CN104294161A

CN104294161A - 一种用于耐高温易切削高强钢

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Publication number: CN104294161A
Application number: CN201410600323.4A
Authority: CN
Inventors: 张帆; 范植金; 吴杰; 徐志; 周新龙; 罗国华; 刘婳
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2034-10-31
Also published as: CN104294161B

Abstract

一种用于耐高温易切削高强钢，其组分及wt%为：C：0.15～0.35%、Si：0.40～0.60%、Mn：1.2～1.5%、P≤0.015%、S≤0.015%、N：0.04～0.06%、B：0.01～0.02%、Al：0.01～0.03%、Ti：0.04～0.06%、Mo：0.025～0.035%、Cr：0.06～0.12%。本发明不仅无环境污染，切削性能优良，即切削性能同于Pd系易切削钢，且在成分简单，仅采用现有工艺的前提下，屈服强度Rel≥750Mpa，抗拉强度Rm≥1000Mpa，延伸率A≥20%，断面收缩率Z≥35%，并通过采用Cr-Mo合金化提高钢材耐热性能，即由现有的耐热温度在400℃左右提高至不低于500℃，且使用周期比现有技术的24个月左右能提高6个月以上，其完全满足了耐热型高强钢的要求。

Description

一种用于耐高温易切削高强钢

技术领域

本发明涉及一种易切削钢，具体地属于一种耐高温中零部件用易切削高强钢。

背景技术

随着机械工业的发展，特别是数控机床的普及应用，耐高温零部件用钢如锅炉、发动机、供暖管网等零部件用钢，不仅要求与主体设备相同的耐热性能和良好的机械性能，还对零部件可切削性要求愈发严格，而传统技术提高切削性能往往是以牺牲钢材机械性能为前提，这使得现有技术面临无法克服的问题，即使钢材兼具良好切削性能、机械性能的同时仍具有较高的耐热性能。

就目前的易切削钢而言：含铅易切削钢虽具有优良的切削性能（刀具寿命、切屑处理性、加工面光洁度等）的特点，但由于铅会从钢中迁移进入环境中，尤其是高温环境中迁移速率更快，对人体有害，对环境污染较大，从环保的角度，显然不是今后继续利用和研究发展的对象。

对于硫系、铋系等易切削钢虽均为无铅的环保型易切削钢，但由于其生产或应用均面临各种问题：如硫系易切削钢中较高的硫、氧含量，会降低钢质纯净度、严重恶化钢材力学性能且钢中MnS夹杂，会导致力学性能各向异性增大，限制了其应用范围；对于含有Se（硒）、Te（碲）、Bi（铋）等稀有元素的易切削钢，其切削性能虽然能得到改善，且不会显著恶化钢材力学性能，但因成本昂贵而同样限制其应用。

局限于上述现有技术的不足，易切削性往往难以成为耐热型高强钢考量的目标，这导致耐热型高强钢难以满足数控机床对材料的切削性的要求，降低了生产效率、提高了生产成本。

BN型易切削钢属于新型环保型无铅易切削钢，其利用与石墨晶体结构类似的BN夹杂改善钢材切削性能，使得钢材具有与铅系易切削钢相当的可切削性，且力学性能与母材无异，因而成为国际易切削钢研发热点。

经检索：中国专利公开号为CN102703839A的专利文献，其公开了一种高强度易切削钢。其化学成分重量百分比为，C：0.05－0.20％、Si：0.10－0.40％、Mn：1.00－2.00％、P：≤0.040％、S：0.070－0.200％、Al：≤0.010％、Cr：0.20－0.50％、Ti：0.03－0.10％、B：0.008－0.0035％，其余为铁和不可避免的杂质。其存在的不足：该文献钢种为低碳硫系易切削钢，虽然采用Ti微合金化，但其力学性能不佳（即屈服强度Rel≥450MPa，抗拉强度Rm≥650MPa，延伸率A≥20%，断面收缩率Z≥55%），其硫的加入提高了钢材切削性能，但增大了力学性能各向异性，因而限制了其应用范围，并且单独依靠钢中Cr（0.20－0.50％）提高钢材耐热性能效果较差。中国专利公开号为CN103397255的专利文献，其公开了一种各向异性小的高性能易切削钢，其化学组分重量百分比为，C：0.10－0.70％、Si：0.10－0.60％、Mn：0.20－1.50％、P：<0.025％、S：<0.010％、Al：0.02％至0.08％、B：0.021－0.028％、N：0.02-0.04％、Cu：0.70-2.00%，余量为铁及不可避免的杂质。其存在的不足：该专利属于BN型易切削钢具有优良的切削性能，虽然采用Cu来提高钢材力学性能，但改善效果不理想，即其屈服强度Rel≥400Mpa，抗拉强度Rm≥600Mpa，延伸率A≥16%，难以满足高强度的要求，且化学成分中缺乏增强钢材耐热性能的元素如Cr、Mo等，因而无法确保钢材耐高温性能。

