CN100537817C - 易切削非调质钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有较高切削性能的切削加工用Ca-S复合易切削非调质钢及其制造方法。钢的组成为：C：0.44～0.49%，Si：0.30～0.60%，Mn：1.20～1.50%，V：0.08～0.12%，Cr、Ni、Cu≤0.30%，S：0.040～0.065%，P≤0.035%，Ca：0.001～0.010%，Al：0.01～0.03%，余为Fe和不可避免的杂质。其制造方法是通过钢包吹氩、Ca-S复合处理控制钢中夹杂物组成，采用连铸浇注铸坯，钢坯在加热炉的均热温度为1180～1220℃，加热时间为2～3h，开轧温度1100～1150℃，终轧温度850～1000℃，轧后钢材冷却速度为1.5～2.5℃/s，下冷床堆冷温度600～700℃。本发明的钢材具有优良的机械性能和易切削性能。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，涉及一种易切削非调质钢及其制造方法，尤其涉及一种具有较高切削性能的切削加工用Ca-S复合易切削非调质钢及其制造方法。
背景技术
非调质钢是不经过调质处理可达到性能要求的机械结构钢，采用此类钢制造零件，可省去调质热处理工序和装备，同时，避免了热处理过程中的所产生的废品，减少了污染，降低了能耗，这种钢属节能型钢材。我国有丰富的钒、钛等资源、发展非调质钢不仅符合我国国情，而且有助于钒、钛的综合利用。同时采用非调质钢可得到均匀的截面性能，降低零件的制造成本，对提高我国汽车和机械产品的质量具有特殊的意义。我国非调质钢的开发和应用最广泛的是汽车行业，非调质钢的市场主要集中在几家汽车制造厂及配件制造厂。热锻用非调质钢多用于制造汽车的连杆、曲轴、前轴、半轴等发动机和传动系统的零部件；高强度、高韧性非调质钢应用于抽油杆、汽车的保安部件前梁、船舶用发动机曲轴等；直接切削用非调质钢主要用来制造杆类、螺栓等零件。根据GB/T15712-1995《非调质机械结构钢》，非调质钢按使用加工方法分两类：一是切削加工用非调质机械结构钢，二是热压力加工用非调质机械结构钢。对于切削加工用非调质机械结构钢，其基体的组织和性能完全取决于供货状态下热轧钢材的组织和性能。轧后冷却速度和终止快冷温度影响着钢材的组织和性能，因此应严格执行相应的轧制工艺制度。
在公开号为CN1667129A(申请号200410006571.2)，名称为含硫易切削非调质钢的制造方法的中国专利申请中，申请人首钢总公司公开了一种采用转炉-精炼-连铸-控扎控冷生产含硫易切削非调质钢的工艺，包括含硫铁水-转炉冶炼-挡渣出钢-钢包脱氧合金化-LF钢包精炼-喂S线-钢包底吹氩-全保护浇铸-铸坯控冷-控轧控冷步骤。CN1667129A号申请也公开了通过这种工艺生产的非调质钢的组份及含量范围。
在公开号为CN1858283A(申请号200510039213.6)，名称为中碳硅钒氮微合金化非调质钢的中国专利申请中，申请人马鞍山钢铁股份有限公司公开了一种中碳硅钒氮微合金化非调质钢钢种设计，其组份及含量范围：C：0.37～0.44％，Si≤0.50～0.90％，Mn：0.60～0.90％，P≤0.035％，S≤0.035％，V：0.03～0.08％，N≥0.0070％，其余为Fe和杂质。本发明通过增加廉价的Si、N元素，减少钢中锰及贵重的钒钛等元素，降低生产成本。
在授权公告号为CN1218061C(申请号02145362.4)，名称为一种钙处理钒—氮—钛微合金化非调质钢及其制备工艺的中国专利文献中，申请人宝山钢铁股份有限公司公开了发明钢组份及含量范围：C：0.25～0.40％、Mn：1.0～1.70％、Si：0.30～0.70％、V：0.05～0.20％、Cr：0.30～0.20％、Ti：0.005～0.025％、N：0.0080～0.02％、S：0.005～0.025％、Ca：0.0005～0.0050％、其余为不可避免的杂质。另外，还公开了发明钢的制造工艺。该发明通过碳、锰、硅、铬、钒和氮等合金元素的匹配设计，并实施钙处理，解决了钒微合金化非调质钢无法在大截面情况下保证内部硬度及组织均匀性的缺陷，提高了模具钢材料耐大气腐蚀性能。该发明中钙处理一是为了控制硫化物形态，降低偏析，改善韧性和切削加工性；二是为了获得含钙的硫化物，诱导铁素体相变，从而进一步改善切削加工性能和硬度分布。
