CN1285750C - 一种自润滑易切削钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种自润滑易切削钢及其生产方法，其组分为(重量百分比)：C0.05～0.5%、Mn 0.6～1.7%、Si 0.03～0.8%、S 0.05～0.4%、Al 0.0005～0.03%、Ca 0.0002～0.006%、O 0.003～0.016%、其余为铁和不可避免杂质；其中氧化物夹杂为CaO-Al2O3-SiO2-MnO系、硫化物夹杂为MnS-CaS(+MgS)系。本发明应用夹杂物工程技术控制钢液脱氧控制、渣-金平衡和钢包精炼，以控制钢中氧化物及硫化物夹杂的成分和形态，使之分别形成玻璃状和塑性夹杂物。在钢的切削加工中它们会自发地在刀具与切屑接触界面上形成一层起润滑作用的粘性薄膜，大大减弱了粘结现象，提高了刀具寿命，它们还改善了切屑断裂性能，提高了钢在高速切削速度下切削性能。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶炼技术领域，特别涉及易切削钢生产技术。
背景技术
随着汽车工业的发展，数控车床得到日益广泛的应用，对钢切削性能要求，特别是对切削性能稳定性要求越来越高。由于在高速和无润滑“干”切削加工条件下可以通过降低切削进给量来提高钢的表面加工精度，以至于可以用切削工序可替代磨削工序和铣削工序，而作为零件终加工工序，使汽车零部件加工产量大幅增加，加工成本大大减低。现在数控车床集成度，自动化程度和加工速度越来越高，WC刀具和CBN、TiN和TiAlN等涂层刀具得到越来越广泛的应用。然而，钢的切削性能相对却比较落后，特别是加工速度大于200米/分时的切削性能。另外，目前深受汽车零部件加工业欢迎的切削钢是含铅易钢(如AISI 12L14钢)。但是，含铅钢在炼钢过程中加铅时会产生有毒铅蒸汽，危害操作人员健康，西方一些发达国家已立法禁止含铅易切钢生产。为了替代含铅易切削钢，一些含Bi、Se、Te等元素的易切削钢相继问世。不过，这些钢在大于200米/分切削速度下切削性仍不理想，图1给出了用碳化钨刀具以每分钟200米切削速度加工AISI 12L14钢，加工15分钟后，刀具的损坏状况。另外，某些钢种，如含铋钢的成本也较高。
参阅图1，其为切削速度200米/分钟，加工含铅易切削钢15分钟后碳化钨刀具的扫描电镜照片，显示出典型的三种刀具损坏：顶面凹坑损坏、侧面损坏和刀角角部损坏。图2给出了钢在切削加工中切屑3的剪切变形现象，切屑3与刀具1的作用，以及刀具损坏原因的分析。如图所示，二次局部剪切变形区5的高温粘结造成了刀具1顶面102凹坑损坏c，切屑3中一次和局部剪切变形区4和二次局部剪切变形区5的高温联合作用造成了刀具尖角部位损坏a，工件2与刀具前端清理面101间的磨擦造成了刀具侧面损坏b。由于切屑厚度变化，在切屑内部出现一次局部剪切变形。在高速切削下变形量大，变形速度极快，在一次局部剪切变形区内产生高温。在相同切削进给量6条件下，切割角α越小，切屑变形量越大，温度就越高。在刀具与切屑接触界面上，由于刀具对快速移动切屑的粘滞作用，切屑中产生了二次局部剪切变形。在较低速切削加工时，这种粘滞属于物理磨擦现象。但在高速切削加工时，作用在切屑上正应力超过了材料的屈服强度，在刀具与切屑界面上产生了化学粘结现象。一旦化学粘结形成，在二次局部剪切变形区就会产生高温，而高温愈进一步加剧化学粘结。在高温粘结条件下，刀具材料就向切屑中进行化学扩散，造成了刀具顶面凹坑损坏。另外，随着切削速度提高，加工时间增加，凹坑会向角部扩展，以至造成刀具角部损坏，见图1。切屑中一次和二次局部剪切变形区的高温，使刀具刀尖部位温度升高，加剧了刀角氧化损坏。在刀具前端清理面上，由于工件与刀具间摩擦造成了刀具侧面损坏。工件中不变形硬性夹杂物则加剧了这种磨损损坏。
