專利名稱：環(huán)保型無鉛易切削鋼及其冶金方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋼材，特別涉及一種環(huán)保型無鉛易切削鋼及其冶金方法。
背景技術(shù)：
隨著機(jī)械加工智能化的快速發(fā)展，各種易切削鋼在世界不斷地被研制生產(chǎn)。成本較低，技術(shù)較成熟的產(chǎn)品，一般公認(rèn)為硫系易切削鋼和鉛系易切削鋼。硫系易切削鋼的代表鋼號(hào)為1215 ;鉛系易切削鋼的代表鋼號(hào)為12L14。硫系易切削鋼1215與鉛系易切削鋼12L14的化學(xué)成分如表I所示。
表I
鋼號(hào) I-CMn~S~Si~Pb
~1215S= O. 09 0.75 ~ 1.05 O. 04 O. 09 O. 26 O. 35 S= O. 10 ~ O. 35
~12L14 S= O. 15 O. 85 I. 15 O. 04 O. 09 O. 26 O. 35 S= O. 10 ~ O. 35 O. 15 O. 35~從碳、錳、磷、硫、硅五大基礎(chǔ)化學(xué)元素比較來看鉛系易切削鋼與硫系易切削鋼相比碳含量較高；最低錳含量比硫系鋼增加了 O. I個(gè)數(shù)值，其他元素相同。鉛系鋼在硫系鋼的五大元素基礎(chǔ)上僅添加了鉛元素。從易切削鋼的演變經(jīng)歷來看，鉛系易切削鋼，實(shí)際就是硫系易切削鋼的改良型或?yàn)榱蛳狄浊邢麂摰难永m(xù)型產(chǎn)品。能改善加工切削性能的主要元素為硫和鉛。1215與12L14鋼中硫、鉛元素作用分析如下硫在鋼中作用硫在鋼中與錳結(jié)合形成硫化錳夾雜物，使鋼基存在裂紋源，鋼在機(jī)械加工過程中，受加工應(yīng)力影響，使微小的裂紋源擴(kuò)展，從而達(dá)到易斷屑的目的。易斷屑的效果取決于機(jī)械加工時(shí)金屬材料中硫化物夾雜的尺寸大小、形態(tài)、分布狀態(tài)及單位體積內(nèi)夾雜物的數(shù)量。硫形成的硫化錳夾雜物在機(jī)械加工中雖然起到斷屑的作用，但硫元素及其化合物沒有改善加工過程中工件與刀具之間的潤滑難題，使加工溫度升高，縮短刀具使用壽命。由于硫系鋼的這種缺點(diǎn)，使加工速度無法提高。加工刀具易損和加工速度的低下，工件表面質(zhì)量差，造成生產(chǎn)成本居高不下。隨著對(duì)易切削鋼的研究的不斷發(fā)展，人們?cè)诹蛳典撝刑砑恿艘欢康你U，利用鉛的低熔點(diǎn)易溶的特性，使機(jī)械加工過程中工件與刀具摩擦得到了潤滑，從而使高速切削得以實(shí)現(xiàn)。Pb的熔點(diǎn)327. 502°C，沸點(diǎn)1740°C，密度11. 3437克/厘米3。金屬切削加工過程中產(chǎn)生的摩擦熱與變形熱疊加，使得加工溫度急劇升高，低熔點(diǎn)的Pb能過早熔融，在機(jī)械加工過程中起到浸濕潤滑刀具，改善加工摩擦條件，降低加工溫度的作用，達(dá)到了高速加工，減少刀具磨損，提高工件表面質(zhì)量的目的。但是，鉛在加熱至400°C以上時(shí)，即有大量鉛煙氣逸出，并在空氣中迅速氧化成氧化亞鉛，而凝集為煙塵。隨著熔鉛溫度的升高，還可進(jìn)一步氧化為氧化鉛(又稱黃丹、密陀僧)、三氧化二鉛、四氧化三鉛(又稱紅丹)。鉛及其化合物侵入人體的途徑主要是呼吸道，其次是消化道。鑒于鉛對(duì)人體和環(huán)境的危害，全世界對(duì)鉛制品中含鉛量進(jìn)行了嚴(yán)格的限制。直至拒絕進(jìn)口或使用含鉛制品。