專利名稱：低碳易切削鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于不含有鉛(Pb)的低碳易切削鋼，特別是關(guān)于雖然不含有鉛，但與以往的鉛易切削鋼以及同時含有鉛和其它改善異切削性能的元素的復(fù)合易切削鋼相比，在使用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行切削時，具有良好的切削性能、熱加工性能和切削后加工表面性狀良好并且生產(chǎn)成本低的低碳易切削鋼。另外，本發(fā)明還涉及除了上述各種性能外還具有良好的滲碳性能的低碳易切削鋼。
背景技術(shù)：
以往，對于不特別要求強(qiáng)度的軟質(zhì)的小零部件，為了提高生產(chǎn)率，往往使用切削性能良好的鋼材，即所謂的易切削鋼。人們最熟悉的易切削鋼有含有大量S、利用MnS改善切削性能的硫易切削鋼；添加Pb的鉛易切削鋼；以及含有S和Pb兩者的復(fù)合易切削鋼。尤其是含有Pb的易切削鋼，具有延長刀具的壽命、切屑的易斷裂性良好、而且加工后的鋼材表面的加工表面粗糙度也良好的特性。此外，還有為了改善切削性能而含有Te(碲)和Bi(鉍)等的易切削鋼。這些鋼大量地用于汽車的制動零件等小零部件以及個人電腦的外部設(shè)備部件等電子機(jī)器部件和模具等各種機(jī)械部件。
另一方面，近年來由于切削機(jī)械性能的提高，可以進(jìn)行高速切削，伴隨這一趨勢，對于構(gòu)成上述部件的原材料的鋼材，迫切希望提高高速切削加工時的切削性能。
此外，上述部件經(jīng)過切削加工加工成為規(guī)定的形狀后，為了確保其表面的強(qiáng)度，有時需要進(jìn)行滲碳處理。因此，對于這些部件所使用的鋼材料，除了要求具有高的切削性能外，還希望具有良好的滲碳性能。
對于上述部件的原料來使用的鋼材，要求良好的切削性能，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，還希望切削之后的鋼材加工表面的狀態(tài)良好，即加工表面的粗糙度比較小。在上述易切削鋼中，鉛易切削鋼和含有Pb及其它改善切削性能的元素的復(fù)合易切削鋼，這些性能都很好，在現(xiàn)有的鋼材中切削性能最佳。
近年來，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有Pb的易切削鋼。這是因為，含有對人體和地球環(huán)境有害的Pb的鋼材，不僅在其制造過程中需要規(guī)模很大的排氣設(shè)備，而且從環(huán)境保護(hù)的角度考慮，限制使用Pb的呼聲越來越高。
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的低碳硫易切削鋼的技術(shù)方案。但是，迄今為止還沒有研制出能夠全部滿足含Pb的易切削鋼性能要求即有助于延長刀具壽命、切屑處理性良好、加工表面粗糙度較小的易切削鋼。
專利文獻(xiàn)1(特開2003-49240號公報)中公開了一種存在Ti或/和Zr的碳硫化物系夾雜物、切削性能得到改善的易切削鋼。在該易切削鋼中，由于與MnS一起分散存在有Ti碳硫化物或Zr碳硫化物，因而難以獲得MnS的擬潤滑效果，刀具與被切削材料之間的磨擦力升高。結(jié)果，切削抗力提高，在刀具的刀刃上容易形成刀瘤。一旦形成刀瘤，精切削后的加工表面粗糙度增大，部件的加工精度受到損害。
在專利文獻(xiàn)1中，沒有見到Ti含量為0.1％以下的實施例。這表明，專利文獻(xiàn)1的發(fā)明目的在于通過含有大量的Ti而生成Ti碳硫化物，實際上該文獻(xiàn)中記載了，與MnS一起在基體內(nèi)分散有粒狀的Ti碳硫化物系夾雜物。這種情況不能滿足上述部件所使用的鋼材要求的刀具壽命、切屑處理性、加工表面粗糙度等性能。
專利文獻(xiàn)2(特開2003-49241)中公開了一種易切削鋼，該鋼含有Ti或/和Zr，(Ti+0.52Zr)/S＜2，作為夾雜物含有Ti或Zr的碳硫化物，提高了車削加工和鉆削加工時的刀具壽命。在該專利文獻(xiàn)2的發(fā)明中，使鋼中生成Ti碳硫化物，以改善車削加工時的刀具壽命。采用這種技術(shù)，在一定程度上確實可以改善刀具的壽命，但由于Ti或Zr的碳硫化物存在，難以獲得MnS的潤滑效果，刀具與被切削材料之間的磨擦力增大。結(jié)果，切削抗力升高，在刀具的刀刃上容易形成刀瘤。一但形成刀瘤，切削后的加工表面粗糙度增大，導(dǎo)致加工精度惡化。
在專利文獻(xiàn)2中，未見到下述本發(fā)明中規(guī)定的含有S0.21％以上、Ti0.1％以下的易切削鋼的實施例。由此可知，專利文獻(xiàn)2的發(fā)明不是以改善加工表面粗糙度、提高切屑處理性作為目標(biāo)的發(fā)明。即，在專利文獻(xiàn)2的發(fā)明中，在基體內(nèi)與MnS一起分散有Ti或Zr的碳硫化物，因而不能得到所希望的加工表面粗糙度和切屑處理性。
專利文獻(xiàn)3(特平2000-319753號公報)中，公開了含有S超過0.4％、增加MnS含量的不添加Pb的低碳硫易切削鋼。但是，這種鋼改善硬質(zhì)合金刀具壽命的效果不大。另外，這種鋼沒有改善與刀具壽命同樣受到重視的切屑處理性，沒有明顯地改善以往的硫易切削鋼的性能。
專利文獻(xiàn)4(特開平09-53147號公報)中公開了一種關(guān)于易切削鋼的發(fā)明，該鋼含有C0.01-0.2％、Si0.10-0.60％、Mn0.5-1.75％、P0.005-0.15％、S；0.15-0.40％、O(氧)0.001-0.010％、Ti0.0005-0.020％、N0.003-0.03％，對于硬質(zhì)合金刀具具有良好的切削性能特別是刀具壽命。在該發(fā)明中，所述的鋼必須含有Ti以及0.1-0.6％Si，以改善硬質(zhì)合金刀具的壽命。另外，該發(fā)明不像本發(fā)明那樣不含硅，通過使鋼材中含有“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”，不僅提高刀具的壽命，而且還改善切屑處理性和加工表面粗糙度。
專利文獻(xiàn)5(特許第3390988號公報)中公開了一種低碳硫易切削鋼的發(fā)明，該鋼含有C0.02-0.15％、Mn0.3-1.8％、S0.225-0.5％、Ti0.1-0.6％、Zr0.1-0.6％，并且滿足Ti+Zr0.3-0.6％，(Ti+Zr)/S比1.1-1.5，改善了機(jī)械性能的各向異性。該發(fā)明通過上述成分組成，生成熱加工時的變形抗力高的Ti和Zr的硫化物，改善了鋼材的機(jī)械性能各向異性和切削性能。但是，由于存在這些變形抗力高的硫化物，切削時難以獲得硫化物所產(chǎn)生的潤滑效果，因而切削抗力增大，刀具的壽命劣化，并且加工表面的粗糙度也惡化。
專利文獻(xiàn)1特開2003-49240號公報專利文獻(xiàn)2特開2003-49241號公報專利文獻(xiàn)3特開2000-319753號公報專利文獻(xiàn)4特開平09-53147號公報專利文獻(xiàn)5特許第3390988號公報發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種低碳易切削鋼，不含有對環(huán)境有害的Pb，與以往的Pb易切削鋼以及同時含有Pb和其它賦予切削性的元素的復(fù)合易切削鋼相比，尤其是在使用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行切削的場合，顯示出優(yōu)異的切削性能，熱加工性能良好，切削后的表面性狀也良好，能以低的生產(chǎn)成本制造。另外，本發(fā)明的任務(wù)還在于，提供除了上述各種性能外還具有良好的滲碳性能的低碳易切削鋼。
