CN101906597A - 一种环保型高性能石墨化易切削钢 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及加工构件的高性能石墨化易切削钢。其组分及重量百分比为：C：0.1～1.5％，Si：0.5～2.5％，Al：0.05～2.0％，Mn≤1.0％，P≤0.020％，S≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质，同时Si+Al之和在1.0～4.0％。本发明石墨化时间≤5小时，使生产效率大大提高，并可在该时间内将钢中的C转变为石墨，而且石墨粒子的尺寸较小，分布也较为均匀，且对环境无有害元素，还具有良好切削性能、冷成型性，高的疲劳强度。
Description
技术领域
本发明涉及石墨钢，具体属于加工构件的高性能石墨化易切削钢。
背景技术
随着近年来我国汽车工业和机械制造业的快速发展，对易切削钢的需求日益增加。然而我国目前易切削钢生产水平还不高，在产量、质量和品种诸方面都远远不能满足高速发展的国民经济的要求，高品质的易切削钢则依赖进口。现有易切削钢主要是通过在钢中单独或复合添加如S、P、Pb、Se、Te、Bi等易切削元素来提高材料的切削性能。易切削元素的加入，增加了钢的不纯净度，使材料的基本性能低于基体钢，难以满足对强度、韧性有严格要求的机械结构用钢领域。如常用的硫系切削钢，冶炼时空气污染严重，高的硫含量可导致钢的力学性能(特别是横向冲击韧性)显著降低，表面废品率和热脆性增高，热加工性能差。而铅系易切削钢虽然其切削性能优良，但由于铅污染环境以及铅在废钢回收熔炼过程中的有害作用，其应用受到了限制，如欧洲共同体有关条例(The EU-Directive on End ofLife Vehicles)已停止回收再利用含铅的汽车零件。钙易削钢晶粒粗大，钙在钢中的溶解度很低，不容易加入钢中，因此产品合格率低，成本高。只有在使用硬质合刀具高速切削时才能显著延长刀具寿命，但使用高速钢刀具时效果不显著。硒或蹄系易切削钢炼钢时回收率低且不稳定，并对人体有害，而且价格较高多与硫、铅等复合加入。由此可见，现有的易切削钢种，都存在着或多或少的问题，因此，有必要开发出一种具有切削性能优良，机械性能良好和环境友好等特点的新型易切削钢。
石墨化易切削钢由于具有良好切削性能、冷成型性，高的疲劳强度以及环境友好等特点，近年来受到世界各国冶金研究者和制造商的关注和研究。例如，美国专利文献6174384B1(2001)公开了在C为1％(质量分数，以下同)左右的钢中添加0.1-1.5％的Si，0.01-0.5％的Zr，利用Si可抑制渗碳体的形核和形成ZrC作为石墨的形核核心来生产石墨化易切削钢。美国专利文献5830285(1998)公开了在C在0.4-1.0％的钢中，添加0.4-1.3％Si，0.3-1.0％Mn，0.0003-0.006％B，0.002-0.010％N，0.05-0.20％Mo，利用BN作为石墨的形核核心和Mo对石墨分布的影响来生产石墨化易切削钢。日本公开专利49-67817则在C含量为0.45-1.5％的钢中，添加0.5-2.5％Si，0.1-2.0％Mn，0.02-0.15％P，0.001-0.015％S，0.008-0.020％N，0.1-2.0％Ni，0.015-0.5％Al以及0.015-0.030％Ca来生产石墨化易切削钢。文献“Machinability ofmedium carbon graphitic steel，Journal of materials processing technology，1996，62，358-362”中，其成分为0.55％C，1.2％Si，0.50％Mn，0.012％P，0.011％S，0.025％Al，0.0025％B。文献“石墨化处理后中碳钢的显微组织与性能，机械工程材料，2008，32(10)，48”，其石墨化易切削钢的成分为0.43％C，1.5％Si，0.45％Mn，0.010％S，0.009％P，0.005％B。但是，在这些公开的专利和文献中，将钢中的C转变为石墨，所需的石墨化时间较长，一般都在10小时以上，而且部分元素，如Ti，Zr等在炼钢时很难控制其含量或较难加入。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种在保证石墨钢具有良好切削性能、冷成型性，高的疲劳强度的前提下，石墨化时间≤5小时的，不含污染环境即对人有害的Pb、Se、Te元素，硫含量低的环保型高性能石墨化易切削钢。
实现上述目的的技术措施：
一种环保型高性能石墨化易切削钢，其组分及重量百分比为：C：0.1～1.5％，Si：0.5～2.5％，Al：0.05～2.0％，Mn≤1.0％，P≤0.020％，S≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质，同时Si+Al之和在1.0～4.0％。
其在于：Al重量百分比的优选范围在：0.05～2.0％。
其在于：还添加有重量百分比为：Zr：0.15～0.48％或B：0.016～0.025％或RE：≤0.5％或Nb+V+Ti≤0.5％。
其在于：Nb、V、Ti单独加入或几种同时复合加入，其量≤0.5％。
本发明中主要元素在钢中的作用及机理：
C：C是石墨易切削钢中的主要成分之一，是钢中石墨的来源。其主要作用在于，在石墨化退火时，通过同素异型转变而转变为石墨，从而达到提高切削性及冷成型性等的目的。当钢中的C含量低于0.1％时，石墨化退火时所需的时间较长，而且钢中的石墨含量也较少，钢的易切削性因此不高。此外，经淬火及回火处理后，钢的强度也不高。而当钢中的C含量过高时，经冷加工后，淬火时很容易产生裂纹。