因此，鉛系易切削鋼的應(yīng)用又受到了限制，人們必須尋找一種既具有鉛系易切削鋼的易切削性能，又無毒無害的新型易切削鋼產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，就在于解決上述問題，提供一種既具有鉛系易切削鋼的易切削性能，又無毒無害的環(huán)保型無鉛易切削鋼及其冶金方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種環(huán)保型無鉛易切削鋼，其化學(xué)成分及重量百分含量為:C O. 04 O. 15%; Mn O. 95 I. 40%;P O. 04 O. 09%;S O. 25 O. 45%;Si ^ O. 03% ；Bi O. 025 O. 25%;Ca O. 10 O. 35%;As、^ O. 03% ；Cu ^ O. 03% ；Cr ^ O. 03% ；Ni ^ O. 03% ；Mo ^ O. 03% ；Al ^ O. 03% ；其余為Fe。上述環(huán)保型無鉛易切削鋼的冶金方法是先用轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，再用精煉爐冶煉，然后連鑄或模鑄成坯，先用轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，再用精煉爐冶煉，然后連鑄或模鑄成坯，在精煉爐冶煉過程中根據(jù)鋼水總重量計(jì)量加入少量納米化石墨，使得產(chǎn)品中含有O. 008 O. 015%的納米化固體C。各成分及其含量的基本作用如下碳含量的高低可調(diào)整熱軋材的原始硬度；錳含量較1215和12L14高出一個(gè)數(shù)級(jí)，主要為提高硫與錳的結(jié)合幾率；低硅的作用是降低鋼的脆性；鉍的作用是利用熔點(diǎn)比鉛更低，無毒無害的特性取代鉛的潤滑作用；鈣的作用是與硫生成硫化鈣，對(duì)硫化錳進(jìn)行改性，及利用硫化鈣高熔點(diǎn)不易分解的特性增加和固化硫質(zhì)點(diǎn)的作用；砷起到防止和延緩鋼的銹化作用；納米化固體碳指經(jīng)納米化處理后的石墨，起到補(bǔ)充及強(qiáng)化潤滑效果的作用；Cu、Cr、Ni、Mo的作用主要是防止硬度、脆性和粘性的產(chǎn)生。Al的作用是鋼的脫氧，控制Al含量主要是防止產(chǎn)生脆性夾雜物。要實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)方案，首先必須克服的難點(diǎn)有二
UBi的熔點(diǎn)271. 3°C沸點(diǎn)1560±5°C密度9. 8克/厘米3。與Pb相比，熔點(diǎn)更低，對(duì)加工刀具的潤滑作用更佳。Bi無毒。在化妝品、口服胃藥中都有添加。但Bi在凝固時(shí)體積增大，硬度略高于Pb，性脆，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性都較差。給金屬材料的壓力加工帶來較大困難，在熱加工過程中易造成裂紋性翹皮?？朔﨎i的上述缺點(diǎn)，Bi才能在易切削鋼中的潤滑作用優(yōu)于Pb。2、納米化石墨(炭精)與鋼鐵本體中所含碳的晶體結(jié)構(gòu)不同，存在于易切削鋼中能起到補(bǔ)充和強(qiáng)化潤滑的效果。在冶煉過程中不使之改變自身結(jié)構(gòu)并防止與鋼中碳融合，必須克服炭精高溫添加的難題。炭精在真空狀態(tài)下的熔點(diǎn)高于1600°C，但在大氣中900°C遇明火時(shí)就焚燒氣化。由于生產(chǎn)裝備的現(xiàn)代化程度的提高和不斷完善，使上述二個(gè)難題都得以解決。本發(fā)明通過添加比鉛熔點(diǎn)更低的鉍和潤滑效果極好的炭精材料，使金屬材料機(jī)械加工過程中對(duì)刀具的潤滑效果更好。并具有以下優(yōu)點(diǎn)·(I)工藝簡單、可操作性強(qiáng)；(2)生產(chǎn)成本低；(3)杜絕了有害元素鉛對(duì)人體與環(huán)境的危害。