低碳高硫磷易切削鋼的制作方法

專利名稱：低碳高硫磷易切削鋼的制作方法
技術領域：
本發明涉及冶金行業易切削結構鋼的成分設計，尤其是指硫系易切削結構鋼。
背景技術：
結構鋼是常見的鋼鐵品種，近年來，隨著機械、設備制造工業的迅速發展(機械加工自動化程度的提高、數控機床的廣泛應用)，結構鋼材料的易切削化(降低零部件的機加工成本、提高生產效率)成為鋼鐵使用商的追求(切削加工的費用占零件總成本的50％左右，而應用零部件的家電、辦公裝備、汽車、IT等行業價格競爭日趨激烈，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，零件在自動化生產線上的切削加工時間，每縮短1秒，即可節省1日元。)，為滿足機械、設備制造工業的金屬材料易切削化(金屬材料的切削性能是一個綜合指標，通常是指材料在被切削加工中的生產率、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。金屬材料的力學性能、物理性能、化學成分及金相組織等直接影響著材料的切削性能。)要求，以結構鋼為基礎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存在，鉛顆粒分布均勻，減少了化學成分偏析，對鋼材的力學性能影響不大。由于鉛的熔點很低，鉛在切削過程中熔解而潤滑刀具，能提高切削效率，降低刀具磨損)具備獨一無二的切削性能并兼備一定的機械性能，因而廣泛應用于機械加工行業(目前國內采用數控機床加工零部件，當機床主軸轉速大于4000r/min時，其材料基本上采用鉛系易切削鋼)；然而，鉛是重金屬，對人體健康有致命的影響(使用鉛系易切削鋼生產的零部件，組裝在電腦、打印機等辦公自動化裝備，汽車零配件、空調、電視等家電設備，由于這些設備有一定的工作溫度，且與人們的生產生活息息相關，因此，不可避免地對人體健康造成危害。)，且污染環境(鉛的熔點很低，在高溫下容易揮發，因此在冶煉和加工過程中，會不可避免地污染大氣環境)。在此背景下，硫系易切削鋼受到了鋼鐵制造商(鋼鐵廠)、機械、設備制造工業商(鋼鐵用戶單位)的歡迎，其使用量也不斷增加，應用范圍不斷擴大。
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，其特點是在結構鋼中添加適量S、P含量(一般來說，鋼中的S元素，使之產生硫化物夾雜，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、S、P的均勻分布，對鋼的機械性能影響并不大)，目的在于大幅度提高鋼材的機加工切削性能(為機械制造業朝著高速化、精密化及自動化方向的發展提供了材料基礎)。硫系易切削鋼的優點是沒有鉛污染，屬于環保型的易切削鋼；缺點是易切削性能低于鉛系易切削鋼。
目前，國內外科研機構和鋼鐵制造商在硫系易切削鋼的基礎研究方面投入了前所未有的熱情，以期在硫系基礎上開發新型復合易切削鋼，使之具備材料上綠色環保、制造方法上經濟低廉、并兼備優良切削性能和一定機械性能等特征的環保型易切削鋼。從國內來看，易切鋼研究、生產的發展很慢，納入國標的易切削鋼鋼種很少，切削性能與進口材料相比存在著較大的差距，目前的研究與應用主要涉及材料的設計方面(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化的連鑄連軋生產模式；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、形態和分布，而硫化物的組成、形態和分布又直徑決定了材料的切削性能。因此，材料的成分設計，不僅關系到理論上的切削性能，也關系到冶煉、加工工藝的工業化難易程度。而材料的最終性能取決于成分設計、冶煉工藝、加工工藝)，達到鉛系易切削結構鋼切削性能的硫系易切削鋼，工業化生產尚未形成(國內對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，易切削鋼的關鍵技術不成熟，如生產效率高、交貨期短、生產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)，造成了該材料基本依耐于進口的局面(進口材料基本上是SUM24L、12L14等鉛系易切削鋼)。從國外來看，一些切削性能較良好的硫系易切削鋼已納入標準，如美國牌號的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％)，最新的研究進展也發表了不少專利(如日本住友公司在中國申請的專利一種低碳硫易切削鋼，申請號03103453.5)，但是，這些納入生產標準或發表的專利均存在以下幾個方面的問題一是高硫磷鋼的熱脆性難以控制，導致生產困難；二是絕大部分發表的專利采用的是實驗室手段，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化到工業化生產中；三是其切削性能穩定性較差，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，數控機床主軸轉速可達到4000r/min，以φ20mm的易切削鋼棒材為例，棒材表面的線速度可達到251.327m/min)，尚不具備工業化生產的能力。

