專利名稱：具有切屑處理性能和優良機械性能的切削結構鋼的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種切削結構鋼及其生產工藝，所述鋼可用做原材料，通過加工制成工業機器、汽車和電子設備的部件。更具體的，本發明涉及一種切削結構鋼及其生產工藝，所述鋼具有優良的切屑處理性能和機械性能，同時其不含有作為加工性能改善成分的鉛。
日本專利公開No.205453/1984中揭示了一種填加了S、Te、Pb和Bi的組合的任意加工鋼。此鋼的特點在于其特定的包含物。即，其包含有MnS型包含物，從而主軸與副軸之比小于5占到了總量的50％以上。其同樣含有小于總量15％的氧化物型成分，諸如氧化鋁。
同時，在日本專利公開No.23970/1987中揭示了一種自由切削鋼，其為一種低碳鋼，通過連續的澆鑄工藝制成，并填加有硫和鉛。此鋼中含有特定量的C、Mn、P、S、Pb、O、Si和Al，同時含有特定平均尺寸的MnS-型成分和特定比例的硫化物型成分(不與氧化物結合)。
上述的內容主要針對組合填加有鉛和硫的自由切削鋼。在鋼工業中存在這樣的一個趨勢，即由于鉛會對環境造成污染已經引起了廣泛的社會關注，因此避免使用鉛。目前所進行的比較活躍的研究是在不使用鉛的情況下提高可加工性。
日本專利公開No.87179/2000中揭示了一種用于切削結構的碳鋼或合金鋼，其填加有Ca、Mg和REM(稀土金屬)，具有優良的耐磨性和切屑處理性能，采用滲碳碳化物工具進行加工。然而，其只提到了含有硫化物的成分，而未提到硫化物型成分的尺寸，因為該尺寸對可加工性和機械性能具有很大的影響。
日本專利公開No.188853/1995中揭示了一種用于齒輪的滲碳鋼，其除了諸如C、Si、Mn、Cr、P、S、T.O(O總含量)外還包含0.0015-0.035％的T.Mg(Mg的總量)。加入到鋼中的Mg與氧化鋁結合形成MgO.Al2O3或MgO，使氧化物攙雜物(主要為氧化鋁)更精細，結果導致延展性降低(由于MnS的作用)，并提高表面疲勞強度及齒輪齒彎曲疲勞強度。然而，其并未對改善抗撞擊(在橫向上)和可加工性進行描述。
日本專利公開No.238342/1995中揭示了一種高強度滲碳鋼，用于齒輪，其具有特定的氧化物和硫化物的成分(用粒子數表示)，并滿足下面的條件(MgO+MgO.Al2O3)數/氧化物總數≥0.8 (1)0.2≤(Mn.Mg)S數/硫化物總數≥0.70 (2)此鋼是對在上面描述的日本專利公開No.188853/1995的改進。其中在(1)和(2)中設定的特定的量的硫化物和氧化物可大大的改進表面疲勞強度和齒輪齒彎曲疲勞強度。然而，其并未對在橫向上的可加工性和抗撞擊性進行描述。
同時，除了自由切削鋼領域外的其他領域所公知的是，氧化物型攙雜物，尤其是氧化鋁的攙雜物，在鋼的生產中產生如下的負效應，在諸如疲勞繩等的線桿情況下會發生斷裂，在諸如軸承質量鋼的條鋼的情況下產生滾壓疲勞，并在用于DI工藝的薄鋼片的情況下會脆裂。為了避免這些負面的效應，采取了很多的方法試圖降低攙雜的氧化鋁等的量。在日本專利No.2140282中揭示了一種方法，將Mg的合金加入到含有Si、Mn、Al和C的熔化的鋼中，從而可防止鋼中的氧化鋁由于聚合而變糙。加入到熔化鋼中的Mg將氧化鋁轉化為MgO.Al2O3，其為精細的微粒，對鋼不會產生任何負效應。
同時，日本專利公開No.25822/1996中揭示了通過順序填加Ca和Mg而對含有Al和S的鋼進行改進。這些的填加物將鋼中的氧化鋁的攙雜物轉化為二元的氧化物(CaO-Al2O3)或三元氧化物(CaO-Al2O3-MgO)，其具有低熔點。更具體的，在對熔化鋼中填加Ca和Mg時，這些產生嘴堵塞的諸如Al2O3和CaS等攙雜物變為具有比12CaO.7Al2O3低的熔點的氧化化合物，而不會形成可測量量的CaS。按此方式改進的鋼不會產生嘴堵塞。上述的方法可應用到所有的鋁-全脫氧鋼中，以防止氧化鋁通過聚合而變糙。因此，熔化鋼在攙雜Mg之前已經含有鋁。
