CN115386800B - 一种低碳高锰硫环保型易切削钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及易切削钢技术领域，尤其涉及一种低碳高锰硫环保型易切削钢及其制造方法。C：0.01％～0.15％、Si：0.001％～0.150％、Mn：1.10％～2.00％、P：0.020％～0.150％、S：0.20％～0.55％、Sn：0.010％～0.080％、Ca：0.001％～0.050％；氧值控制在全氧O：0.010％～0.030％，Mn/S控制在2.0～6.0，余量为铁及不可避免的杂质。通过成分、炼钢工艺、铸坯缓冷、加热工艺、轧钢工艺的有效配合生产出低碳高锰硫环保型易切削钢，其具有良好的切削性能和表面光洁度。本发明切削性能指标在f＝0.09mm/r，转速1600r/min切削工况下，进给：0.02、0.05、0.10、0.15、0.20mm/rev(毫米/转)切削深度：1mm，C型切屑的比例≥90％，工件的表面粗糙度在2.5～3.5微米，具备良好的切削性能和表面光洁度。
Description
技术领域
本发明涉及易切削钢技术领域，尤其涉及一种低碳高锰硫环保型易切削钢及其制造方法。
背景技术
随着金属制品用钢行业的快速发展，代表之一的易切削钢正朝着更环保、更高效的方向发展，加之工序加工自动化程度的不断提高，用户对易切削钢产品加工效率、加工表面质量、自动化车削刀具使用寿命的要求也日益提升。在这种情况下，如何提升易切削钢切削性能和表面质量得到了广大用户和科研人员的普遍关注。易切削钢，顾名思义就是以优异切削加工性能为突出特征的钢铁产品，由于该钢种在切削加工过程中具有较低的切削力及切削温度、切屑处理好、表面光洁度好和提高刀具的使用寿命等优点，被广泛应用于切削加工量大、加工自动化程度高的汽车、拖拉机、机床、仪器仪表等行业中。
目前，市场上公认的切削性能优异的钢铁材料为含铅易切削钢，例如SAE12L14、SAE12L15，SUM23L、SUM24L，11SMnPb28、11SMnPb30，Y08Pb、Y12Pb等。其不仅具有优良的易切削性能而且能有效保护刀具，提升道具使用寿命。但是，铅(Pb)是国际公认的非环保物质，生产过程中产生的铅蒸汽对工人的身体健康有极大的危害，近年来研究人员和用户均呼吁减少铅产品研发、生产和使用，尽快向环保型易切削钢产品开发、生产和使用的方向转变。因此，能否通过添加其它环保型易切削元素替代铅元素，提升产品切削性能，提升刀具使用寿命，成为了目前国内外开发易切削钢的重点。据了解，国内外已经陆续开发出硫系、锡系、钙系等易切削钢产品，其中硫系产品综合性能最好，用量也最大，大部分替代了铅系产品。
硫系易切削钢的切削性能主要依靠硫元素与锰元素结合形成硫化锰夹杂物，切削性能良好，有时添加一至两种其它切削元素共同阻断钢中硫化锰夹杂在轧制中出现拉长变形，确保硫化锰夹杂形态为球状或纺锤状以提高钢的切削性能。目前提高易切削钢切削性能关键是控制硫化物形态和分布，公开号为CN102676955A的专利申请公开了“一种具有优异切削性能的高硫易切削钢”，对钢易切削性能有一定提高，但碲元素价格较高，不利于降低成本，且生产效率较低。公开号为CN1306056C的专利申请公开了“低碳易切削钢”，其基体中存在实质的Ti硫化物或/和Ti碳硫化物，难以获得MnS的拟润滑效果，因而切削抗力升高，在刀具的刀刃处容易形成刀瘤，因而切削后钢材的表面光洁度不佳，加工表面粗糙度超标。