發明內容
本發明開發一種低碳高硫磷易切削鋼，適用于冶煉工藝、加工工藝的工業化(連鑄連軋)生產，該易切削鋼在具備一定機械性能(符合標準要求)的同時，兼備低碳鉛系易切削鋼(例如12L14鉛系易切削鋼)相當的切削加工性能(零部件加工時，易切削鋼棒材表面的線速度可達到300m/min)，滿足了市場的需要。
本發明開發的低碳高硫磷易切削鋼，其特征在于鋼的化學元素成分(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的硫化物數量(N0)＞1000個/mm2，其中直徑≥5.08μm的硫化物數量(N1)占40％以上，也就是(N1*100/N0)＞40％，面積≥40μm2的硫化物數量(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、分布可以達到滿意的效果，成品易切削鋼能獲得相匹配的優良加工性能)。
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，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(適應循環經濟的需要)時，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度的重要元素之一。C＝0.03％～0.20％對切削性能有利。由于C含量多少是影響鋼的硬度的一個關鍵的元素，而鋼的硬度對鋼的切削性能的影響成正態分布，在鋼的硬度達到HB＝180時，其切削性能達到峰值，原因是，鋼中碳含量過高，以鐵素體為基的珠光體數量增加，會導致鋼的硬度和強度升高，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量增加，鋼的強度、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鍵元素，同時也是惡化切削性能的元素之一。硅在鋼中形成硅酸鹽，會導致刀具磨損，硅高會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度的元素，錳與硫結合形成的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；同時為了保證高溫和常溫下的加工性能和必要的力學性能，鋼中必須含有0.60～2.00％的錳。錳含量過高會增加強度和韌度，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，硫對改善易切削鋼的切削性能具有及其顯著的作用，隨著鋼中硫含量的增加，鋼的切削性能指數明顯提高。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性而使切屑易斷，又由于MnS的潤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，加劇了鋼材各向異性，降低了硫易切削鋼的橫向力學性能，而且鋼中硫含量超過一定的數值后，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、鈮等元素結合，在鐵素體晶界處生成氮化物和碳氮化物，有利于細化晶粒，改善鋼的強度，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。當氮含量超過0.020％時，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、鋁等復合氧化，形成CaO.Al2O3.2SiO2(鈣斜長石)復合氧化物。當切削溫度升高時，該復合氧化物會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，其氧化產物作為硫化物形核核心，可以促進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的作用。當鈣低于0.0001％時，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，鎂的脫氧產物作為硫化物的形核核心，可以促進硫化物的均勻分布；鎂還起到改善硫化物形態的作用。
Al鋁可以用于控制低碳易切削鋼的脫氧，但是鋁與氧結合形成高熔點、高硬度的氧化鋁，會加劇對刀具的磨損，更優選地將鋁控制在0.005％以下。