另外，日本專利No.2684307中揭示了一種有效的防止熔化鋼中的Al2O3聚合的方法，其將Mg-Al合金填加到含有Si、Mn和C的熔化鋼中。以合金的形式同時加入Mg和Al可似的快速和高效的進行反應。結果可提高加入的單位鎂的產量。不幸的是，Mg會蒸發，因此當同時加入Mg和Al時，在熔化的鋼中不會保留與Al一樣多的Mg。結果，更容易產生Al2O3，就會產生與首先加入Al一樣的類似狀態。換句話說，在所攙雜物為精細粒子的情況下，與Al同時加入Mg并不是很有效。
如上所述，至今所做的努力是提高可加工性，滲碳鋼中的硫化物型攙雜物(諸如MnS)的形狀和尺寸。然而，與加鉛的碳鋼相比，至今還無法獲得自由切削的鋼。因此，所做的努力是控制硫化物型攙雜物的尺寸和形狀，似的MnS粒子和基金屬(鋼)一樣的長，以在輥壓或鍛造期間可承受塑變。加長的MnS粒子產生機械各向異性，結果導致鋼在一個方向上具有比其他方向低的撞擊值。
當前，可加工性主要包含如下的幾個方面(1)切割阻力，(2)工具壽命，(3)成品表面粗糙度和(4)片的切屑處理性能。過去，主要關注第二和第三方面。然而，最近從工作效率和安全性的角度看，第四項也變得很重要，這是因為自動化和非人工加工已經很普通。切屑處理性能是指在切割后鋼變為小的鋼片的能力，在弱的片切屑處理性能的情況下，工件易于產生長的卷片，與切割工具產生纏絞。只要考慮到切屑處理性能，傳統的含鉛自由切割鋼是滿足要求的，然而，知道目前為止，在不含鉛的鋼中還未見具有優良切屑處理性能的鋼。
本發明的目的在于生產一種切削結構鋼，其具有優良的切屑處理性能和機械性能，含有硫化物型攙雜物，從而這些主軸位于特定范圍內的硫化物型攙雜物的粒子具有可控制的平均尺寸比，并同時還含有有限數量的硫化物型攙雜物的粗糙粒子。
更具體的，本發明的目的在于提供一種具有優良切屑處理性能和機械性能的切削結構鋼，其含有硫化物型攙雜物，從而主軸短于5微米的硫化物型攙雜物粒子的平均尺寸比小于5.2，其同樣含有粗糙的硫化物型攙雜粒子，從而滿足下面的關系a/b≤0.25其中，a表示主軸不短于20微米的硫化物型攙雜物粒子數，b表示主軸不短于5微米的硫化物型攙雜物的粒子數。
在本發明的尺寸比定義為c/d，其中c和d分別表示硫化物型攙雜物粒子的主軸和副軸。粒子的主軸定義為圍繞粒子的最大圈的直徑。粒子的副軸定義為在與最大圈的直徑垂直的方向上測量的粒子的最大寬度。
根據最佳實施例，本發明的切削結構鋼滿足如下的條件，[Mg]/[S]≥7.7×10-3(其中[]表示每種成分的含量(質量％)，這些主軸不短于50微米的硫化物型攙雜物的粒子的平均尺寸比不大于10.8，a/b≤0.25(其中a和b按如上的定義)。
根據本發明的另外的一個實施例，本發明的切削結構鋼包含0.01-0.7％的C，0.01-2.5％的Si，0.1-3％的Mn，0.01-0.16％的S，不大于0.05％的P(不包含0％)，不大于0.1％的Al(不包含0％)，和不大于0.02％的Mg(不包含0％)。另外還可包含不大于0.02％的Ca(不包含0％)和不大于0.3％的Bi(不包含0％)。其中的“％”表示質量百分比，下面也適用同一原則。
本發明同樣涉及生產切削結構鋼的工藝，所述的工藝包含將不含Al的Mg合金加入到不含Al的熔化鋼中的步驟。此工藝可改變為在加入Mg合金后加入Al。
本發明同樣涉及一種生產切削結構鋼的工藝，所述的工藝包含如下的步驟，加入不含Al的Mg合金，接著向不含Al的熔化鋼中加入不含Al的Ca合金。對此工藝可進行改進，在加入所述Ca合金后接著加入Al。