传统易切削钢中加入硫和铅，以利于切削过程中切屑初始断裂。然而，铅和硫化锰只能在较低切削加工速度下对钢切削性能有利。随着切削速度提高，刀具损坏机理由物理磨损转化为化学损坏。在数控车床用碳化陶瓷或氮化钛等刀具以较高切削速度加工条件下，由于刀具与切屑接触界面上出现粘结现象，钢中MnS、Pb、Bi、Se、Te等第二项粒子或元素均不能降低凹坑损坏，切削过程中外部注入润滑剂和冷却剂也不起润滑和冷却作用，降低凹坑损坏。图1是以每分钟200米切削速度加工AISI 12L14钢15分钟后，碳化钨刀具的电镜扫描图。可见，由于钢中非金属夹杂物没有得到有效控制，不能在切削过程中在刀具与切屑接触界面上形成一层起润滑作用的粘性层以避免刀具的高温化学损坏，此外，钢中硬性夹杂物还导致了刀具的物理损坏。
发明内容
通过上述分析，刀具损坏的关键是二次局部剪切变形区的高温和粘结现象，除了直接造成刀具凹坑损坏外，刀具顶面凹坑向刀角扩展还造成刀角损坏；二次局部剪切变形区高温造成刀角尖部位氧化损坏；二次局部剪切变形区中切屑与刀具的接触状态和切屑形状及其高温还影响刀具前端面上刀具与工件的摩擦损坏。
本发明提出，如果在被加工材料中存在一定量的玻璃相第二相颗粒，在切削加工中，这些玻璃相颗粒就会在切屑和刀具接触界面上形成一层具有一定粘性的润滑层。这层粘性润滑层可以在切削加工时，起到自润滑接触界面的作用，避免发生粘结现象。该层粘性润滑层还阻断了刀具材料向刀屑的化学扩散。
本发明的目的在于提供一种自润滑易切削钢及其生产方法，使用此钢制成的工件中存在一些玻璃状夹杂物，这些夹杂物在切削加工过程中自发地在刀具与切屑界面上形成一层起润滑作用粘性薄膜，大大减弱了化学损坏和物理损坏，刀具寿命提高200％以上。
为达到上述目的，本发明的一种自润滑易切削钢，其组分及其组分含量的重量百分比为：
C 0.05～0.5％
Mn 0.6～1.7％
Si 0.03～0.8％
S 0.05～0.4％
Al 0.0005～0.03％
Ca 0.0002～0.006％
O 0.003～0.016％
其余为铁和不可避免杂质；
其中氧化物夹杂为CaO-Al2O3-SiO2，其组分的重量百分比为CaO＝15～55％，Al2O3＝0～45％，SiO2＝25～65％。
一种自润滑易切削钢，其组分及其组分含量的重量百分比为：
C 0.05～0.5％
Mn 0.6～1.7％
Si 0.03～0.8％
S 0.05～0.4％
Al 0.0005～0.03％
Ca 0.0002～0.006％
O 0.003～0.016％
其余为铁和不可避免杂质；
其中氧化物夹杂为CaO-MnO-SiO2，其组分的重量百分比为CaO＝0～55％，MnO＝0～75％，SiO2＝30～65％。
一种自润滑易切削钢，其组分及其组分含量的重量百分比为：
C 0.05～0.5％
Mn 0.6～1.7％
Si 0.03～0.8％
S 0.05～0.4％
Al 0.0005～0.03％
Ca 0.0002～0.006％
O 0.003～0.016％
其余为铁和不可避免杂质；
其中氧化物夹杂为MnO-Al2O3-SiO2，其组分的重量百分比为MnO＝15～75％，Al2O3＝0～35％，SiO2＝25～65％。
一种自润滑易切削钢，其组分及其组分含量的重量百分比为：
C 0.05～0.5％
Mn 0.6～1.7％
Si 0.03～0.8％
S 0.05～0.4％
Al 0.0005～0.03％
Ca 0.0002～0.006％
O 0.003～0.016％
其余为铁和不可避免杂质；
其中氧化物夹杂为CaO-MnO-Al2O3-SiO2，其组分的重量百分比为CaO＝0～55％，MnO＝0～75％，，Al2O3＝0～45％，SiO2＝25～65％。
本发明的自润滑易切削钢中进一步还包含硫化夹杂物为MnS-CaS，其组分重量百分比，MnS 70～100％，CaS 0～30％。