眾所周知，硫化物等夾雜物的狀態(tài)對于鋼的切削性能影響很大。在含有C、Ti、S、N、O的鋼中觀察到的夾雜物有各種各樣，例如Ti硫化物、Ti碳硫化物、Ti碳化物、Ti碳氮化物、Ti氮化物、Ti氧化物。此外，如果還含有Mn的話，鋼中還存在由化學(xué)式“MnS”表示的Mn硫化物。除了這些夾雜物之外，如果鋼中含有Al和Si，那么還存在這些元素的氧化物。這些夾雜物存在的形態(tài)多種多樣，夾雜物的組成和存在形態(tài)對于鋼的切削性能和其它機(jī)械性能等影響很大。
在此之前，本發(fā)明人等曾經(jīng)就不含有Pb的低碳的硫易切削鋼申請了專利(專利申請?zhí)?002-26368號)。該易切削鋼的特征是，含有規(guī)定量的C、Mn、S、Ti、Si、P、Al、O和N，Ti和S的含量滿足下列(A)式，Mn與S的原子比滿足下列(B)式，并且，含有內(nèi)部存在Ti硫化物或/和Ti碳硫化物的MnS。
Ti(質(zhì)量％)/S(質(zhì)量％)＜1…(A)Mn/S≥1…(B)
與Pb易切削鋼相比，這種鋼的刀具壽命要好得多，而且還具有良好的切屑處理性。但是，這種鋼在切削后的表面性狀方面存在一些問題，即，在進(jìn)行精切削之后，有時加工表面的粗糙度增大的問題明顯。
當(dāng)基體中存在實質(zhì)的Ti硫化物或/和Ti碳硫化物時，難以獲得MnS的擬潤滑效果，因而切削抗力升高，在刀具的刀刃處容易形成刀瘤，因而切削后鋼材的表面粗糙度不佳，加工表面粗糙度劣化。上面所述的“實質(zhì)的Ti硫化物或/和Ti碳硫化物”，是指在一個夾雜物中Ti硫化物和Ti碳硫化物所占的面積比率合計為50％以上的夾雜物，在后面的圖1(a)中示出了幾個這樣的夾雜物。
為了解決上述問題，本發(fā)明人進(jìn)行了研究，結(jié)果得出了下面所述的新的認(rèn)識。
(1)在對基體中存在“實質(zhì)的Ti硫化物或/和Ti碳硫化物”的鋼進(jìn)行切削時，刀具的刀刃上形成刀瘤，使加工表面粗糙度劣化。
(2)盡可能地抑制“實質(zhì)的Ti硫化物或/和Ti碳硫化物”的生成并使鋼中存在許多MnS，可以抑制刀瘤的形成，獲得良好的加工表面粗糙度。
(3)但是，不含Ti、只存在MnS的鋼，硬質(zhì)合金刀具的壽命劣化。為了提高硬質(zhì)合金刀具的壽命，必須添加Ti，并且使鋼中含有“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”。
(4)“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”提高了刀具的壽命，而且不損害MnS的擬潤滑效果。
基于上述認(rèn)識，本發(fā)明人進(jìn)一步深入研究了化學(xué)成分與夾雜物形態(tài)的關(guān)系，結(jié)果發(fā)明了下面所述的低碳易切削鋼。該低碳易切削鋼具有與Pb易切削鋼和復(fù)合易切削鋼同等以上的切削性能。另外，下面涉及成分含量的％是質(zhì)量％。
一種低碳硫易切削鋼，其特征在于，C0.05％至0.20％不到、Mn0.4-2.0％、S0.21-1.0％、Ti0.002-0.10％、P0.001-0.30％、AL0.2％以下、O(氧)0.001-0.03％、N；0.0005-0.02％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，鋼中所含的夾雜物滿足下列(1)式和(2)式，(A+B)/C≥0.8....(1)NA≥5....(2)式中，A、B、C和NA的含義如下A在平行于軋制方向的斷面上1mm2內(nèi)、在當(dāng)量圓直徑1μm以上的夾雜物中，內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS所占的總面積；B在平行于軋制方向的斷面上1mm2內(nèi)、在當(dāng)量圓直徑1μm以上的夾雜物中，內(nèi)部不存在Ti碳化物和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS所占的總面積；C在平行于軋制方向的斷面上1mm2內(nèi)、在當(dāng)量圓直徑1μm以上的所有夾雜物所占的總面積；NA在平行于軋制方向的斷面上1mm2內(nèi)、當(dāng)量圓直徑1μm以上的夾雜物中，內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS的個數(shù)。
上述低碳易切削鋼可以含有選自下列第1組至第3組中的至少一組中的1種以上的成分。
第1組Se0.0005-0.10％、Te0.0005-0.10％、Bi0.01-0.3％、Sn0.01-0.3％、Ca0.0001-0.01％、Mg0.0001-0.005％、B0.0002-0.02％以及稀土元素0.0005-0.02％。
第2組Cu0.01-1.0％、Ni0.01-2.0％、Mo0.01-0.5％、V0.005-0.5％和Nb0.005-0.5％。
第3組Si0.1-2.0％和Cr0.03-1.0％。
這里所說的“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”，如下面所述，是指在一個夾雜物中MnS所占的面積率為50％以上、內(nèi)部還有Ti碳化物或/和Ti碳氮化物存在(共存)的夾雜物。另外，所說的“內(nèi)部不存在Ti碳化物和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”，是指在一個夾雜物中MnS所占的面積率為50％以上、內(nèi)部沒有Ti碳化物和Ti碳氮化物存在(共存)的夾雜物。此外，這些“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”和“內(nèi)部不存在Ti碳化物和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”，其內(nèi)部都可以存在Ti碳化物和Ti碳氮化物以外的硫化物、碳硫化物、碳化物、氮化物等。
上述本發(fā)明的低碳易切削鋼的主要特征如下。
(1)含有C0.05％至0.20％不到，S0.21％-1.0％，并且Ti的含量為0.002-0.1％。
(2)Ti與C、S、N和O結(jié)合，形成硫化物、碳硫化物、碳化物、碳氮化物和氧化物。與Mn相比，Ti形成硫化物的傾向更強(qiáng)，因而容易形成Ti硫化物和Ti碳硫化物。但是，只要慎重地考慮Mn和Ti、S以及N的含量平衡，就不會生成許多“實質(zhì)的Ti碳硫化物或/和Ti硫化物”，可以存在許多“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”和“內(nèi)部不存在Ti碳化物和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”。
(3)在采用上述(1)中所述的化學(xué)組成并且得到上面(2)中所述的夾雜物形態(tài)的場合，存在于基體中的夾雜物，在切削過程中軟化、發(fā)揮潤滑效果的“實質(zhì)的MnS”占了所有夾雜物的一大半，這種“實質(zhì)的MnS”以外的硫化物即“實質(zhì)的Ti硫化物或/和Ti碳硫化物”基本上不存在。這時，為了獲得良好的加工表面粗糙度，在所有夾雜物的生成量中“實質(zhì)的MnS”的生成量必須占大部分。具體地說，在軋制方向的斷面的觀察面上1mm2內(nèi)，當(dāng)量圓直徑為1μm以上的“實質(zhì)的MnS”的總面積必須占當(dāng)量圓直徑1μm以上的所有夾雜物的總面積的8成以上。只有在這種情況下，才能抑制由于“實質(zhì)的Ti硫化物或/和Ti碳硫化物”的存在而引起刀具的刀刃處生成刀瘤，獲得良好的加工表面粗糙度。