本發明同樣涉及一種生產切削結構鋼的工藝，所述的工藝包含如下的步驟，向不含Al的熔化鋼中一起加入不含Al的Mg合金和不含Al的Ca合金所需要的盡量多的次數，或所述工藝包含在加入不含Al的Ca合金之前加入不含Al的Mg合金，然后按照需要以任意的順序加入這兩種合金。對此工藝可進行改進，從而在加入所述Mg合金和所述Ca合金后加入Al。
如果用包含15％或更多的Mg的礦渣覆蓋熔化鋼進行上述的工藝會更有效。
已經發現在含有大致球形的硫化物型攙雜物的Mg和Ca氧化物的切削結構鋼具有上述的性質。同樣還發現在橫向上韌性不好的切削結構鋼中，在粗糙的延長硫化物型攙雜物中不存在Mg和Ca氧化物。此事實顯示硫化物型攙雜物從作為核的Mg和Ca開始生長，如果所述氧化物溶解在硫化物型攙雜物中形成固態溶液，硫化物型攙雜物會形成所需的用于切削結構鋼的形式，同時具有上述的兩種性能。
如果以此種方法生產切削結構鋼，按上述方法形成Mg和Ca氧化物，所形成的鋼中將包含硫化物型攙雜物，其具有所需的形狀和尺寸，因此具有改善的切屑處理性能和橫向上的韌性。本發明正是基于此基礎之上完成的。
在鋼形成期間通過選擇足夠的加入Mg和Ca的時間，可形成所需要的作為核的用于硫化物型攙雜物的Mg和Ca氧化物。
下面對本發明進行詳細的描述。
本發明的第一實施例涉及一種切削結構鋼，其包含硫化物型攙雜物，從而這些主軸不短于5微米的的硫化物型攙雜物的粒子的平均尺寸比不大于5.2，其同樣含有粗糙的硫化物型攙雜物粒子，從而滿足如下的關系a/b≤0.25其中a表示主軸不短于20微米的硫化物型攙雜物的粒子數，b表示主軸不短于5微米的硫化物型攙雜物的粒子數。
在上述的實施例中，這些主軸不短于5微米的硫化物型攙雜物的粒子的平均尺寸比不大于5.2，最好不大于5.0，更好的是不大于4.5。如果平均尺寸比超過上述的極限，硫化物型攙雜物呈細長的形狀，而不是大致的球形，因此，所形成的切削結構鋼在橫向上具有差的韌性。另外，上述的尺寸比也不具有具體的下限。換句話說，攙雜物的粒子可為球形(尺寸比為1)。
在上述的實施例中，a/b的比率應不大于0.25，最好不大于0.20。在a/b的比率超過上述的極限的情況下，所形成的切削結構鋼包含大量的粗糙硫化物型攙雜物，因此在橫向上的韌性差。另外，a/b的比率也無下限，其可為0。
本發明并未考慮主軸小于5微米的硫化物型攙雜物，這是因為這樣的精細攙雜物不具有優良的切屑處理性能和在橫向上的韌性。
本發明的第二實施例涉及一種切削結構鋼，其滿足如下的條件，即[Mg]/[S]≥7.7×10-3(其中[]表示每種成分的質量百分含量)，那些主軸不短于50微米的硫化物型攙雜物的粒子的平均尺寸比不大于10.8，a/b≤0.25(其中a和b按照如上的定義)。
在上述的第二實施例中，主軸不短于50微米的硫化物型攙雜物的粒子的平均尺寸比不大于10.8，最好不大于10.5。在平均尺寸比超過上述的極限的情況下，硫化物型攙雜物呈細長的形狀，而不是大致的球形；因此，所獲得的切削結構鋼在橫向上的韌性差。另外，上述的尺寸比也不具有特定的下限。換句話說，攙雜物的粒子可為球形(尺寸比為1)。
同時，在上述的第二實施例中，[Mg]/[S]的值應不小于7.7×10-3，最好不小于1.5×10-2。在該值小于特定的極限的情況下，所獲得的切削結構鋼不含有充足的控制硫化物型攙雜物的形狀和尺寸的Mg氧化物，因此包含大量的對橫向上的韌性具有損壞的粗糙硫化物型攙雜物。[Mg]/[S]的值不具有特定的上限；其由Mg含量的上限和S含量的下限決定。
本發明的第三實施例涉及一種滿足如下條件的切削結構鋼([Mg]+[Ca])/[S]≥7.7×10-3(其中[]表示每種成分的質量百分比)，主軸不短于50微米的硫化物型攙雜物的粒子的平均尺寸比不大于10.8，a/b≤0.25(其中a和b按如上的定義)。
