專利名稱：具有優(yōu)異切削性和熱加工性的環(huán)保無鉛易切鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)保無鉛易切鋼，其可用作汽車精密油壓部件、辦公室自動設(shè)備部件、家電產(chǎn)品部件的材料，更具體而言，涉及具有優(yōu)異切削性的環(huán)保無鉛易切鋼，其不僅使用了能夠代替對環(huán)境或人體有害的Pb的用于提高切削性的元素，而且使用了通過精確脫氧作用而在鋼線材上形成的低熔點的氧化物。另外，本發(fā)明還涉及由于優(yōu)異的熱延性而在熱軋時不會發(fā)生表面缺陷如角裂的環(huán)保易切鋼。

背景技術(shù)：
易切鋼通常用作精密零件的材料，具有優(yōu)異的切削性。所述易切鋼的優(yōu)異切削性是由于易切鋼中存在的金屬或非金屬夾雜物。當通過使用工具切削鋼產(chǎn)品時，非金屬夾雜物如MnS起到所述工具的尖端與鋼產(chǎn)品接觸位置的應(yīng)力集中元素的作用，從而在很容易在所述夾雜物和基體之間的界面處產(chǎn)生空隙和開裂并且減少切削所需的力。
另外，金屬夾雜物如Pb在比切削熱還低的溫度下熔化并起到切口和切削工具之間的界面處的潤滑劑的作用，從而限制所述切削工具的磨損并降低切削力。
因此，為提高鋼產(chǎn)品的切削性，要加入能夠形成金屬或非金屬夾雜物的元素。傳統(tǒng)上使用的非金屬夾雜物有MnS。特別地，形成為混有氧化物的球形的MnS提供最優(yōu)異的切削性。
在另一方面，金屬夾雜物通常稱為切削性提高元素。Pb是一種代表性的切削性提高元素。由于Pb與鐵的溶度低，因此其容易以金屬夾雜物的形式存在于易切鋼中。另外，由于327.5℃的適度的低熔點，Pb能夠很容易地被割尖產(chǎn)生的熱量熔化。
因此，由于Pb完全具有提高切削性所需的特性，至今含Pb的易切鋼仍是最具代表性的易切鋼并被作為最適于切削的鋼產(chǎn)品而在實際中應(yīng)用。
然而，所述含Pb的易切鋼在反復(fù)切削操作過程中會產(chǎn)生鉛蒸氣。由于鋼產(chǎn)品中存在的Pb對人體有害，長期以來一直需要替代含Pb的鋼。
研發(fā)出的替代含Pb易切鋼的鋼產(chǎn)品有含Bi的易切鋼。由于Bi是一種低熔點金屬并且與鐵的溶度低，因此Bi可非常有利地用來提高切削性。
然而，由于Bi的熔點為290℃，比Pb的熔點低120℃，因此Bi很容易熔化。由于表面張力比Pb低，Bi具有更高的可濕性。這些特性可導(dǎo)致鋼產(chǎn)品的晶界脆化。
相應(yīng)地，由于晶界脆化造成熱延性降低，含Bi的易切鋼的熱加工性顯著下降。另外，所述易切鋼的切削性不如含Pb的易切鋼，用含Bi的易切鋼替代含Pb的易切鋼仍存在多種問題。
然而，含Pb的易切鋼也存在問題。特別是，隨著CNC機器工具的快速發(fā)展，已實現(xiàn)高速切削和自動化。發(fā)生的一種現(xiàn)象是，切削工具的特定元素如對碳化鎢最重要的元素鎢(W)，在高速切削時1000℃或更高溫度的熱量下快速擴散到切口上。由于這種所述元素如W的擴散，所述切削工具會很快地磨損。
特別地，由于含Pb的易切鋼不能有效防止工具因熱擴散所致的磨損，需要開發(fā)在高速切削方面具有優(yōu)異切削性的易切鋼。


發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題 本發(fā)明的一個方面提供環(huán)保無Pb的易切鋼，其通過在鋼產(chǎn)品中加入可替代對環(huán)境和人體有害的元素如Pb的Bi和Sn而具有環(huán)保性質(zhì)，通過形成低熔點的復(fù)合氧化物而提供優(yōu)異的切削性，能夠減小工具的磨損，以及通過以優(yōu)化比例加入如Mn和B等元素而具有優(yōu)異的熱加工性。
