專利名稱：具有改善的切屑可處理性的機(jī)器結(jié)構(gòu)用易切削鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包含各種用于降低切削成本的易切削材料的機(jī)器結(jié)構(gòu)用易切削鋼，并且具體地涉及一種用于包括汽車部件的部件的易切削鋼。
背景技術(shù)：
目前，在用于包括汽車部件的部件的機(jī)器結(jié)構(gòu)用鋼中，已經(jīng)加入了各種易切削材料以降低成本。這些易切削鋼的代表性例子包括加鉛易切削鋼、(再)加硫易切削鋼、(加)鈣脫氧易切削鋼和通過組合使用上述易切削材料而制成的復(fù)雜/多元易切削鋼。
其中，加鉛易切削鋼的使用最普遍，因?yàn)楹突句撓啾?，加鉛易切削鋼更不容易引起機(jī)械性能的下降，并且在改善可切削性尤其是低速切削期間的刀具壽命或切屑可處理性(disposability)上的效果優(yōu)良。然而，人們近年來對(duì)環(huán)境問題的日益關(guān)注已使全球都趨向于減少用在鋼中的對(duì)人體有害的鉛的量。這又導(dǎo)致對(duì)開發(fā)替代加鉛易切削鋼的易切削鋼的需求日益增加。
可以考慮將(再)加硫易切削鋼作為可用作加鉛易切削鋼的替代物的易切削鋼之一。但是，在(再)加硫易切削鋼中，因?yàn)榱蛞匝剀堉品较蛏扉L(zhǎng)的MnS夾雜物(inclusion)的形式存在于鋼中，加入大量的硫不利地增強(qiáng)了機(jī)械性能的各向異性。
鈣脫氧易切削鋼是一種通過在鋼中加入低熔點(diǎn)氧化物CaO-Al2O3-SiO2而改善其可切削性的鋼。通過這樣的原理而實(shí)現(xiàn)該可切削性，即上述氧化物在刀具的刀口上形成一層防止切屑和刀具直接接觸的保護(hù)膜。但是，在鈣脫氧易切削鋼中，只能在較高速切削例如燒結(jié)碳化物/硬質(zhì)合金刀具切削期間才能獲得該效果。
也使用化合狀態(tài)下的鉛、硫和鈣都包含在其中的加鉛三元易切削(合金)鋼。加鉛三元易切削鋼具有非常好的可切削性，但是，另一方面，它并不能克服加鉛易切削鋼和(再)加硫易切削鋼中的缺陷。
日本專利No.1981560、日本待審公開專利No.350065/1999和日本待審公開專利No.34538/2000公開了其中加入了用于改善(再)加硫易切削鋼的機(jī)械性能的鈣的鋼。此外，在這種情況下，將硬Al2O3轉(zhuǎn)化為CaO-Al2O3或在Al2O3上覆蓋硫化物據(jù)稱可以使鋼無(wú)害化。日本待審公開專利No.145889/1994公開了通過加入六方BN、CaO-Al2O3和Ca-Mn-S而改善其可切削性的鋼。在這些情況下，和基本鋼相比，在機(jī)械性能各向異性上可以通過控制硫化物的形狀來減少惡化程度。但是，在可切削性上不能在各種切削條件下均獲得令人滿意的結(jié)果。目前，尤其是作為加鉛易切削鋼的替代鋼的最重要性能的切屑可處理性，不能總是達(dá)到加鉛鋼的水平。
日本待審公開專利No.180184/2002公開了其可切削性—主要是鉆頭使用壽命—和強(qiáng)度各向異性通過調(diào)整硫化物的粒度(size)而得到改善的結(jié)構(gòu)鋼。但是，就其切屑可處理性而言，所建議的結(jié)構(gòu)鋼還遠(yuǎn)不是可用作具有令人滿意的性能的加鉛易切削鋼的替代物的鋼。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)在本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，在具有預(yù)定成分的熱軋或熱鍛鋼中，通過調(diào)整主要包括具有預(yù)定粒度的MnS的硫化物的數(shù)量和具有預(yù)定粒度的氧化物夾雜物的數(shù)量，可以不加入有害材料例如鉛而實(shí)現(xiàn)非常好的切屑可處理性。