在上述的第三實施例中，([Mg]+[Ca])/[S]的值應不小于7.7×10-3，最好不小于1.5×10-2。在該值小于特定的極限的情況下，所獲得切削結構鋼不含有足夠的控制硫化物攙雜物形狀和尺寸的Mg和Ca氧化物，因此包含大量的損害橫向上的韌性的粗糙硫化物型攙雜物。([Mg]+[Ca])/[S]的值不具有特定的上限，其由Mg和Ca含量的上限和S的下限決定。
用于測量硫化物型攙雜物的形狀和尺寸的樣品應從不具有分離和聚合的氧化型和硫化型攙雜物的切削結構鋼部分中取得。
下面將對本發明的切削結構鋼的化學成分進行描述。
C0.01-0.7％C為決定成品的強度的最重要的元素。從此觀點出發，C含量的下限應為0.01％，最好為0.1％或更高。然而，C含量的上限應為0.7％，最好為0.55％，這是因為過量的C會對韌性和工具的壽命產生負面的影響。
Si0.01-2.5％Si的作用是充當去氧劑，通過對固態溶液淬水而使機器部件強度增強。為了發揮Si的作用，Si含量的下限應為0.01％，最好為0.03％。然而，Si含量的上限應為2.5％，最好為1.5％，因為過量的Si會對加工性能產生負面的影響。
Mn0.1-3％Mn可提高鋼的硬度，從而對其強度作出貢獻。其同樣形成硫化物型攙雜物，從而對切屑處理性能作出貢獻。從此觀點出發，Mn含量的下限應為0.1％，最好為0.3％。然而，Mn含量的上限應為3％，最好為2％，因為過量的Mn會對加工性能產生負面的影響。
S0.01-0.16％S形成硫化物型攙雜物，從而可提高切屑處理性能。從此觀點出發，S的下限為0.01％，最好為0.03％。然而，S的含量的上限應為0.16％，最好為0.14％，因為過量的S形成硫化物(例如MnS)，由此會使斷裂傳播。
P不大于0.05(不包含0％)P使得顆粒邊界分離，從而降低了抗撞擊性。因此，P的含量應不大于0.05％，最好不大于0.02％。
Al不大于0.1％(不包含0％)Al在制鋼中為重要的去氧劑。其同樣形成使得顆粒體精細的氮化物。然而，過量的Al會產生粗糙顆粒，對韌性造成負效應。Al含量的上限為0.1％，最好為0.05％。
正如后面將要詳細描述的，Al在本發明中為重要的元素。在生產過程中其和Mg和Ca一起以充分的時間加入到熔化的鋼中。
Mg不大于0.02％(不包含0％)Mg的作用為去氧劑。其形成精細的氧化物，使硫化物型攙雜物成核，用于均勻的擴散。精細的氧化物溶解到硫化物型攙雜物中形成固體溶液，從而防止硫化物型攙雜物伸長。過量的Mg的含量會導致高的生產成本。Mg含量的上限為0.02％，最好為0.01％。雖然Mg成分的下限不確定，但足量的Mg含量應使得[Mg]/[S]的值不低于7.7×10-3，最好不低于1.5×10-2。
Ca不大于0.02％(不包含0％)
雖然在均勻擴散硫化物型攙雜劑中Ca沒Mg有效，其可有效的防止粗糙的硫化物型攙雜物延長。當與Mg、Ca一起加入時，可增強Mg的作用，防止硫化物型攙雜物變長。和Mg一樣，如果加入過量的Ca同樣會增加成本。Ca含量的上限應為0.02％，最好為0.01％。雖然Ca含量的上限不確定，但Ca的含量應使得([Mg]+[Ca])/[S]的值不低于7.7×10-3，最好不低于1.5×10-2。
Bi不大于0.3％(不包含0％)Bi有效的改善機械加工性。過量的Bi不會產生附加的效應，但會降低熱鍛性和機械性能。Bi含量的上限應為0.3％，最好為0.1％。雖然Bi含量的上限不確定，其最好為0.01％，從而產生如上所述的效果。
通過下面的工藝生產本發明的切削結構鋼。
Al全脫氧鋼中的攙雜物的結晶通過氧化鋁成核。不幸的是，所公知的是，氧化鋁聚集到熔化鋼中的粗糙團中。換句話說，粗糙的氧化鋁導致粗糙的硫化物型攙雜物。
