好。其机理是：钢液在凝固过程中，碳含量对凝固前沿枝晶间的微观偏析产生重要影响，当钢中碳含量在0.10～0.20％时，钢液的凝固由单一的δ相凝固转变为δ→γ凝固，P、S在γ相中的分配系数减少了一半以上，因而P、S的偏析显著增加；降低钢中碳含量，有利于抑制P、S的偏析，而提高锰含量，有利于进一步抑制S的偏析；因此，提高锰碳比，能降低钢的内裂纹敏感性。实验数据表明(图2)：当锰碳比小于10时，连铸坯内裂纹指数急剧上升，钢的热加工性恶化；当锰碳比在10～50时，连铸坯内裂纹指数显著降低，钢的热加工性优良，可以获得92％以上的成材率；当锰碳比大于50时，钢中铁素体含量增加，硬度降低，切削性能恶化。

[Mn]/[Si]≥20：将锰硅比控制在此范围内，钢的热加工性最好。其机理是：凝固过程中I型硫化物(硫化物的类型可分为I型、II型、III型，控制脱氧程度将决定硫化物的类型；I型硫化物的生成条件是：钢的脱氧程度很差，钢中氧/硫很高。硫在钢液中的溶解度随钢液成分不同而变化。钢液中氧含量少时硫的溶解度高，脱氧程度差时钢液中氧含量高，钢液溶解硫的能力比较小，硫在较高的温度下就开始达到饱和，并开始析出液态硫化物；而且多半是氧化物和硫化物在凝固过程中同时析出，形成球形复合夹杂物，无规则的分布在钢中。)往往与氧化物复合于高温析出，由于易切削钢不用铝脱氧，则在一定的碳含量水平下，降低Si含量，等于提高了钢中氧含量，可以促进I型硫化物的生成，提高锰含量，可进一步促进硫化锰的生成，抑制低熔点铁硫共晶体的生成，改善了连铸过程中的热脆性，抑制了连铸坯晶界处裂纹的生成和扩展，改善了钢的热加工性。具体实施证据见图3。

[Si]/[S]≤0.30：将硅硫比控制在此范围内，钢的切削性能最好，其机理是：降低钢中硅含量，等于提高了钢中氧含量，有利于I型硫化物的生成，而提高硫含量，有利于形成更多的硫化物，从而改善切削性能。在控制低的硅含量的同时，向钢液添加Ca、Mg、Nb、B、Ti等强脱氧元素，形成弥散分布的脱氧产物，该脱氧产物作为硫化物的形核核心，促进了硫化物的均匀分布，高熔点的脱氧夹杂物作为硫化物核心，在热加工过程中更不容易变形，因而对硫化物形态有利。因此硅硫比控制了硫化物的分布，当硅硫比≤0.30，同时钢中Ca＝0.0001～0.0100％、Mg＝0.0001～0.010％、Al＝0.001～0.010％、O＝0.0030～0.0150％时，能获得以下特征的硫化物分布：直径≥1.69μm的硫化物数量N0＞1000个/mm²，其中直径≥5.08μm的硫化物数量N1占40％以上，也就是N1*100/N0＞40％，面积≥40μm²的硫化物数量N2占35％以上，也就是N2*100/N0＞35％(具有该特征的硫化物分布的低碳易切削钢具有12L14等低碳铅系易切削钢相当的切削性能，具体实施证据见图6-9)。

和现有技术相比，本发明具有下列优点：

1、易切削钢无需添加Pb、Te等有毒物质，对环境友好；

2、易切削钢无需添加Bi、Zr、Ni等昂贵金属，节约资源，降低了生产成本；

3、用于易切削钢的原料，适应性强，可以循环使用含P、S、Cu、Sn、Sb等各类返回废钢，有利于循环经济的发展；

4、具有低碳铅系易切削钢相当的切削性能，同普通硫系钢比较，机械加工效率高、刀具更耐用、加工的工件尺寸精度和表面光洁度更高；

5、具有良好的热加工性，适合于连铸连轧的工业化生产。

附图说明：

图1是本发明1#材料的连铸坯低倍硫印照片；

图2是[Mn]/[C]对连铸坯裂纹的影响；

图3是[Mn]/[Si]对连铸坯裂纹的影响；

图4是本发明10#材料的横截面晶粒度照片；

图5是Pxioplan2显微镜金相仪观察的本发明4#材料Φ6.5mm线材(纵截面)的硫化物照片；其中：

图5-1是试样中心区域的硫化物照片(X500)

图5-2是试样边沿区域的硫化物照片(X500)