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種機(jī)器結(jié)構(gòu)用易切削鋼，該鋼可以實(shí)現(xiàn)非常好的切屑可處理性，而不用加入任何有害材料例如鉛。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種具有改善的切屑可處理性的易切削鋼，其中，該鋼經(jīng)過熱軋或熱鍛并包括其質(zhì)量百分比如下所示的材料碳(C)0.01％至0.70％，硅(Si)0.05％至2.00％，錳(Mn)0.20％至3.50％，鈣(Ca)0.0003％至0.01％，硫(S)0.020％至0.300％，鋁(Al)0.002％至0.300％，氮(N)0.003％至0.035％，和氧(O)0.0010％至0.0080％，其余成分包括鐵(Fe)和不可避免的雜質(zhì)，其中，該鋼包含具有大于等于0.5μm并小于20μm的長(zhǎng)軸并包括MnS作為主要成分的硫化物，這些硫化物的數(shù)量不少于硫化物的總數(shù)量的30％，和其中，該鋼包含具有大于等于0.5μm并小于50μm的長(zhǎng)軸并且與硫化物共存或單獨(dú)存在的氧化物夾雜物，該氧化物夾雜物在每平方毫米檢測(cè)面積中的數(shù)量不少于10。
在本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的易切削鋼還包括由以下元素中選出的一種或多種具有如下質(zhì)量百分比的元素，鉻(Cr)0.20％至2.50％，鉬(Mo)0.05％至1.50％，鎳(Ni)0.05％至3.50％，釩(V)0.01％至0.50％，鈮(Nb)0.01％至0.10％，和鈦(Ti)0.01％至0.50％。
在本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的易切削鋼還包括由以下元素中選出的一種或多種具有如下質(zhì)量百分比的元素，鎂(Mg)0.0003％至0.01％，鋯(Zr)0.0005％至0.30％，鉍(Bi)0.01％至0.30％，和硼(B)0.0003％至0.015％。
具體實(shí)施例方式
下面將說明限制根據(jù)本發(fā)明的具有改善的切屑可處理性的機(jī)器結(jié)構(gòu)用易切削鋼的各組分的原因。在該鋼的化學(xué)成分中，“％”表示質(zhì)量百分比。
碳(C)是一種被加入以確保鋼的強(qiáng)度的元素。當(dāng)碳的含量小于0.01％時(shí)，鋼的強(qiáng)度是不令人滿意的。另一方面，當(dāng)碳的含量超過0.70％時(shí)，鋼的韌性變差。因此，根據(jù)本發(fā)明的鋼的碳含量限制在0.01％至0.70％。
硅(Si)是一種在煉鋼期間被加入以用于脫氧并確保鋼的強(qiáng)度的元素。當(dāng)硅的含量小于0.05％時(shí)，不能獲得令人滿意的脫氧效果。另一方面，當(dāng)硅的含量超過2.00％時(shí)，熱加工性變差。因此，根據(jù)本發(fā)明的鋼的硅含量限制在0.05％至2.00％。
錳(Mn)是一種被加入以改善可淬性/淬透性的元素。此外，錳是一種與硫一起形成一種用于改善可切削性的硫化物的必需的元素。而且，MnS還可以有效地抑制奧氏體晶粒的粗化以細(xì)化組織。然而，當(dāng)錳的含量小于0.20％時(shí)，預(yù)期效果不大。另一方面，當(dāng)錳的含量超過3.50％時(shí)，可加工性變差。因此，錳的含量限制在0.20％至3.50％。