现有技术中为避免钢材强度降低或铅污染，而并未对于其加工性能予以考虑，即在耐热型高强钢中没添加易切削元素，因而钢材切削性能差；亦有相关环保型BN专利的报道，如中国专利公开号为CN103397255的专利文献，但其耐热性能以及强度较低，难以适应高温环境下的使用要求。

为克服上述现有技术的不足，本发明利用BN夹杂改善钢材切削性能，并通过Cr-Mo以及钛合金化提高钢材耐热性能和强度，生产出一种耐热型高强度易切削钢。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种不仅无环境污染，切削性能优良，且屈服强度Rel≥750Mpa，抗拉强度Rm≥1000Mpa，延伸率A≥20%，断面收缩率Z≥35%，并通过采用Cr-Mo合金化提高钢材耐热性能，即由现有的耐热温度在400℃左右提高至不低于500℃，且使用周期得以提高的用于耐高温易切削高强钢。

实现上述目的的措施：

一种用于耐高温易切削高强钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.15～0.35 %、Si：0.40～0.60 %、Mn：1.2～1.5 %、P≤0.015 %、S≤0.015 %、N：0.04～0.06 %、B：0.01～0.02 %、Al：0.01～0.03 %、Ti：0.04～0.06 %、Mo：0.025～0.035 %、Cr：0.06～0.12 %，其余为Fe及不可避免的杂质。

优选地：C的重量百分比含量为0.17～0.33%。

优选地：Mo的重量百分比含量为0.028～0.033%。

优选地：Cr的重量百分比含量为0.08～0.12%。

本发明中各元素作用：

C：碳含量对钢材强度有重要影响，过高的碳含量使钢中珠光体比例增加，使钢的强度提高，不利于易切削钢的切削加工；而过低的碳含量会降低钢材的强度，并使得钢材偏软，降低了钢材力学性能和断屑性能。通过实验发现当碳含量低于0.15%时钢质偏软，切削过程铁屑长且不易断，因而切削性能不佳，同时钢材强度较低；当碳含量超过0.35%时钢材基体硬度偏高，对刀具磨损较为严重且力学性能富余量较高，因而综合考虑力学性能和切削性能，碳含量设计为0.15～0.35%，优选地：C为0.17～0.33%。

Si：主要以固溶强化形式提高钢的强度，但过高的硅含量会恶化钢的冷变形能力，且其脱氧产物具有较高硬度，切削过程对刀具磨损严重，因此本发明硅含量设计为0.40～0.60%。

Mn：在铁素体中，Mn的固溶强化作用仅次于P和Si，可以提高钢材强度，并且不会显著恶化钢的变形能力，但含量低于0.80%时，其强化效果不明显；Mn还能与S反应生成MnS夹杂提高钢材切削性能，并能防止导致热脆性的低熔点FeS在晶界析出，同时MnS夹杂还可以成为BN夹杂形核核心，降低BN夹杂析出所需吉普斯自由能，增加BN夹杂析出数量，从而提高钢材的切削性能。因此，本发明锰含量设计为1.2～1.5%。

P：其能强化铁素体相，但P对钢材性能而言是有害元素，理论上要求其含量越低越好，才能保证本发明钢的性能。因此，本发明磷含量设计为0.015%以下。

S：钢中硫与锰可形成的MnS夹杂可作为BN夹杂形核核心，提高BN夹杂形核率，增加钢中BN夹杂数量，但过多的MnS夹杂会增大钢材性能的各向异性，严重限制钢材的应用。因此，本发明硫含量设计为0.015%以下。

N：钢中N与B反应生成有利于改善切削性能的BN有利夹杂，且通过Ti（C、N）的生成实现钛微合金化提高钢材强度的目的，因此钢中需要适量的N含量，但若N含量过多，会恶化钢材力学性能并降低钢材成材率。因此，本发明氮含量设计为0.04～0.06%。

B：B的添加是为形成BN夹杂，以改善钢材切削性能。钢中B含量过低，难以生成足够量的BN夹杂，过高则极易恶化钢材韧性且不利于钢材推广应用。因此本发明B含量设计为0.01～0.02 %。