所述的硫化夹杂物还包含MgS，含量小于5％，其作用是适当提高硫化夹杂物的硬度，改善钢在切削过程中切削断裂性能，降低切削力。
所述的硫化夹杂物的长/宽比为1.5～4.5。
又，本发明的自润滑易切削钢中还包含有P、Ti、V或Nb中的一种或几种，其中，Ti＜0.05％、V＜0.1％、Nb＜0.05％、P≤0.10％。
还包含MnO-SiO2二元系氧化物，其Si/Mn比为0.025～0.4。
本发明应用夹杂物工程技术，通过钢液预脱氧控制、合成渣技术、钢包精炼技术(包括底吹氩搅拌，升温，合金化，喂线及喷粉等)，***地控制钢的脱氧和脱硫过程。用热力学模拟设计钢的基本成分和确定冶炼的方法参数，利用钙处理对钢中氧化物夹杂进行变形控制，加入钙/镁合金控制硫化物夹杂的形态，通过钢包精炼炉渣.金平衡控制钢中溶解氧含量和钢中脱氧元素含量以及溶解铝含量，使钢中氧化物形成玻璃状氧化物夹杂和塑性硫化物夹杂。
在钢包精炼炉中钢中溶解氧和钢中氧化物夹杂控制条件下，用喂FeS丝法和喂钙/镁合金包芯线控制钢中硫含量和硫化物夹杂形态。最后，钢液在碳、硅、锰、磷、硫和溶解氧、溶解铝和温度控制条件下，通过中间包浇注到方坯结晶器，钢中的溶解氧与溶解铝、钙、硅和锰反应生成复合玻璃相氧化物夹杂。液体钢中，这些氧化物夹杂在已存在的玻璃相氧化物夹杂或硫化钙或硫化钙/镁夹杂物上析出，也可以从钢液中独立析出。在凝固过程中，硫与锰反应，形成硫化锰。这些硫化锰与钢中早先析出的硫化钙或硫化钙/镁结合形成复合硫化物夹杂，或在钢中已存在的氧化物夹杂上析出，或从钢液中独立析出，钢中非金属夹杂物尺寸小，分布均匀。
本发明的自润滑易切削钢的生产方法，包括如下步骤：
a)电弧炉或转炉冶炼：钢液中含碳、氧和温度控制，其中含碳量≥0.03％，总氧含量为500～1200ppm，出钢钢液温度为：1600～1680℃；
b)出钢脱氧和合金化控制：出钢过程通过向钢包添加铁合金、脱氧剂和合成渣，以控制钢包精炼炉中钢液的成分和钢包渣的成分；
c)钢包精炼炉渣.金平衡：调整钢包渣成分，控制钢液成分和温度；其中，钢包精炼炉的钢包渣成分为，CaO＝25～45％，MgO＝5～10％，Al2O3＝5～25％，SiO2＝30～45％，MnO＜10％，FeO＜2％，以上均为重量百分比；
在钢包精炼炉钢液成分和温度控制为：C≤0.05～0.5％，Mn＝0.6～1.7％，Si＝0.03～0.6％，P≤0.10％，S＝0.05～0.4％，Al＝0.0005～0.01％，Ca＝0.0002～0.006％；
钢液成分控制为：总氧量为30～160ppm，其中溶解氧为≤100ppm，溶解铝为≤40ppm，溶解钙为≤20ppm，钢液温度为：1540℃～1620℃。
钢包精炼炉的钢包渣成分中的CaO/SiO2＝0.85～1.10；
d)钢包精炼钙处理：当钢中C，Si，Mn等成分、溶解氧和溶解铝达到要求，向钢中喂入Ca+CaF2或CaSi合金包芯线；
钢包精炼钙处理为向钢中喂入Ca+CaF2或CaSi合金包芯线，0.5～5公斤/吨钢；
e)增硫处理：吹氩搅拌数分钟后，向钢中喂入FeS合金线，使钢中硫含量达到0.05～0.4％；
f)喂入钙/镁合金包芯线：吹氩搅拌数分钟后，向钢中喂入钙/镁合金包芯线，0.5～3公斤/吨钢；
g)钢液温度调整：吹氩搅拌数分钟，并调整钢液温度为钢的液相温度以上，结束钢包精炼：
h)铸造：完成钢包精炼后，钢液通过结晶器等浇铸成铸坯。
其中，所述的步骤b中添加的铁合金可以是FeSi、FeMn和MnSi中的一种或几种；脱氧剂可以是C、CaC2、CaSi和Al中的一种或几种；合成渣含有CaO、SiO2、MgO、Al2O3和CaF2中的一种或几种。
所述的步骤e中，吹氩搅拌3～5分钟后，向钢中喂入FeS合金线。