上面所述的“實質(zhì)的MnS”，是在一個夾雜物中MnS所占的面積率為50％以上的夾雜物，它由“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”和“內(nèi)部不存在Ti碳化物和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”構(gòu)成。
如同上面的(1)式所示，“占8成以上”的是(1)式中的“A+B”。A和B的定義是，在平行于軋制方向的斷面上1mm2內(nèi)、在當(dāng)量圓直徑為1μm以上的硫化物中，“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”所占的面積和“內(nèi)部不存在Ti碳化物和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”所占的面積。
另外，“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”、“內(nèi)部不存在Ti碳化物和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”、“實質(zhì)的Ti硫化物或/和Ti碳硫化物”以及其它的硫化物、碳硫化物、碳化物、氮化物、氧化物、Al2O3、SiO2等的總面積合計量是(1)式中的C。
(4)即使是含有上述(3)中所述的夾雜物的鋼材，即，基本上不存在“實質(zhì)的Ti硫化物或/和Ti碳硫化物”，鋼中所含有的夾雜物大部分是“實質(zhì)的MnS”，但只要存在“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”，在切削溫度升高的高速度區(qū)域切削時，由于刀具表面上形成硬質(zhì)的TiN膜，保護(hù)了刀具，就可以獲得良好的刀具壽命。
(5)在存在“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和碳氮化物的實質(zhì)的MnS”的鋼中，這種“實質(zhì)的MnS”與以往的JIS SUM22L-24L的復(fù)合易切削鋼中所含的MnS相比，細(xì)小而且個數(shù)增多。在這種場合，這些細(xì)小的“實質(zhì)的MnS”形成切削過程中的應(yīng)力集中的起點(diǎn)，有助于裂紋擴(kuò)展，因而可以獲得與復(fù)合易切削鋼同等以上的切屑處理性。
(6)含有“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”的鋼，熱加工性能完全不存在問題，因而可以增加有效改善切削性能的S含量，在這種場合，對于采用連續(xù)鑄造設(shè)備制造來說不會產(chǎn)生任何障礙。另外，由于添加少量的Ti就可以充分發(fā)揮效果，因而制造成本減小，可適合于制造廉價的鋼材。
如上所述，只要限定合金成分的范圍，調(diào)整夾雜物的形態(tài)，就能獲得良好的切削性能。但是，汽車部件所使用的鋼材，除了切削性能之外，有時還希望具有良好的滲碳性能。因此，本發(fā)明人對于Si和Cr對鋼的性能的影響進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整Si量和Cr量，不會損害上述夾雜物的形態(tài)，因而鋼材的切削性能不會劣化，可以改善滲碳性能。
Si和Cr固溶于奧氏體中，提高鋼的淬透性，增大滲碳處理時的滲碳深度和滲碳層的硬度。除了Si和Cr外，提高淬透性的元素還有Mn、Mo、P等。但是，從切削性能或熱加工性能的角度考慮，相對于S量來說必須含有足夠量的Mn，需要大量添加。在這樣情況下，為了提高淬透性，進(jìn)一步添加Mn會導(dǎo)致制造成本增大。另外，Mo也能有效地提高鋼的淬透性，但Mo的價格比Si和Cr高，因而，如果添加獲得同等效果的相當(dāng)量的Mo，制造成本就將增大。P也具有同樣的效果，但添加P時，鋼材本身的硬度急劇增大，致使切削性能劣化。另外，在不受材料成本限制的場合，這些元素也可以在不損害切削性能和機(jī)械性能的范圍內(nèi)添加。但是，在希望不損害切削性能并且以低的生產(chǎn)成本制造的場合，作為改善滲碳性能的成分優(yōu)先選用Si和Cr。


圖1是表示本發(fā)明的鋼和比較鋼的夾雜物形態(tài)的示意圖。
圖2是表示本發(fā)明的鋼和比較鋼的(A+B)/C與平均加工表面粗糙度的關(guān)系的圖。
圖3是表示本發(fā)明的鋼和比較鋼的平均加工表面粗糙度與刀具壽命的關(guān)系的圖。
圖4是表示本發(fā)明的鋼和比較鋼的切屑處理性與刀具壽命的關(guān)系的圖。
具體實施例方式
1.關(guān)于“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”Ti與S、C、N、O結(jié)合，形成由化學(xué)式TiS和Ti4C2S2表示的Ti硫化物和Ti碳硫化物，由化學(xué)式TiC和Ti(CN)、TiN、TiO表示的Ti碳化物、Ti碳氮化物、Ti氮化物、Ti氧化物等Ti系夾雜物。另外，有時候，Ti固溶于MnS中，以(Mn，Ti)S和形式存在，但這種固溶于MnS中的Ti是極其微量的，因而這種硫化物實質(zhì)上是MnS。
還有的時候，Ti不固溶于MnS中，在一個夾雜物中與MnS明顯地相分離存在。該Ti是以TiC或/和Ti(C，N)的形式存在，即以與MnS的組成明顯不同的形式存在，其存在的形態(tài)是多種多樣的，例如存在于一個硫化物的周圍附近，或者以被包圍在MnS中的形式存在等等。
圖1是在含Ti的易切削鋼中存在的夾雜物的示意圖，其中，(a)是比較例的易切削鋼，(b)是本發(fā)明的易切削鋼。在圖1(a)所示的鋼中，存在許多單獨(dú)存在的Ti的硫化物和碳硫化物，或者在一個夾雜物中與MnS共存的場合Ti的硫化物和碳硫化物所占的面積率為50％以上、實質(zhì)上可以看作是Ti的硫化物和碳硫化物的夾雜物，即前面所述的“實質(zhì)的Ti硫化物或/和Ti碳硫化物”。另一方面，在圖1(b)所示的本發(fā)明鋼中，存在許多Ti碳化物或/和Ti碳氮化物被收入MnS的外周部或內(nèi)部存在的夾雜物，即“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”和“內(nèi)部不存在Ti碳化物和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”。
上述圖1(b)所示的鋼，Ti硫化物和Ti碳硫化物或者Ti碳化物和Ti碳氮化物、Ti氮化物、Ti氧化物以及其它的夾雜物與MnS明顯相分離存在的場合，MnS所占的面積率為50％以上者，被認(rèn)為實質(zhì)上是一個MnS，即“實質(zhì)的MnS”。反之，在一個夾雜物中，這些Ti系夾雜物或由其它成分構(gòu)成的氧化物、氮化物、碳化物等所占的面積率為50％以上的夾雜物，不是“實質(zhì)的MnS”，實際上被認(rèn)為是一個Ti系夾雜物及由其它成分構(gòu)成的氧化物、氮化物、碳化物等。
