專利名稱：一種具有優(yōu)異切削性能的低碳高硫易切削鋼及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及易切削鋼技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及ー種具有優(yōu)異切削性能的低碳高硫易切削鋼及其生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
隨著我國エ業(yè)，尤其是家電、通信/訊、汽車、辦公用器材等現(xiàn)代化行業(yè)的快速發(fā)展和迅猛增長，以及全球經(jīng)濟(jì)一體化的趨勢越來越突出，各種精密零部件的國內(nèi)國際需求越來越旺盛，其中大部分小規(guī)格零部件，如軸類、螺絲類、螺帽類、制釘類等標(biāo)準(zhǔn)元器件，現(xiàn)大多由易切削鋼母料加工完成。易切削鋼是以優(yōu)異切削加工性能為突出特征的鋼種，由于該鋼種在切削加工過程中具有較低的切削力及切削溫度、切屑處理性好、表面光潔度好和提高刀具的使用壽命等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于切削加工量大、加工自動化程度高的行業(yè)中，可降低切削加工成本，大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。近年來，由于切削機(jī)械性能的提高，可以進(jìn)行高速切削，伴隨這ー趨勢，對于構(gòu)成上述部件的原材料鋼材，迫切希望提高高速切削加工時的切削性能。要求其具有良好的切削性能，所述的切削性能，不僅要延長刀具的壽命，而且還特別強(qiáng)調(diào)切屑細(xì)碎斷裂的性質(zhì)即“切屑處理性”。這種切屑處理性，是實(shí)現(xiàn)加工生產(chǎn)線自動化所不可缺少的條件，也是提高生產(chǎn)率所必須的。另外除了刀具壽命和切屑處理性外，從加工精度的角度考慮，還希望切屑之后的鋼材加工表面狀態(tài)良好，加工表面的粗糙度較小。在現(xiàn)有的易切削鋼中，鉛系易切削鋼和含鉛復(fù)合易切削鋼的切削性能較好，但是鉛比重大，容易在鋼液凝固過程中產(chǎn)生偏析，并且鉛有毒，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生鉛蒸汽所造成的公害難以解決，隨著人們對環(huán)境問題的關(guān)注程度不斷提高，迫切希望研制出不含Pb的易切削鋼。為了適應(yīng)上述要求，作為鉛易切削鋼的替代產(chǎn)品，人們提出了許多種關(guān)于不含Pb的低碳硫系易切削鋼技術(shù)方案。但是，迄今為止還沒有研制出能夠完全滿足含Pb易切削鋼性能要求即有助于延長刀具壽命、切屑處理性好、加工表面粗糙度小的易切削鋼。日本專利931522中公開了為了控制硫化物形態(tài)，適當(dāng)控制氧含量較為重要；日本專利2000319753中公開了硫含量超過O. 4%、増加MnS含量的不含Pb的低碳硫系易切削鋼，但是這種鋼改善硬質(zhì)合金刀具壽命效果不大，并且切削處理性也不好；日本專利0953147以及3390988公開了通過添加Ti和Zr來提高刀具壽命和改善切削性能；另外日本專利200410034730公開了通過控制氧化物類型來改善切屑處理性；國內(nèi)公開的易切削鋼專利大多為如何開發(fā)ー種低碳高硫系易切削鋼，如CN101418422、CN101417384等，對提高低碳高硫系易切削鋼切削性能和切削后零件表面光潔度方面研究較少，還有少量專利是針對易切削軋制開裂問題，如CN101972775、CN101418422?？梢婈P(guān)于如何精確控制低碳高硫易切削鋼中硫化物數(shù)量、尺寸、形態(tài)與分布，使其具有優(yōu)異切削性能和良好表面光潔度方面的研究尚未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
I.發(fā)明要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中高硫易切削鋼切屑處理性和切削后零件表面光潔度差的問題，提供ー種具有優(yōu)異切削性能的低碳高硫易切削鋼及其生產(chǎn)方法，本發(fā)明的低碳高硫易切削鋼不含Pb，具有優(yōu)異切削性能，且切削后零件表面光潔度更好。2.技術(shù)方案
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為