公开号为CN104404386A的专利申请公开了“一种铁合金制备方法”，其铁合金为高碳，对材料的易切削性能改善有限。公开号为CN111286580A的专利申请“低碳含碲高硫易切削钢铸坯及其生产方法”，其通过碲元素增加切削性能虽然具有一定作用，但是碲元素的添加难度较大，不利于批量化稳定生产，同时成本较高。公开号为CN107299271B的专利公开了“一种低碳高硫易切削钢的冶炼工艺”，其冶炼过程合金添加复杂，不利于批量化生产。公开号为CN101580912B的专利公开了“低碳高硫易切削钢的生产工艺方法”，其生产采用电炉工艺，成本显著增高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种低碳高锰硫环保型易切削钢及其制造方法，利于环保、利于批量化稳定生产与控制成本，具有切削性能优良、切屑高效清理、表面光洁度优异的综合效果。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种低碳高锰硫环保型易切削钢，由如下重量百分含量的化学成分组成：
C：0.01％～0.15％、Si：0.001％～0.150％、Mn：1.10％～2.00％、P：0.020％～0.150％、S：0.20％～0.55％、Sn：0.010％～0.080％、Ca：0.001％～0.050％；
氧值控制在全氧O：0.010％～0.030％，Mn/S控制在2.0～6.0，余量为铁及不可避免的杂质。
一种低碳高锰硫环保型易切削钢的制造方法，具体包括如下步骤：
1)炼钢工艺
①转炉冶炼：碱度控制在0.5～2.2，渣系石灰加入量2～4kg/t。铝铁加入量3～4kg/t，低磷锰铁加入量3～5kg/t，锰铁加入量5～10kg/t，硫铁加入量5～20kg/t。挡渣出钢，若挡渣失败则采取剩钢抬炉操作，出钢过程中控制净空在200～800mm。
②精炼：碱度控制在2.5～3.0。加入预熔硅灰石与石灰，预熔硅灰石加入量0.5～4kg/t，石灰加入量2～4kg/t。添加硅铁、铝进行脱氧，硅铁加入量0.5～1kg/t，铝加入量0.4～0.80kg/t。
氧值控制在全氧O：0.010％～0.030％，活度氧[O]：0.002％～0.012％，锰硫比控制在2.0～6.0，钢包上机温度控制在1595～1610℃。
搬出时定氧，定氧时关闭氩气。
③连铸：过热度控制在20～50℃，过热度与拉速总体呈反比趋势，生产保持恒拉速连铸，拉速控制在1.2～2.2m/min，保持恒拉速。
铸坯尺寸150×150mm～200×200mm，结晶器电磁搅拌：电流100～500A，频率2～6Hz；结晶器一冷水流控制在125～135mm3/h，二冷水采用弱冷系数k＝1.0，比水量为0.5～0.8L/kg。
2)铸坯缓冷与加热工艺
铸坯放入缓冷坑缓冷，缓冷时间不低于24小时，或铸坯堆垛缓冷，缓冷时间不低于48小时。铸坯加热炉出炉温度1100℃～1200℃。
3)轧钢工艺
开轧温度1050～1100℃，终轧温度950～1000℃，吐丝温度840～920℃。以0.1～1℃/s的平均冷却速率缓冷至450～550℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明成分元素有效配合，使得盘条切削性能和表面质量得到进一步提升。
本发明通过锰、硫、锡、氧、钙成分配合，在冶炼凝固过程中80％～90％的比例发生偏晶反应，生成第Ⅰ类硫化锰，即球状和纺锤状硫化锰；仅有10％～20％的比例发生了共晶反应，生成Ⅱ类硫化锰，即短棒或树枝状硫化锰；避免发生伪共晶反应，未形成III类不规则形状硫化锰。