所述的步骤f中，吹氩搅拌3～5分钟后，向钢中喂入钙/镁合金包芯线。
所述的步骤g中，吹氩搅拌3～5分钟后，调整钢液温度为钢液相温度以上60～120℃，结束钢包精炼。
当结晶器中钢液溶解氧高于溶解铝，钢在凝固过程是会形成MnO-SiO2二元系氧化物，为了使形成的该二元氧化物夹杂在目标夹杂物范围，必须控制钢中Si/Mn比。为了形成目标MnO-SiO2二元系夹杂物，
钢中Si/Mn比应控制在0.025～0.4％。
本发明确定了为控制所述的钢中溶解氧和溶解铝含量，应控制的钢包精炼炉炉渣成分为：CaO＝20～50％，MgO＝5～15％，Al2O3＝5～25％，SiO2＝20～50％，MnO＜10％，FeO＜2％，CaF2＜5，CaO/SiO2＝0.8～1.20。
炼钢熔炼炉出钢脱氧和合金化控制：出钢过程通过向钢包加铁合金、脱氧剂和合成渣，以控制钢包精炼炉中钢液成分和炉渣成分。铁合金可以是FeSi，FeMn，MnSi；脱氧剂可以是C，CaC2，CaSi，Al；合成渣含有CaO，SiO2，MgO，Al2O3等；出钢过程中控制炼钢炉下渣量(0～15公斤渣/吨钢，+20％)。
钢包精炼炉炉渣成分控制为：CAO＝25～45％，MgO＝5～10％，Al2O3＝5～25％，SiO2＝30～45％，MnO＜10％，FeO＜2％，CaF2＜5，CaO/SiO2＝0.85～1.10。钢包炉渣成分可以在钢包精炼炉中进行在线调整控制。
当钢中C，Si，Mn等成分、溶解氧和溶解铝达到上述要求，及在钢-渣平衡条件下，向钢中喂入Ca+CaF2或CaSi合金包芯线，0.5～5公斤/吨钢，以控制钢中氧化物成分。然后向钢中喂入FeS合金线以控制钢中硫含量为0.05～0.4％。再向钢中喂入钙/镁合金包芯线，0.5～3公斤/吨钢，以控制钢中硫化物夹杂。
钢液通过长水口进入中间包，再通过浸入式水口浇注到结晶器。中间包用覆盖渣，结晶器用保护渣，这些液态炉渣很好地覆盖在钢液面上，整个连铸过程无钢液的二次氧化发生。
在钢液成分，包括溶解氧含量和溶解铝含量控制的条件下，结晶器钢液中将形成玻璃相氧化物夹杂和塑性硫化物夹杂。
本发明的有益效果是，通过应用这种自润滑易切削钢的生产技术，控制这种钢易切削中非金属夹杂物，使该易切削钢在切削加工中能自发地在刀具与切屑接触界面上形成一层起润滑作用粘性薄膜，大大减弱了粘结现象，刀具寿命大大提高，能替代含铅易切削钢应用，特别在高速切削速度下具有优良切削性能；另外，本发明控制了这种易切削钢中硫化物成分、流变性能和数量，在钢中形成了具有一定变形能力和硬度的硫化物夹杂，并在钢中均匀分布。在切削加工过程中，由于变形速度极快，这些硫化物夹杂就会成为切屑断裂源，促使切屑断裂，从而降低切削力和二次局部剪切变形区切屑的正压力，减轻粘结程度。
附图说明
图1为传统碳化钨刀具的扫描电镜照片。
图2为金属切削加工中切削的局部剪切变形现象，切屑与刀具的作用，以及刀具损坏的原因分析简图。
图3为用CaO-Al2O3-SiO2三元系相图表示的本发明钢中氧化物夹杂成分控制。
图4为用CaO-MnO-SiO2三元相图表示的本发明钢中氧化物夹杂成分控制。
图5为用MnO-Al2O3-SiO2三元相图表示的本发明钢中氧化物夹杂成分控制。
图6为本发明的钢中硫化物夹杂成分控制示意图。
图7为本发明用CaO-MgO(10％)-Al2O3-SiO2四元相图表示的钢包精炼渣中炉渣成分控制示意图。
图8a为现有切削钢中非金属夹杂物对刀具的作用示意图。
图8b为本发明的易切削钢中形成的玻璃相非金属夹杂物对刀具的作用示意图。
图9为本发明的易切削钢与传统含Bi、Se、Te易切削钢切削加工中碳化钨刀具寿命的比较示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例见表1，实施例中相应的非金属典型成分见表2：
表1
| 金属组分(重量百分比wt％)+* | |||||||