鈣(Ca)具有通過控制硫化物的形狀而改善各向異性的作用。此外，鈣可以改善切屑可處理性。而且，鈣可以在刀具上沉積一(Mn，Ca)S和AlN保護(hù)膜以延長(zhǎng)刀具的使用壽命。此外，鈣可以形成一鈣的氧化物以改善切屑可處理性?？梢酝ㄟ^加入含量不少于0.0003％，優(yōu)選地不少于0.001％的鈣而獲得上述效果。當(dāng)鈣含量超過0.01％時(shí)，效果達(dá)到飽和。而且，在這種情況下，鈣的添加收效率下降。因此，根據(jù)本發(fā)明的鋼中的鈣含量限制在0.0003％至0.01％。
硫(S)具有形成硫化物例如MnS和(Mn，Ca)S以改善可切削性的作用。當(dāng)鋼被加熱到1000℃或以上以進(jìn)行熱加工時(shí)，這些硫化物可以抑制奧氏體晶粒的粗化。當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的鋼用作微合金化鋼時(shí)，硫可以有利地提高鋼的韌性。為了獲得上述效果，硫的含量應(yīng)該不少于0.020％，優(yōu)選地不少于0.050％。然而，當(dāng)硫的含量超過0.300％時(shí)，由于硫化物的應(yīng)力集中效果，韌性變差。因此，在根據(jù)本發(fā)明的鋼中，硫的含量限制在0.020％至0.300％。
鋁(Al)和硅一樣被加入以在煉鋼期間脫氧。脫氧產(chǎn)生的復(fù)合氧化物可以有效地改善切屑可處理性。此外，鋁形成有助于細(xì)化奧氏體晶粒的AlN。為了獲得上述效果，鋁含量應(yīng)該不少于0.002％。加入量多于0.300％的鋁導(dǎo)致形成破壞鋼的韌性和可切削性的鋁氧化物。因此，在根據(jù)本發(fā)明的鋼中，鋁的含量限制在0.002％至0.300％，優(yōu)選地為0.003％至0.015％。
氮(N)被加入以提高鋼的韌性。此外，氮形成可以有效地細(xì)化奧氏體晶粒的氮化物例如AlN。為了獲得上述效果，氮的含量應(yīng)不少于0.003％。當(dāng)加入的氮的量多于0.035％時(shí)，所述效果達(dá)到飽和。因此，在根據(jù)本發(fā)明的鋼中，氮的含量限制在0.003％至0.035％，優(yōu)選地為0.005％至0.020％。
氧(O)形成一種有效地確?？汕邢餍圆⑦€用作用于精細(xì)分散的硫化物的核的氧化物。為了獲得上述效果，氧的含量應(yīng)不少于0.0010％。當(dāng)氧的含量多于0.0080％時(shí)，機(jī)械性能下降。因此，在根據(jù)本發(fā)明的鋼中，氧的含量限制在0.0010％至0.0080％，優(yōu)選地為0.0015％至0.0050％。
在本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的鋼還包含0.20％至2.50％的鉻(Cr)。鉻的作用與錳相類似。也就是說，鉻是一種提高可淬性和改善強(qiáng)度的元素。當(dāng)鉻的含量小于0.20％時(shí)，預(yù)期效果不大。另一方面，當(dāng)鉻的含量多于2.50％時(shí)，費(fèi)用增加。
在本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的鋼還包含0.05％至1.50％的鉬(Mo)。鉬的作用與鉻類似。也就是說，鉬是一種提高可淬性和改善強(qiáng)度的元素。當(dāng)鉬的含量小于0.05％時(shí)，預(yù)期效果不大。另一方面，當(dāng)鉬的含量多于1.50％時(shí)，費(fèi)用增加。
在本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的鋼還包含0.05％至3.50％的鎳(Ni)。鎳的作用與鉬類似。也就是說，鎳是一種提高可淬性和改善強(qiáng)度的元素。當(dāng)鎳的含量小于0.05％時(shí)，預(yù)期效果不大。另一方面，當(dāng)鎳的含量多于3.50％時(shí)，費(fèi)用增加。