同时，锰硫比(Mn/S)控制在2.0～6.0，锡在硫化锰周围偏聚形核，包裹硫化锰，阻碍硫化锰在轧制过程中变形拉长，促进形成纺锤状或者圆形状，弥散分布在钢的基体中，有效提升了钢的切削性能。同时随着比值增加，上述效果呈现上升趋势。
本发明利用锡的熔点低的优势，在钢的高速切削加工中切削热使锡融化，熔融的锡粘附在刀具表面，在保护道具的同时，促使形成“C”型铁屑，切屑容易排除，不仅提升切削性能有提升了表面光洁度。
钙、氧、锰配合形成了阳离子空位型氧化物，避免形成阴离子空位氧化物，硫化锰最容易被吸引在其上面形核并包裹，在轧制过程中不被明显拉长，基本呈球状或纺锤状分布在钢中，使得在切削加工中切屑容易排除，切削性能显著提高。
2)本发明通过成分、炼钢工艺、铸坯缓冷、加热工艺、轧钢工艺的有效配合生产出低碳高锰硫环保型易切削钢，其具有良好的切削性能和表面光洁度。
本发明切削性能指标在f＝0.09mm/r，转速1600r/min切削工况下，进给：0.02、0.05、0.10、0.15、0.20mm/rev(毫米/转)切削深度：1mm，C型切屑的比例≥90％，工件的表面粗糙度在2.5～3.5微米，具备良好的切削性能和表面光洁度。
附图说明
图1是本发明切削钢盘条的金相组织图；
图2是本发明纵截面扫描电镜下硫化物状态图。
具体实施方式
本发明公开了提供一种低碳高锰硫环保型易切削钢及其制造方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
本发明所述的一种低碳高锰硫环保型易切削钢，由如下重量百分含量的化学成分组成：
C：0.010％～0.150％、Si：0.001％～0.150％、Mn：1.10％～2.00％、P：0.020％～0.150％、S：0.20％～0.55％、Sn：0.010％～0.080％、Ca：0.001％～0.050％、全氧O：0.010％～0.030％，余量为铁及不可避免的杂质。其中，锰硫比(Mn/S)要控制在2.0～6.0。余量为铁及不可避免的杂质。
本发明化学成分设计理由：
C：碳是钢铁材料最基本的基体强化元素，本发明中碳元素的添加是保证基体拥有少量的强度，防止拉拔不直。当碳含量低于0.010％时，材料偏软降低切削效率；当碳含量高于0.150％时，材料太硬，降低切削性能。因此本发明一种低碳高锰硫环保型易切削钢及其制造方法的碳含量控制在0.010％～0.150％范围内。
Si：硅是本材料中容易导致夹杂缺陷元素，但对平衡氧的成分尤其是活度氧的成分具有一定好处。当硅含量低于0.001％时，平衡氧效果不好；当硅含量高于0.150％时，容易产生大的硅酸盐夹杂物，降低易切削性能。因此，本发明一种低碳高锰硫环保型易切削钢及其制造方法的硅含量控制在0.001％～0.150％范围内。
Mn：是本发明中硫化锰MnS、氧化锰硫(以氧化锰为核心包裹一层硫化锰)复合夹杂物重要组成元素，有利于提高易切削性能。当锰含量低于1.10％时，硫化锰、氧化锰硫数量与形态较差；当锰含量高于2.0％时，则材料偏硬，破坏易切削性能。因此本发明一种低碳高锰硫环保型易切削钢及其制造方法的锰含量控制在1.10％～2.00范围内。
P：对于低碳易切削钢来说会适当增加冷脆性，改善切削件表面质量，高于0.150％则产生明显“冷脆”，降低切削性能；低于0.020％则表面质量不满足要求。因此本发明一种低碳高锰硫环保型易切削钢及其制造方法的磷含量控制在0.020％～0.150％。