在上述MnS中，特別是將Ti碳化物或/和Ti碳氮化物與MnS明顯相分離地存在且MnS所占的面積率為50％以上的夾雜物定義為“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”。另一方面，所謂“內(nèi)部不存在Ti碳化物和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”，是指除了Ti碳化物和Ti碳氮化物的上述Ti系夾雜物或者由其它成分構(gòu)成的氧化物、氮化物、碳化物等夾雜物與MnS在一個夾雜物中明顯地相分離存在、并且MnS所占的面積率為50％以上，實質(zhì)上承擔(dān)MnS的作用的MnS，以及完全不存在上述Ti系夾雜物和由其它成分構(gòu)成的氧化物、氮化物、碳化物等夾雜物的MnS。即，“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”和“內(nèi)部不存在Ti碳化物和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”的合計，表示實質(zhì)上被視為MnS的夾雜物(上述的“實質(zhì)的MnS”)的合計，除此之外的夾雜物是Ti硫化物、Ti碳硫化物、Ti碳化物、Ti碳氮化物、Ti氮化物、Ti氧化物等Ti系夾雜物以及由其它元素構(gòu)成的氧化物、碳化物和氮化物等。
上面所述的在一個夾雜物中MnS或Ti系夾雜物所占的面積率，可以通過使用EPMA(電子探針顯微分析儀)和EDX(能量分散型X射線分析裝置)等對由供切削試驗用的圓棒上切取的顯微試驗片進(jìn)行面分析和定量分析來確定。另外，鋼中的“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”和“內(nèi)部不存在Ti碳化物和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”以及其它的夾雜物也可以用同樣的方法確認(rèn)，其總面積和個數(shù)也可以采用圖像分析等方法進(jìn)行測定。此時，可以在許多個視野中進(jìn)行測定，使觀察視野的面積總和超過1mm2，然后將各夾雜物的總面積和個數(shù)換算成每1mm2的平均總面積和平均個數(shù)。
2.規(guī)定(A+B)/C≥0.8的依據(jù)在上述(1)式中，A是在平行于軋制方向的斷面上1mm2內(nèi)、在當(dāng)量圓直徑1μm以上的夾雜物中、“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”所占的總面積，B是在平行于軋制方向的斷面上1mm2內(nèi)的當(dāng)量圓直徑1μm以上的夾雜物中、“內(nèi)部不存在Ti碳化物和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”所占的總面積。這里所說的“當(dāng)量圓直徑”，是指采用上述圖像分析方法求出一個夾雜物的面積、換算成具有相同面積的圓時的直徑。限定“當(dāng)量圓直徑為1μm以上”，是因為小于1μm的夾雜物對于切削性能基本上沒有影響。
上述的(1)式表示，A與B的合計量必須在當(dāng)量圓直徑1μm以上的所有夾雜物所占的總面積的80％以上。只要在這個范圍內(nèi)就能獲得良好的切削性能，更優(yōu)選的范圍是90％以上。另外，如上所述，由A和B表示的以外的夾雜物，是指單獨(dú)存在的氮化物、碳化物、氧化物、“實質(zhì)的Ti硫化物或/和Ti碳硫化物”等。即，(1)式表示，“實質(zhì)的MnS”以外的那些夾雜物的總面積小于所有夾雜物所占的總面積((1)式中的C)的20％，更優(yōu)選的是該總面積小于10％。
如果為了提高切削性能，在含有大量S的鋼中添加Ti，由于Ti比Mn形成硫化物的傾向更強(qiáng)，因而容易形成Ti硫化物和Ti碳硫化物。但是，雖然本發(fā)明中規(guī)定的(1)式是以添加Ti為前提，但其意圖是抑制Ti硫化物和Ti碳硫化物的生成。這是因為，在切削過程中Ti硫化物和Ti碳硫化物阻礙了MnS的擬潤滑效果。一旦MnS的擬潤滑效果受到損害，刀具與被切削材料之間的磨擦力就會升高，在刀具的刀刃部形成刀瘤，致使加工表面粗糙度劣化。因此，必須抑制Ti硫化物和Ti碳硫化物的生成。即，按(1)式中規(guī)定的那樣，鋼中基本上沒有單獨(dú)存在的“實質(zhì)的Ti硫化物或/和Ti碳硫化物”，鋼中所含有的夾雜物的80％以上為“實質(zhì)的MnS”，這樣就可以獲得切削時的擬潤滑效果。
這樣，限定于本發(fā)明所規(guī)定的鋼的組成范圍并且滿足(1)式的場合，在精切削時可以獲得與以往的Pb易切削鋼和復(fù)合易切削鋼同等以上的良好的加工表面粗糙度。另一方面，即使在本發(fā)明規(guī)定的化學(xué)成分范圍內(nèi)，如果不滿足(1)式，也不能得到良好的切削性能。
3.規(guī)定NA≥5的依據(jù)上述(2)式中的NA，是“在平行于軋制方向的斷面上1mm2內(nèi)、在當(dāng)量圓直徑1μm以上的夾雜物中、內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS的個數(shù)”。如上所述，“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”是指在一個夾雜物中MnS所占的面積率為50％以上。這種“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”基本上不損害擬潤滑效果，因而不容易形成刀瘤，被切削材料的加工表面粗糙度不會劣化。
另外，使用硬質(zhì)合金刀具在超過100米/分的高速區(qū)域切削含有“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”的鋼，然后仔細(xì)觀察該刀具表面時，發(fā)現(xiàn)刀具的表面上形成了TiN。據(jù)認(rèn)為，切削過程中在與被切削材料接觸的刀具表面上，由于磨擦引起溫度升高，隨著溫度上升，Ti系夾雜物發(fā)生反應(yīng)而變質(zhì)，形成厚度為幾μm至幾十μm的層狀的硬質(zhì)TiN。TiN的存在可以通過下述方法確認(rèn)，即，切削結(jié)束后，采用Ar濺射除去刀具表面的碳素類污染(油分等)，用AES(俄歇電子分光)或EPMA(電子探針顯微分析儀)對刀具表面進(jìn)行面分析和點(diǎn)分析。根據(jù)這些分析結(jié)果，附著在刀具上的TiN的表面積是被切削材料與刀具的接觸表面的10-80％，其余部分是切削加工時附著的MnS以及Fe或沒有附著物的刀具基體。由于刀具表面上形成了這種硬質(zhì)的TiN，抑制了刀具的熱擴(kuò)散磨損和由于硬質(zhì)夾雜物引起的機(jī)械磨損，與以往的硫易切削鋼以及硫和鉛的復(fù)合易切削鋼相比，可以獲得極好的刀具壽命。
為了獲得上述效果，只要在軋制方向的斷面觀察面上1mm2內(nèi)存在5個以上、最好是10個以上“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”即可。
另一方面，即使在本發(fā)明規(guī)定的化學(xué)組成范圍內(nèi)，如果不滿足(2)式的條件，也不可能獲得良好的切削性能。
在添加了Ti且形成滿足(1)式和(2)式的夾雜物形態(tài)的鋼中，MnS非常細(xì)小地存在。即，MnS的個數(shù)顯著增多。這種微小的MnS，成為切削時產(chǎn)生的切屑的應(yīng)力集中點(diǎn)，有助于切屑內(nèi)的裂紋擴(kuò)展，因而提高了切屑處理性。
綜上所述，只要使鋼中穩(wěn)定地含有“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”，在軋制方向斷面的觀察面上1mm2內(nèi)有5個以上，在軋制方向斷面的觀察面上1mm2內(nèi)的“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”和“內(nèi)部不存在Ti碳化物和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”的合計總面積是所有夾雜物總面積的8成以上，如上面所述，就可以獲得與鉛易切削鋼和復(fù)合易切削鋼同等以上的刀具壽命、加工表面粗糙度和切屑處理性。為了更穩(wěn)定地實現(xiàn)這樣的夾雜物形態(tài)，采用連續(xù)鑄造法以低的生產(chǎn)成本制造具有良好切削性能的鋼材，必須考慮Mn、Ti、S和N和含量的平衡。具體地說，只要按以下所述即可。
