專利名稱：低碳高硫磷易切削鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金行業(yè)易切削結(jié)構(gòu)鋼的成分設(shè)計(jì)，尤其是指硫系易切削結(jié)構(gòu)鋼。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)鋼是常見的鋼鐵品種，近年來，隨著機(jī)械、設(shè)備制造工業(yè)的迅速發(fā)展(機(jī)械加工自動(dòng)化程度的提高、數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)用)，結(jié)構(gòu)鋼材料的易切削化(降低零部件的機(jī)加工成本、提高生產(chǎn)效率)成為鋼鐵使用商的追求(切削加工的費(fèi)用占零件總成本的50％左右，而應(yīng)用零部件的家電、辦公裝備、汽車、IT等行業(yè)價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，易切削鋼的用量在鋼鐵需求總量中的比例逐年上升。如在日本，零件在自動(dòng)化生產(chǎn)線上的切削加工時(shí)間，每縮短1秒，即可節(jié)省1日元。)，為滿足機(jī)械、設(shè)備制造工業(yè)的金屬材料易切削化(金屬材料的切削性能是一個(gè)綜合指標(biāo)，通常是指材料在被切削加工中的生產(chǎn)率、刀具耐用度、切削力、切屑形狀及切削加工之后零件表面粗糙度等。金屬材料的力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)成分及金相組織等直接影響著材料的切削性能。)要求，以結(jié)構(gòu)鋼為基礎(chǔ)的易切削鋼品種也日趨增加。
按照易切削相分類，易切削鋼主要可分為硫系易切削鋼、鉛系易切削鋼。50余年歷史的鉛系易切削鋼(鉛在鋼中以球狀形態(tài)存在，鉛顆粒分布均勻，減少了化學(xué)成分偏析，對(duì)鋼材的力學(xué)性能影響不大。由于鉛的熔點(diǎn)很低，鉛在切削過程中熔解而潤(rùn)滑刀具，能提高切削效率，降低刀具磨損)具備獨(dú)一無二的切削性能并兼?zhèn)湟欢ǖ臋C(jī)械性能，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工行業(yè)(目前國(guó)內(nèi)采用數(shù)控機(jī)床加工零部件，當(dāng)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速大于4000r/min時(shí)，其材料基本上采用鉛系易切削鋼)；然而，鉛是重金屬，對(duì)人體健康有致命的影響(使用鉛系易切削鋼生產(chǎn)的零部件，組裝在電腦、打印機(jī)等辦公自動(dòng)化裝備，汽車零配件、空調(diào)、電視等家電設(shè)備，由于這些設(shè)備有一定的工作溫度，且與人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，因此，不可避免地對(duì)人體健康造成危害。)，且污染環(huán)境(鉛的熔點(diǎn)很低，在高溫下容易揮發(fā)，因此在冶煉和加工過程中，會(huì)不可避免地污染大氣環(huán)境)。在此背景下，硫系易切削鋼受到了鋼鐵制造商(鋼鐵廠)、機(jī)械、設(shè)備制造工業(yè)商(鋼鐵用戶單位)的歡迎，其使用量也不斷增加，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。
硫系易切削鋼(一般來說S含量≥0.04％、P含量≥0.04％，稱之為硫磷易切削鋼；S含量≥0.08％、P含量≥0.04％，稱之為高硫磷易切削鋼；S含量≥0.08％，稱之為高硫易切削鋼；C含量≤0.20％，稱之為低碳易切削鋼)誕生于第一次世界大戰(zhàn)，其特點(diǎn)是在結(jié)構(gòu)鋼中添加適量S、P含量(一般來說，鋼中的S元素，使之產(chǎn)生硫化物夾雜，降低鋼的塑性和橫向性能；鋼中的P元素，提高固溶體強(qiáng)度，從而脆化鐵素體；但是，適量的S、P含量，通過控制硫化物形態(tài)、S、P的均勻分布，對(duì)鋼的機(jī)械性能影響并不大)，目的在于大幅度提高鋼材的機(jī)加工切削性能(為機(jī)械制造業(yè)朝著高速化、精密化及自動(dòng)化方向的發(fā)展提供了材料基礎(chǔ))。硫系易切削鋼的優(yōu)點(diǎn)是沒有鉛污染，屬于環(huán)保型的易切削鋼；缺點(diǎn)是易切削性能低于鉛系易切削鋼。