S：硫是易切削元素，适量添加与锰和形成化合物可明显改善易切削性能，当硫含量低于0.20％时，不能与锰很好的形成有助于切削性能化合物；当硫含量高于0.55％时，则钢的热加工性降低，热脆反应明显。因此本发明一种低碳高锰硫环保型易切削钢及其制造方法的硫含量控制在0.20％～0.55％范围内。
Sn：锡是有效的易切削元素，能够偏聚在硫化锰周围，改变硫化锰夹杂物形态和分布，显著提升易切削钢的切削性能与表面质量和切屑形貌；同时锡的熔点低，切削过程中容易形成熔融态保护道具和钢材表面。当锡含量低于0.010％时，达不到上述效果；当锡含量超过0.080％时，无法再继续提高易切削性能且增加冶炼成本。因此本发明一种低碳高锰硫环保型易切削钢及其制造方法的锡含量控制在0.010％～0.080％范围内。
Ca：钙是有效的易切削元素，能够与氧形成氧化钙，作为硫化锰的形核基点，同时自由钙与氧化钙可将硫化锰长条状变成纺锤状CaS，明显改善切削性能。当钙含量低于0.001％时，这种效果不明显；当钙大于0.050％时，则又抑制这种效果。因此，本发明一种低碳高锰硫环保型易切削钢及其制造方法的钙含量控制在0.001％～0.050％范围内。
O：本发明中氧既要求全氧也要求活度氧，本发明中给出的氧的范围主要作用是形成阳离子空位型氧化物，即氧化锰、氧化铁、氧化钙，硫化锰只能在该类氧化物上形核从而改变形态，向纺锤形转变，提升切削性能。因此，全氧O：0.010％～0.030％，活度氧[O]：0.002～0.012％，超出这一范围则均产生阴离子空位型氧化物，不利于硫化锰形态向纺锤状改变，因而不利于切削性能提升。
本发明成分设计创新点：
(1)锰、硫、锡配合作用。一是本发明通过锰、硫、锡成分配合，锰硫比(Mn/S)控制在2.0～6.0，此时形成的硫化锰体积小，且先形核析出，锡在硫化锰周围偏聚形核，包裹硫化锰，阻碍硫化锰在轧制过程中变形拉长，最终形成纺锤状或者圆形状，弥散分布在钢的基体中，有效提升了钢的切削性能。二是在此基础上，利用锡的熔点低的优势，在钢的高速切削加工中切削热使锡融化，熔融的锡粘附在刀具表面，在保护道具的同时，促使形成“C”型铁屑，切屑容易排除，进一步提升切削性能。
(2)钙、氧、锰、硫元素的配合作用。钙、氧、锰配合是为了形成阳离子空位型氧化物，只有该氧化物能将硫化锰形态变成纺锤状或者减少硫化锰被拉长比例。钙元素与氧元素形成阳离子空位型氧化物氧化钙硬质点，同时也有一部分自由钙离子，避免形成阴离子空位型氧化物质点，阳离子空位型氧化钙与自由钙离子能与硫化锰反应，将长条状硫化锰变成纺锤状CaS，明显改善切削性能；氧元素与锰元素铁元素反应形成阳离子空位型氧化锰和氧化铁，同时避免形成阴离子空位型氧化物，硫化锰被吸引在其上面形核并包裹，在轧制过程中不被明显拉长，基本呈球状或纺锤状分布在钢中，使得在切削加工中切屑容易排除，切削性能显著提高。
同时，在上述(1)、(2)元素作用和配合下，本发明在冶炼凝固过程中占80％～90％比例发生偏晶反应，生成第Ⅰ类硫化锰，即球状和纺锤状硫化锰；仅有10％～20％的比例发生了共晶反应，生成Ⅱ类硫化锰，即短棒或树枝状硫化锰；同时避免了伪共晶反应发生，即未形成III类不规则形状硫化锰，这是本发明的技术亮点之一。
一种低碳高锰硫环保型易切削钢的制造方法，总体工艺流程：转炉冶炼→LF炉精炼→连铸→铸坯缓冷→加热炉加热→轧制→盘条缓冷→包装→入库
具体包括如下步骤：
1)炼钢工艺：
①转炉冶炼：碱度控制在0.5～2.2，渣系石灰加入量2～4kg/t。
铝铁加入量3～4kg/t，低磷锰铁加入量3～5kg/t，锰铁加入量5～10kg/t，硫铁加入量5～20kg/t。