图6是[Si]/[S]与硫化物面积比；

图7是[Ca]含量与硫化物直径；

图8是4#材料的硫化物电镜照片；

图9是图8的能谱分析图

图10是本发明4#材料加工的零件图纸

具体实施方案

某钢铁公司炼钢分厂实施本发明专利，其特征在于环保型低碳高硫磷易切削钢的化学元素成分(重量％)是：C＝0.03～0.20％、Si＝0.01～0.50％、Mn＝0.60～2.00％、P＝0.04～0.15％、S＝0.08～0.50％、Al＝0.001～0.010％、O＝0.0030～0.0150％、N＝0.0010～0.0200％、Ca＝0.0001～0.0100％、Mg＝0.0001～0.010％，其余为Fe；且[Mn]/[C]＝10～50、[Mn]/[Si]≥20(控制连铸过程的热脆性。由图2，连铸坯裂纹指数随[Mn]/[C]的增加而下降；提高锰碳比，能降低钢的内裂纹敏感性。由图3，[Mn]/[Si]＞≥20，连铸坯内裂纹指数明显下降；提高锰含量，可进一步促进硫化锰的生成，抑制低熔点铁硫共晶体的生成，改善了连铸过程中的热脆性，抑制了连铸坯晶界处裂纹的生成和扩展，改善了钢的热加工性。)，[Si]/[S]≤0.3(为了考察材料成分与硫化物特征的关系，依据表3硫化物与表1的化学成分数据，分析了[Si]/[S]和Ca含量与硫化物的关系：图6，当[Si]/[S]小于0.30时，硫化物面积比明显增加；图7，当钢中钙含量增加时，硫化物直径明显增加。获得以下特征的硫化物分布：直径≥1.69μm硫化物数量N0＞1000个/mm²，其中直径≥5.08μm的硫化物数量N1占40％以上，也就是N1*100/N0＞40％，面积≥40μm²的硫化物数量N2占35％以上。)。

工业化(生产实践证实，高硫磷钢的热加工性能非常差，具体表现在连铸过程容易漏钢，连铸坯容易发生严重的角部裂纹、中间裂纹和中心裂纹，热轧过程坯料头部容易开裂，因而轧制风险很大。)连铸连轧生产(冶炼工艺采用宝钢集团上海五钢有限公司发明的低碳高硫(硫磷)易切削结构钢连铸坯的生产方法，专利申请号：200520024205.4；加工工艺采用宝钢集团上海五钢有限公司发明的高硫(硫磷)易切削结构钢的热连轧生产方法，专利申请号：200410084414.3)的环保型低碳高硫磷易切削钢(示例的化学成分见表1，表1中备注栏标注*指其化学成分偏离了本发明范围。)Φ5-30mm线材成品，具体工艺是60吨交流电弧炉→60吨LF精炼炉→160×160方3机3流弧形连铸机→34机架摩根轧机热加工轧制。

连铸坯质量达到了优质碳素结构钢优质坯的标准(见图1，随机抽取1#材料的连铸坯低倍硫印照片)，连铸坯坯料热轧生产(经上千次轧制生产，没有发现坯料在热轧过程中开裂，证实该材料具有优良的热加工性)的Φ5-30mm线材成品性能可靠(对各种规格的线材和盘圆进行了机械性能、硬度、低倍组织的分析，详细数据见表2所示。)、质量稳定(10#材料轧制的Φ10mm线材晶粒度达到9级，硫化物在晶界均匀分布，其晶粒度照片见图4。4#材料轧制的Φ6.5mm线材，从试样中心到边缘区域硫化物分布均匀，硫化物尺寸分布合理，采用Pxioplan2显微镜金相仪观察的硫化物照片见图5；该分布特征的硫化物在随后的切削性能试验中证实具有与低碳铅系易切削钢相当的切削性能。)，线材成品的硫化物检测数据(表3)符合理想要求(为进一步考察硫化物分布的具体数据，对选自表3材料号轧制成为各种规格的线材，检测了硫化物数量、硫化物面积、直径(宽度)、长度，计算了硫化物的长宽比，统计分析了直径≥5.08μm的硫化物数量在总硫化物数量中的百分比，面积≤25μm2和≥40μm2的硫化物数量在总硫化物数量中的百分比，并与低碳铅系易切削钢进行了对比。由数据可见，3#、4#、5#、6#材料与低碳铅系钢具有相似的硫化物分布特征，如硫化物平均直径≥4.91μm，直径≥5.08μm的硫化物数量在总硫化物数量中的百分比都在45％以上，硫化物面积≥40μm2的硫化物数量在总硫化物数量中的百分比都在35％以上；而7#、8#、9#、11#材料不符合如此特征。后续的切削性能试验证实，与铅系易切削钢有相似硫化物特征的材料具有优良的切削加工性能。)。