目前，國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和鋼鐵制造商在硫系易切削鋼的基礎(chǔ)研究方面投入了前所未有的熱情，以期在硫系基礎(chǔ)上開發(fā)新型復(fù)合易切削鋼，使之具備材料上綠色環(huán)保、制造方法上經(jīng)濟(jì)低廉、并兼?zhèn)鋬?yōu)良切削性能和一定機(jī)械性能等特征的環(huán)保型易切削鋼。從國(guó)內(nèi)來看，易切鋼研究、生產(chǎn)的發(fā)展很慢，納入國(guó)標(biāo)的易切削鋼鋼種很少，切削性能與進(jìn)口材料相比存在著較大的差距，目前的研究與應(yīng)用主要涉及材料的設(shè)計(jì)方面(一方面，材料的基本成分影響了鋼的熱加工性，而熱加工性直接決定了該材料能否采用工業(yè)化的連鑄連軋生產(chǎn)模式；另一方面，材料的基本成分也決定了鋼中易切削相—硫化物的組成、形態(tài)和分布，而硫化物的組成、形態(tài)和分布又直徑?jīng)Q定了材料的切削性能。因此，材料的成分設(shè)計(jì)，不僅關(guān)系到理論上的切削性能，也關(guān)系到冶煉、加工工藝的工業(yè)化難易程度。而材料的最終性能取決于成分設(shè)計(jì)、冶煉工藝、加工工藝)，達(dá)到鉛系易切削結(jié)構(gòu)鋼切削性能的硫系易切削鋼，工業(yè)化生產(chǎn)尚未形成(國(guó)內(nèi)對(duì)易切削鋼的冶煉方法、夾雜物控制、熱加工塑性和軋制工藝的研究很少，易切削鋼的關(guān)鍵技術(shù)不成熟，如生產(chǎn)效率高、交貨期短、生產(chǎn)成本低的低碳高硫磷易切削鋼的連鑄及連鑄連軋尚是禁區(qū))，造成了該材料基本依耐于進(jìn)口的局面(進(jìn)口材料基本上是SUM24L、12L14等鉛系易切削鋼)。從國(guó)外來看，一些切削性能較良好的硫系易切削鋼已納入標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)牌號(hào)的1211鋼(C≤0.13％，Mn＝0.60～0.90％，P＝0.07～0.12％，S＝0.10～0.15％)、1213鋼(C≤0.13％，Mn＝0.70～1.00％，P＝0.07～0.12％，S＝0.24～0.33％)，最新的研究進(jìn)展也發(fā)表了不少專利(如日本住友公司在中國(guó)申請(qǐng)的專利一種低碳硫易切削鋼，申請(qǐng)?zhí)?3103453.5)，但是，這些納入生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)或發(fā)表的專利均存在以下幾個(gè)方面的問題一是高硫磷鋼的熱脆性難以控制，導(dǎo)致生產(chǎn)困難；二是絕大部分發(fā)表的專利采用的是實(shí)驗(yàn)室手段，如中頻爐或小電爐冶煉、澆注鋼錠、鍛制棒材的工藝生產(chǎn)出來的，這樣的工藝無法模擬連鑄和連軋工藝，因而其研究成果難以轉(zhuǎn)化到工業(yè)化生產(chǎn)中；三是其切削性能穩(wěn)定性較差，要真正替代鉛系易切削鋼(切削性能良好的鉛系易切削鋼，零部件加工時(shí)，數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)到4000r/min，以φ20mm的易切削鋼棒材為例，棒材表面的線速度可達(dá)到251.327m/min)，尚不具備工業(yè)化生產(chǎn)的能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明開發(fā)一種低碳高硫磷易切削鋼，適用于冶煉工藝、加工工藝的工業(yè)化(連鑄連軋)生產(chǎn)，該易切削鋼在具備一定機(jī)械性能(符合標(biāo)準(zhǔn)要求)的同時(shí)，兼?zhèn)涞吞笺U系易切削鋼(例如12L14鉛系易切削鋼)相當(dāng)?shù)那邢骷庸ば阅?零部件加工時(shí)，易切削鋼棒材表面的線速度可達(dá)到300m/min)，滿足了市場(chǎng)的需要。