在本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的鋼還包含0.01％至0.50％的釩，0.01％至0.10％的鈮和/或0.01％至0.50％的鈦。釩、鈮和鈦在鋼中形成細(xì)小的碳氮化合物，并且這些沉淀/析出物(precipitate)在熱加工期間細(xì)化奧氏體晶粒并改善鋼的韌性。此外，通過這些沉淀物的彌散強(qiáng)化或沉淀硬化可以起到改善鋼的強(qiáng)度的作用。對(duì)于釩、鈮和鈦來說，當(dāng)它們的含量不多于0.01％時(shí)，不能獲得該效果。當(dāng)含量過大時(shí)，韌性減小。因此，釩含量的上限是0.50％，鈮含量的上限是0.10％，而鈦含量的上限是0.50％。
在本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的鋼還包含0.0003％至0.01％的鎂，0.0005％至0.30％的鋯，0.01％至0.30％的鉍，和/或0.0003％至0.015％的硼。鎂和鋯象鈣一樣以一種硫化物或氧化物的形式存在，鉍單獨(dú)存在或與其它夾雜物并存，并且，硼以一種氮化物形式存在。以上述各形式存在的這些元素進(jìn)一步改善了根據(jù)本發(fā)明的鋼的切屑可處理性。鎂和鋯都是用于控制硫化物的形狀的元素，并且還都具有改善機(jī)械各向異性的效果。當(dāng)鎂的含量小于0.0003％時(shí)，當(dāng)鋯的含量小于0.0005％時(shí)，當(dāng)鉍的含量小于0.01％時(shí)，以及當(dāng)硼的含量小于0.0003％時(shí)，上述效果是不令人滿意的。另一方面，當(dāng)鎂的含量多于0.01％時(shí)，當(dāng)鋯的含量多于0.30％時(shí)，當(dāng)鉍的含量多于0.30％時(shí)，以及當(dāng)硼的含量多于0.015％時(shí)，上述效果達(dá)到飽和，并導(dǎo)致費(fèi)用增加。
根據(jù)本發(fā)明的易切削鋼是一種具有上述化學(xué)成分的熱軋或熱鍛易切削鋼，其中，該鋼包含具有大于等于0.5μm并小于20μm的長(zhǎng)軸并包括MnS作為主要成分的硫化物，該MnS的數(shù)量不少于硫化物的總數(shù)量的30％，并且其中，該鋼包含具有大于等于0.5μm并小于50μm的開區(qū)間長(zhǎng)軸并且與硫化物共存或單獨(dú)存在的氧化物夾雜物，該氧化物夾雜物在每平方毫米檢測(cè)面積中的數(shù)量不少于10。上述組成可以提供一種其機(jī)械性能與加鉛易切削鋼基本相當(dāng)、可切削性優(yōu)良且尤其是其切屑可處理性與加鉛鋼相當(dāng)?shù)臋C(jī)器結(jié)構(gòu)用易切削鋼。
可以考慮通過下述原理獲得該可切削性的改善效果。但是，應(yīng)該注意，下述說明是基于一假設(shè)，并且本發(fā)明不限于該假設(shè)。首先，當(dāng)切削根據(jù)本發(fā)明的機(jī)器結(jié)構(gòu)用易切削鋼時(shí)，在具有20μm以上長(zhǎng)軸的較大粒度的MnS組成的夾雜物的周圍容易產(chǎn)生裂紋。當(dāng)該裂紋附近存在具有大于等于0.5μm并小于20μm的長(zhǎng)軸的大量較細(xì)硫化物(這些硫化物的數(shù)量不少于所有硫化物的30％)時(shí)，這些硫化物有效地加速了硫化物裂紋的擴(kuò)展。在這種情況下，僅通過硫化物獲得的效果不大。但是，當(dāng)具有大于等于0.5μm并小于50μm的長(zhǎng)軸的氧化物夾雜物在每平方毫米檢測(cè)面積中的數(shù)量不少于10時(shí)，切屑裂紋的擴(kuò)展大大加快，從而獲得改善的切屑可處理性。