实施本发明专利生产的Φ5-30mm线材和棒材成品，经用户使用，切削性能和机械性能优良，数控机床加工零部件时，数控机床主轴转速可达到5000r/min，棒材表面的线速度可达到300m/min(见表6。切削性能达到铅系易切削钢的水平)，满足了机械制造商的要求。

材料的切削性能示例1

选自4#材料的热轧线材，在上海青浦欣展公司开展了两种零件的切削性能试验，零件加工图(见图10)所示。

试验工艺：热轧线材(∮6.5)→酸洗碱洗→冷拔(∮6.1)→下料(长度2750mm/支)→数控机床(型号：12BO12-II型，日本TSUGAMI公司产，刀具：钨钢刀，台湾产)→成品零件

零件标准：长度410.5mm，需开孔；径向尺寸公差≤0.04mm，表面光洁度RA＝1.6(用户常规生产状态下使用SUM24L铅系钢的切削速度为4000r/min，进给量为0.03mm/r。)

试验参数：进给量0.03-0.10mm/r，切削速度分别为4000、4500、5000r/min。

试验结果：与SUM24L完全相等的切削速度下，4#材料切削加工生产顺利；切屑断屑性与含铅易切削钢相当；零件尺寸精度、表面光洁度均达到了标准要求，零件的尺寸精度和加工工序能力指数等详细情况(见表5)。零件还进行了钻削、铣削试验，4#材料钻孔性能、铣削性能均达到了铅系钢的水平。

材料的切削性能示例2

选自5#、6#材料的热轧线材，在厦门科隆电气公司开展了多种材料的切削性能对比试验。

试验工艺：热轧盘圆(∮18)→酸洗碱洗→冷拔(∮16)→下料(长度2750mm/支)→数控机床(刀具：陶瓷)→成品零件

零件标准：径向尺寸公差≤0.04mm，表面光洁度RA＝1.6(用户常规生产状态下使用铅系钢(12L14)的切削速度为4000r/min，进给量为0.06mm/r。)

试验参数：进给量0.06mm/r，切削速度为4200-5000r/min

试验结果：在高于12L14的切削速度下，5#、6#材料的切削加工生产顺利；切屑断屑性与含铅易切削钢相当；零件尺寸精度、表面光洁度均达到了标准要求。

                                                              化学成分                                                     表1

材料号	C	Mn	P	S	Si	Cu	Al	O	N	Ca	其他	备注
													1#	0.06	0.96	0.042	0.305	0.02	0.12	0.001	0.0105	0.0135	0.0003	Cr＝0.12
2#	0.08	1.00	0.044	0.296	0.03	0.13	0.003	0.0077	0.0069	0.0005	V＝0.01
													3#	0.09	1.08	0.080	0.305	0.04	0.32	0.002	0.0082	0.0086	0.0012	Nb＝0.005
4#	0.11	1.03	0.066	0.296	0.04	0.18	0.003	0.0058	0.0081	0.0025	Mg＝0.0003
													5#	0.06	0.75	0.055	0.267	0.03	0.16	0.003	0.0065	0.0072	0.0028	As＝0.12
6#	0.08	0.96	0.060	0.310	0.07	0.12	0.003	0.0086	0.0106	0.0018	B＝0.0043
													7#	0.10	0.91	0.093	0.130	0.15	0.17	0.003	0.0028	0.0096	0.0002		**
8#	0.11	0.92	0.074	0.266	0.08	0.15	0.003	0.0053	0.0078	0.0001		*
													9#	0.11	0.98	0.078	0.245	0.07	0.19	0.003	0.0062	0.0075	0.0003
10#	0.10	0.91	0.074	0.242	0.06	0.22	0.003	0.0053	0.0084	0.0003
													11#	0.11	0.97	0.073	0.240	0.16	0.18	0.003	0.0039	0.0079	0.0002		*
12#	0.10	1.09	0.081	0.304	0.04	0.14	0.002	0.0064	0.0084	0.0018	Mg＝0.0002

                               机械性能相关检测数据表(材料状态：热轧)                                                表2

材料号	规格	抗拉强度Mpa	屈服强度Mpa	延伸率％	新面收缩率％	布士硬度	显微组织	晶粒度	一般疏松	中心疏松	锭型偏析
												标准		≥390		≥22	≥36	≤170
5#	∮7	520	370	38	59.5	164	F+P	8	0.5	0	0
												12#	∮10	535	360	35	59	167	F+P	10	0.5	0	0
4#	∮16	490	330	35	62	148	F+P	9	0.5	0	0
												8#	∮6.5	495	405	36.5	62.5	138	F+P	9	0.5	0	0
6#	∮20	510	405	40	61	138	F+P	9	0.5	0.5	0

