含錫易切削結構鋼的製作方法

2023-06-09 14:39:16

專利名稱：含錫易切削結構鋼的製作方法
技術領域：
本發明為系列含錫易切削結構鋼，它可以替代含鉛易切削鋼，在機械加工業得到廣泛的應用。本發明屬於鐵基合金的技術領域。
背景技術：
易切削鋼現主要應用於汽車工業、儀器儀表、標準件等機械製造業。目前全世界年消耗已超過400萬噸，其中半數由美國、日本生產。2000年我國易切削鋼需求量約為40～50萬噸，而我國年產量僅3萬多噸，需大量進口。隨著我國現代化工業的發展，易切削鋼市場潛力巨大。
現有的易切削鋼品種主要是在0.10％～0.50％的碳鋼系列中加入易切削元素形成的。最廣泛使用的易切削元素是硫和鉛。而硫和鉛易切削鋼具有各自的局限。高硫的易切削鋼因硫化錳夾雜的大量存在，只適用於對綜合力學性能要求不高的部件使用；鉛易切削鋼的各項性能較好，但鉛的毒性較大，且易揮發，生產和使用鉛易切削鋼對環境的汙染較大。因此，以其他與鉛性能相近但無毒的元素替代鉛就成了易切削鋼發展的重要課題。
美國已開發出一種用錫代鉛的易切削鋼，並將投入市場。該切削鋼的機械性能與含鉛易切削鋼基本相同，更易於切削，更利於環境且易於冶煉。這一環保產品已申請了美國專利「Tin-bearingfree-machining steel」(US 5961747，Oct.5，1999)。他們的專利要求的化學成分(wt％)範圍是碳0～0.25，銅0～0.5，錳0.01～2，氧0.003～0.03，硫0.002-0.8，錫0.04-0.08，鋁0～0.005，氮0～0.015，磷0.01～0.15，矽0～0.05，同時錳硫比為2.9～3.4，硫、錫和銅的總量不超過0.9。