本發(fā)明開發(fā)的低碳高硫磷易切削鋼，其特征在于鋼的化學(xué)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％，其余為Fe；且[Mn]/[C]＝10～50、[Mn]/[Si]≥20(改善連鑄過程和熱軋過程的熱塑性)，[Si]/[S]≤0.3(獲得優(yōu)良加工性能相匹配的材料的硫化物分布)。
上述鋼的最佳化學(xué)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％，其余為Fe；且[Mn]/[C]＝10～50、[Mn]/[Si]≥20，[Si]/[S]≤0.3。
上述低碳高硫磷易切削鋼中，硫化物尺寸、分布直徑≥1.69μm的硫化物數(shù)量(N0)＞1000個(gè)/mm2，其中直徑≥5.08μm的硫化物數(shù)量(N1)占40％以上，也就是(N1*100/N0)＞40％，面積≥40μm2的硫化物數(shù)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的條件下，硫化物尺寸、分布可以達(dá)到滿意的效果，成品易切削鋼能獲得相匹配的優(yōu)良加工性能)。
上述低碳高硫磷易切削鋼，選用Nb＝0.005～0.020％，Ti＝0.01～0.05％，B＝0.0003～0.0080％三種元素中的至少一種；同時(shí)，選用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％中的至少一種。
上述低碳高硫磷易切削鋼的主要原料為廢鋼(適應(yīng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的需要)時(shí)，需控制廢鋼原料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％。
上述材料每種元素的作用如下C碳是保證易切削鋼具有一定硬度和強(qiáng)度的重要元素之一。C＝0.03％～0.20％對(duì)切削性能有利。由于C含量多少是影響鋼的硬度的一個(gè)關(guān)鍵的元素，而鋼的硬度對(duì)鋼的切削性能的影響成正態(tài)分布，在鋼的硬度達(dá)到HB＝180時(shí)，其切削性能達(dá)到峰值，原因是，鋼中碳含量過高，以鐵素體為基的珠光體數(shù)量增加，會(huì)導(dǎo)致鋼的硬度和強(qiáng)度升高，使鋼的切削性能下降。若鋼中碳含量低于0.03％，則基體中鐵素體組成數(shù)量增加，鋼的強(qiáng)度、硬度下降，由于鋼太軟太韌，使切削性能下降，并影響切削加工時(shí)零件的尺寸精度。
Si硅用于控制低碳易切削鋼的脫氧程度，是影響鋼中硫化物夾雜變形和切削性能的關(guān)鍵元素，同時(shí)也是惡化切削性能的元素之一。硅在鋼中形成硅酸鹽，會(huì)導(dǎo)致刀具磨損，硅高會(huì)促使磷從基體中析出，在晶界易形成磷化物薄膜，惡化鋼的熱加工性能。優(yōu)選地硅控制在0.10％以下。
Mn錳是一種改善鋼的淬透性和提高強(qiáng)度的元素，錳與硫結(jié)合形成的MnS是鋼中一種最重要的易切削相，能改善切削性能。為保證鋼中生成的硫化物主要以MnS的形式存在；同時(shí)為了保證高溫和常溫下的加工性能和必要的力學(xué)性能，鋼中必須含有0.60～2.00％的錳。錳含量過高會(huì)增加強(qiáng)度和韌度，降低切削性能，錳含量過低，則MnS生成量少，不利于改善切削性能。
P磷是易切削元素。磷溶解在鐵素體中，能提高鐵素體硬度，起到改善冷加工后成品的表面光潔度和切削加工時(shí)良好的斷屑作用，因此要求控制磷含量在0.04％～0.15％；如P大于0.15％，熱加工性惡化。
S硫是主要易切削元素之一，硫?qū)Ω纳埔浊邢麂摰那邢餍阅芫哂屑捌滹@著的作用，隨著鋼中硫含量的增加，鋼的切削性能指數(shù)明顯提高。硫以硫化錳(MnS)的形式分布在鋼中，由于MnS夾雜物割斷了基體的連續(xù)性而使切屑易斷，又由于MnS的潤(rùn)滑作用而降低了刀具的磨損，從而改善了鋼材的切削加工性能，因此要求S在0.08％以上。由于MnS在熱軋過程中沿軋制方向伸長(zhǎng)，加劇了鋼材各向異性，降低了硫易切削鋼的橫向力學(xué)性能，而且鋼中硫含量超過一定的數(shù)值后，熱加工困難，鋼材表面磨修量增加，成材率下降，因此硫含量控制在0.50％以下。
N氮能與鋁、鈦、釩、硼、鈮等元素結(jié)合，在鐵素體晶界處生成氮化物和碳氮化物，有利于細(xì)化晶粒，改善鋼的強(qiáng)度，在凝固過程中這些夾雜物作為硫化物的析出核心，有利于硫化物的均勻分布，從而改善切削性能。當(dāng)?shù)砍^0.020％時(shí)，容易生成大顆粒的夾雜物，影響刀具壽命。