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的環(huán)保型無鉛易切削鋼，其化學(xué)成分及重量百分含量為C O. 04 O. 15%;Mn O. 95 I. 40%;P O. 04 O. 09%;S O. 25 O. 45%;Si ^ O. 03% ；Bi O. 025 O. 25%;Ca O. 10 O. 35%;As、^ O. 03% ；Cu ^ O. 03% ；Cr ^ O. 03% ；Ni ^ O. 03% ；Mo ^ O. 03% ；Al ^ O. 03% ；其余為Fe。上述環(huán)保型無鉛易切削鋼的冶金方法是先用轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，再用精煉爐冶煉，然后連鑄或模鑄成坯，先用轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，再用精煉爐冶煉，然后連鑄或模鑄成坯，在精煉爐冶煉過程中根據(jù)鋼水總重量計(jì)量加入少量納米化石墨，使得產(chǎn)品中含有O. 008
O.015%的納米化固體C。某冶金廠按本發(fā)明配方元素進(jìn)行生產(chǎn)400噸現(xiàn)線和棒材。經(jīng)與1215硫系易切削鋼及含鉛的12L14易切削鋼進(jìn)行切削性能比較，本發(fā)明的易切削鋼切削性能好于1215和12L14 鋼。
權(quán)利要求
1.一種環(huán)保型無鉛易切削鋼，其特征在于，所述環(huán)保型無鉛易切削鋼的化學(xué)成分及重量百分含量為 C O. 04 O. 15% ；Mn O. 95 I. 40% ； P O. 04 O. 09% ； S O. 25 O. 45% ； Si ( O. 03% ；Bi O. 025 O. 25% ； Ca O. 10 O. 35% ；As、彡 O. 03% ； Cu ( O. 03% ； Cr ( O. 03% ； Ni ( O. 03% ； Mo ( O. 03% ； Al ( O. 03% ； 其余為Fe。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的環(huán)保型無鉛易切削鋼的冶金方法其特征在于先用轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，再用精煉爐冶煉，然后連鑄或模鑄成坯，在精煉爐冶煉過程中根據(jù)鋼水總重量計(jì)量加入少量納米化石墨，使得產(chǎn)品中含有O. 008 O. 015%的納米化固體C。
全文摘要
一種環(huán)保型無鉛易切削鋼，成分及重量百分含量為C 0.04～0.15％、Mn0.95～1.40％、P 0.04～0.09％、S 0.25～0.45％、Si≤0.03％、Bi 0.025～0.25％、Ca0.10～0.35％、As≤0.03％、Cu≤0.03％、Cr≤0.03％、Ni≤0.03％、Mo≤0.03％、Al≤0.03％其余為Fe。上述環(huán)保型無鉛易切削鋼的冶金方法是，先用轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，再用精煉爐冶煉，然后連鑄或模鑄成坯，在精煉爐冶煉過程中加入相當(dāng)于鋼水總重量0.008～0.015％的納米化石墨，使得產(chǎn)品中含有0.008～0.015％的納米化固體C。本發(fā)明通過添加比鉛熔點(diǎn)更低的鉍和潤滑效果極好的炭精材料，使金屬材料機(jī)械加工過程中對(duì)刀具的潤滑效果更好，又無毒無害。并且具有工藝簡單、可操作性強(qiáng)、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C22C33/02GK102952995SQ20111024739
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月25日
發(fā)明者徐薌明, 吳孟宗 申請(qǐng)人:徐薌明