技術(shù)方案 本發(fā)明的一個方面提供無Pb易切鋼，其由0.03-0.30wt％的碳(C)、0.01-0.30wt％的硅(Si)、0.2-2.0wt％的錳(Mn)、0.02-0.10wt％的磷(P)、0.06-0.45wt％的硫(S)、0.04-0.20wt％的鉍(Bi)、0.04-0.20wt％的錫(Sn)、0.001-0.015wt％的硼(B)、0.001-0.010wt％的氮(N)、0.002-0.025wt％的總氧含量(T[O])和余量的鐵以及不可避免的雜質(zhì)形成，其中Sn、Bi、S、B和N滿足一個或多個選自以下關(guān)系表達式1-3的關(guān)系， ...關(guān)系表達式1， ...關(guān)系表達式2，和 ...關(guān)系表達式3。
本發(fā)明的另一方面提供無Pb的易切鋼，其由0.03-0.30wt％的C、0.01-0.30wt％的Si、0.2-2.0wt％的Mn、0.02-0.10wt％的P、0.06-0.45wt％的S、0.04-0.20wt％的Bi、0.04-0.20wt％的Sn、0.001-0.015wt％的B、0.001-0.010wt％的N、0.002-0.025wt％的T[O]和余量的鐵以及不可避免的雜質(zhì)形成，其中所述鋼含有MnO-SiO2-Al2O3基的氧化物、CaO-SiO2-Al2O3基的氧化物以及MnO-SiO2-Al2O3基氧化物和CaO-SiO2-Al2O3基氧化物混合的低熔點復(fù)合氧化物中的一種。
有益效果 根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式，環(huán)保無Pb易切鋼具有優(yōu)異的不弱于含Pb易切鋼的切削性。另外，由于優(yōu)異的熱延性，熱軋制時發(fā)生的表面缺陷可被減少從而提高熱加工性。

具體實施例方式 如上所述，本發(fā)明提供無Pb的易切鋼，其通過分別或協(xié)同控制元素體系、元素之間的關(guān)系和若干低熔點復(fù)合氧化物，不僅在低速切削時而且在高速切削時表現(xiàn)出優(yōu)異性質(zhì)。
以下將詳細描述形成本發(fā)明無Pb易切鋼的元素體系。
碳(C)0.03-0.30wt％ 為提供表面光潔度和機械性質(zhì)，應(yīng)加入0.03wt％或更多的C，更特別地，加入0.05wt％或更多。然而，當加入超過0.30wt％的C時，切削性由于硬珠光體結(jié)構(gòu)的增多而降低。
硅(Si)0.01-0.30wt％ Si用作脫氧劑并生成SiO2。為形成能夠降低工具因高速切削時的熱擴散而引起的磨損的低熔點復(fù)合氧化物，可加入0.01wt％或更多的Si，更特別地，加入0.05wt％或更多。然而，當加入超過0.30wt％的硅時，會形成高熔點夾雜物或不相容的SiO2夾雜物區(qū)域，從而顯著增加工具磨損的速度。
錳(Mn)0.2-2.0wt％ Mn形成MnS夾雜物，其可防止S引起的紅脆性。可加入0.2wt％或更多的Mn。然而，當加入超過2.0wt％的Mn時，鐵素體被固溶強化，其可降低切削性。Mn用作脫氧劑形成MnO，并用作MnS夾雜物的核。
磷(P)0.02-0.10wt％ P被偏析到邊界并提高切削性。可加入0.02wt％或更多的P。然而，要提供機械性能和冷加工性，只能加入0.10或更少的P。
硫(S)0.06-0.45wt％ S形成MnS夾雜物，其限制切屑瘤的生成從而降低切削工具的磨損并提高切削過程中工件的表面光潔度。為此可加入0.06wt％或更多的S。然而，當S的含量過多時，容易生成低熔點的FeS，其降低熱延性并使熱軋制變得困難。因此，S的含量應(yīng)為0.45wt％或更低。
鉍(Bi)0.04-0.20wt％ Bi加入鋼產(chǎn)品時獨立地以金屬夾雜物存在或附著于MnS夾雜物上。Bi在切削時容易受熱熔化，這提高了切削性，并作為切口和切削工具之間的潤滑膜降低了摩擦力并限制了所述切削工具的磨損。當Bi含量少于0.04wt％，對切削性的作用下降。在另一方面，當Bi含量超過0.20wt％時，更特別地，0.16wt％時，鑄造和軋制性能不佳。Bi的含量可被限制在0.04-0.20wt％的范圍內(nèi)。