Ca鈣作為夾雜物變性劑加入鋼中，與易切削鋼中的硅、鋁等復(fù)合氧化，形成CaO.Al2O3.2SiO2(鈣斜長(zhǎng)石)復(fù)合氧化物。當(dāng)切削溫度升高時(shí)，該復(fù)合氧化物會(huì)在刀具切削刃面上軟化和堆積，形成積屑瘤，從而妨礙切屑與刀具直接接觸，抑制了刀具的磨損。鈣常用作為煉鋼的脫氧劑，在鋼凝固過程中，其氧化產(chǎn)物作為硫化物形核核心，可以促進(jìn)硫化物的析出及硫化物的均勻分布，鈣還起到改變硫化物形態(tài)的作用。當(dāng)鈣低于0.0001％時(shí)，以上作用不充分；由于鋼中鈣溶解度最大0.01％，因此鈣含量不大于0.01％。
Mg鎂是比鈣更活躍的金屬元素，常用作煉鋼脫氧劑、脫硫劑。在鋼液凝固過程中，鎂的脫氧產(chǎn)物作為硫化物的形核核心，可以促進(jìn)硫化物的均勻分布；鎂還起到改善硫化物形態(tài)的作用。
Al鋁可以用于控制低碳易切削鋼的脫氧，但是鋁與氧結(jié)合形成高熔點(diǎn)、高硬度的氧化鋁，會(huì)加劇對(duì)刀具的磨損，更優(yōu)選地將鋁控制在0.005％以下。
O易切鋼中適當(dāng)?shù)难鹾繉?duì)改善鋼中硫化物形態(tài)有利，故易切鋼在脫氧方式的選擇上一般采用不完全脫氧方式，以保證鋼中適當(dāng)?shù)难鹾?。氧與硅、鋁、鈣、鎂、鈮、鈦、硼等脫氧元素結(jié)合形成的脫氧產(chǎn)物，在凝固過程中作為硫化物的析出核心，有利于硫化物的均勻分布，從而改善切削性能。當(dāng)氧含量低于0.003％時(shí)，以上作用不充分，當(dāng)氧含量大于0.015％時(shí)，會(huì)造成鋼的連鑄困難，表面質(zhì)量惡化，并影響鋼的熱加工性能。
Nb可以不添加鈮，若添加鈮，則鈮的氧化物、氮化物、碳氮化物可以細(xì)化晶粒，改善鋼的機(jī)械性能，在凝固過程中還可作為硫化物的析出核心，改善硫化物的形態(tài)和促進(jìn)其均勻分布。當(dāng)鈮含量大于0.020％時(shí)，會(huì)惡化鋼的熱加工性，且大顆粒的鈮的氮化物會(huì)惡化鋼材的切削性能，導(dǎo)致刀具壽命下降。
Ti可以不添加鈦，若添加鈦，則鈦的氧化物、氮化物、碳氮化物可以細(xì)化晶粒，改善鋼的機(jī)械性能，在凝固過程中還可作為硫化物的析出核心，改善硫化物的形態(tài)和促進(jìn)其均勻分布。當(dāng)鈦含量大于0.05％時(shí)，會(huì)形成大顆粒、高熔點(diǎn)的鈦氮化物，惡化切削性能。
B可以不添硼，若添加硼，硼容易與O、C、N等元素結(jié)合形成各類夾雜物，并在高溫下析出，促進(jìn)硫化物的均勻分布。硼的夾雜物在晶界沉淀，起到細(xì)化晶粒的作用。因此硼能提高鋼的強(qiáng)度和淬透性。當(dāng)硼含量高于0.010％時(shí)，容易生成大顆粒的高熔點(diǎn)夾雜物，影響刀具壽命，并惡化材料的切削性能。
Cr可以不添加Cr，若添加Cr，能提高鋼的硬度和淬透性，改善易切削鋼的機(jī)械性能。當(dāng)Cr含量高于0.50％時(shí)，鋼的硬度增加過多，不利于改善切削性能。對(duì)于以廢鋼為主要原料的鋼廠，熔煉鋼水即使不添加Cr，也能滿足Cr的成分要求。
Ni可以不添加Ni，若添加Ni，能提高鋼的硬度和淬透性，改善易切削鋼的機(jī)械性能。當(dāng)Ni含量高于0.50％時(shí)，鋼的硬度增加過多，不利于改善切削性能。對(duì)于以廢鋼為主要原料的鋼廠，熔煉鋼水即使不添加Ni，也能滿足Ni的成分要求。
Cu可以不添加銅，若添加0.50％以下的銅，使鋼獲得合適的硬度，當(dāng)Cu大于0.50％時(shí)，鋼的熱加工性能惡化。對(duì)于以廢鋼為主要原料的鋼廠，熔煉鋼水即使不添加銅，也能滿足銅的成分要求。
Sn可以不添加Sn，若添加Sn，Sn與鐵素體固溶，并脆化鐵素體組織，從而改善切削性能。當(dāng)Sn含量高于0.20％時(shí)，鋼的熱加工性能惡化。對(duì)于以廢鋼為主要原料的鋼廠，熔煉鋼水即使不添加Sn，也能滿足Sn的成分要求。
As可以不添加As，若添加As，As與鐵素體固溶，并脆化鐵素體組織，從而改善切削性能。當(dāng)As含量高于0.20％時(shí)，鋼的熱加工性能惡化。對(duì)于以廢鋼為主要原料的鋼廠，熔煉鋼水即使不添加As，也能滿足As的成分要求。