挡渣出钢，挡渣失败时必须采取剩钢抬炉操作，出钢过程中控制净空在200mm～800mm。
②精炼：碱度控制2.5～3.0，加入0.5～4kg/t预熔硅灰石，石灰2～4kg/t。
进站吹开后测温、加渣料、定氧，过程通过添加0.5～1kg/t硅铁，0.4～0.8kg/t铝(包括而不限于铝粉、铝线等)，进行脱氧，氧值控制在全氧O：0.010％～0.030％，活度氧[O]：0.002％～0.012％。
同时通过合金化匹配，保证锰硫比控制在2.0～6.0，钢包上机温度控制在1595～1610℃。
上述合金的合理添加配合能够保证氧位在冶炼过程中的有效控制，渣料配合形成的渣系能够保证渣中合金元素和氧能够与钢液形成稳定的动态平衡，不会出现渣中氧或者锰等合金元素向钢液中逆向回流。
同时还要求搬出时定氧，定氧时关闭氩气，保证定氧枪的***深度，两只手把住，有支撑点卡牢，不能飘动，减少定氧时波动。若出钢氧位不满足上述范围要求，通过喂铁钙线调和氧位范围，这是最后一道保证钢中氧位的有效手段。
③连铸：过热度控制在20～50℃时，过热度由低到高拉速依次降低，拉速控制在1.2～2.2m/min，基本保持恒拉速。
铸坯尺寸150×150mm～200×200mm。
结晶器电磁搅拌：电流100～500A，频率2～6Hz。
结晶器一冷水流控制在125～135mm3/h，二冷水比水量为0.5～0.8L/kg。
结晶器保护渣采用易切削钢专用保护渣。机前做好保护浇铸，中间包覆盖剂采用碳化稻壳配碱性覆盖剂，在整个浇注过程，长水口氩气密封保护浇铸。
【实施例】
本发明通过上述技术创造，对不同成分、不同炼钢工艺、不同加热制度、不同轧制工艺、盘条产品切削性能进行评价，并给出了具体实施例与最佳方案，具体如下表1、2、2-1、3所示。可以看出，本发明“一种低碳高锰硫环保型易切削钢及其制造方法”成分设计与工艺设计匹配良好，可以保证冶炼与连铸顺利，热轧时机架间轧坯的顺利过钢，热轧过程的连续性、稳定性良好，成品盘条质量与切削性能优异。可以说明本发明与1215易切削钢相比具有明显的切削性能和表面质量优势。
本发明实施例钢、对比例钢的成分(Wt％)见表1；相应实施例钢、对比例钢的炼钢、加热、轧钢关键工艺参数见表2和表2-1；轧坯端部开裂、表面结疤、气泡缺陷和相对切削系数Kr和切屑类型的统计情况见表3。
表1本发明实施例钢、对比例钢的成分Wt％
表2本发明实施例、对比例的炼钢、加热、轧钢关键工艺参数
表2-1本发明实施例、对比例的炼钢、加热、轧钢关键工艺参数
表3轧坯端部开裂、表面结疤、气泡缺陷和相对切削系数Kr和切屑类型的统计情况
本发明成分元素有效配合，使得盘条切削性能和表面质量得到进一步提升。本发明通过锰、硫、锡、氧、钙成分配合，在冶炼凝固过程中80％～90％的比例发生偏晶反应，生成第Ⅰ类硫化锰，即球状和纺锤状硫化锰；仅有10％～20％的比例发生了共晶反应，生成Ⅱ类硫化锰，即短棒或树枝状硫化锰；避免发生伪共晶反应，未形成III类不规则形状硫化锰。同时，锰硫比(Mn/S)控制在2～6，锡在硫化锰周围偏聚形核，包裹硫化锰，阻碍硫化锰在轧制过程中变形拉长，促进形成纺锤状或者圆形状，弥散分布在钢的基体中，有效提升了钢的切削性能。本发明利用锡的熔点低的优势，在钢的高速切削加工中切削热使锡融化，熔融的锡粘附在刀具表面，在保护道具的同时，促使形成“C”型铁屑，切屑容易排除，不仅提升切削性能有提升了表面光洁度。钙、氧、锰配合形成了阳离子空位型氧化物，避免形成阴离子空位氧化物，硫化锰最容易被吸引在其上面形核并包裹，在轧制过程中不被明显拉长，基本呈球状或纺锤状分布在钢中，使得在切削加工中切屑容易排除，切削性能显著提高。