O易切鋼中適當的氧含量對改善鋼中硫化物形態有利，故易切鋼在脫氧方式的選擇上一般采用不完全脫氧方式，以保證鋼中適當的氧含量。氧與硅、鋁、鈣、鎂、鈮、鈦、硼等脫氧元素結合形成的脫氧產物，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。當氧含量低于0.003％時，以上作用不充分，當氧含量大于0.015％時，會造成鋼的連鑄困難，表面質量惡化，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、碳氮化物可以細化晶粒，改善鋼的機械性能，在凝固過程中還可作為硫化物的析出核心，改善硫化物的形態和促進其均勻分布。當鈮含量大于0.020％時，會惡化鋼的熱加工性，且大顆粒的鈮的氮化物會惡化鋼材的切削性能，導致刀具壽命下降。
Ti可以不添加鈦，若添加鈦，則鈦的氧化物、氮化物、碳氮化物可以細化晶粒，改善鋼的機械性能，在凝固過程中還可作為硫化物的析出核心，改善硫化物的形態和促進其均勻分布。當鈦含量大于0.05％時，會形成大顆粒、高熔點的鈦氮化物，惡化切削性能。
B可以不添硼，若添加硼，硼容易與O、C、N等元素結合形成各類夾雜物，并在高溫下析出，促進硫化物的均勻分布。硼的夾雜物在晶界沉淀，起到細化晶粒的作用。因此硼能提高鋼的強度和淬透性。當硼含量高于0.010％時，容易生成大顆粒的高熔點夾雜物，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，改善易切削鋼的機械性能。當Cr含量高于0.50％時，鋼的硬度增加過多，不利于改善切削性能。對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，改善易切削鋼的機械性能。當Ni含量高于0.50％時，鋼的硬度增加過多，不利于改善切削性能。對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Cu大于0.50％時，鋼的熱加工性能惡化。對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Sn含量高于0.20％時，鋼的熱加工性能惡化。對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As含量高于0.20％時，鋼的熱加工性能惡化。對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Sb含量高于0.05％時，鋼的熱加工性能惡化。對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。
在實施以上成分控制的同時，需對以下元素重量百分含量的比例實施進一步的控制[Mn]/[C]＝10～50本發明的宗旨在于實現低碳硫系易切削鋼的連鑄連軋的工業化生產，將錳碳比控制在此范圍內，材料的熱加工性最好。其機理是鋼液在凝固過程中，碳含量對凝固前沿枝晶間的微觀偏析產生重要影響，當鋼中碳含量在0.10～0.20％時，鋼液的凝固由單一的δ相凝固轉變為δ→γ凝固，P、S在γ相中的分配系數減少了一半以上，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，有利于進一步抑制S的偏析；因此，提高錳碳比，能降低鋼的內裂紋敏感性。實驗數據表明(圖2)當錳碳比小于10時，連鑄坯內裂紋指數急劇上升，鋼的熱加工性惡化；當錳碳比在10～50時，連鑄坯內裂紋指數顯著降低，鋼的熱加工性優良，可以獲得92％以上的成材率；當錳碳比大于50時，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，鋼的熱加工性最好。其機理是凝固過程中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。鋼液中氧含量少時硫的溶解度高，脫氧程度差時鋼液中氧含量高，鋼液溶解硫的能力比較小，硫在較高的溫度下就開始達到飽和，并開始析出液態硫化物；而且多半是氧化物和硫化物在凝固過程中同時析出，形成球形復合夾雜物，無規則的分布在鋼中。)往往與氧化物復合于高溫析出，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I型硫化物的生成，提高錳含量，可進一步促進硫化錳的生成，抑制低熔點鐵硫共晶體的生成，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展，改善了鋼的熱加工性。具體實施證據見圖3。