在本發明的工藝中，通過向不含鋁的熔化鋼中加入不含鋁的Mg合金可解決此問題。此合金形成作為氧化物型攙雜物的MgO，此MgO的作用在于充當硫化物型攙雜物的核。MgO與氧化鋁相比，不易于聚集和成團。結果，氧化物型攙雜物變為擴散的精細顆粒，而硫化物型攙雜物不會變糙。
在對其中含有大量的MgO粒子進行冷卻的過程中，MgO粒子作為MgS的核，在進一步冷卻時，所形成的MgS粒子順次充當MnS核其他硫化物攙雜物的核。另外，MgO粒子作為MgS和MnS的核。結果是，所形成的硫化物型攙雜物包含大量的Mg，因此在輥壓時不會變形。這對自由切削鋼很有用，使其具有優良的機械性能(橫向上的撞擊強度)和優良的切屑處理性能。
如上所述，氧化鋁聚集到熔化鋼中的粗團中。這是因為熔化鋼的氧化鋁的非常差的濕潤性。相對比的，MgO更容易被熔鋼濕化；因此，MgO不會形成團。這是因為與氧化鋁相比，MgO具有較小的界面表面能。日本專利2684307中揭示了通過向熔鋼中加入Mg而將熔鋼中的氧化鋁轉化為MgO.Al2O3的工藝。(其中的一個實例是MgO.Al2O3進一步轉化為MgO)。考慮到其低的界面表面能，MgO.Al2O3和MgO粒子的尺寸小，并不易于聚集成團。然而，如果在將Mg加入到熔鋼中及氧化鋁轉化為MgO.Al2O3之前氧化鋁粒子聚集到粗的粒子中，熔鋼包含有粗的硫化物型攙雜物。在本發明中其不被保留，其中將不含鋁的Mg合金加入到不含鋁的熔鋼中。Mg合金形成MgO，其擴散進熔鋼中。與氧化鋁粒子相比，MgO粒子具有小的表面界面能，并尺寸小，不易于聚團。因此，即使在已經加入了Mg合金后加入Al，MgO.Al2O3和氧化鋁也不會出現，因為MgO已經在加入Al出現了。換句話說，Al不起去氧劑的作用，但其使得加工和熱處理期間的結晶粒子精細。即使MgO變為MgO和氧化鋁的化合物，也可實現本發明的目的，這是因為反應很慢。
本發明的工藝同樣包含如下的步驟，即向基本上不含Al的熔鋼中順序加入基本上不含鋁的Mg合金和基本上不含鋁的Ca合金。在熔鋼中形成CaO和CaS。此CaO的作用是作為氧化物型攙雜物的一部分。與MgO類似，其充當硫化物型攙雜物的核。含CaS的硫化物型攙雜物與不含Mg的硫化物型攙雜物相比不容易延長(與含Mg的硫化物型攙雜物類似)。因此，其通過下面的機制對機械性能進行了改善(特別是橫向上的撞擊強度)。在熔鋼中形成的大量的氧化物型攙雜物(諸如MgO)作為MgS和CaS的核。在進一步冷卻時，MgS和CaS使MnS與其他的硫化物型攙雜物成核。另外，氧化物型攙雜物(諸如MgO)作為MgS、CaS、MnS等的核。結果，硫化物型攙雜物包含大量的Mg核Ca，因此其不易于變形。換句話說，在輥壓時其不易于延長，此性能使得自由切削鋼具有優良的機械性能(尤其是橫向上的撞擊性能)核優良的切屑處理性能。為了獲得更好的效果，在已經加入Ca后可加入Al。
本發明的工藝同樣包含如下的步驟，向不含Al的熔鋼中加入基本上不含AL的Mg合金和基本上不含Al的Ca合金，或在加入基本上不含Al的Ca合金之前加入基本上不含Al的Mg合金，然后以任意的順序加入盡量多次的這兩種合金。同時加入Mg合金和Ca合金形成包含MgO和CaO的氧化物，其作為硫化物型攙雜物的核。其不會產生聚集和結團，因此所形成的硫化物型攙雜物不會變粗。通過第二種模式的加入可提高產量，并使得自由切削鋼具有優良的機械性能和優良的片切屑處理性能。為了獲得更優良的效果，在加入Mg合金和Ca合金后可加入Al。
在首先加入Ca合金的情況下，Ca與熔鋼種的痕量的氧化鋁反應，形成MgO.Al2O3。此MgO.Al2O3可作為硫化物型攙雜物的核，但其易于變為粗的攙雜物，結果使得所形成的硫化物型攙雜物也變粗。因此，此加入模式無法實現本發明的目的。
在本發明中使用的熔鋼應最好不含Al。更具體的，熔鋼中Al成分的上限為0.005質量百分比。超過此極限的Al在加入Mg之前形成氧化鋁。這會妨礙實現本發明的目的。