(a)Ti(％)/S(％)≤0.25相對于S量添加較多的Ti即以質(zhì)量％比計算Ti/S超過0.25時，鋼中存在很多Ti硫化物和Ti碳硫化物。結(jié)果，不能滿足(1)式，由MnS產(chǎn)生的擬潤滑效果受到損害。此時，切削抗力升高，在刀具的刀刃部往往容易形成刀瘤，結(jié)果，精切削時表面粗糙度劣化，加工精度變差。
反之，相對于S量添加微量的Ti即二者的質(zhì)量比Ti/S為0.25以下時，Ti形成Ti碳化物或Ti碳氮化物，基本上沒有單獨(dú)地存在“實質(zhì)的Ti硫化物或/和Ti碳硫化物”。
Ti碳化物和Ti碳氮化物以各種各樣的形態(tài)析出，有的時候它們存在于一個MnS的內(nèi)部。使用硬質(zhì)合金刀具高速切削含有“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”的鋼時，可以獲得良好的刀具壽命，即，要想抑制單獨(dú)存在的“實質(zhì)的Ti硫化物或/和Ti碳硫化物”的生成，只要將Ti(％)/S(％)調(diào)整到0.25以下就可以。
(b)Mn和S的量以原子比計[Mn]/[S]≥1S是熱加工時引發(fā)裂紋的元素。不過，只要維持適當(dāng)?shù)慕M成，以原子比即以原子數(shù)(摩爾數(shù))之比計使[Mn]/[S]≥1，Mn就會形成MnS結(jié)晶析出，即使Ti(％)/S(％)≤0.25，熱加工性能也不會出現(xiàn)問題。另外，只要在這個范圍內(nèi)，例如在采用連續(xù)鑄造制造的前提下，熱加工性能不存在任何問題，因而可以添加較多的S，增加可有效改善切削性能的MnS，并且，即使是較高的S含量，也不會損害由(1)式和(2)式表示的夾雜物形態(tài)。
在[Mn]/[S]＜1的場合，如果添加的Ti量超過S量，F(xiàn)eS大量固溶于MnS和TiS中的硫化物就會成為主體，不能改善熱加工性能。另外，即使[Mn]/[S]＜1，如果添加的Ti量超過S量，也可以改善熱加工性能。但是，在這種場合，由于Ti形成硫化物的傾向比Mn大，因而生成的主要硫化物不是MnS，比MnS硬質(zhì)的Ti硫化物或Ti碳硫化物成為主體。在這種情況下，如上所述，切削時在刀具與被切削材料之間不能得到由軟質(zhì)的硫化物產(chǎn)生的擬潤滑效果，切削抗力升高，加工表面粗糙度劣化。即，以原子比計將Mn和S的量限定為[Mn]/[S]≥1，具有由MnS產(chǎn)生的提高切削性能的效果同時還可以得到良好的熱延展性能，因而是所希望的條件。
(c)Ti(％)/N(％)≥1.35本發(fā)明的易切削鋼的主要特征在于，含有“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”。假如Ti(％)/N(％)＜1.35，有時候不能充分獲得“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”。在這種情況下，添加的Ti大部分在凝固的初期階段形成TiN結(jié)晶析出，因而不能確保形成“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”所需要的足夠的Ti。因此，Ti(％)/N(％)在1.35以上為宜，為了更穩(wěn)定地獲得“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”，Ti(％)/N(％)在1.5以上即可。
4.化學(xué)組成的限定依據(jù)下面說明在本發(fā)明中限定化學(xué)組成的依據(jù)以及各種成分的作用和效果。
C0.05％至0.20％不到C是對于切削性能影響很大的重要元素。C含量在0.20％以上時，鋼材的強(qiáng)度提高，切削性能劣化，因而不適合于特別要求切削性能的用途。但是，C含量低于0.05％時，鋼材變得過于軟質(zhì)，在切削過程中產(chǎn)生啃削，加速了刀具的磨損，而且加工表面粗糙度增大。因此，適宜的C含量是0.05％至0.20％不到。為了獲得更好的切削性能，C含量的優(yōu)選范圍是0.07-0.18％。
Mn0.4-2.0％Mn與S形成硫化物類夾雜物，是對于切削性能產(chǎn)生較大影響的重要元素。其含量低于0.4％時，形成的硫化物絕對量不足，不能獲得滿意的切削性能。另外，Mn是提高鋼的淬透性的元素，因而在希望獲得良好的滲碳性能的場合，可以增加其含量。但是，為了使Mn與S形成MnS，在含有大量S的本發(fā)明鋼中必須含有大量的Mn。如果為了提高滲碳性能而添加Mn，Mn的含量增加，從制造成本的角度考慮是不利的。因此，將Mn含量的上限規(guī)定為2.0％。超過2.0％時，鋼材的強(qiáng)度升高，切削抗力增大，而且刀具的壽命降低。為了減小切削抗力、提高刀具壽命、改善切屑處理性、提高加工表面粗糙度、改善熱加工性能，Mn的含量與S含量的關(guān)系是重要的。為了確實可靠地獲得這些性能，Mn的含量優(yōu)選的是0.6-1.8％。
S0.21-1.0％S與Mn形成硫化物，是有效改善切削性能的元素。MnS所產(chǎn)生的提高切削性能的效果隨著其生成量而提高，因而S含量的選擇是重要的。其含量低于0.21％時，不能獲得足夠量的硫化物類夾雜物，無法得到滿意的切削性能；反之，通常S含量超過0.35％時，熱加工性能劣化，促進(jìn)了鋼錠中央部位的S偏析，鍛造時引發(fā)裂紋，但只要保持適當(dāng)?shù)慕M成，就可以將其上限提高到1.0％。為了利用MnS改善切削性能，優(yōu)選的是添加更多的S，添加0.35％以上更好，最好是超過0.40％。但是，添加過多時，回收率惡化，導(dǎo)致生產(chǎn)成本升高，因而S含量的優(yōu)選的上限值是0.70％。
Ti0.002-0.10％Ti與N和C形成Ti碳化物或/和Ti碳氮化物，是使鋼中存在內(nèi)部含有這些化合物的MnS所必不可少的重要元素。如上所述，如果鋼材中含有“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”時，使用硬質(zhì)合金刀具高速切削時，刀具的壽命大幅度提高。為了存在這樣的MnS，其含量必須在0.002％以上，不過，為了使其穩(wěn)定地分散于鋼中，不使加工表面粗糙度劣化，獲得良好的刀具壽命，必須考慮Ti的含量與S和N的含量之間的平衡。另外，Ti含量超過0.10％時，由于鋼中存在“實質(zhì)的Ti硫化物或/和Ti碳硫化物”，使得精切削時加工表面粗糙度劣化。因此，將Ti含量的上限定為0.10％。為了更穩(wěn)定地獲得良好的加工表面粗糙度，Ti含量優(yōu)選在0.08％以下，更優(yōu)選的是小于0.03％。
另一方面，Ti的含量低于0.002％時，不能生成提高刀具壽命所需要的足夠量的“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”。為了確實可靠地生成這種MnS，提高硬質(zhì)合金刀具壽命，希望Ti的含量超過0.01％。
P0.001-0.30％P提高鋼的淬透性，同時還提高鋼的強(qiáng)度。為了獲得這種效果，其含量在0.001％以上即可。另外，只要其含量在0.30％以下，切削性能就不會劣化，可以確保淬透性和強(qiáng)度，不過，其含量超過0.30％時，鋼的強(qiáng)度過高，不僅切削性能劣化，而且促進(jìn)了鋼錠中的偏析，致使熱加工性能惡化。因此，將P的含量規(guī)定為0.001-0.30％。對于穩(wěn)定地保持良好的切削性能和強(qiáng)度，更優(yōu)選的含量范圍是0.005-0.13％。