錫(Sn)0.04-0.20wt％ Sn的作用與Pb類似。即，Sn對于液體金屬脆性有與Pb相同的作用機制，從而可提高鋼的切削性。具體地，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于Sn移動鐵素體晶界并發(fā)生偏析，并降低了晶界的結(jié)合能，從而使晶界可容易地被削弱。因此，為獲得由于Sn而提高的切削性，需要加入0.04wt％或更多的Sn。然而，當Sn的含量超過0.20wt％時，更特別地，0.16wt％時，其會對鑄造和軋制性能有害。因此，Sn的含量可被限制在0.04-0.20wt％的范圍內(nèi)。
硼(B)0.001-0.015wt％ 偏析到奧氏體邊界中的B可通過加強晶界而提高熱延性。另外，從很早就已知含石墨的鋼具有優(yōu)異的切削性。當B與鋼中的氮反應(yīng)，生成具有晶粒結(jié)構(gòu)和與石墨物理性質(zhì)相似的硼的氮化物BN時，可與含石墨的鋼一樣使切削性提高。當B的含量少于0.001wt％時，加入B的作用很小。因此，應(yīng)加入0.001wt％或更多的B。另一方面，當硼的含量超過0.015wt％時，效果不再增加且晶界強度由于一氮化硼沉淀而降低，從而使熱加工性下降。B的含量可被限制在0.001-0.015wt％的范圍內(nèi)。
氮(N)0.001-0.010wt％ 為與硼形成BN應(yīng)加入0.001wt％或更多的N。然而，當N的含量超過0.010wt％時，偏析到奧氏體晶界中的有效硼量會下降從而降低邊界強化作用。
總氧含量(T[O])0.002-0.025wt％ 為防止切削性由于MnS夾雜物在熱軋時伸長而下降，需要加入0.002wt％或更多的氧(O)。然而，總氧含量應(yīng)為0.025wt％或更少以提供MnS夾雜物在切削時的塑性變形性。
鋁(Al)和鈣(Ca)分別為10ppm或更少 需要Al和Ca以在鋼中形成低熔點復(fù)合氧化物。然而，不需要特意添加。熔渣中天然存在的量就已足夠。Al和Ca通常為10ppm或更少。
在所述元素中，Bi、Sn、S、Mn和B可通過滿足以下關(guān)系表達式提供優(yōu)異的切削性和熱加工性。下面詳細描述所述有關(guān)Bi、Sn、S、Mn和B的關(guān)系表達式。
有關(guān)Bi、Sn、S和Mn的關(guān)系表達式如下。
...關(guān)系表達式1 與上面相同，其中每個元素符號表示該元素的重量百分比(wt％)。
要根據(jù)本發(fā)明示例性實施方式提供具有優(yōu)異切削性的無Pb易切鋼，除了限制所述元素的含量以外，還需滿足關(guān)系表達式1。即，Sn和Bi通過鋼產(chǎn)品中的液體金屬脆性而使切削性提高，如同金屬夾雜物和S通過形成MnS而提高切削性一樣。
有關(guān)Mn和S的關(guān)系表達式如下。
...關(guān)系表達式2 為提供具有優(yōu)異熱延性的無Pb易切鋼，除了限制所述元素的含量以外，Mn和S之間的關(guān)系還需滿足關(guān)系表達式2。關(guān)系表達式2表示需要一定含量的Mn以便與S結(jié)合并限制由于S造成的熱脆性。
有關(guān)B和N的關(guān)系表達式如下。
...關(guān)系表達式3 要提供具有優(yōu)異熱延性的無Pb易切鋼，B和N應(yīng)滿足關(guān)系表達式3。即，盡管N存在，但所需要的N的量僅為能夠通過偏析到晶界的B而強化奧氏體晶界。
盡管滿足關(guān)系表達式1-3之一，會表現(xiàn)出效果。但當同時滿足關(guān)系表達式1-3的兩個或更多時，會表現(xiàn)出顯著效果。因此，當滿足關(guān)系表達式1-3的一個或更多時，應(yīng)被認為是涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