Al：铝作为脱氧剂加入钢中，一定量的铝有利于促进BN夹杂的析出，但过量的Al会影响钢材力学性能，降低钢材切削性能。因此，本发明铝含量设计为0.01～0.03%。

Ti：作为提高钢材强度的微合金化元素加入，钛的碳氮化物弥散沉淀析出能细化晶粒，使钢的强度增加并在较高温度时保持细晶粒组织，提高了钢材的热稳定性和强度。但过多的钛会增加冶炼难度并导致钢材硬度偏高，进而增加刀具的磨损，降低切削性能。因此，本发明钛含量设计为0.04～0.06%。

Mo：钼是钢中重要的合金元素，对铁素体有固溶强化作用，能提高碳化物的稳定性，因此对提高钢的高温强度有利。并能有效提高钢的强度和韧性(特别是耐高温性能)；提高钢的硬度和耐磨性，改善钢件的淬透性和淬硬性，净化晶界改善耐延迟断裂性能。但过多的钼会增加冶炼成本。钢中加入少量钼能显著增强钢材强度，具有较高的投入产出比。通过实验发现，当钢中Mo含量低于0.025%时钢材强度较低，难以满足高强度的要求；当Mo含量高于0.035%时，钢质硬度偏高造成切削过程刀具磨损严重。因此综合考虑本发明钢中钼含量设计为0.025～0.035%，优选地：Mo为0.028～0.033%。

Cr：铬主要存在于渗碳体(Fe₃C)中，溶于渗碳体中的铬提高了碳化物的分解温度，阻止了石墨化现象的发生，进而提高了钢材的耐热性，并能提高钢材耐蚀性能。通过实验发现，当钢中Cr含量处于0.06%到0.12%时，钢材耐热和耐蚀性能俱佳，且能很好满足使用要求。因此，本发明铬含量设计为0.06～0.12%，优选地：Cr为0.08～0.12%。

本发明与现有技术相比，不仅无环境污染，切削性能优良，即切削性能同于Pd系易切削钢，且在成分简单，仅采用现有工艺的前提下，屈服强度Rel≥750Mpa，抗拉强度Rm≥1000Mpa，延伸率A≥20%，断面收缩率Z≥35%，并通过采用Cr-Mo合金化提高钢材耐热性能，即由现有的耐热温度在400℃左右提高至不低于500℃，且使用周期比现有技术的24个月左右能提高6个月以上，其完全满足了耐热型高强钢的要求。

附图说明

图1为本发明中起到微合金化作用的TiN夹杂形貌图

图2为本发明中起到微合金化作用的TiN能谱图；

图3为本发明钢种热轧态金相组织。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例性能检测情况列表。

本发明各实施例按照以下常规工艺生产：

电炉（转炉）→精炼（LF、VD、RH）→连铸→（加热）轧制成材；

其中，控制方坯加热温度在1150～1250℃，保温时间100～150min；粗轧开轧温度在1100～1200℃；精轧终轧温度850～900℃；热轧棒材经过精轧后进行穿水冷却，冷却速度50～120℃/min；经打捆后入坑缓冷至室温。各实施例的工艺参数在所述的范围内任意选取。

表1本发明各实施例及对比例的取值列表（wt%）

表2本发明各实施例及对比例性能列表

从表2数据可知，本发明力学性能满足：屈服强度Rel≥750Mpa，抗拉强度Rm≥1000Mpa，延伸率A≥20%，断面收缩率Z≥35%，且刀具寿命明显提高，切削性能优良，耐热度至少在500℃，使用周期至少能延长6个月，切削后钢材表面光洁度高。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims

1.一种用于耐高温易切削高强钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.15～0.35 %、Si：0.40～0.60 %、Mn：1.2～1.5 %、P≤0.015 %、S≤0.015 %、N：0.04～0.06 %、B：0.01～0.02 %、Al：0.01～0.03 %、Ti：0.04～0.06 %、Mo：0.025～0.035 %、Cr：0.06～0.12 %，其余为Fe及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的一种用于耐高温易切削高强钢，其特征在于：C的重量百分比含量为0.17～0.33%。

3.如权利要求1所述的一种用于耐高温易切削高强钢，其特征在于：Mo的重量百分比含量为0.028～0.033%。

4.如权利要求1所述的一种用于耐高温易切削高强钢，其特征在于：Cr的重量百分比含量为0.08～0.12%。