Sb可以不添加Sb，若添加Sb，Sb與鐵素體固溶，并脆化鐵素體組織，從而改善切削性能。當(dāng)Sb含量高于0.05％時(shí)，鋼的熱加工性能惡化。對(duì)于以廢鋼為主要原料的鋼廠，熔煉鋼水即使不添加Sb，也能滿足Sb的成分要求。
在實(shí)施以上成分控制的同時(shí)，需對(duì)以下元素重量百分含量的比例實(shí)施進(jìn)一步的控制[Mn]/[C]＝10～50本發(fā)明的宗旨在于實(shí)現(xiàn)低碳硫系易切削鋼的連鑄連軋的工業(yè)化生產(chǎn)，將錳碳比控制在此范圍內(nèi)，材料的熱加工性最好。其機(jī)理是鋼液在凝固過程中，碳含量對(duì)凝固前沿枝晶間的微觀偏析產(chǎn)生重要影響，當(dāng)鋼中碳含量在0.10～0.20％時(shí)，鋼液的凝固由單一的δ相凝固轉(zhuǎn)變?yōu)棣摹媚?，P、S在γ相中的分配系數(shù)減少了一半以上，因而P、S的偏析顯著增加；降低鋼中碳含量，有利于抑制P、S的偏析，而提高錳含量，有利于進(jìn)一步抑制S的偏析；因此，提高錳碳比，能降低鋼的內(nèi)裂紋敏感性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明(圖2)當(dāng)錳碳比小于10時(shí)，連鑄坯內(nèi)裂紋指數(shù)急劇上升，鋼的熱加工性惡化；當(dāng)錳碳比在10～50時(shí)，連鑄坯內(nèi)裂紋指數(shù)顯著降低，鋼的熱加工性優(yōu)良，可以獲得92％以上的成材率；當(dāng)錳碳比大于50時(shí)，鋼中鐵素體含量增加，硬度降低，切削性能惡化。
/[Si]≥20將錳硅比控制在此范圍內(nèi)，鋼的熱加工性最好。其機(jī)理是凝固過程中I型硫化物(硫化物的類型可分為I型、II型、III型，控制脫氧程度將決定硫化物的類型；I型硫化物的生成條件是鋼的脫氧程度很差，鋼中氧/硫很高。硫在鋼液中的溶解度隨鋼液成分不同而變化。鋼液中氧含量少時(shí)硫的溶解度高，脫氧程度差時(shí)鋼液中氧含量高，鋼液溶解硫的能力比較小，硫在較高的溫度下就開始達(dá)到飽和，并開始析出液態(tài)硫化物；而且多半是氧化物和硫化物在凝固過程中同時(shí)析出，形成球形復(fù)合夾雜物，無規(guī)則的分布在鋼中。)往往與氧化物復(fù)合于高溫析出，由于易切削鋼不用鋁脫氧，則在一定的碳含量水平下，降低Si含量，等于提高了鋼中氧含量，可以促進(jìn)I型硫化物的生成，提高錳含量，可進(jìn)一步促進(jìn)硫化錳的生成，抑制低熔點(diǎn)鐵硫共晶體的生成，改善了連鑄過程中的熱脆性，抑制了連鑄坯晶界處裂紋的生成和擴(kuò)展，改善了鋼的熱加工性。具體實(shí)施證據(jù)見圖3。
/[S]≤0.30將硅硫比控制在此范圍內(nèi)，鋼的切削性能最好，其機(jī)理是降低鋼中硅含量，等于提高了鋼中氧含量，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，從而改善切削性能。在控制低的硅含量的同時(shí)，向鋼液添加Ca、Mg、Nb、B、Ti等強(qiáng)脫氧元素，形成彌散分布的脫氧產(chǎn)物，該脫氧產(chǎn)物作為硫化物的形核核心，促進(jìn)了硫化物的均勻分布，高熔點(diǎn)的脫氧夾雜物作為硫化物核心，在熱加工過程中更不容易變形，因而對(duì)硫化物形態(tài)有利。因此硅硫比控制了硫化物的分布，當(dāng)硅硫比≤0.30，同時(shí)鋼中Ca＝0.0001～0.0100％、Mg＝0.0001～0.010％、Al＝0.001～0.010％、O＝0.0030～0.0150％時(shí)，能獲得以下特征的硫化物分布直徑≥1.69μm的硫化物數(shù)量N0＞1000個(gè)/mm2，其中直徑≥5.08μm的硫化物數(shù)量N1占40％以上，也就是N1*100/N0＞40％，面積≥40μm2的硫化物數(shù)量N2占35％以上，也就是N2*100/N0＞35％(具有該特征的硫化物分布的低碳易切削鋼具有12L14等低碳鉛系易切削鋼相當(dāng)?shù)那邢餍阅?，具體實(shí)施證據(jù)見圖6-9)。