Si：Si是非碳化物形成元素，与C原子的亲和力较小，能显著抑制石墨退火时渗碳体的析出，因此钢中必须有一定的Si含量。此外，Si也是一种较强的固溶强化元素，能增加石墨化退火后钢的强度。
Al：本发明钢种中合金元素Al的含量较高，即达到0.05-2.0％。Al与Si的作用类似，主要是石墨化退火时，阻碍渗碳体的析出。这主要是因为Al，Si不溶于渗碳体，必须从渗碳体/铁素体界面扩散出来，导致界面处浓度逐渐增加，C的活性相应增加，流动性降低，渗碳体核心的长大因此受到抑制，而且Al也是一种较强的固溶强化元素，可以弥补完全石墨化后，得到的组织铁素体+石墨强度的不足。此外，Al在炼钢的过程中，与钢中的N结合形成AlN，也可作为石墨的形核核心而加速石墨化进程。
Mn：Mn是钢中的常规元素，冶炼过程中的主要作用是脱氧，还能与S结合，生产MnS而提高钢的切削性。此外，Mn还能细化铁素体晶粒，提高钢板的强度和韧性，同时可固溶强化铁素体和增加淬透性。
Si+Al：为了实现目的，对合金元素与石墨化时间及石墨粒子的大小、分布等关系进行了详细研究，结果发现，将Si和Al作为必须元素，通过工艺，可在较短的时间内将钢中的C转变为石墨，而且石墨粒子的尺寸较小，分布也较为均匀，如再添加适当的Ti、Nb、Zr、B等元素，可进一步促进钢中C转变为石墨。
本发明与现有的钢种不同在于，石墨化时间≤5小时，使生产效率大大提高，并可在该时间内将钢中的C转变为石墨，而且石墨粒子的尺寸较小，分布也较为均匀；且无对环境有害元素，还具有良好切削性能、冷成型性，高的疲劳强度。
附图说明
图1为石墨化2h后得到的组织
图2是试样侵蚀后的组织(2-4％的硝酸酒精侵蚀
图3是石墨化2h后得到的组织(2-4％的硝酸酒精侵蚀)
图4是根据实施例3石墨化4h后得到的组织(无侵蚀)
图5是石墨化3h后得到的组织(2-4％的硝酸酒精侵蚀)
具体实施方式
实施例1
一种环保型高性能石墨化易切削钢，其组分及重量百分比为：C：0.10％，Si：0.82％，Al：0.18％，Mn：0.83％，P：0.019％，S：0.192％，余量为Fe及不可避免的杂质，同时Si+Al之和为1.0％。
实施例2
一种环保型高性能石墨化易切削钢，其组分及重量百分比为：C：0.43％，Si：0.5％，Al：2.0％，Mn：1.0％，P：0.018％，S：0.190％，余量为Fe及不可避免的杂质，同时Si+Al之和为2.6％。
实施例3
一种环保型高性能石墨化易切削钢，其组分及重量百分比为：C：0.62％，Si：0.95％，Al：0.05％，Mn：0.80％，P：0.0176％，S：0.182％，Zr：0.15％，Nb：0.1％，余量为Fe及不可避免的杂质，同时Si+Al之和为1.0％。
实施例4
一种环保型高性能石墨化易切削钢，其组分及重量百分比为：C：0.87％，Si：1.23，％Al：0.090％，Mn：0.76％，P：0.013％，S：0.153％，B：0.025％，V：0.2％，Ti：0.16％，余量为Fe及不可避免的杂质，同时Si+Al之和为1.32％。
实施例5
一种环保型高性能石墨化易切削钢，其组分及重量百分比为：C：1.16％，Si：2.5％，Al：1.5％，Mn：0.81％，P：0.012％，S：0.142％，RE：0.5％，Nb：0.14％，V：0.2％，Ti：0.16％，余量为Fe及不可避免的杂质，同时Si+Al之和为4.0％，Nb+V+Ti＝0.5％。
实施例6
一种环保型高性能石墨化易切削钢，其组分及重量百分比为：C：1.35％，Si：2.0％，Al：0.08％，Mn：0.81％，P：0.012％，S：0.142％，Zr：0.48％，余量为Fe及不可避免的杂质，同时Si+Al之和为2.08％。
实施例7
一种环保型高性能石墨化易切削钢，其组分及重量百分比为：C：1.5％，Si：1.6％，Al：0.95％，Mn：0.69％，P：0.010％，S：0.12％，B：0.016％，余量为Fe及不可避免的杂质，同时Si+Al之和为2.55％。
实施例8
一种环保型高性能石墨化易切削钢，其组分及重量百分比为：C：1.1％，Si：1.38％，Al：0.66％，Mn：0.35％，P：0.009％，S：0.10％，RE：0.38％，余量为Fe及不可避免的杂质，同时Si+Al之和为2.04％。
上述实施例的工艺采用现有的工艺制度，即冶炼，采用真空度为1.33帕、在微合金化后出钢、对钢锭进行热塑成型、进行石墨化处理等工艺。
经对上述实施例的结果进行检测，其结果见表1所列。
表1实施例的检测结果统计表
Claims (4)
1.一种环保型高性能石墨化易切削钢，其组分及重量百分比为：C：0.1～1.5％，Si：0.5～2.5％，Al：0.05～2.0％，Mn≤1.0％，P≤0.020％，S≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质，同时Si+Al之和在1.0～4.0％。
2.如权利要求1所述的一种环保型高性能石墨化易切削钢，其特征在于：Al重量百分比的优选范围在：0.05～1.5％。
3.如权利要求1所述的一种环保型高性能石墨化易切削钢，其特征在于：还添加有重量百分比为：Zr：0.15～0.48％或B：0.016～0.025％或RE：≤0.5％或Nb+V+Ti≤0.5％。
4.如权利要求3所述的一种环保型高性能石墨化易切削钢，其特征在于：Nb、V、Ti单独加入或几种同时复合加入，其量≤0.5％。
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