發明內容
本發明的目的在於，開發出一系列高性能的含錫易切削結構鋼，以逐步替代目前市場上廣泛使用的含硫易切削鋼和含鉛易切削鋼，從而克服高硫易切削鋼夾雜物多，冶煉時空氣汙染嚴重和含鉛易切削鋼冶煉、加工以及鋼材回收時鉛對環境和人體健康易造成危害的問題。同時要保證這類易切削鋼具有以下特點1、能進行正常的熱加工和冷加工而不產生開裂。
2、室溫下具有良好的綜合力學性能。熱軋態、冷拉態和調質態的各項性能指標，滿足並優於國標GB8731-88「易切削結構鋼技術條件」中規定的相應碳含量易切削鋼的性能要求。
3、切削性能達到甚至超過普通易切削鋼的水平。
4、成本增加較少。按現在市場牌價計算，生產含錫易切削鋼與普碳鋼相比，噸鋼增加合金成本70～110元。而與現優質鋼轉爐生產工藝相比，可省去鐵水預處理等脫硫工序。
根據本發明的試驗結果，要達到上述熱加工性能、綜合力學性能和切削性能的要求，普通系列含錫易切削結構鋼的最佳化學成分(wt％)範圍為碳0.08～0.50，矽≤0.3，錳0.5～1.0，硫0.02～0.04，磷0.015～0.035，錫0.09～0.25，氧≤0.006，鐵餘量。
本發明提供的鋼種與美國專利「Tin-bearing free-machiningsteel」中所要求的成分範圍和其中所列舉的鋼種明顯不同在於1、錫含量有大幅度提高，將錫作為改善鋼的切削性能的主要添加元素。
2、硫和磷含量都有了本質上的減少，成分範圍定在普碳鋼正常含量的中上限，在工業生產上易於實施，同時鋼中夾雜物明顯減少。
3、碳含量從低碳一直擴展到中碳，如此有了國標GB8731-88「易切削結構鋼技術條件」上列出的所有易切削鋼號的替代品。
所述美國專利上認為，錫含量超過0.08％，將難以熱加工。而我們注意到該專利所涉及的鋼種中，含硫、磷量普遍很高，且一些還含有較高的銅，這些元素對鋼的熱塑性也是不利的。在本發明的成分設計中，將這些元素的含量降低，再將錫含量提高，經熱模擬試驗和鍛造、熱軋的工業性試驗證明，熱加工性良好。
另外還開發了低碳高硫高錫的超易切削鋼，其成分(wt％)範圍為碳0.12～0.17，矽0～0.3，錳0.8～1.4，硫0.25～0.35，磷0.015～0.045，錫0.13～0.17，氧0.001～0.010，鐵餘量。這種超易切削鋼由於硫化錳夾雜含量較高，適合於受力條件不太惡劣，而加工過程複雜，精度要求很高的零部件使用。
綜合起來，本發明涉及的系列含錫易切削鋼的化學成分(wt％)範圍為
碳0.05～0.50，矽0～0.4，錳0.3～2.0，鉻0～2.0，硫0.005～0.35，磷0.005～0.050，錫0.09～0.25，氧0.001～0.010，鐵餘量。
本發明的含錫易切削鋼可用轉爐或電爐冶煉，冶煉工藝基本同普碳鋼。錫可在鋼包中加入，並充分攪拌。試驗表明，連鑄拉坯溫度超過950℃將可保證不出現開裂現象。熱軋的加熱和開軋溫度應稍高於相應的普碳鋼，終軋溫度在900℃以上。
錫改善切削加工性能的機理，經試驗表明與錫在鐵素體的晶界偏聚有關。已用場發射掃描電鏡對錫做線掃描，證實了錫在晶界的偏聚。錫在晶界的偏聚導致了在機加工溫度區間(200～500℃)鋼的塑性的明顯下降。
試驗結果表明，本發明的系列含錫易切削鋼，能較好的進行熱加工，熱軋時比高硫易切削鋼更易操作；具有良好的室溫綜合力學性能，熱軋態、調質態和冷拉態的拉伸強度和塑性、硬度、衝擊性能等指標均優於中華人民共和國國家標準GB8731-88「易切削結構鋼技術條件」中規定的相應含碳量的易切削鋼的指標；切削加工性能優於高硫含鉛易切削鋼，可大大提高刀具壽命，切削表面光潔度和切屑形狀也都可達到高速精密加工的要求，經用戶使用反映良好。
具體實施例方式
1.幾種典型的含錫易切削鋼的化學成分表1是本發明的幾種典型的含錫易切削鋼和超易切削鋼實驗鋼的化學成分。
表1 含Sn易切削鋼的化學成分(wt％)

注加*的鋼為在非真空中頻爐中冶煉，其餘在真空感應爐中冶煉。
2.鍛造態、熱軋態和冷拉態的室溫力學性能它們經鑄錠後鍛造成坯。鍛造態的室溫力學性能見表2。
表2 含Sn易切削鋼的室溫力學性能(鍛造態)


其中Y15Sn2、Y30Sn和Y45Sn三種鋼，分別鍛成90×90×1800和110×110×1800的坯後，熱軋成φ32的圓棒，部分又經冷拉成φ30的圓棒。熱軋態和冷拉態的室溫性能見表3和表4。
表3 含Sn易切削鋼的力學性能(熱軋態)

表4 含Sn易切鋼冷拉材力學性能

以上指標均符合中華人民共和國國家標準GB8731-88「易切削結構鋼技術條件」中相應碳含量易切削鋼的要求，並均與其下限值相比有較大富餘量。
3.切削性能試驗切削加工性試驗在北京理工大學切削研究室進行，他們採用的試驗方法與美國專利上描述的C指數的測定方法非常接近，因而數據間應具有可比性。
試驗原理使用YT14硬質合金刀具，測定在不同切削速率下，使刀具磨損量達到0.30mm時所用的時間(也即切削下來的切屑體積量)的4組數據，經在雙對數坐標上作直線後得到一個V60值(即刀具耐用度T定為60分鐘時，所允許的切削速度)，再與45#正火鋼的V60值相比，得到試驗材料的切削性能指數Kr值。他們將45#鋼的指數設為1。我們同時用基礎鋼做對比，不僅可得到絕對性能值，又可得到相對性能值。
切削條件無級變速車床，幹切削進給量0.19mm/r單邊切削深度1mm切削速度100m/min、120m/min、130m/min、135m/min、140m/min、150m/min、170m/min中選擇四個速度。
坯料尺寸φ130×400表5是測定的幾種典型的普碳系列含錫易切削鋼的加工性係數V60值。
表5 含Sn易切削鋼的加工性係數表