和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)1、易切削鋼無需添加Pb、Te等有毒物質(zhì)，對(duì)環(huán)境友好；2、易切削鋼無需添加Bi、Zr、Ni等昂貴金屬，節(jié)約資源，降低了生產(chǎn)成本；3、用于易切削鋼的原料，適應(yīng)性強(qiáng)，可以循環(huán)使用含P、S、Cu、Sn、Sb等各類返回廢鋼，有利于循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展；4、具有低碳鉛系易切削鋼相當(dāng)?shù)那邢餍阅?，同普通硫系鋼比較，機(jī)械加工效率高、刀具更耐用、加工的工件尺寸精度和表面光潔度更高；5、具有良好的熱加工性，適合于連鑄連軋的工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明1#材料的連鑄坯低倍硫印照片；圖2是[Mn]/[C]對(duì)連鑄坯裂紋的影響；圖3是[Mn]/[Si]對(duì)連鑄坯裂紋的影響；
圖4是本發(fā)明10#材料的橫截面晶粒度照片；圖5是Pxioplan2顯微鏡金相儀觀察的本發(fā)明4#材料Φ6.5mm線材(縱截面)的硫化物照片；其中圖5-1是試樣中心區(qū)域的硫化物照片(X500)圖5-2是試樣邊沿區(qū)域的硫化物照片(X500)圖6是[Si]/[S]與硫化物面積比；圖7是[Ca]含量與硫化物直徑；圖8是4#材料的硫化物電鏡照片；圖9是圖8的能譜分析10是本發(fā)明4#材料加工的零件圖紙具體實(shí)施方案某鋼鐵公司煉鋼分廠實(shí)施本發(fā)明專利，其特征在于環(huán)保型低碳高硫磷易切削鋼的化學(xué)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％，其余為Fe；且[Mn]/[C]＝10～50、[Mn]/[Si]≥20(控制連鑄過程的熱脆性。由圖2，連鑄坯裂紋指數(shù)隨[Mn]/[C]的增加而下降；提高錳碳比，能降低鋼的內(nèi)裂紋敏感性。由圖3，[Mn]/[Si]＞≥20，連鑄坯內(nèi)裂紋指數(shù)明顯下降；提高錳含量，可進(jìn)一步促進(jìn)硫化錳的生成，抑制低熔點(diǎn)鐵硫共晶體的生成，改善了連鑄過程中的熱脆性，抑制了連鑄坯晶界處裂紋的生成和擴(kuò)展，改善了鋼的熱加工性。)，[Si]/[S]≤0.3(為了考察材料成分與硫化物特征的關(guān)系，依據(jù)表3硫化物與表1的化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)，分析了[Si]/[S]和Ca含量與硫化物的關(guān)系圖6，當(dāng)[Si]/[S]小于0.30時(shí)，硫化物面積比明顯增加；圖7，當(dāng)鋼中鈣含量增加時(shí)，硫化物直徑明顯增加。獲得以下特征的硫化物分布直徑≥1.69μm硫化物數(shù)量N0＞1000個(gè)/mm2，其中直徑≥5.08μm的硫化物數(shù)量N1占40％以上，也就是N1*100/N0＞40％，面積≥40μm2的硫化物數(shù)量N2占35％以上。)。
工業(yè)化(生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)，高硫磷鋼的熱加工性能非常差，具體表現(xiàn)在連鑄過程容易漏鋼，連鑄坯容易發(fā)生嚴(yán)重的角部裂紋、中間裂紋和中心裂紋，熱軋過程坯料頭部容易開裂，因而軋制風(fēng)險(xiǎn)很大。)連鑄連軋生產(chǎn)(冶煉工藝采用寶鋼集團(tuán)上海五鋼有限公司發(fā)明的低碳高硫(硫磷)易切削結(jié)構(gòu)鋼連鑄坯的生產(chǎn)方法，專利申請(qǐng)?zhí)?00520024205.4；加工工藝采用寶鋼集團(tuán)上海五鋼有限公司發(fā)明的高硫(硫磷)易切削結(jié)構(gòu)鋼的熱連軋生產(chǎn)方法，專利申請(qǐng)?zhí)?00410084414.3)的環(huán)保型低碳高硫磷易切削鋼(示例的化學(xué)成分見表1，表1中備注欄標(biāo)注*指其化學(xué)成分偏離了本發(fā)明范圍。)Φ5-30mm線材成品，具體工藝是60噸交流電弧爐→60噸LF精煉爐→160×160方3機(jī)3流弧形連鑄機(jī)→34機(jī)架摩根軋機(jī)熱加工軋制。