在本發明中使用的Mg合金和Ca合金基本上不含Al。更具體的，在Mg合金和Ca合金中的Al含量的上限應為1％(質量百分比)。越小越好。如果向熔鋼中加入包含大于1％Al的合金，合金中的Al與熔鋼中的氧結合，從而形成氧化鋁，并進而聚集成團。此情況與當首先加入Al的情況類似。在此情況下，無法實現本發明的目的。另外，在一起加入Mg和Ca合金的情況下，在兩合金中的Al含量的上限為1.2％(質量百分比)。
加入Mg和Ca的方法并不具體限制。然而，在選擇適宜的方法時應記住，Mg和Ca具有高的蒸發壓力，易于由于蒸發或氧化而喪失。一種辦法是向粒狀的Mg合金或Ca合金中加入鐵線，并將鐵線加入到熔鋼中。另外一個方法是將粒狀的合金和惰性氣體一起吹入到熔鋼中。針對熔鋼中Mg和Ca的差的保持力向勺子、漏斗或模子中加入幾次小部分的Mg合金和Ca合金。這樣主要是為了提高煉鋼的效率。
由于Mg和Ca為易于氧化的元素，在實踐中需要用礦渣覆蓋住熔鋼，從而防止其由于受空氣的氧化而喪失。在此情況下，礦渣中所包含的MgO的量應不小于15％(質量百分比)，最好不小于20％(質量百分比)，以形成足夠的用于結晶的核，因為如果其不包含MgO和CaO，礦渣將吸收MgO和CaO(由于加入Mg和Ca所形成)。類似的，在熔鋼中加入Ca的情況下，在實踐中需要使用包含CaO的礦渣，其含量不小于15％(質量百分比)，最好不小于20％(質量百分比)。
本發明的工藝的最后工藝是將熔鋼鑄成所需的形狀。澆鑄后為所公知的加工工件工藝，無特定的限制。例如，可將鋼錠輥壓成鋼條，從而鋼錠的截面降低92-97％。此類的加工，和鍛造及輥壓一樣，會影響鋼中的硫化物型攙雜物的形狀。然而，本發明的機器加工鋼即使在此種的加工后仍然保持優良切屑處理性能和橫向韌性，只要其所包含的硫化物型攙雜物的形狀和尺寸在上述的范圍內即可。
另外，本發明的硫化物型攙雜物并不具體的進行限定。其包含Mn、Ca、Mg、Zr、REM的硫化物，及其他元素(諸如Ni、Cr、Cu、Mo、V、Nb、Ti、Zr、Pb和Bi)等的硫化物。硫化物可為硫的化合物，碳-硫化物或酸-硫化物的形式。
實例下面將參考具體的實例對本發明進行具體的描述，其并不構成對本發明的限制。對其所做的各種的變化和修改都在本發明的范圍之內。
在表1中示出了成分不同的十三個樣品。
用于樣品1到7的工藝。在向勺中出鋼時向通過轉爐制造的熔鋼中加入Si、Mn和Cr。對勺子中的熔鋼進行真空去氣和去氧化。然后和Si、Mn、Cr和S(5號樣品為還有Bi)結合。在此情況下，可獲得基本上不含Al的熔鋼。勺中熔鋼只是Ni-Mg合金或與Ni-Ca合金的結合。(更具體的，將填充有合金顆粒的鐵線加入到熔鋼中)。
用于樣品8，9和13的工藝。在向勺中出鋼時向由轉爐中產生的熔鋼中加入Si、Mn、Cr和Al。對勺子中的熔鋼進行真空去氣和去氧化。然后和Si、Mn、Cr和S結合。在此情況下，可獲得基本上含0.02％Al的熔鋼。勺中熔鋼只是Ni-Mg合金或與Ni-Ca合金的結合。(更具體的，將填充有合金顆粒的鐵線加入到熔鋼中)。
用于樣品1，3，5，6，8和13的工藝。用包含25％MgO的礦渣覆蓋住熔鋼。
用于樣品2，4，7和9的工藝。用包含25％MgO和25％CaO的礦渣覆蓋住熔鋼。
用于樣品10和12的工藝。在向勺中出鋼時向由轉爐中產生的熔鋼中加入Si、Mn、Cr、Al和Ni。對勺子中的熔鋼進行真空去氣和去氧化。然后和Si、Mn、Cr、Al、S和Ni結合。在此情況下，可獲得所需的熔鋼。
用于樣品11的工藝。在向勺中出鋼時向由轉爐中產生的熔鋼中加入Si、Mn、Cr。對勺子中的熔鋼進行真空去氣和去氧化。然后和Si、Mn、Cr和S結合。在此情況下，可獲得基本上不含Al的熔鋼。勺中熔鋼只是Ni-Ca合金。(更具體的，將填充有合金顆粒的鐵線加入到熔鋼中)。最后，加入鋁，從而所獲得的鋼中包含0.02％的Al。