從試驗結果可以看到，低碳鋼中加入Sn後，鋼的切削性能得到了明顯改善，如含Sn較高的鋼(Y15Sn*鋼)，與基礎鋼相比，切削加工性係數提高了110％。按照美國專利上公布的試驗結果，他們的基礎鋼(1018鋼)C指數為66，僅含硫的易切鋼(1215鋼)為90-127，高硫的含鉛易切鋼(12L14)為121-125，高硫含錫易切鋼為126-142。按我們的試驗鋼與基礎鋼相比的切削性提高幅度110％換算過去，Y15Sn*鋼約相當於C指數139。說明在保持低硫低磷的情況下，只加入錫，就可使碳鋼的加工性能達到甚至超過高硫含鉛易切鋼和高硫含錫易切鋼。
易切削鋼的採用可大大增加刀具的使用壽命。結果見表6。
表6 含Sn易切削鋼的刀具耐用度T(分鐘)(VB＝0.30mm)

Y15SnS鋼在170m/min的切削速度下，刀具耐用度比Y15Sn*鋼又提高了近兩倍，完全可達到超易切削鋼的水平。
從切削的表面光潔度上，含Sn易切削鋼明顯優於基礎鋼。從切屑形狀上看，所有試驗鋼在低速切削(100-135m/min)條件下，均產生很短的C形屑，而在較高速切削(150-170m/min)條件下，含Sn鋼切屑為較大的C形屑和一些螺卷屑，而基礎鋼則出現較多帶狀屑。總的來說，這種易切削鋼的切削過程平穩性和工件表面的粗糙度都較好，適合批量生產的需要。切屑形狀也與其它易切削鋼的資料中介紹的相同，這種切屑易於加工操作和切屑的回收。
權利要求
1.一種含錫易切削結構鋼，其特徵在於所述含錫易切削鋼的重量百分比含量為碳0.05～0.50，矽0～0.4，錳0.3～2.0，鉻0～2.0，硫0.005～0.35，磷0.005～0.050，錫0.09～0.25，氧0.001～0.010，鐵餘量。
全文摘要
本發明為含錫易切削結構鋼，它可以替代含鉛易切削鋼，在機械加工業得到廣泛的應用。本發明屬於鐵基合金的技術領域。其特徵在於鋼中加入較高含量的錫(0.09～0.25wt％)，鋼的成分範圍為碳0.05～0.50，矽0～0.4，錳0.3～2.0，鉻0～2.0，硫0.005～0.35，磷0.005～0.050，錫0.09～0.25，氧0.001～0.010，鐵餘量。試驗結果表明，本發明的系列含錫易切削鋼，能較好的進行熱加工，熱軋時比高硫易切削鋼更易操作；具有良好的室溫綜合力學性能，熱軋態、調質態和冷拉態的拉伸強度和塑性、硬度、衝擊性能等；切削加工性能優於高硫含鉛易切削鋼，可大大提高刀具壽命，切削表面光潔度和切屑形狀也都可達到高速精密加工的要求，經用戶使用反映良好。
文檔編號C22C38/18GK1540022SQ03122768
公開日2004年10月27日 申請日期2003年4月22日 優先權日2003年4月22日
發明者朱辰, 張功焰, 楊鐵城, 崔京玉, 宮翠, 陳濤, 徐莉, 許曉東, 李本海, 朱 辰 申請人:首鋼總公司