| C | Mn | Si | S | Al | Ca | O | |
| 实施例1 | 0.46 | 1.56 | 0.26 | 0.32 | 0.006 | 0.0005 | 0.0048 |
| 实施例2 | 0.11 | 1.37 | 0.08 | 0.36 | 0.0046 | 0.0003 | 0.0050 |
| 实施例3 | 0.067 | 0.947 | 0.05 | 0.343 | 0.0011 | 0.001 | 0.0157 |
| 实施例4 | 0.40 | 1.2 | 0.35 | 0.08 | 0.01 | 0.004 | 0.0032 |
*其余为铁和不可避免杂质
表2
| 典型夹杂物组分(重量百分比wt％) | ||||||
| 氧化物夹杂 | 硫化物夹杂 | |||||
| CaO | MnO | Al2O3 | SiO2 | MnS | CaS | |
| 实施例1 | 34 | 14 | 20 | 32 | 86 | 14 |
| 实施例2 | 14 | 47 | 18 | 36 | 90 | 9 |
| 实施例3 | 2 | 69 | 5 | 24 | 96 | 0 |
| 实施例4 | 45 | 0 | 34 | 21 | 79 | 21 |
参见图3～图5，其分别给出了三个相图中控制的氧化物成分，它们也是钢中CaO-MgO-Al2O3-MnO-FeO-SiO2复杂氧化物夹杂在这三个三元系相图上的投影，该三元相图中所构成的区域即为氧化物夹杂组分范围；其中，A1为CaO-Al2O3-SiO2氧化物夹杂的控制成分范围，A2为CaO-MnO-SiO2氧化物夹杂的控制成分范围，A3为Al2O3-MnO-SiO2氧化物夹杂的控制成分范围；同时，确定为改善钢在切削过程中切屑断裂性能，降低切削力，应控制的硫化物夹杂成分：MnS：70-100％，CaS(+MgS)：0-30％(MgS＜5％)。
图6给出了MnS-CaS复合硫化物控制成分，及其对硫化物硬度的影响，S1为硫化物控制成分范围。切削加工钢材中硫化物夹杂的长/宽比为1.5～4.5。
当结晶器中钢液溶解氧高于溶解铝，钢在凝固过程是会形成MnO-SiO2二元系氧化物，为了使形成的该二元氧化物夹杂在目标夹杂物范围，必须控制钢中Si/Mn比，其为0.025～0.4。如在1510℃和1％Mn，为了形成目标MnO-SiO2二元系夹杂物，钢中硅含量应控制在0.026-0.07％。
本发明确定了为控制所述的钢中溶解氧和溶解铝含量，应控制的钢包精炼炉渣成分为：CaO＝20～50％，MgO＝5～15％，Al2O3＝5～25％，SiO2＝20～50％，MnO＜10％，FeO＜2％，CaF2＜5，CaO/SiO2＝0.8～1.20，典型的钢包渣成分如图7所示，该三元相图中所构成的区域B1即为钢包精炼炉渣成分控制范围。
表2所示为钢中脱氧和脱硫反应。在钢包精炼炉中钢中溶解氧和钢中氧化物夹杂控制条件下，用喂入FeS合金线和钙/镁合金包芯线，控制钢中硫含量和硫化物夹杂成分。最后，钢液在碳、硅、锰、磷、硫和溶解氧、溶解铝和温度控制条件下，通过中间包浇注到方坯结晶器，钢中的溶解氧与溶解铝、钙、硅和锰反应生成复合的玻璃状氧化物夹杂。液体钢中，这些氧化物夹杂将在已存在的玻璃相氧化物夹杂或硫化钙夹杂上析出，也可以从钢液中独立析出。在凝固过程中，硫与锰反应，形成硫化锰。这些硫化锰与钢中早先析出的硫化钙或硫化钙/镁结合形成复合硫化物夹杂，或在钢中已存在的氧化物夹杂上析出，或从钢液中独立析出，钢中非金属夹杂物尺寸小，分布均匀。
炼钢熔炼炉出钢脱氧和合金化控制：出钢过程通过向钢包加铁合金、脱氧剂和合成渣，以控制钢包精炼炉中钢液的成分和炉渣的成分。铁合金可以是FeSi，FeMn，MnSi；脱氧剂可以是C，CaC2，CaSi，Al；合成渣含有CaO，SiO2，MgO，Al2O3等；出钢过程中控制炼钢炉下渣量(0～15公斤渣/吨钢，±20％)。