本發(fā)明的ー種具有優(yōu)異切削性能的低碳高硫易切削鋼，包括如下質(zhì)量百分含量的成分C 0. 05 O. 2%、Mn 0. 6 2. 0%、P 0. 04 O. 1%、S 0. 2 O. 45%、O 0. 005 O. 02%、N 彡 O. 02%、Si ( O. 005%、Al ( O. 001%,并且生成的MnS夾雜物具有以下性質(zhì)(I)鑄態(tài)鋼中95%以上的MnS夾雜物為第I類MnS，并且單相MnS夾雜物的比例彡80% ；(2)軋制方向 至少有70%的MnS夾雜物長度> 5微米，并且長寬比彡6 ; (3)軋制方向Imm2面積內(nèi)MnS夾雜物的平均面積不低于50 μ m2。本發(fā)明鑄態(tài)鋼中MnS夾雜物的分類是根據(jù)Sims的分類方法確定的。優(yōu)選地，本發(fā)明的低碳高硫易切削鋼還包括質(zhì)量百分含量Te :0. 005、. 1%，其余是Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。優(yōu)選地，本發(fā)明的低碳高硫易切削鋼包括如下質(zhì)量百分含量的成分C:
O.05 O. 15%、Mn 1. 02 I. 56%、P 0. 061 O. 068%、S 0. 32 O. 35%、O 0. 012 O. 019%、N 彡 O. 017%、Si く O. 002%、Al く O. 0009%, Te 0. θΓθ. 03%。本發(fā)明的低碳高硫易切削鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量百分含量)應(yīng)處在以下范圍內(nèi)，具體說明如下
C :不低于O. 05%，確保適量的珠光體含量，提高加工表面光潔度，但是不能超過O. 2%，因?yàn)橹楣怏w量的増加超過臨界值將會惡化鋼的切削性能。Mn :為了確保生成足夠量MnS，避免低熔點(diǎn)的FeS產(chǎn)生，Mn含量不低于O. 6%，但是高于2%，固溶于鋼中的Mn含量會増加，鋼基體會變硬，降低了鋼的切削加工性能。P :在鋼中保留適量的P能夠改善表面光潔度，因此，P含量不低于O. 04%，但是過高會損害機(jī)械性能，因此，其上限為O. 1%。S :為了提高切削性能和改善表面光潔度，S含量應(yīng)大于O. 2%，但是為了避免生成低熔點(diǎn)的FeS和提高冷加工性能，其含量不宣超過O. 45%。O :為了控制鋼中MnS形態(tài)其含量不宜低于O. 005%，但是高于O. 02%會惡化鑄坯質(zhì)量，并且不利于切削加工過程中的塑性變形。N :適量N會増加基體硬度，提高強(qiáng)度，但是N含量過高會惡化鋼切削性能和冷加工性能，通常其含量不超過O. 02%。Te =Te在鋼中通常以MnTe的形式存在，為了改善切削性能與切削零件表面光潔度，Te含量不低于O. 005%，但是高于O. 1%會使鋼的熱加工性能顯著降低。Si :在鋼中形成SiO2，與硫化錳形成復(fù)合夾雜，其塑性變形能力較差，限制硫化錳夾雜物在刀具邊緣形成保護(hù)膜，損害加工表面光潔度。因此，其含量盡可能的向低控制，不高于 O. 005%。Al :在鋼中會形成Al2O3，這種硬質(zhì)粒子會顯著磨損刀具，降低刀具壽命；與硫化錳形成復(fù)合夾雜時，其塑性變形能力較差，限制硫化錳夾雜物在刀具邊緣形成保護(hù)膜，同樣會損害加工表面光潔度。因此，其含量也是盡可能的向低控制，不高于0.001%。本發(fā)明的ー種具有優(yōu)異切削性能的低碳高硫易切削鋼的生產(chǎn)方法，其步驟為(O鋼水冶煉用于冶煉的原材料帶入Al、Si的質(zhì)量百分含量為Al ^ O. 0005%、Si く O. 001%，脫氧過程中采用C進(jìn)行脫氧，并將終點(diǎn)碳含量控制在O. 03、. 1% ;為了避免在鋼中生成SiO2和Al2O3類夾雜物，本步驟中控制冶煉原材料帶入的Al、Si含量，且在脫氧過程中不使用Al和Si進(jìn)行脫氧，而采用C進(jìn)行脫氧，將鋼中氧含量控制在O. 005、. 02%范圍內(nèi)；
(2)鋼水精煉對步驟(I)中的鋼水進(jìn)行合金化，最后向鋼液中喂入硫線，使鋼水成分為C 0. 05 O. 2%、Mn 0. 6 2. 0%、P 0. 04 O. 1%、S 0. 2 O. 45%、O 0. 005 O. 02%、N 彡 O. 02%、Te :0. 005 O. l%、Si ^ O. 005%、A1 ^ O. 001% ;本步驟中向鋼中加入Te合金，使Te含量控制在O. 005、. 1%范圍內(nèi)，確保鋼中MnS夾雜物為第I類，并且可以降低軋制后MnS夾雜物的長寬比；
(3)鋼水模鑄鑄錠的冷卻速率控制為2 4mm/min，使得鑄態(tài)鋼中95%以上的MnS夾雜物為第I類MnS，并且單相MnS夾雜物的比例> 80% ;本步驟中精確地控制冷卻速率可以控制生成的MnS的數(shù)量、尺寸、形態(tài)和分布，可以顯著改善切削零件的切屑處理性和表面光潔度，并且可以減少FeS的生成，避免軋制過程中開裂；