在1580度溫度下將每個熔鋼鑄成鋼錠，測得頂部直徑為245mm，底部直徑為210mm，高度為350mm，重量為150千克。在1200度下將鋼錠鑄造成圓棒，直徑為52mm，與減少了96％的面積對應。將棒切割成長度為30mm的樣品，并進行下列各項的測試。
硫化物型攙雜物的形狀和尺寸在硫化物型攙雜物延長的方向上對樣品進行切割。用圖象分析儀對切割表面進行觀察，其型號為LUZEX F，由Nireco公司生產。對5.5×5.5mm視野(放大一百倍)中的硫化物型攙雜物的主軸和副軸進行觀察。對所觀察的圖象進行二維處理，將RGB值保持在R125/180，G110/180，B120/180。根據亮度對灰度進行充分的調節，從而從矩陣中可清晰的區分出硫化物型攙雜物。從測量的主軸和副軸計算各個粒子的尺寸比。將其平均值作為樣品中的硫化物型攙雜物的尺寸比。切屑處理性能用由高速鋼制成的直線鉆機(直徑為10mm)以20m/min的切割速度和0.2mm/rev的輸送速度干鉆出10mm深的孔，用于對樣品的切屑處理性能進行檢測。將一克片的片數的多少作為標準對切屑處理性能進行評估，并由從這三個孔中收集的片的重量和總數進行計算。橫向上的韌性根據JISG 0303切割出鋼的樣品(對應JIS Z2202 No.3)。為了測量橫向上的撞擊強度，對每個樣品都產生出一個與鍛造方向垂直的切口。在正常的溫度下根據JISZ2242使用Charpy撞擊檢測儀(豎直型，由TokyoKouki Seizousho公司生產)對樣品進行檢測。
測量的結果顯示在表2和表3中。
表1單位質量％
表2
*主軸不短于5微米的硫化物型攙雜物的平均尺寸比*主軸不短于50微米的硫化物型攙雜物的平均尺寸比表3
如表3中所示，樣品1到7中，其為本發明的加工樣品，同時具有優良的橫向上的韌性和切屑處理性能。
通過對比，如表3中所示，作為本發明的比較實例的樣品8到13不具有滿意的性能。
樣品8和9的a/b的數值超過了本發明的具體的限定。由于大量的粗糙的硫化物攙雜物，其橫向上的韌性不理想。其原因在于其是在含Al的熔鋼中加入Mg或Mg和Ca的結合而制備的。
樣品13和樣品8和9一樣，a/b的數值超過了在本發明中指定的上限。由于S的含量低，其橫向上的韌性比樣品8和9好。然而，由于上述的原因，其切屑處理性能不好。總的結果是無法在橫向上的韌性和切屑處理性能之間達成平衡。
樣品10到12的特征在于，在不考慮其主軸是短于5微米或短于50微米的情況下，其尺寸比超過了本發明中指定的上限。因此，其橫向韌性不好。其原因在于這些樣品中不包含Mg，這意味著其全部或略微缺少用于控制硫化物型攙雜物的形狀的氧化物。因此，硫化物型攙雜物呈細長的形狀，從而造成橫向上的韌性低。
在
圖11中示出了上述的結果，坐標分別為片數和橫向的韌性。很明顯的，根據本發明的這些樣品在兩種性能之間達成了很好的平衡。
在上述的本發明的切削結構鋼中，其同時顯示出了優良的很向韌性和切屑處理性能，而且不含有鉛。
權利要求
1.一種切削結構鋼，其具有優良的切屑處理性能和機械性能，含有硫化物型攙雜物，從而這些主軸位于特定范圍內的硫化物型攙雜物的粒子具有可控制的平均尺寸比，并同時還含有有限數量的硫化物型攙雜物的粗糙粒子。
2.一種具有優良切屑處理性能和機械性能的切削結構鋼，其含有硫化物型攙雜物，從而主軸短于5微米的硫化物型攙雜物粒子的平均尺寸比小于5.2，其同樣含有粗糙的硫化物型攙雜粒子，從而滿足下面的關系a/b≤0.25其中，a表示主軸不短于20微米的硫化物型攙雜物粒子數，b表示主軸不短于5微米的硫化物型攙雜物的粒子數。