在另一方面，本發(fā)明的無Pb易切鋼包括Mn、Si、Ca和Al的低熔點夾雜物。下面將詳細描述所述低熔點夾雜物。
本發(fā)明的元素體系中，發(fā)生Mn、Si、Ca和Al的氧化從而形成多種低熔點復(fù)合氧化物。為形成所述夾雜物，可額外加入Mn、Si、Ca和Al。然而，鋼產(chǎn)品中本來存在的Ca和Al的量就足以形成所述夾雜物。在本發(fā)明中，氧化物可以MnO-SiO2-Al2O3基或以CaO-SiO2-Al2O3基的形式存在。
所述MnO-SiO2-Al2O3基的氧化物可由20-65wt％的MnO、25-60wt％的SiO2和0-30wt％的Al2O3形成。所述CaO-SiO2-Al2O3基的氧化物可由10-55wt％的CaO、35-65wt％的SiO2和0-25wt％的Al2O3形成。
另外，低熔點復(fù)合組合物如MnO-SiO2-Al2O3基的氧化物和CaO-SiO2-Al2O3基的氧化物之一可以每5g鋼線材五個或更多存在。當少于五個夾雜物時，切削性下降。
下面將詳細描述本發(fā)明的實施方案。
[實施方案] 對具有表1、2和3所示成分的本發(fā)明鋼和比較鋼進行車削試驗和高溫拉伸試驗以考察其切削性、熱延性。通過超聲波下在AA溶液中電解(ESAA)來提取和分離鋼中的非金屬夾雜物，從而對復(fù)合氧化物進行分析。
表1 如表1，本發(fā)明鋼1-6和比較鋼滿足本發(fā)明的元素體系。在另一方面，比較鋼2和3的B和Bi不同，且比較鋼4代表含Pb的傳統(tǒng)易切鋼。
表2 表2中，可看出比較鋼1和2超出了合適的B/N范圍且比較鋼3超出了合適的(Bi+Sn+S)/Mn范圍。未給出比較鋼4因為比較鋼4是含Pb的易切鋼。
表3

*ESSA通過超聲波下在AA溶液中電解來提取和分離鋼中的非金屬夾雜物 另外，在表3中，可看出比較鋼2所含的夾雜物數(shù)少于參考值。另外，排除了為含Pb易切鋼的比較鋼4。
對于本發(fā)明鋼和比較鋼，為通過檢測本發(fā)明鋼的切削性來檢驗本發(fā)明鋼是否能替代含Pb易切鋼，進行了如下切削性試驗。在所述切削性試驗中，不使用切削油，用計算機數(shù)控車床車削直徑25mm的條狀工件。傳送速度為0.3mm/轉(zhuǎn)，切削深度為0.5mm，切削速度為150m/min。為檢查工具的磨損程度，在進行相同時間的車削試驗后，對所述工具的側(cè)面磨損寬度(VB)進行測量和比較。車削操作引起的工具磨損的結(jié)果示于表4。
表4
如表4所示的通過切削試驗測量的工具磨損程度的結(jié)果，對本發(fā)明的環(huán)保易切鋼即本發(fā)明鋼1-6與傳統(tǒng)含Pb的易切鋼即比較鋼4進行比較發(fā)現(xiàn)，所述環(huán)保易切鋼顯示出非常優(yōu)異的耐工具磨損性。對于比較鋼2，由于未形成低熔點氧化物，其切削性較本發(fā)明鋼為差。另外，對于比較鋼3，工具最快地被磨損。
為進行熱延性試驗，本發(fā)明鋼和比較鋼被加熱到再熱溫度1250℃并保持1分鐘。之后，進行拉伸試驗。所述試驗后，測量樣品的斷面收縮率(RA)并示于表5。
表5 如表1和表2所示，對于本發(fā)明鋼1-6，Mn3/S值為4.6或更多，因形成低熔點FeS導(dǎo)致的紅脆性被限制，并且B/N值為2.0或更多，能夠獲得強化奧氏體晶界的效果。因此，在900℃或更高溫度下進行高溫拉伸試驗時可獲得斷面收縮率為70％的熱延性。因此，發(fā)生表面缺陷如角裂的可能性很低。