連鑄坯質(zhì)量達(dá)到了優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)坯的標(biāo)準(zhǔn)(見圖1，隨機(jī)抽取1#材料的連鑄坯低倍硫印照片)，連鑄坯坯料熱軋生產(chǎn)(經(jīng)上千次軋制生產(chǎn)，沒有發(fā)現(xiàn)坯料在熱軋過程中開裂，證實(shí)該材料具有優(yōu)良的熱加工性)的Φ5-30mm線材成品性能可靠(對(duì)各種規(guī)格的線材和盤圓進(jìn)行了機(jī)械性能、硬度、低倍組織的分析，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2所示。)、質(zhì)量穩(wěn)定(10#材料軋制的Φ10mm線材晶粒度達(dá)到9級(jí)，硫化物在晶界均勻分布，其晶粒度照片見圖4。4#材料軋制的Φ6.5mm線材，從試樣中心到邊緣區(qū)域硫化物分布均勻，硫化物尺寸分布合理，采用Pxioplan2顯微鏡金相儀觀察的硫化物照片見圖5；該分布特征的硫化物在隨后的切削性能試驗(yàn)中證實(shí)具有與低碳鉛系易切削鋼相當(dāng)?shù)那邢餍阅堋?，線材成品的硫化物檢測(cè)數(shù)據(jù)(表3)符合理想要求(為進(jìn)一步考察硫化物分布的具體數(shù)據(jù)，對(duì)選自表3材料號(hào)軋制成為各種規(guī)格的線材，檢測(cè)了硫化物數(shù)量、硫化物面積、直徑(寬度)、長(zhǎng)度，計(jì)算了硫化物的長(zhǎng)寬比，統(tǒng)計(jì)分析了直徑≥5.08μm的硫化物數(shù)量在總硫化物數(shù)量中的百分比，面積≤25μm2和≥40μm2的硫化物數(shù)量在總硫化物數(shù)量中的百分比，并與低碳鉛系易切削鋼進(jìn)行了對(duì)比。由數(shù)據(jù)可見，3#、4#、5#、6#材料與低碳鉛系鋼具有相似的硫化物分布特征，如硫化物平均直徑≥4.91μm，直徑≥5.08μm的硫化物數(shù)量在總硫化物數(shù)量中的百分比都在45％以上，硫化物面積≥40μm2的硫化物數(shù)量在總硫化物數(shù)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。后續(xù)的切削性能試驗(yàn)證實(shí)，與鉛系易切削鋼有相似硫化物特征的材料具有優(yōu)良的切削加工性能。)。
實(shí)施本發(fā)明專利生產(chǎn)的Φ5-30mm線材和棒材成品，經(jīng)用戶使用，切削性能和機(jī)械性能優(yōu)良，數(shù)控機(jī)床加工零部件時(shí)，數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)到5000r/min，棒材表面的線速度可達(dá)到300m/min(見表6。切削性能達(dá)到鉛系易切削鋼的水平)，滿足了機(jī)械制造商的要求。
材料的切削性能示例1選自4#材料的熱軋線材，在上海青浦欣展公司開展了兩種零件的切削性能試驗(yàn)，零件加工圖(見圖10)所示。
試驗(yàn)工藝熱軋線材(∮6.5)→酸洗堿洗→冷拔(∮6.1)→下料(長(zhǎng)度2750mm/支)→數(shù)控機(jī)床(型號(hào)12BO12-II型，日本TSUGAMI公司產(chǎn)，刀具鎢鋼刀，臺(tái)灣產(chǎn))→成品零件零件標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度410.5mm，需開孔；徑向尺寸公差≤0.04mm，表面光潔度RA＝1.6(用戶常規(guī)生產(chǎn)狀態(tài)下使用SUM24L鉛系鋼的切削速度為4000r/min，進(jìn)給量為0.03mm/r。)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)給量0.03-0.10mm/r，切削速度分別為4000、4500、5000r/min。
試驗(yàn)結(jié)果與SUM24L完全相等的切削速度下，4#材料切削加工生產(chǎn)順利；切屑斷屑性與含鉛易切削鋼相當(dāng)；零件尺寸精度、表面光潔度均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求，零件的尺寸精度和加工工序能力指數(shù)等詳細(xì)情況(見表5)。零件還進(jìn)行了鉆削、銑削試驗(yàn)，4#材料鉆孔性能、銑削性能均達(dá)到了鉛系鋼的水平。
材料的切削性能示例2選自5#、6#材料的熱軋線材，在廈門科隆電氣公司開展了多種材料的切削性能對(duì)比試驗(yàn)。