可以以如下方法生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的易切削鋼。具體地，在煉鋼過程中，除了傳統(tǒng)的對(duì)化學(xué)成分的調(diào)整，還通過利用鋁和硅進(jìn)行脫氧而將溶解的氧含量調(diào)整至15ppm和90ppm之間的一值，然后加入鈣。此后，對(duì)鋼進(jìn)行熱軋或熱鍛。從而獲得具有上述化學(xué)成分的鋼產(chǎn)品，其中，該鋼包含具有大于等于0.5μm并小于20μm的長(zhǎng)軸并包括MnS作為主要成分的硫化物，這些硫化物的數(shù)量不少于硫化物的總數(shù)量的30％，并且其中，該鋼包含具有大于等于0.5μm并小于50μm的長(zhǎng)軸并且與硫化物共存或單獨(dú)存在的氧化物夾雜物，該氧化物夾雜物在每平方毫米檢測(cè)面積中的數(shù)量不少于10。
在本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的鋼中的氧化物還可以包括CaO和Al2O3。此外，由具有高氧化物形成能力的雜質(zhì)元素或合金元素形成的例如MgO、MnO、SiO2、TiO2、ZrO2和REM氧化物與上述氧化物共存。
示例下述示例進(jìn)一步說明了本發(fā)明但并不用于限制本發(fā)明。
通過在真空熔爐中的熔融工序生產(chǎn)具有表1中示出的化學(xué)成分的100kg的各種鋼No.1至No.20。用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的這些鋼錠通過在1200℃下鍛造成直徑為45mm的條鋼。
表1(質(zhì)量％)

*本發(fā)明范圍以外的值有下劃線在表1中，對(duì)比鋼中的本發(fā)明范圍以外的組分有下劃線。
隨后，鍛制條鋼被淬火并回火以將所有鋼的硬度調(diào)整至25±2HRC。
對(duì)這樣獲得的鋼進(jìn)行下述1至3測(cè)量。
測(cè)量1對(duì)測(cè)試鋼進(jìn)行鏡面拋光，然后用400倍放大率的光學(xué)顯微鏡拍攝粒度為1mm2的夾雜物。用圖像分析器測(cè)量1mm2內(nèi)的所有硫化物的長(zhǎng)軸和數(shù)量。從測(cè)量結(jié)果中抽取出主要包含具有不小于0.5μm并小于20μm的長(zhǎng)軸的MnS的小硫化物的數(shù)量?？梢愿鶕?jù)下述等式計(jì)算出小硫化物的數(shù)量百分比。
(小硫化物的數(shù)量百分比)＝(小硫化物的數(shù)量/硫化物總數(shù)量)×100測(cè)量2提供其粒度為1mm2的夾雜物的光學(xué)顯微照片以通過利用夾雜物之間的色調(diào)差而區(qū)別氧化物和主要包含MnS的硫化物，并且利用一個(gè)圖像處理器測(cè)量具有一不小于0.5μm并小于50μm的粒度的氧化物的數(shù)量。
測(cè)量3用JIS P 20(刀口半徑＝0.4mm)制成的一種切削用燒結(jié)碳化物/硬質(zhì)合金刀具以下述條件車削測(cè)試鋼切削速度150米/分(m/min)進(jìn)給速度0.1毫米/轉(zhuǎn)(mm/rev)切削深度0.5毫米(mm)在車削操作中，收集切屑，并對(duì)作為切屑可處理性的評(píng)價(jià)指數(shù)的每克中的切屑的數(shù)量(切屑可處理性指數(shù))進(jìn)行視覺上的計(jì)數(shù)。
針對(duì)每種鋼，測(cè)量1至3所得的結(jié)果如表2所示。
表2

*每克中的切屑數(shù)量(一個(gè)連續(xù)的切屑計(jì)為一個(gè)切屑)*本發(fā)明范圍以外的值和小于10的切屑可處理性試驗(yàn)數(shù)據(jù)有下劃線鋼1至13在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的鋼中的小硫化物的比例不少于30％，并且氧化物的數(shù)量不少于10/mm2。