另一方面，對于比較鋼1，當Mn3/S值為4.6或更多但B/N值小于2.0時，由于鋼中的B通常沉淀出來且不可能使晶界得到足夠的強化，在900℃下顯示出60％的斷面收縮率。另外，對于比較鋼2，當Mn3/S值小于4.6且B/N值小于2.0時，顯示其熱延性較比較鋼1為差。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式，可提供環(huán)保無Pb的易切鋼，其能夠通過控制B、Sn、Mn、S和N的含量符合合適的關(guān)系并形成低熔點復(fù)合氧化物來限制不管高速還是低速的切削過程中可能出現(xiàn)的工具磨損從而提供優(yōu)異的切削性，并通過添加合適比例的元素如Mn和B而具有優(yōu)異的熱加工性。
權(quán)利要求
1.一種無Pb易切鋼，其由0.03-0.30wt％的碳(C)、0.01-0.30wt％的硅(Si)、0.2-2.0wt％的錳(Mn)、0.02-0.10wt％的磷(P)、0.06-0.45wt％的硫(S)、0.04-0.20wt％的鉍(Bi)、0.04-0.20wt％的錫(Sn)、0.001-0.015wt％的硼(B)、0.001-0.010wt％的氮(N)、0.002-0.025wt％的總氧含量(T[O])和余量的鐵以及不可避免的雜質(zhì)形成，
其中S、Bi、S、B和N滿足一個或多個選自以下關(guān)系表達式1-3的關(guān)系，
...關(guān)系表達式1，
...關(guān)系表達式2，和
...關(guān)系表達式3。
2.一種無Pb易切鋼，其由0.03-0.30wt％的C、0.01-0.30wt％的Si、0.2-2.0wt％的Mn、0.02-0.10wt％的P、0.06-0.45wt％的S、0.04-0.20wt％的Bi、0.04-0.20wt％的Sn、0.001-0.015wt％的B、0.001-0.010wt％的N、0.002-0.025wt％的T[O]和余量的鐵以及不可避免的雜質(zhì)形成，
其中所述鋼含有MnO-SiO2-Al2O3基的氧化物、CaO-SiO2-Al2O3基的氧化物以及MnO-SiO2-Al2O3基的氧化物和CaO-SiO2-Al2O3基的氧化物混合的低熔點復(fù)合氧化物中的一種，
3.權(quán)利要求2的鋼，其中所述MnO-SiO2-Al2O3基的氧化物由20-65wt％的MnO、25-60wt％的SiO2和0-30wt％的Al2O3形成。
4.權(quán)利要求2的鋼，其中所述CaO-SiO2-Al2O3基的氧化物由10-55wt％的CaO、35-65wt％的SiO2和0-25wt％的Al2O3形成。
5.權(quán)利要求2的鋼，其中在5g鋼線材中有五個或更多的所述低熔點復(fù)合氧化物。
6.權(quán)利要求2的鋼，其中S、Bi、S、B和N滿足選自下面關(guān)系表達式1-3的一個或多個關(guān)系，
...關(guān)系表達式1，
...關(guān)系表達式2，和
...關(guān)系表達式。
全文摘要
本發(fā)明提供一種無Pb的易切鋼，其由0.03-0.30wt％的碳(C)、0.01-0.30wt％的硅(Si)、0.2-2.0wt％的錳(Mn)、0.02-0.10wt％的磷(P)、0.06-0.45wt％的硫(S)、0.04-0.20wt％的鉍(Bi)、0.04-0.20wt％的錫(Sn)、0.001-0.015wt％的硼(B)、0.001-0.010wt％的氮(N)、0.002-0.025wt％的總氧(T[O])和余量的鐵以及不可避免的雜質(zhì)形成，其中S、Bi、S、B和N滿足特定關(guān)系。所述鋼具有不弱于傳統(tǒng)的含Pb易切鋼的優(yōu)異切削性，而且是環(huán)保的。另外，所述鋼具有優(yōu)異的熱延性，能夠減少表面缺陷的發(fā)生從而提高熱軋制可加工性。
文檔編號C22C38/00GK101578383SQ200780048197
公開日2009年11月11日 申請日期2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月28日
發(fā)明者李炯直, 沈相喆 申請人:Posco公司