試驗(yàn)工藝熱軋盤圓(∮18)→酸洗堿洗→冷拔(∮16)→下料(長(zhǎng)度2750mm/支)→數(shù)控機(jī)床(刀具陶瓷)→成品零件零件標(biāo)準(zhǔn)徑向尺寸公差≤0.04mm，表面光潔度RA＝1.6(用戶常規(guī)生產(chǎn)狀態(tài)下使用鉛系鋼(12L14)的切削速度為4000r/min，進(jìn)給量為0.06mm/r。)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)給量0.06mm/r，切削速度為4200-5000r/min試驗(yàn)結(jié)果在高于12L14的切削速度下，5#、6#材料的切削加工生產(chǎn)順利；切屑斷屑性與含鉛易切削鋼相當(dāng)；零件尺寸精度、表面光潔度均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。
化學(xué)成分 表1

機(jī)械性能相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)表(材料狀態(tài)熱軋)表2

硫化物尺寸、分布 表3

4#材料加工的零件尺寸及其工序能力指數(shù) 表5

5#、6#材料的切削性能對(duì)比試驗(yàn)參數(shù)表6

權(quán)利要求
1.低碳高硫磷易切削鋼，其特征在于鋼的化學(xué)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％，其余為Fe；且[Mn]/[C]＝10～50、[Mn]/[Si]≥20，[Si]/[S]≤0.3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低碳高硫磷易切削鋼，其特征在于鋼的化學(xué)元素成分(重量％)控制范圍是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％，其余為Fe；且[Mn]/[C]＝10～50、[Mn]/[Si]≥20，[Si]/[S]≤0.3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低碳高硫磷易切削鋼，其特征在于上述鋼的硫化物尺寸、分布直徑≥1.69μm的硫化物數(shù)量(N0)＞1000個(gè)/mm2，其中直徑≥5.08μm的硫化物數(shù)量(N1)占40％以上，也就是(N1*100/N0)＞40％，面積≥40μm2的硫化物數(shù)量(N2)占35％以上，也就是(N2*100/N0)＞35％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低碳高硫磷易切削鋼，其特征在于鋼的化學(xué)元素成分(重量％)控制范圍是選用Nb＝0.005～0.020％，Ti＝0.01～0.05％，B＝0.0003～0.0080％三種元素中的至少一種；同時(shí)，選用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％中的至少一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低碳高硫磷易切削鋼，其特征在于上述低碳高硫磷易切削鋼的主要原料為廢鋼時(shí)，需控制廢鋼原料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％。
全文摘要
低碳高硫磷易切削鋼，其特征在于鋼的化學(xué)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％，其余為Fe；且[Mn]/[C]＝10～50、[Mn]/[Si]≥20(改善連鑄過程和熱軋過程的熱塑性)，[Si]/[S]≤0.3(獲得優(yōu)良加工性能相匹配的材料的硫化物分布)。本發(fā)明工業(yè)化(電爐冶煉；鋼液連鑄；連軋機(jī)熱加工軋制)生產(chǎn)的Φ5－30mm線材和棒材成品，硫化物尺寸、分布是直徑≥1.69μm的硫化物數(shù)量＞1000個(gè)/mm
文檔編號(hào)C22C38/42GK1718828SQ20051002739
公開日2006年1月11日 申請(qǐng)日期2005年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月30日
發(fā)明者胡俊輝, 楊偉寧, 徐薌明, 林俊 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司