/[S]≤0.30將硅硫比控制在此范圍內，鋼的切削性能最好，其機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，向鋼液添加Ca、Mg、Nb、B、Ti等強脫氧元素，形成彌散分布的脫氧產物，該脫氧產物作為硫化物的形核核心，促進了硫化物的均勻分布，高熔點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，因而對硫化物形態有利。因此硅硫比控制了硫化物的分布，當硅硫比≤0.30，同時鋼中Ca＝0.0001～0.0100％、Mg＝0.0001～0.010％、Al＝0.001～0.010％、O＝0.0030～0.0150％時，能獲得以下特征的硫化物分布直徑≥1.69μm的硫化物數量N0＞1000個/mm2，其中直徑≥5.08μm的硫化物數量N1占40％以上，也就是N1*100/N0＞40％，面積≥40μm2的硫化物數量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的切削性能，具體實施證據見圖6-9)。
和現有技術相比，本發明具有下列優點1、易切削鋼無需添加Pb、Te等有毒物質，對環境友好；2、易切削鋼無需添加Bi、Zr、Ni等昂貴金屬，節約資源，降低了生產成本；3、用于易切削鋼的原料，適應性強，可以循環使用含P、S、Cu、Sn、Sb等各類返回廢鋼，有利于循環經濟的發展；4、具有低碳鉛系易切削鋼相當的切削性能，同普通硫系鋼比較，機械加工效率高、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化生產。


圖1是本發明1#材料的連鑄坯低倍硫印照片；圖2是[Mn]/[C]對連鑄坯裂紋的影響；圖3是[Mn]/[Si]對連鑄坯裂紋的影響；
圖4是本發明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是試樣中心區域的硫化物照片(X500)圖5-2是試樣邊沿區域的硫化物照片(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是本發明4#材料加工的零件圖紙具體實施方案某鋼鐵公司煉鋼分廠實施本發明專利，其特征在于環保型低碳高硫磷易切削鋼的化學元素成分(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，連鑄坯裂紋指數隨[Mn]/[C]的增加而下降；提高錳碳比，能降低鋼的內裂紋敏感性。由圖3，[Mn]/[Si]＞≥20，連鑄坯內裂紋指數明顯下降；提高錳含量，可進一步促進硫化錳的生成，抑制低熔點鐵硫共晶體的生成，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系，依據表3硫化物與表1的化學成分數據，分析了[Si]/[S]和Ca含量與硫化物的關系圖6，當[Si]/[S]小于0.30時，硫化物面積比明顯增加；圖7，當鋼中鈣含量增加時，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硫化物數量N0＞1000個/mm2，其中直徑≥5.08μm的硫化物數量N1占40％以上，也就是N1*100/N0＞40％，面積≥40μm2的硫化物數量N2占35％以上。)。
工業化(生產實踐證實，高硫磷鋼的熱加工性能非常差，具體表現在連鑄過程容易漏鋼，連鑄坯容易發生嚴重的角部裂紋、中間裂紋和中心裂紋，熱軋過程坯料頭部容易開裂，因而軋制風險很大。)連鑄連軋生產(冶煉工藝采用寶鋼集團上海五鋼有限公司發明的低碳高硫(硫磷)易切削結構鋼連鑄坯的生產方法，專利申請號200520024205.4；加工工藝采用寶鋼集團上海五鋼有限公司發明的高硫(硫磷)易切削結構鋼的熱連軋生產方法，專利申請號200410084414.3)的環保型低碳高硫磷易切削鋼(示例的化學成分見表1，表1中備注欄標注*指其化學成分偏離了本發明范圍。)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3流弧形連鑄機→34機架摩根軋機熱加工軋制。
連鑄坯質量達到了優質碳素結構鋼優質坯的標準(見圖1，隨機抽取1#材料的連鑄坯低倍硫印照片)，連鑄坯坯料熱軋生產(經上千次軋制生產，沒有發現坯料在熱軋過程中開裂，證實該材料具有優良的熱加工性)的Φ5-30mm線材成品性能可靠(對各種規格的線材和盤圓進行了機械性能、硬度、低倍組織的分析，詳細數據見表2所示。)、質量穩定(10#材料軋制的Φ10mm線材晶粒度達到9級，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中證實具有與低碳鉛系易切削鋼相當的切削性能。)，線材成品的硫化物檢測數據(表3)符合理想要求(為進一步考察硫化物分布的具體數據，對選自表3材料號軋制成為各種規格的線材，檢測了硫化物數量、硫化物面積、直徑(寬度)、長度，計算了硫化物的長寬比，統計分析了直徑≥5.08μm的硫化物數量在總硫化物數量中的百分比，面積≤25μm2和≥40μm2的硫化物數量在總硫化物數量中的百分比，并與低碳鉛系易切削鋼進行了對比。由數據可見，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的硫化物數量在總硫化物數量中的百分比都在45％以上，硫化物面積≥40μm2的硫化物數量在總硫化物數量中的百分比都在35％以上；而7#、8#、9#、11#材料不符合如此特征。后續的切削性能試驗證實，與鉛系易切削鋼有相似硫化物特征的材料具有優良的切削加工性能。)。