Al0.2％以下(也可以不添加)Al被用來作為強(qiáng)脫氧劑，其含量在0.2％以下就可以。但是，脫氧生成的氧化物是硬質(zhì)的，如果含量超過0.2％，就會生成大量的硬質(zhì)氧化物，致使切削性能劣化。因而，優(yōu)選的是0.1％以下。另外，在添加C和Mn就可以充分脫氧的場合，也可以不添加Al，其含量也可以是0.002％以下的雜質(zhì)含量水平。
O(氧)0.001-0.03％氧在本發(fā)明鋼中的效果并不因為脫氧狀態(tài)而受到損害，含有適量的氧，固溶于MnS中，可以防止由于軋制而引起的MnS的延伸，改善機(jī)械性能的各向異性。另外，氧對于切削性能、熱加工性能和S偏析的改善也是有效的。但其含量超過0.03％時，引起熔煉時耐火材料的劣損。因此，將氧含量的范圍規(guī)定為0.001-0.03％。為了適當(dāng)?shù)孬@得上述效果，更優(yōu)選的含量范圍是0.0015-0.01％。
N0.0005-0.02％N容易與AL和Ti形成硬質(zhì)的氮化物，這些氮化物具有細(xì)化晶粒的作用。但是，如果大量存在這些氮化物，容易加速刀具的損耗，致使切削性能劣化。在本發(fā)明的鋼中，由于Ti是必須添加的成分，因而N的含量越少越好，不過，為了獲得上述效果，規(guī)定含有0.0005％以上。另一方面，N含量過多時，形成粗大的TiN，有可能損害切削性能，因而將N的含量上限規(guī)定為0.02％。為了確保更好的切削性能，N含量的上限優(yōu)選的是0.015％。另外，在本發(fā)明中是利用“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”的存在來提高切削性能，為了使鋼中穩(wěn)定地存在這樣的MnS，Ti和N應(yīng)滿足Ti(％)/N(％)≥1.35。這是因為，如上所述，Ti(％)/N(％)＜1.35時，添加的Ti大部分在凝固的初期階段生成TiN，不能穩(wěn)定地獲得“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”。
通過按以上所述分別調(diào)整含量的各元素構(gòu)成的化學(xué)組成以及(1)式和(2)式所規(guī)定的夾雜物形態(tài)，可以得到具有良好的切削性能、熱加工性能和加工表面性狀的低碳易切削鋼。
本發(fā)明的低碳易切削鋼，可以進(jìn)一步含有選自下列第1組至第3組的至少1組中的1種以上的成分。
(1)第1組元素第1組元素是在上述主要成分之外、不損害本發(fā)明的效果、進(jìn)一步提高鋼的切削性能的元素。因此，為了獲得更好的切削性能，可以含有1種以上的這些元素。
Se0.0005-0.10％、Te0.0005-0.10％Se和Te，與Mn生成Mn(S，Se)和Mn(S，Te)。這些夾雜物與MnS同樣，在切削過程中起到擬潤滑作用，是有效改善切削性能的元素，為了進(jìn)一步提高切削性能可以在上述范圍內(nèi)含有這些元素。但是，它們各自的含量低于0.0005％時，效果不足，反之，Se和Te的含量超過0.10％時，效果達(dá)到飽和，不僅不經(jīng)濟(jì)，而且熱加工性能劣化。為了更穩(wěn)定地兼具良好的熱加工性能和切削性能，它們各自的含量最好是0.0010-0.05％。
Bi0.01-0.3％、Sn0.01-0.3％Bi和Sn具有改善鋼的切削性能的作用。據(jù)認(rèn)為，這是由于它們與Pb同樣，形成低熔點(diǎn)金屬夾雜物，在切削時發(fā)揮潤滑的作用所致。為了確實可靠地獲得這種效果，它們各自的含量在0.01％以上為宜。但是，其含量分別超過0.3％時，上述效果達(dá)到飽和，而且使熱加工性能劣化。為了更穩(wěn)定地兼具良好的熱加工性能和切削性能，它們的含量最好是分別為0.03-0.1％。
Ca0.0001-0.01％Ca對于S和O(氧)具有很高的親和力，在鋼中形成硫化物和氧化物。另外，Ca固溶于MnS中，形成(Mn，Ca)S，但其中固溶的Ca是微量的，因而不會損害MnS的效果。另外，由Ca形成的氧化物是低熔點(diǎn)氧化物，在本發(fā)明的鋼中是進(jìn)一步提高切削性能的有效添加元素。要想確實可靠地獲得添加Ca產(chǎn)生的改善切削性能的效果，Ca的含量下限應(yīng)為0.0001％。但是，由于Ca的添加有效利用率很差，為了提高Ca的含量，必須添加大量的Ca，從生產(chǎn)成本角度考慮是不利的。因此，將Ca含量的上限規(guī)定為0.01％，優(yōu)選的上限值是0.005％。
Mg0.0001-0.005％Mg在鋼中對于S和O(氧)也具有高的親和力，形成硫化物或氧化物。含有Mg的硫化物和氧化物起到MnS的晶核的作用，具有抑制MnS伸長的作用。在需要獲得這種效果的場合也可以添加。為了充分獲得這種效果，Mg含量的下限優(yōu)選在0.0001％以上，但是，Mg所形成的氧化物是硬質(zhì)的，如果Mg的含量過多，將導(dǎo)致切削性能劣化。因此將Mg的含量上限規(guī)定為0.005％。為了兼具抑制MnS伸長的效果和良好的切削性能，優(yōu)選的上限值是0.002％。
B0.0002-0.02％B與O(氧)或N結(jié)合形成氧化物或氮化物，具有提高切削性能的效果，可以根據(jù)需要添加。為了獲得這種效果，其含量在0.0002％以上即可。為了更可靠地獲得這種效果，希望其含量在0.0010％以上。但是，B的含量超過0.02％時，不僅上述效果達(dá)到飽和，而且導(dǎo)致熱加工性能劣化。
稀土元素0.0005-0.02％稀土元素是被分類為鑭系元素的一組元素。添加稀土元素時，通常使用以這些元素為主要成分的混合稀土合金等。本發(fā)明中的稀土元素含量用稀土元素中的1種或2種以上元素的合計量表示。稀土元素與氧形成氧化物，還與S結(jié)合形成硫化物，提高切削性能。為了確實可靠地獲得這一效果，其含量在0.0005％以上即可。但是，其含量超過0.02％時，上述效果達(dá)到飽和。另外，稀土元素的添加有效利用率低，因此若要含有大量稀土元素不經(jīng)濟(jì)。
(2)第2組元素第2組元素都是具有提高鋼的強(qiáng)度的作用的元素。根據(jù)需要，可以含有其中的1種以上元素。
Cu0.01-1.0％Cu具有通過析出強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度的效果。為了獲得這種效果，其含量必須在0.01％以上。為了更確實可靠地獲得這種效果，希望添加0.1％以上。但是，其含量超過1.0％時，不僅熱加工性能劣化，或者由于Cu的析出物粗大化使上述效果達(dá)到飽和，而且導(dǎo)致切削性能降低。
Ni0.01-2.0％Ni具有通過固溶強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度的效果。為了確實獲得這種效果，其含量優(yōu)選在0.01％以上。但是，其含量超過2.0％時，切削性能劣化，同時熱加工性能也變差。
Mo0.01-0.5％Mo是可以提高淬透性的元素，不過，如果為了提高滲碳性能而添加獲得與Si和Cr的添加同等效果的相當(dāng)量的Mo，由于其價格高于Si和Cr，十分昂貴，因而有制造成本增大的缺點(diǎn)。但是，Mo還具有細(xì)化組織、改善韌性的效果，在希望獲得這些效果的場合也可以添加。為了確實獲得這種效果，其含量希望在0.01％以上。但超過0.5％時，不僅上述效果達(dá)到飽和，而且鋼的生產(chǎn)成本增大。
V0.005-0.5％V形成細(xì)小的氮化物和碳氮化物析出，提高鋼的強(qiáng)度。其含量在0.005％以上時可以獲得這種效果，在希望更可靠地獲得這種效果的場合，優(yōu)選的是含有0.01％以上。但其含量超過0.5％時，不僅上述效果達(dá)到飽和，而且生成過多的氮化物和碳化物，導(dǎo)致切削性能降低。