(4)軋制軋制過程中的開軋溫度為1200 1250で，終軋溫度>1050°C，使得軋制方向至少有70%的MnS夾雜物長度> 5微米，并且長寬比彡6 ;軋制方向Imm2面積內(nèi)MnS夾雜物的平均面積不低于50 μ m2 ;本步驟中通過控制開軋溫度和終軋溫度，使得在此溫度下MnS的相對塑性較低，軋制后MnS的長寬比較小。更進(jìn)一歩地，本發(fā)明步驟(2)中鋼水中的0/S質(zhì)量百分比控制為O. OfO. 1，Mn/S質(zhì)量百分比控制為3 4.5。3.有益效果
采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，與已有的公知技術(shù)相比，具有如下顯著效果
(1)本發(fā)明通過精確控制低碳高硫易切削鋼中硫化物數(shù)量、尺寸、形態(tài)與分布情況，可替代含鉛低碳易切削鋼，從而可以避免含鉛易切削鋼在冶煉、加工及鋼材回收利用時鉛對環(huán)境和人體健康造成危害的問題；
(2)本發(fā)明在冶煉過程中精確控制成分，將Mn/S之比控制在3 4.5，模鑄時精確控制冷速，確保硫化物夾雜主要為MnS，改善了鋼的熱加工性能；
(3)本發(fā)明在冶煉過程中不采用Al、Si脫氧，避免生成SiO2和Al2O3類夾雜物，刀具使用壽命大幅提聞;
(4)本發(fā)明低碳高硫易切削鋼的切削性能優(yōu)異，并且切削后零件表面的光潔度更好，總體水平接近或達(dá)到含鉛低碳易切削鋼的水平，適用于高速切削。


圖I為本發(fā)明低碳高硫易切削鋼中第I類MnS的金相照片；
圖2為本發(fā)明低碳高硫易切削鋼中第I類MnS電解腐蝕后的掃描電鏡照片；
圖3為本發(fā)明低碳高硫易切削鋼軋后MnS的金相照片；
圖4為切削零件的表面粗糙度與単位面積內(nèi)MnS的平均面積以及長度> 5微米，長寬比彡6的MnS所占比例的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式為進(jìn)一歩了解本發(fā)明的內(nèi)容，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)ー步的描述。本發(fā)明的低碳高硫易切削鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)范圍為C 0. 05、. 2%、Mn 0. 6 2. 0%、P 0. 04 O. 1%、S 0. 2 O. 45%、O 0. 005 O. 02%、N 彡 O. 02%、Te 0. 005 O. 1%、Si ( O. 005%、Al ( O. 001%，其余是Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。本發(fā)明的制造方法流程如下
廢鋼(或高爐鐵水)一感應(yīng)爐(或轉(zhuǎn)爐或電爐)一(LF爐精煉)一模鑄(或連鑄)一軋制一冷卻。制造過程中控制的主要エ序如下
(1)感應(yīng)爐(或轉(zhuǎn)爐或電爐)冶煉時，避免廢鋼(或鐵水)中含有大量的Si和Al，控制用于冶煉的原材料帶入Al、Si的質(zhì)量百分含量為Al ^ O. 0005%、Si ^ O. 001%，將終點(diǎn)碳含 量控制在O. 03、. 1% ;脫氧過程中不使用Si和Al，采用C進(jìn)行脫氧，盡可能的降低鋼液中Si和Al，避免凝固過程中生成SiO2和Al2O3類夾雜物；
(2)對上述鋼水進(jìn)行合金化，最后向鋼液中喂入硫線，確保鋼水成分為C0. 05、. 2%、Mn 0. 6 2. 0%、P 0. 04 O. 1%、S 0. 2 O. 45%、O 0. 005 O. 02%、N 彡 O. 02%、Te 0. 005 O. 1%、Si彡O. 005%、Al彡O. 001%，鋼水中的0/S質(zhì)量百分比控制為O. OI O. I，Mn/S質(zhì)量百分比控制為3 4. 5 ；
(3)在模鑄過程中盡可能地降低冷速，將鑄錠的冷卻速率控制為2 4mm/min；
(4)軋制過程中開軋溫度控制在120(Tl250°C，終軋溫度控制在彡1050°C，冷卻時采用延遲性冷卻。鑄態(tài)時硫化物成分與類型的統(tǒng)計(jì)方法為在鑄錠四分之ー處進(jìn)行取樣，于掃描電鏡下統(tǒng)計(jì)50個視場中夾雜物的成分與類型；軋制后硫化物的長度、長寬比以及單位面積(Imm2)內(nèi)硫化物的平均面積統(tǒng)計(jì)方法為在軋后產(chǎn)品的軋制方向進(jìn)行取樣，于金相顯微鏡下觀察50個視場(X 500倍)，并用IMAGE圖像處理軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。切削實(shí)驗(yàn)在CK6140車床上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)條件如下