實施本發明專利生產的Φ5-30mm線材和棒材成品，經用戶使用，切削性能和機械性能優良，數控機床加工零部件時，數控機床主軸轉速可達到5000r/min，棒材表面的線速度可達到300m/min(見表6。切削性能達到鉛系易切削鋼的水平)，滿足了機械制造商的要求。
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，零件加工圖(見圖10)所示。
試驗工藝熱軋線材(∮6.5)→酸洗堿洗→冷拔(∮6.1)→下料(長度2750mm/支)→數控機床(型號12BO12-II型，日本TSUGAMI公司產，刀具鎢鋼刀，臺灣產)→成品零件零件標準長度410.5mm，需開孔；徑向尺寸公差≤0.04mm，表面光潔度RA＝1.6(用戶常規生產狀態下使用SUM24L鉛系鋼的切削速度為4000r/min，進給量為0.03mm/r。)試驗參數進給量0.03-0.10mm/r，切削速度分別為4000、4500、5000r/min。
試驗結果與SUM24L完全相等的切削速度下，4#材料切削加工生產順利；切屑斷屑性與含鉛易切削鋼相當；零件尺寸精度、表面光潔度均達到了標準要求，零件的尺寸精度和加工工序能力指數等詳細情況(見表5)。零件還進行了鉆削、銑削試驗，4#材料鉆孔性能、銑削性能均達到了鉛系鋼的水平。
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比試驗。
試驗工藝熱軋盤圓(∮18)→酸洗堿洗→冷拔(∮16)→下料(長度2750mm/支)→數控機床(刀具陶瓷)→成品零件零件標準徑向尺寸公差≤0.04mm，表面光潔度RA＝1.6(用戶常規生產狀態下使用鉛系鋼(12L14)的切削速度為4000r/min，進給量為0.06mm/r。)試驗參數進給量0.06mm/r，切削速度為4200-5000r/min試驗結果在高于12L14的切削速度下，5#、6#材料的切削加工生產順利；切屑斷屑性與含鉛易切削鋼相當；零件尺寸精度、表面光潔度均達到了標準要求。
化學成分 表1

機械性能相關檢測數據表(材料狀態熱軋)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 表5

5#、6#材料的切削性能對比試驗參數表6

權利要求
1.低碳高硫磷易切削鋼，其特征在于鋼的化學元素成分(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.根據權利要求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.根據權利要求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的硫化物數量(N0)＞1000個/mm2，其中直徑≥5.08μm的硫化物數量(N1)占40％以上，也就是(N1*100/N0)＞40％，面積≥40μm2的硫化物數量(N2)占35％以上，也就是(N2*100/N0)＞35％。
4.根據權利要求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，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.根據權利要求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，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(獲得優良加工性能相匹配的材料的硫化物分布)。本發明工業化(電爐冶煉；鋼液連鑄；連軋機熱加工軋制)生產的Φ5－30mm線材和棒材成品，硫化物尺寸、分布是直徑≥1.69μm的硫化物數量＞1000個/mm
文檔編號C22C38/42GK1718828SQ20051002739
公開日2006年1月11日 申請日期2005年6月30日 優先權日2005年6月30日
發明者胡俊輝, 楊偉寧, 徐薌明, 林俊 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司