Nb0.005-0.5％Nb形成細(xì)小的氮化物和碳氮化物析出，提高鋼的強(qiáng)度。其含量在0.005％以上時可以獲得這種效果，在希望更可靠地獲得這種效果的場合，優(yōu)選的是含有0.01％以上。但其含量超過0.5％時，不僅上述效果達(dá)到飽和，生成過多的氮化物和碳化物，導(dǎo)致切削性能降低，而且也不經(jīng)濟(jì)。
(3)第3組元素第3組元素是在希望提高鋼的滲碳性能的場合、可以在下述范圍內(nèi)含有其中的一種或二種的元素。
Si0.1-2.0％在權(quán)利要求1-4所述的本發(fā)明的易切削鋼中，沒有有意地添加Si。因此，Si是一種雜質(zhì)，其含量小于0.1％。另外，在權(quán)利要求1-4所述的本發(fā)明的易切削鋼中，有時為了使鋼中的氧適量存在，也添加Si作為脫氧元素，但在這種情況下也不需要有意地殘留，鋼中殘留的Si是雜質(zhì)，其含量小于0.1％。
另外，Si固溶于鐵素體中，提高鋼的強(qiáng)度，同時還具有提高鋼的淬透性的效果。通過提高鋼的淬透性，可以達(dá)到作為汽車部件所需要的提高滲碳性能的目的。僅限于這種場合，可以含有0.1％以上的Si。在希望更確實可靠地提高滲碳性能的場合，希望其含量超過0.6％，但含量超過2.0％時，熱加工性能劣化，或者由于固溶強(qiáng)化鐵素體相，使切削抗力提高，對切削性能產(chǎn)生不利的影響。另外，即使是小于0.1％的雜質(zhì)含量水平，通過適當(dāng)添加C、Mn和Al，也可以使鋼中的氧含量達(dá)到適當(dāng)?shù)姆秶?br> Cr0.03-1.0％Cr提高鋼的淬透性，少量添加就可以提高滲碳性能。含有Cr的鋼，滲碳性能得到改善，滲碳處理后的滲碳層硬度較高，還可以提高有效硬化深度。為了獲得這一效果，Cr的含量在0.03％以上即可。另外，為了更確實可靠地提高滲碳性能，希望其含量高于0.05％。但是，Cr含量超過1.0％時，不僅切削性能劣化，而且制造成本增大。
含有上述Si或/和Cr時，可以獲得具有良好的切削性能和熱加工性能以及良好的滲碳性能的鋼。
實施例1.試料的制備使用高頻加熱感應(yīng)爐制備具有表1和表2中所示的各種組成的150kg鋼錠(直徑約220mm)。表1中所示的是本發(fā)明的鋼，表2中所示的是以往的鋼或比較鋼。為了穩(wěn)定地生成“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”，將這些鑄錠加熱至1250℃的高溫，然后在該溫度保持2小時以上，之后為了模擬所述軋制過程，在1000℃以上進(jìn)行精鍛造，空冷后得到直徑65mm的圓棒。然后，將該延伸鍛造材料加熱至950℃，保持1小時后空冷，進(jìn)行正火處理。另外，比較例的鋼№51-53的熱加工性能很差，鍛造時產(chǎn)生裂紋，不能制成延伸鍛造材料，因而未進(jìn)行以下的調(diào)查。
表1

表2

*表示不滿足本發(fā)明規(guī)定的條件
2.夾雜物形態(tài)的調(diào)查在平行于軋制方向的斷面上觀察到的夾雜物，沿加工方向伸長的和不確定形狀的居多。在調(diào)查夾雜物的個數(shù)和面積時，從延伸鍛造材料的Df/4(Df延伸鍛造材料的直徑)部位的縱斷面方向上切取用于觀察顯微組織的試驗片，將其埋入樹脂中，然后進(jìn)行鏡面拋光，用400倍的光學(xué)顯微鏡觀察并進(jìn)行照相，采用圖像分析等方法求出夾雜物的個數(shù)和面積。此時，所針對的對象是換算成具有同樣面積的圓時的直徑(當(dāng)量圓直徑)為1μm以上的夾雜物。如上所述，將當(dāng)量圓直徑限定為1μm以上是因為小于1μm的夾雜物對于切削性能幾乎沒有什么影響。
另外，按下面所述確認(rèn)這些夾雜物的組成。即，如上所述，從延伸鍛造材料的Df/4(Df延伸鍛造材料的直徑)部位的縱斷面方向上切取顯微試驗片，將該試驗片埋入樹脂中，然后進(jìn)行鏡面拋光，用EPMA(電子探針顯微分析儀)和EDX(能量分散型X射線分析裝置)等進(jìn)行面分析和定時分析。此時的觀察放大倍數(shù)可以在不超過10000倍的范圍內(nèi)選擇，在該觀察放大倍數(shù)下觀察到在一個夾雜物中MnS與Ti碳化物或/和Ti碳氮化物明顯相分離并且MnS的面積率為50％以上的夾雜物，就是“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”。根據(jù)這樣觀察的結(jié)果，求出當(dāng)量圓直徑1μm以上的各個“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”和“內(nèi)部不存在Ti碳化物和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”的面積，計算出在軋制方向斷面上1mm2內(nèi)的這些夾雜物的總面積，進(jìn)而計算出軋制方向斷面上1mm2內(nèi)的所有夾雜物所占的面積的合計量，求出(A+B)/C。
根據(jù)上述結(jié)果測定“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”的個數(shù)，對于在軋制方向斷面上每1mm2內(nèi)的平均個數(shù)為5個以上的鋼，標(biāo)記為“○”。反之，對于“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”不到5個的鋼，標(biāo)記為“×”。另外，表2中所示的比較例的鋼№35-37是不含Ti的Pb易切削鋼和S易切削鋼，實質(zhì)上不含有“內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS”，因而未進(jìn)行這些計算。
3.切削性能試驗在切削性能試驗中，使用將上述延伸鍛造材料外表面切削至直徑60mm的圓棒，進(jìn)行調(diào)查刀具壽命和加工表面粗糙度的試驗。刀具壽命試驗使用未進(jìn)行涂覆處理的、JIS中規(guī)定的P20硬質(zhì)合金刀具，在切削速度150米/分、進(jìn)給量0.10mm/轉(zhuǎn)、切削深度2.0mm以及干式切削的條件下進(jìn)行車削，切削開始30分鐘后測定平均后隙面磨損量。另外，對于30分鐘內(nèi)平均后隙面磨損量達(dá)到200μm以上的試驗材料，測定其到達(dá)時間和當(dāng)時的平均后隙面磨損量(VB)。
以平均厚隙面磨損量(VB)達(dá)到100μm的時間作為刀具壽命的指標(biāo)進(jìn)行評價。對于在試驗過程中由于耐磨性良好、磨損速度極小而導(dǎo)致試驗材料不夠用的情況，根據(jù)車削時間-刀具磨損曲線采用回歸分析計算出平均厚隙面磨損量達(dá)到100μm的時間。另外，在排出的切屑中選取200個有代表性的切屑，測定其重量，算出每單位重量的個數(shù)，評價切屑處理性。
加工表面粗糙度通過精切削后的表面粗糙度進(jìn)行評價，使用觸針式表面粗糙度測定儀評價按下列條件切削后的被切削材料的表面。所述的切削條件是，使用經(jīng)過TiALN多層涂覆的JISK硬質(zhì)合金刀具，切削速度100米/分，進(jìn)給量0.05mm/轉(zhuǎn)，切削深度0.5mm，在使用水溶性乳液型潤滑油的濕式條件下車削。對于在上述條件下切削供試驗用的鋼1分鐘后的試驗片，使用觸針式表面粗糙度測定儀，使觸針沿著試驗片的軸向移動，測定平均加工表面粗糙度(Ra)，評價加工表面粗糙度。
4.熱加工性能試驗為了模擬使用連續(xù)鑄造設(shè)備的制造條件，以按照與上述同樣方法制備的150kg鋼錠的靠近表面部的Di/8(Di鋼錠的直徑)的位置為中心，從鋼錠的高度方向切取直徑10mm、長度130mm的高溫拉伸試驗片，固定間隔為110mm，直接通電加熱至1250℃，保持5分鐘后，以10℃/秒的冷卻速度冷卻至1100℃，保持10秒后以1 0-3/秒的應(yīng)變速度進(jìn)行拉伸試驗。此時，測定斷裂部位的斷面收縮率，評價熱加工性能。