(1)切削試件Φ80mm的棒材；
(2)實(shí)驗(yàn)刀具YT14硬質(zhì)合金機(jī)夾式可轉(zhuǎn)位外圓車刀；
(3)切削條件進(jìn)給量f= O. 05mm/r ;切削深度ap = Imm;切削速度V = 120m/min和V = 210m/mino表I本發(fā)明易切削鋼與對比易切削鋼的化學(xué)成分(wt %)
權(quán)利要求
1.一種具有優(yōu)異切削性能的低碳高硫易切削鋼，其特征在于包括如下質(zhì)量百分含量的成分c 0. 05 0. 2%、Mn :0. 6 2. 0%、P :0. 04 0. 1%、S :0. 2 0. 45%、O :0. 005 0. 02%、N^O. 02%、Si ( 0. 005%、Al ( 0. 001%，并且生成的MnS夾雜物具有以下性質(zhì):(1)鑄態(tài)鋼中95%以上的MnS夾雜物為第I類MnS，并且單相MnS夾雜物的比例彡80% ；(2)軋制方向至少有70%的MnS夾雜物長度彡5微米，并且長寬比彡6 ; (3)軋制方向Imm2面積內(nèi)MnS夾雜物的平均面積不低于50 ii m2。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種具有優(yōu)異切削性能的低碳高硫易切削鋼，其特征在于還包括質(zhì)量百分含量Te :0. 005、. 1%，其余是Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有優(yōu)異切削性能的低碳高硫易切削鋼，其特征在于包括如下質(zhì)量百分含量的成分C 0. 05 0. 15%、Mn :1. 02 I. 56%、P :0. 061 0. 068%、S 0.32 0. 35%、O :0. 012 0. 019%、N 彡 0. 017%、Si ( 0. 002%、Al ( 0. 0009%, Te :0. OTO. 03%。
4.一種具有優(yōu)異切削性能的低碳高硫易切削鋼的生產(chǎn)方法，其步驟為 (1)鋼水冶煉用于冶煉的原材料帶入Al、Si的質(zhì)量百分含量為Al( 0. 0005%、Si ( 0. 001%,脫氧過程中采用C進(jìn)行脫氧，并將終點(diǎn)碳含量控制在0. 03、. 1% ； (2)鋼水精煉對步驟(I)中的鋼水進(jìn)行合金化，最后向鋼液中喂入硫線，使鋼水成分為C 0. 05 0. 2%, Mn :0. 6 2. 0%、P :0. 04 0. 1%、S :0. 2 0. 45%、0 :0. 005 0. 02%、N 彡 0. 02%、Te :0. 005 0. 1%、Si ( 0. 005%、Al ( 0. 001% ； (3)鋼水模鑄鑄錠的冷卻速率控制為2 4mm/min； (4)軋制軋制過程中的開軋溫度為120(Tl250°C，終軋溫度彡1050°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種具有優(yōu)異切削性能的低碳高硫易切削鋼的生產(chǎn)方法，其特征在于步驟(2)中鋼水中的0/S質(zhì)量百分比控制為O.OfO. 1，Mn/S質(zhì)量百分比控制為3 4. 5。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有優(yōu)異切削性能的低碳高硫易切削鋼及其生產(chǎn)方法，屬于易切削鋼技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的易切削鋼包括如下質(zhì)量百分含量的成分C0.05~0.2%、Mn0.6~2.0%、P0.04~0.1%、S0.2~0.45%、O0.005~0.02%、N≤0.02%、Si≤0.005%、Al≤0.001%，生成的MnS夾雜物具有以下性質(zhì)(1)鑄態(tài)鋼中95%以上的MnS夾雜物為第Ⅰ類MnS，并且單相MnS夾雜物的比例≥80%；(2)軋制方向至少有70%的MnS夾雜物長度≥5微米，并且長寬比≤6；(3)軋制方向1mm2面積內(nèi)MnS夾雜物的平均面積不低于50μm2。本發(fā)明采用C進(jìn)行脫氧，鑄錠的冷卻速率控制為2~4mm/min，開軋溫度控制在1200~1250℃，終軋溫度控制在≥1050℃。本發(fā)明具有優(yōu)異的切削性能，并且切削后零件表面的光潔度更好，總體水平接近或達(dá)到含鉛低碳易切削鋼的水平，適用于高速切削。
文檔編號C22C38/60GK102676955SQ20121018446
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月6日
發(fā)明者夏云進(jìn), 王福明 申請人:安徽工業(yè)大學(xué)