上述专利文献分别涉及转炉冶炼硫易切削非调质钢的制造方法、一种低成本中碳硅钒氮微合金化非调质钢设计和一种适用于大截面塑料模具的钙处理钒—氮—钛微合金化非调质钢及其制造方法。但没有涉及解决适用于高切削速度下提高Mn-V系非调质钢切削性能问题。
除此之外，目前我国常用的易切削加工非调质钢大部分为低硫易切削钢，虽具有优良的低、中速切削加工性能，但S易切削加工钢的夹杂物单一，塑性太大，压力加工时沿加工方向显著伸长，导致材料具有较强的各向异性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种具有较高切削性能的Ca-S复合易切削非调质钢，主要解决了低硫易切削非调质钢在高速切削条件下切削性能问题，极大地改善了力学性能。本发明另外的目的在于提供具有较高切削性能的Ca-S复合易切削非调质钢的制备方法。
切削加工用Ca-S复合易切削非调质钢，其组成按重量百分数为：
C：0.44～0.49％ S：0.040～0.065％
Si：0.30～0.60％ P≤0.035％
Mn：1.20～1.50％ Ca：0.001～0.010％
V：0.08～0.12％ Al：0.01～0.03％
Cr、Ni、Cu≤0.30％ 余为Fe和不可避免的杂质。
优选的，切削加工用Ca-S复合易切削非调质钢，组成按重量百分数为：
C：0.44～0.48％ S：0.040～0.065％
Si：0.35～0.45％ P≤0.035％
Mn：1.30～1.45％ Ca：0.001～0.010％
V：0.08～0.10％ Al：0.01～0.03％
Cr、Ni、Cu≤0.30％ 余为Fe和不可避免的杂质。
控制Ca含量为0.001～0.010％的目的是：为了克服长条形硫化物给材料力学性能带来的弊病，改善钢的高速切削加工性能，设计加入Ca：0.001～0.010％，进行Ca-S复合处理，从而控制硫化物形态。Ca处理的易切削钢高速切削时，在刀具上形成一层覆盖膜，起到润滑、减轻刀具磨损的作用，同时兼顾力学性能不降低。
为了减少MnS热脆性影响，设计ω(Mn)/ω(S)一般在20以上，其它成分取中限控制。当酸溶Al小于0.005％时，不形成易于MnS在其上析出的Al2O3与MnO、FeO结合的复合氧化物，大于0.030％时形成单纯的Al2O3，不利于细小弥散的MnS析出，因此，Al含量设计控制在0.010～0.030％。
切削加工用Ca-S复合易切削非调质钢的制备方法，包括冶炼及合金化、浇注、轧制和控冷工艺，其特征在于，控制钢的化学成分重量百分比含量为：
C：0.44～0.49％ Si：0.30～0.60％
Mn：1.20～1.50％ P≤0.035％
V：0.08～0.12％ Ca：0.001～0.010％
Cr、Ni、Cu≤0.30％ Al：0.01～0.03％
S：0.040～0.065％ 余为Fe和不可避免的杂质，
通过钢包吹氩、Ca-S复合处理控制钢中夹杂物组成，先向钢中加入S线后，向钢中加入Ca-Si线进行Ca处理，控制Ca/S比：0.02～0.05，终脱氧喂入铝线。
并且，采用连铸浇注铸坯，钢坯在加热炉的均热温度为1180～1220℃，加热时间为2～3h，开轧温度1100～1150℃，终轧温度850～1000℃，轧后钢材冷却速度为1.5～2.5℃/s，下冷床堆冷温度600～700℃。
本发明的创新点之一在于合理的热轧工艺，目的是为了使非调质钢的热轧材，特别是直接切削加工用非调质钢热轧材达到要求的力学性能。在钢的化学成分符合要求的情况下对含钒钢，加热炉的均热温度为1180～1220℃，完全可以保证V化合物充分固溶，为其析出强化创作了条件；终轧温度控制在850～1000℃，因为低的终轧温度可明显提高非调质钢的塑、韧性；轧后钢材冷却速度为1.5～2.5℃/s，可保证最佳的析出强化效果；下冷床堆冷温度控制在600～700℃，可保证钢材性能和质量。
进一步优选的，切削加工用Ca-S复合易切削非调质钢的制备方法，在保证钢的化学成分符合要求的情况下，进行如下步骤：
(1)冶炼及合金化——电炉冶炼、出钢，LF炉外精炼。为保证钢中易切削夹杂物形态，采用先向钢中加入S线，后向钢中加入Ca-Si线进行Ca处理，并控制合适的Ca/S比：0.02～0.05，确保化学成分符合设计要求，
(2)浇注——采用连铸浇注铸坯，控制过热度，连铸中间包为20～30℃，控制浇注速度，连铸拉坯速度为0.80～1.20m/min，保证铸坯质量，