對(duì)于本發(fā)明的鋼，切屑可處理性指數(shù)為至少10切屑/克，然而，對(duì)于對(duì)比材料，即Nos.14、15、17、18和20，切屑可處理性指數(shù)少于10切屑/克。對(duì)于Nos.16和19，切屑可處理性指數(shù)不少于10切屑/克。這是因?yàn)镹os.16和19包含鉛一一種有害材料。
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的機(jī)器結(jié)構(gòu)用易切削鋼中，可以不加入有害材料例如鉛而實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的切屑可處理性。
權(quán)利要求
1.一種具有改善的切屑可處理性的易切削鋼，其中，該鋼經(jīng)過熱軋或熱鍛并包括其質(zhì)量百分比如下所示的材料碳(C)0.01％至0.70％，硅(Si)0.05％至2.00％，錳(Mn)0.20％至3.50％，鈣(Ca)0.0003％至0.01％，硫(S)0.020％至0.300％，鋁(Al)0.002％至0.300％，氮(N)0.003％至0.035％，和氧(O)0.0010％至0.0080％，其余成分包括鐵(Fe)和不可避免的雜質(zhì)，其中，該鋼包含具有大于等于0.5μm并小于20μm的長(zhǎng)軸并包括MnS作為主要成分的硫化物，這些硫化物的數(shù)量不少于硫化物的總數(shù)量的30％，和其中，該鋼包含具有大于等于0.5μm并小于50μm的開區(qū)間長(zhǎng)軸并且與硫化物共存或單獨(dú)存在的氧化物夾雜物，該氧化物夾雜物在每平方毫米檢測(cè)面積中的數(shù)量不少于10。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的易切削鋼，其特征在于，該易切削鋼還包括由以下元素中選出的一種或多種具有如下質(zhì)量百分比的元素，鉻(Cr)0.20％至2.50％，鉬(Mo)0.05％至1.50％，鎳(Ni)0.05％至3.50％，釩(V)0.01％至0.50％，鈮(Nb)0.01％至0.10％，和鈦(Ti)0.01％至0.50％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的易切削鋼，其特征在于，該易切削鋼還包括由以下元素中選出的一種或多種具有如下質(zhì)量百分比的元素，鎂(Mg)0.0003％至0.01％，鋯(Zr)0.0005％至0.30％，鉍(Bi)0.01％至0.30％，和硼(B)0.0003％至0.015％。
全文摘要
一種機(jī)器結(jié)構(gòu)用易切削鋼，可以實(shí)現(xiàn)很好的切屑可處理性，而不加入任何有害材料如鉛。該易切削鋼是一種具有改善的切屑可處理性的熱軋或熱鍛易切削鋼。該易切削鋼包括具有下述質(zhì)量百分比的如下元素碳0.01至0.70％，硅0.05至2.00％，錳0.20至3.50％，鈣0.0003至0.01％，硫0.020至0.300％，鋁0.002至0.300％，氮0.003至0.035％，和氧0.0010至0.0080％，而其余成分包括鐵和不可避免的雜質(zhì)。該鋼包含具有大于等于0.5μm并小于20μm的長(zhǎng)軸并包括MnS作為主要成分的硫化物，其數(shù)量不少于硫化物的總數(shù)量的30％。還包含具有大于等于0.5μm并小于50μm的長(zhǎng)軸并且與硫化物共存或單獨(dú)存在的每平方毫米檢測(cè)面積中的數(shù)量不少于10的氧化物夾雜物。
文檔編號(hào)C22C38/60GK1550562SQ200410034730
公開日2004年12月1日 申請(qǐng)日期2004年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月9日
發(fā)明者常陰典正 申請(qǐng)人:山陽(yáng)特殊制鋼株式會(huì)社