                              硫化物尺寸、分布                                                          表3

材料号	数量个/mm2	面积比％	平均直径μm	平均面积μm2	长宽比	直径＞5.08μm％	面积＜25μm2％	面积＞40μm2％
									3#	1247	5.8	5.01	47.08	3.04	52	26	39
4#	1102	4.51	4.91	40.21	2.71	54	27	36
									5#	1199	6.44	5.19	55.81	3.35	49	24	41
6#	1158	5.22	4.93	44.18	2.96	52	23	40
									7#	699	3.2	4.38	45.36	3.14	42	40	34
8#	966	4.21	4.26	44.33	3.12	35	44	31
									9#	1047	3.52	4.37	33.15	2.41	39	54	22
11#	1010	4.09	4.12	40.66	3.17	30	45	32
									低碳铅系钢	1021	5.89	4.91	59.71	4.06	45	21	48

                          4#材料加工的零件尺寸及其工序能力指数                                               表5

测试号	均值	USL	LSL	允许公差	材料	平均值	实际公差	标准偏差	Cp	Cpk
											A	5.00	4.975	4.945	0.03	SUM24L	4.9617	0.015	0.0049	1.03	0.912
4#	4.9608	0.011	0.0022	2.262	2.1442
						B	0.70	0.78	0.73	0.05						SUM24L	0.7528	0.02	0.0068	1.2198	1.1131
4#	0.7569	0.03	0.0064	1.2931	1.1961
											C	10.80	10.9	10.7	0.2	SUM24L	10.8197	0.04	0.0093	3.5738	2.8072
4#	10.8175	0.04	0.0076	4.3744	3.6089
						D	33.10	33.17	33.03	0.14						SUM24L	33.1009	0.02	0.0073	3.1773	3.1347
4#	33.1053	0.03	0.0088	2.6536	2.4522
											E	410.50	410.65	410.55	0.1	SUM24L	410.5847	0.02	0.0057	2.9391	2.039
4#	410.5913	0.03	0.0075	2.2183	1.8301

                  5#、6#材料的切削性能对比试验参数                    表6

材料号	转速r/min	材料直径，mm	棒材表面的线速度m/min	效果
					对比材12L14	4200	20	251	常规
5#	4500	18	254	切削性能好、断屑性好
					6#	5000	20	315	切削性能好、断屑性好

Claims (5)

1、低碳高硫磷易切削钢，其特征在于钢的化学元素成分(重量％)是：C＝0.03～0.20％、Si＝0.01～0.50％、Mn＝0.60～2.00％、P＝0.04～0.15％、S＝0.08～0.50％、N＝0.0010～0.0200％，Ca＝0.0001～0.0100％、Mg＝0.0001～0.010％、Al＝0.001～0.010％、O＝0.0030～0.0150％，其余为Fe；且[Mn]/[C]＝10～50、[Mn]/[Si]≥20，[Si]/[S]≤0.3。

2、根据权利要求1所述的低碳高硫磷易切削钢，其特征在于钢的化学元素成分(重量％)控制范围是：C＝0.03～0.20％、Si＝0.01～0.10％、Mn＝0.60～1.80％、P＝0.04～0.15％、S＝0.08～0.50％、N＝0.0010～0.0200％，Ca＝0.0001～0.0100％、Mg＝0.0001～0.010％、Al＝0.001～0.005％、O＝0.0030～0.0150％，其余为Fe；且[Mn]/[C]＝10～50、[Mn]/[Si]≥20，[Si]/[S]≤0.3。

3、根据权利要求1或2所述的低碳高硫磷易切削钢，其特征在于上述钢的硫化物尺寸、分布：直径≥1.69μm的硫化物数量(N₀)＞1000个/mm²，其中直径≥5.08μm的硫化物数量(N₁)占40％以上，也就是(N₁*100/N₀)＞40％，面积≥40μm²的硫化物数量(N₂)占35％以上，也就是(N₂*100/N₀)＞35％。

4、根据权利要求1或2所述的低碳高硫磷易切削钢，其特征在于钢的化学元素成分(重量％)控制范围是：选用Nb＝0.005～0.020％，Ti＝0.01～0.05％，B＝0.0003～0.0080％三种元素中的至少一种；同时，选用Cr＝0.02～0.50％，Ni＝0.02～0.50％，Cu＝0.02～0.50，Sn＝0.01～0.20％，As＝0.01～0.20％，Sb＝0.005～0.05％中的至少一种。

5、根据权利要求1或2所述的低碳高硫磷易切削钢，其特征在于上述低碳高硫磷易切削钢的主要原料为废钢时，需控制废钢原料Cr、Ni、Cu、Sn、As、Sb合金元素：Cr＝0.02～0.50％，Ni＝0.02～0.50％，Cu＝0.02～0.50％，Sn＝0.01～0.20％，As＝0.01～0.20％，Sb＝0.005～0.05％。

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