(3)轧制——钢坯在加热炉的均热温度为1180～1220℃，加热时间为2～3h，开轧温度1100～1150℃，终轧温度850～1000℃，
(4)控冷——轧后钢材冷却速度为1.5～2.5℃/s，下冷床堆冷温度600～700℃。
与现有技术相比，本发明的技术方案的有下列优点：
1、同目前广泛应用的低硫易切削非调质钢比较：
(1)本发明钢通过添加Ca元素以及控制合适的Ca/S比：0.02～0.05，可改善硫化物夹杂物形态，提高高速切削时的加工性能，改善S对力学性能的不利影响。
(2)该热轧钢材经轧后控制冷却后，钢材组织和性能满足零件最终使用要求，加工性能良好，用户降低了制造成本、提高了生产效率，直接加工后零件具有良好的表面粗糙度，可直接使用。
2、本发明的易切削非调质钢的制备方法：
CN1667129A号申请中，申请人首钢总公司公开了一种采用转炉-精炼-连铸-控扎控冷工艺流程生产含硫易切削非调质钢，着重涉及转炉冶炼方法以及采用该方法控制钢质量技术。而本发明涉及通过钢包吹氩、Ca-S复合处理控制钢中夹杂物组成，终脱氧喂入铝线；采用连铸浇注铸坯，钢坯在加热炉的均热温度为1180～1220℃，加热时间为2～3h，开轧温度1100～1150℃，开轧温度1100～1150℃，终轧温度850～1000℃，轧后钢材冷却速度为1.5～2.5℃/s，下冷床堆冷温度600～700℃的工艺方法，与CN1667129A号申请公开的方法显著不同。本发明通过冶炼Ca-S复合处理、连铸及轧后控冷等综合手段控制夹杂物形态和钢材热轧组织状态，保证了钢材机械性能和易切削性能，生产出具有较高切削性能和内在质量的易切削非调质钢。和一般的调质钢相比，切削工具寿命提高约30％。
附图说明
图1为本发明钢夹杂物形貌200×照片。
图2为实验刀具YT14切削发明钢和45调质钢时的T-v曲线，其中X为切削速度v，单位mm/min；Y为刀具耐用度T，单位min。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来具体说明本发明的技术方案，但不限于此。
本发明切削加工用Ca-S复合易切削非调质钢是采用UHP(超过功率电炉)+LF(炉外精炼)工艺冶炼，连铸浇注铸坯—加热—轧制成材—轧后控制冷却工艺生产钢材。实施例1-5是以Φ50mm规格钢材的生产工艺来具体说明本发明是如何实施的。
切削加工用Ca-S复合易切削非调质钢的生产工艺步骤为：
(1)冶炼及合金化，电炉冶炼、出钢，LF炉外精炼。为保证钢中易切削夹杂物形态，采用先向钢中加入S线，后向钢中加入Ca-Si线进行Ca处理，并控制合适的Ca/S比：0.02～0.05的冶炼技术，确保化学成分符合设计要求。
(2)浇注，采用连铸浇注铸坯，控制过热度，连铸中间包为20～30℃，控制浇注速度，连铸拉坯速度为0.80～1.20m/min，保证铸坯质量。
(3)轧制，钢坯在加热炉的均热温度为1180～1220℃，加热时间为2～3h，开轧温度1100～1150℃，终轧温度850～1000℃。
(4)轧后钢材冷却速度为1.5～2.5℃/s；下冷床堆冷温度600～700℃。
具体参数见表1和表2。表1是实施例易切削非调质钢化学成分，表2是连铸中间包过热度、拉坯速度、钢坯加热温度、时间及变形温度。
表1：易切削非调质钢实施例化学成分(重量，％)
| 实施例 | C | Si | Mn | V | Cu | Cr | Ni | P | S | Al | Ca | Fe |
| 1 | 0.44 | 0.35 | 1.20 | 0.10 | 0.06 | 0.12 | 0.029 | 0.011 | 0.055 | 0.014 | 0.002 | 余量 |
| 2 | 0.49 | 0.35 | 1.35 | 0.08 | 0.06 | 0.12 | 0.029 | 0.012 | 0.049 | 0.025 | 0.0015 | 余量 |
| 3 | 0.44 | 0.35 | 1.50 | 0.08 | 0.06 | 0.12 | 0.029 | 0.012 | 0.047 | 0.014 | 0.0016 | 余量 |
| 4 | 0.45 | 0.39 | 1.36 | 0.08 | 0.06 | 0.13 | 0.030 | 0.012 | 0.059 | 0.015 | 0.0029 | 余量 |
| 5 | 0.44 | 0.35 | 1.35 | 0.09 | 0.05 | 0.12 | 0.029 | 0.008 | 0.060 | 0.017 | 0.003 | 余量 |