3.一種切削結構鋼，滿足如下的條件，[Mg]/[S]≥7.7×10-3(其中[]表示每種成分的含量(質量％)，這些主軸不短于50微米的硫化物型攙雜物的粒子的平均尺寸比不大于10.8，a/b≤0.25(其中a表示主軸不短于20微米的硫化物型攙雜物粒子數，b表示主軸不短于5微米的硫化物型攙雜物的粒子數)。
4.一種切削結構鋼，滿足如下的條件，([Mg]+[Ca])/[S]≥7.7×10-3(其中[]表示每種成分的含量(質量％)，這些主軸不短于50微米的硫化物型攙雜物的粒子的平均尺寸比不大于10.8，a/b≤0.25(其中a表示主軸不短于20微米的硫化物型攙雜物粒子數，b表示主軸不短于5微米的硫化物型攙雜物的粒子數)。
5.根據權利要求1所述的機器鋼，其特征在于包含0.01-0.7％的C，0.01-2.5％的Si，0.1-3％的Mn，0.01-0.16％的S，不大于0.05％的P(不包含0％)，不大于0.1％的Al(不包含0％)，和不大于0.02％的Mg(不包含0％)。其中的“％”表示質量百分比。
6.根據權利要求1所述的機器鋼，其特征在于包含0.01-0.7％的C，0.01-2.5％的Si，0.1-3％的Mn，0.01-0.16％的S，不大于0.05％的P(不包含0％)，不大于0.1％的Al(不包含0％)，和不大于0.02％的Mg(不包含0％)。另外還可包含不大于0.02％的Ca(不包含0％)，其中的“％”表示質量百分比。
7.根據權利要求1所述的機器鋼，其特征在于包含0.01-0.7％的C，0.01-2.5％的Si，0.1-3％的Mn，0.01-0.16％的S，不大于0.05％的P(不包含0％)，不大于0.1％的Al(不包含0％)，和不大于0.02％的Mg(不包含0％)。另外還可包含不大于0.02％的Ca(不包含0％)和不大于0.3％的Bi(不包含0％)，其中的“％”表示質量百分比。
8.如權利要求1所述的生產切削結構鋼的工藝，其特征在于所述的工藝包含將不含Al的Mg合金加入到不含Al的熔化鋼中的步驟。
9.如權利要求8所述的生產切削結構鋼的工藝，其特征在于所述工藝還包含在加入所述Mg合金后加入所Al述的步驟。
10.如權利要求8所述的生產切削結構鋼的工藝，其特征在于所述的工藝包含如下的步驟，加入不含Al的Ca合金，接著在加入所述Mg合金后加入基本上不含Al的Ca合金。
11.如權利要求10所述的生產切削結構鋼的工藝，其特征在于所述工藝還包含在加入所述Ca合金后加入Al的步驟。
12.如權利要求1所述的生產切削結構鋼的工藝，其特征在于如果需要的化向不含Al的熔鋼中一起多次加入不含Al的Mg合金和不含Al的Ca合金的步驟，或所述工藝包含在加入不含Al的Ca合金之前加入不含Al的Mg合金然后以任意的順序多次加入此兩種合金的步驟。
13.如權利要求12所述的生產切削結構鋼的工藝，其特征在于所述工藝還包含在加入所述Mg合金和所述Ca合金后加入Al的步驟。
14.如權利要求8所述的生產切削結構鋼的工藝，其特征在于用包含15％或更多的MgO的礦渣覆蓋熔鋼。
15.如權利要求12所述的生產切削結構鋼的工藝，其特征在于用包含15％或更多的MgO的礦渣覆蓋熔鋼。
全文摘要
一種具有優良切屑處理性能和機械性能的切削結構鋼,其含有硫化物型摻雜物,從而主軸短于5微米的硫化物型摻雜物粒子的平均尺寸比小于5.2,其同樣含有粗糙的硫化物型摻雜粒子,從而滿足下面的關系:a/b≤0.25,其中,a表示主軸不短于20微米的硫化物型摻雜物粒子數,b表示主軸不短于5微米的硫化物型摻雜物的粒子數。
文檔編號C21C7/00GK1344816SQ0112036
公開日2002年4月17日 申請日期2001年8月20日 優先權日2000年8月30日
發明者新堂陽介, 家口浩, 土田武廣, 坂本浩一, 鹿礒正人, 染川雅實, 星川郁生, 木村世意 申請人:株式會社神戶制鋼所