本发明通过成分、炼钢工艺、铸坯缓冷、加热工艺、轧钢工艺的有效配合生产出低碳高锰硫环保型易切削钢，其具有良好的切削性能和表面光洁度。
本发明切削性能指标在f＝0.09mm/r，转速1600r/min切削工况下，进给：0.02、0.05、0.10、0.15、0.20mm/rev(毫米/转)切削深度：1mm，C型切屑的比例≥90％，工件的表面粗糙度在2.5～3.5微米，具备良好的切削性能和表面光洁度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种低碳高锰硫环保型易切削钢的制造方法，其特征在于，
低碳高锰硫环保型易切削钢由如下重量百分含量的化学成分组成：
C：0.01%～0.15%、Si：0.001%～0.150%、Mn：1.10%～2.00%、P：0.020%～0.150%、S：0.20%～0.55%、Sn：0.010%～0.080%、Ca：0.001%～0.050%；氧值控制在全氧O：0.010%～0.030%，Mn/S控制在2.0～6.0，余量为铁及不可避免的杂质；
具体包括如下步骤：
1）炼钢工艺
①转炉冶炼：碱度控制在0.5～2.2，渣系石灰加入量2～4kg/t；铝铁加入量3～4kg/t，低磷锰铁加入量3～5kg/t，锰铁加入量5～10kg/t，硫铁加入量5～20kg/t；
②精炼：碱度控制在2.5～3.0；加入预熔硅灰石与石灰；添加硅铁、铝进行脱氧；
氧值控制在全氧O：0.010%～0.030%，活度氧[O]：0.002%～0.012%，锰硫比控制在2.0～6.0，钢包上机温度控制在1595～1610℃；
③连铸：过热度控制在20~50℃，拉速控制在1.2～2.2m/min，过热度与拉速总体呈反比趋势，生产保持恒拉速连铸，铸坯下线缓冷；
2）铸坯缓冷与加热工艺
铸坯放入缓冷坑缓冷，缓冷时间不低于24小时，或铸坯堆垛缓冷，缓冷时间不低于48小时；铸坯加热炉出炉温度1100～1200℃；
3）轧钢工艺
开轧温度1050～1100℃，终轧温度950～1000℃，吐丝温度840～920℃。
2.根据权利要求1所述低碳高锰硫环保型易切削钢的制造方法，其特征在于，所述步骤1）①挡渣出钢，若挡渣失败则采取剩钢抬炉操作，出钢过程中控制净空在200~800mm。
3.根据权利要求1所述低碳高锰硫环保型易切削钢的制造方法，其特征在于，所述步骤1）②预熔硅灰石加入量0.5～4kg/t，石灰加入量2～4kg/t。
4.根据权利要求1所述低碳高锰硫环保型易切削钢的制造方法，其特征在于，所述步骤1）②硅铁加入量0.5～1kg/t，铝加入量0.4~0.80kg/t。
5.根据权利要求1所述低碳高锰硫环保型易切削钢的制造方法，其特征在于，所述步骤1）②搬出时定氧，定氧时关闭氩气。
6.根据权利要求1所述低碳高锰硫环保型易切削钢的制造方法，其特征在于，所述步骤1）③铸坯尺寸150×150mm～200×200mm，结晶器电磁搅拌：电流100～500A，频率2～6Hz；结晶器二冷水比水量为0.5～0.8L/kg。
7.根据权利要求1所述低碳高锰硫环保型易切削钢的制造方法，其特征在于，所述步骤3）以0.1～1℃/s的平均冷却速率缓冷至450～550℃。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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