表2：连铸中间包过热度、拉坯速度、钢坯加热温度、时间及变形温度
| 实施例 | 连铸中间包过热度℃ | 连铸拉坯速度mm/min | 钢坯均热温度℃ | 均热时间h | 开轧温度，℃ | 终轧温度，℃ | 轧后冷速℃/s | 堆冷温度℃ |
| 1 | 25 | 0.90 | 1200 | 2.7 | 1120 | 950 | 2.0 | 600 |
| 2 | 28 | 1.00 | 1210 | 2.6 | 1100 | 980 | 1.7 | 650 |
| 3 | 23 | 0.95 | 1190 | 2.8 | 1140 | 960 | 1.9 | 690 |
| 4 | 29 | 0.98 | 1190 | 2.6 | 1120 | 960 | 1.8 | 650 |
| 5 | 27 | 1.00 | 1200 | 2.5 | 1120 | 980 | 2.0 | 670 |
该种易切削非调质钢经实验测定有关性能数据列于表3中，测试方法采用国际通用方法。
表3：钢的物理特性
此热轧态易切削非调质钢硬度为HB255～269，因此，本发明钢具有切削性能好、性能稳定、表面质量良好等特点，能满足使用要求。
图1为本发明钢夹杂物形貌200×照片。图2为实验刀具YT14切削发明钢和45调质钢时的T-v曲线，其中X为切削速度v，单位mm/min；Y为刀具耐用度T，单位min。从图1可以看出钢中生成了改善切削性能的球状复合夹杂物；从图2可以看出，发明钢的T-v曲线位于45调质钢T-v曲线的上方，斜率比45调质钢小，可以得出：发明钢的切削加工性远远优于45调质钢。
Claims (5)
1、切削加工用Ca-S复合易切削非调质钢，其特征在于，Ca/S比：0.02～0.05，组成按重量百分数为：
C：0.44～0.49％ S：0.040～0.065％
Si：0.30～0.60％ P≤0.035％
Mn：1.20～1.50％ Ca：0.001～0.010％
V：0.08～0.12％ Al：0.01～0.03％
Cr、Ni、Cu≤0.30％ 余为Fe和不可避免的杂质。
2、切削加工用Ca-S复合易切削非调质钢，其特征在于，Ca/S比：0.02～0.05，组成按重量百分数为：
C：0.44～0.48％ S：0.040～0.065％
Si：0.35～0.45％ P≤0.035％
Mn：1.30～1.45％ Ca：0.001～0.010％
V：0.08～0.10％ Al：0.01～0.03％
Cr、Ni、Cu≤0.30％ 余为Fe和不可避免的杂质。
3、切削加工用Ca-S复合易切削非调质钢的制备方法，包括冶炼及合金化、浇注、轧制和控冷工艺，其特征在于，控制钢的Ca/S比：0.02～0.05，成分重量百分比为：
C：0.44～0.49％ S：0.040～0.065％
Si：0.30～0.60％ P≤0.035％
Mn：1.20～1.50％ Ca：0.001～0.010％
V：0.08～0.12％ Al：0.01～0.03％
Cr、Ni、Cu≤0.30％ 余为Fe和不可避免的杂质。
4、切削加工用Ca-S复合易切削非调质钢的制备方法，包括冶炼及合金化、浇注、轧制和控冷工艺，其特征在于，控制钢的Ca/S比：0.02～0.05，成分重量百分比为：
C：0.44～0.48％ S：0.040～0.065％
Si：0.35～0.45％ P≤0.035％
Mn：1.30～1.45％ Ca：0.001～0.010％
V：0.08～0.10％ Al：0.01～0.03％
Cr、Ni、Cu≤0.30％ 余为Fe和不可避免的杂质。
5、权利要求3或4所述切削加工用Ca-S复合易切削非调质钢的制备方法，其特征在于，所述的冶炼及合金化、浇注、轧制和控冷工艺为：
(1)冶炼及合金化：采用电炉冶炼，LF炉外精炼，通过钢包吹氩，先向钢中加入S线后，向钢中加入Ca-Si线进行Ca处理，控制Ca/S比：0.02～0.05，终脱氧喂入铝线，
(2)浇注：采用连铸浇注铸坯，控制过热度，连铸中间包过热20～30℃，控制拉坯速度0.80～1.20m/min，
(3)轧制：控制钢坯均热温度1180～1220℃，加热时间2～3h，开轧温度1100～1150℃，终轧温度850～1000℃，
(4)控冷：轧后钢材冷却速度1.5～2.5℃/s，下冷床堆冷温度600～700℃。
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