5.滲碳試驗按以下所述進(jìn)行滲碳試驗。即，使用直徑24mm、長度50mm的圓柱形的鋼材作為試驗片。該試驗片是由上述直徑65mm的正火材料的R/2的位置上切取的。將該試驗片加熱至900℃進(jìn)行滲碳處理，然后在850℃擴(kuò)散處理。此時，滲碳時的碳勢(C.P.)值是0.8％，處理時間是75分鐘，擴(kuò)散時的C.P.值是0.7％，處理時間是20分鐘。將滲碳處理結(jié)束后的試驗片放入80℃的油中冷卻，進(jìn)行淬火處理。最后，將試驗片加熱至190℃，在該溫度下保持60分鐘進(jìn)行回火處理。滲碳性能的評價方法如下面所述。
在經(jīng)過滲碳淬火、回火處理的試驗片的距離端部25mm的位置(即長度方向的中央)的橫斷面上，測定從表面到內(nèi)部的維氏硬度分布，求出Hv400的有效硬化深度，判斷該值比以往的鉛復(fù)合易切削鋼大還是小。以往的鉛復(fù)合易切削鋼是表2中的鋼№35，其有效硬化深度是0.25mm。作為滲碳性能的評價，在有效硬化深度相對于鋼№35在±0.05mm即有效硬化深度為0.20-0.30mm的場合，評價為同等；在不到0.20mm的場合，評價為不如；在超過0.30mm時，評價為優(yōu)于。在表3和表4中用○、×和◎表示上述結(jié)果。在同等的場合為“○”，不如的場合為“×”，優(yōu)于的場合為“◎”。
以上試驗結(jié)果匯總示于表3和表4中。另外，圖2中示出(1)式的(A+B)/C與加工表面粗糙度的關(guān)系，圖3中示出加工表面粗糙度與刀具壽命的關(guān)系，圖4中示出切屑處理性與刀具壽命的關(guān)系。
表3

表4

圖2中的鋼№35和36是復(fù)合易切削鋼，鋼№37是硫易切削鋼，它們是迄今為止切削性能最好的鋼。由表3、表4、圖2和圖3可以看出，本發(fā)明鋼的刀具壽命和加工表面粗糙度都良好。另外，本發(fā)明鋼№1-34具有良好的熱加工性能，模擬使用連續(xù)鑄造設(shè)備的實用制造條件的高溫拉伸試驗的斷面收縮率，如表3中所示與復(fù)合易切削鋼和硫易切削鋼同等或更高，沒有任何問題。
表1中的鋼№12-17是為提高滲碳性能而在規(guī)定范圍內(nèi)含有Si和Cr中的至少1種的鋼。在本發(fā)明的鋼中，這些鋼顯示出特別優(yōu)異的滲碳性能。另一方面，鋼№35-55是夾雜物的形態(tài)和化學(xué)組成中有一方落在本發(fā)明規(guī)定的范圍之外的鋼，其刀具壽命、加工表面粗糙度、切屑處理性和熱加工性能中至少有一種性能比本發(fā)明的鋼差。
本發(fā)明的易切削鋼，不含有Pb，具有與以往的Pb易切削鋼和復(fù)合易切削鋼同等以上的切削性能，而且切削后的加工表面性狀也良好。另外，含有Si或/和Cr的鋼還具有良好的滲碳性能。這種鋼的熱加工性能也良好，可以采用連續(xù)鑄造法以低的生產(chǎn)成本制造。由于不含有Pb，不用擔(dān)心環(huán)境污染。因此，本發(fā)明的易切削鋼是非常適合用來作為各種機(jī)械部件的原材料的鋼材。
以上盡管已詳細(xì)說明了本發(fā)明的一些典型的具體實施例，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本質(zhì)上不脫離本發(fā)明的宗旨的范圍內(nèi)對具體實施例可以進(jìn)行一些修改。因此，所有這樣的修改均應(yīng)包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種低碳易切削鋼，其特征在于，以質(zhì)量％計含有C0.05％至0.20％不到、Mn0.4-2.0％、S0.21-1.0％、Ti0.002-0.10％、P0.001-0.30％、Al0.2％以下、O(氧)0.001-0.03％以及N0.0005-0.02％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，鋼中所含的夾雜物滿足下列(1)式和(2)式，(A+B)/C≥0.8····(1)NA≥5····(2)式中，A、B、C和NA的含義如下A在平行于軋制方向的斷面上1mm2內(nèi)、在當(dāng)量圓直徑1μm以上的夾雜物中，內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS所占的總面積；B在平行于軋制方向的斷面上1mm2內(nèi)、在當(dāng)量圓直徑1μm以上的夾雜物中，內(nèi)部不存在Ti碳化物和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS所占的總面積；C在平行于軋制方向的斷面上1mm2內(nèi)、當(dāng)量圓直徑1μm以上的所有夾雜物所占的總面積；NA在平行于軋制方向的斷面上1mm2內(nèi)、在當(dāng)量圓直徑1μm以上的夾雜物中，內(nèi)部存在Ti碳化物或/和Ti碳氮化物的實質(zhì)的MnS的個數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低碳易切削鋼，其特征在于，代替一部分Fe，含有選自下組中的1種以上的元素Se0.0005-0.10％、Te0.0005-0.10％、Bi0.01-0.3％、Sn0.01-0.3％、Ca0.0001-0.01％、Mg0.0001-0.005％、B0.0002-0.02％以及稀土元素0.0005-0.02％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低碳易切削鋼，其特征在于，代替一部分Fe，含有選自下組中的1種以上的元素Cu0.01-1.0％、Ni0.01-2.0％、Mo0.01-0.5％、V0.005-0.5％和Nb0.005-0.5％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低碳易切削鋼，其特征在于，代替一部分Fe，含有選自下組中的1種以上的元素Se0.0005-0.10％、Te0.0005-0.10％、Bi0.01-0.3％、Sn0.01-0.3％、Ca0.0001-0.01％、Mg0.0001-0.005％、B0.0002-0.02％和稀土元素0.0005-0.02％，并且，含有選自下組中的1種以上的元素Cu0.01-1.0％、Ni0.01-2.0％、Mo0.01-0.5％、V0.005-0.5％和Nb0.005-0.5％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的低碳易切削鋼，其特征在于，代替一部分Fe，含有Si0.1-2.0質(zhì)量％和Cr0.03-1.0質(zhì)量％中的1種或2種。
全文摘要
一種低碳易切削鋼，以質(zhì)量％計含有C0.05％－0.20％不到、Mn0.4－2.0％、S0.21－1.0％、Ti0.002－0.10％、P0.001－0.30％、Al0.2％以下、O(氧)0.001－0.03％、N0.0005－0.02％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，鋼中的夾雜物滿足下列(1)式和(2)式，(A+B)/C≥0.8……(1)；N
文檔編號C22C38/00GK1580312SQ20041005886
公開日2005年2月16日 申請日期2004年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月1日
發(fā)明者松井直樹, 西隆之, 加藤徹, 渡里宏二, 長谷川達(dá)也 申請人:住友金屬工業(yè)株式會社