表3所示为一个电弧炉出钢操作控制的实施例。
钢包精炼炉渣成分控制为：CaO＝25～45％，MgO＝5～10％，Al2O3＝5～25％，SiO2＝30～45％，MnO＜10％，FeO＜2％，CaF2＜5，CaO/SiO2＝0.85～1.10。钢包炉渣成分可以在钢包精炼炉中进行在线调整控制。
在钢包精炼炉钢液成分和温度控制为：C≤0.05～0.5％，Mn＝0.6～1.7％，Si＝0.03～0.6％，P≤0.10％，S＝0.05～0.4％，Al＝0.0005～0.01％，Ca＝0.0002～0.006％，O＝30-160ppm，其中溶解氧为≤100ppm，溶解铝为≤40ppm，溶解钙为≤20ppm，钢液温度为：1540℃～1620℃。
当钢中C，Si，Mn等成分、溶解氧和溶解铝达到上述要求，及在钢-渣平衡条件下，向钢中喂入Ca+CaF2或CaSi合金包芯线，0.5～5公斤/吨钢，以控制钢中氧化物成分。
钢包中钙处理结束，吹氩搅拌3分钟后，向钢中喂入FeS合金线以控制钢中硫含量为0.05～0.4％；喂入FeS合金线后，吹氩搅拌大于3分钟，再向钢中喂入钙/镁合金包芯线，0.5～3公斤/吨钢，以控制钢中硫化物夹杂；然后吹氩搅拌大于3分钟，并调整钢液温度为钢的液相温度60～120℃内，结束钢包精炼操作，移动钢包到连铸区进行连铸。
钢液通过长水口进入中间包，在通过浸入式水口浇注到结晶器。中间包用覆盖渣，结晶器用保护渣，这些炉渣很好地覆盖在钢液面上，整个连铸过程无钢液的二次氧化发生。
在钢液成分，包括溶解氧含量和溶解铝含量控制的条件下，结晶器钢液中将形成玻璃相的氧化物夹杂。
表2
| 化学反应 | 自由能变化，(J/mol) |
| Si+2 O＝SiO2(s) | -594230+229.73T |
| 2 Al+3 O＝Al2O3(s) | -1201860+323.22T |
| Ca+ O＝CaO(s) | -491140+146.45T |
| Mn+ O＝MnO(s) | -288120+128.26T |
| {Mg}+ O＝MgO(s) | -615600+208.9T |
| Ca+ S＝CaS(s) | -541780+193.55T |
| Mn+ S＝MnS(s) | -156866+94.95T |
| {Mg}+ S＝MgS(s) | -404700+169.6T |
表3
| 钢液成分 | 温度，℃ | 重量，吨 | C，％ | Si，％ | Mn，％ | P，％ | S，％ | O，％ | |
| 电炉 | 1630 | 100 | 0.059 | 0.001 | 0.013 | 0.011 | 0.023 | 0.0713 | |
| 钢包 | 1600 | 102 | 0.131 | 0.137 | 1.114 | 0.011 | 0.023 | 0.0047 | |
| 炉渣成分 | R | 重量，公斤 | CaO | MgO | Al2O3 | SiO2 | MnO | FeO | |
| 电炉 | 2.56 | 700 | 32 | 5 | 4.2 | 12.5 | 5 | 34.5 | |
| 钢包 | 0.94 | 1777 | 31.13 | 7.88 | 15.37 | 32.97 | 11.04 | 1.49 | |
| 出钢加料 | 硅铁，kg | 锰铁，kg | 合成渣，kg | 碳化钙 | 炭粉，kg | Al粒，kg | |||
| 300 | 1500 | 700 | 50 | 50 | 50 | ||||
参见图8a，其为传统切削钢中的MnS夹杂物不具备润滑作用，在切削过程中，刀具1与工件2切屑接触界面上的高温化学粘结现象。
参见图8b，其为本发明的易切削钢中的玻璃相非金属夹杂物，能在钢的切削过程中在刀具1与工件2切屑接触界面上形成一层粘性自润滑层，避免了该接触界面的粘结现象。
参见图9，其给出了本发明夹杂物工程技术生产的易切削钢(自润滑易切削钢-1，自润滑易切削钢-2和自润滑易切削钢-1-3)与含Bi、Se、Te传统易切削钢的碳化钨刀具寿命的比较。从图中可以看出，用碳化钨刀具，以200-400米/分切削速度加工本发明的自润滑易切削钢，其刀具寿命比加工含Bi、Se、Te传统易切削钢提高200％以上。
综上所述，本发明应用夹杂物工程技术后，在工件中形成了一些玻璃状的夹杂物，这些夹杂物在切削加工过程中自发地在刀具与切屑接触界面上形成一层起润滑作用粘性薄膜，大大减弱了化学损坏，刀具寿命提高200％以上。应用炼钢中的夹杂物工程技术稳定地生产出切削性能优良的易切削钢。
Claims (16)
1.一种自润滑易切削钢，其组分及其组分含量的重量百分比为：
C 0.05～0.5％
Mn 0.6～1.7％
Si 0.03～0.8％
S 0.05～0.4％
Al 0.0005～0.03％
Ca 0.0002～0.006％
O 0.003～0.016％
其余为铁和不可避免杂质；
其中氧化物夹杂为CaO-Al2O3-SiO2，其组分重量百分比为CaO＝15～55％，Al2O3＝0～45％，SiO2＝25～65％。
2.一种自润滑易切削钢，其组分及其组分含量的重量百分比为：
C 0.05～0.5％
Mn 0.6～1.7％
Si 0.03～0.8％
S 0.05～0.4％
Al 0.0005～0.03％
Ca 0.0002～0.006％
O 0.003～0.016％
其余为铁和不可避免杂质，
其中氧化物夹杂为CaO-MnO-SiO2，其组分重量百分比为CaO＝0～55％，MnO＝0～75％，SiO2＝30～65％。
3.一种自润滑易切削钢，其组分及其组分含量的重量百分比为：
C 0.05～0.5％
Mn 0.6～1.7％
Si 0.03～0.8％
S 0.05～0.4％
Al 0.0005～0.03％
Ca 0.0002～0.006％
O 0.003～0.016％
其余为铁和不可避免杂质，
其中氧化物夹杂为MnO-Al2O3-SiO2，其组分重量百分比为MnO＝15～75％，Al2O3＝0～35％，SiO2＝25～65％。
4.一种自润滑易切削钢，其组分及其组分含量的重量百分比为：
C 0.05～0.5％
Mn 0.6～1.7％
Si 0.03～0.8％
S 0.05～0.4％
Al 0.0005～0.03％
Ca 0.0002～0.006％
O 0.003～0.016％
其余为铁和不可避免杂质，
其中氧化物夹杂为CaO-MnO-Al2O3-SiO2，其组分的重量百分比为CaO＝0～55％，MnO＝15～75％，Al2O3＝0～45％，SiO2＝25～65％。
5.如权利要求1至4中任何一项所述的自润滑易切削钢，其特征是，还包含硫化夹杂物为MnS-CaS，其组分的重量百分比，MnS 70～100％，CaS 0～30％。
6.如权利要求5所述的自润滑易切削钢，其特征是，所述的硫化夹杂物还包含MgS，＜5％。
7.如权利要求5所述的自润滑易切削钢，其特征是，所述的硫化夹杂物的长/宽比为1.5～4.5。
8.如权利要求1至4中任何一项所述的自润滑易切削钢，其特征是，还包含有P、Ti、V或Nb中的一种或几种，其中，Ti＜0.05％、V＜0.1％、Nb＜0.05％、P≤0.10％。
9.如权利要求5所述的自润滑易切削钢，其特征是，还包含有P、Ti、V或Nb中的一种或几种，其中，Ti＜0.05％、V＜0.1％、Nb＜0.05％、P≤0.10％。
10.如权利要求1至4中任何一项所述的自润滑易切削钢，其特征是，还包含MnO-SiO2二元系氧化物，其Si/Mn比为0.025～0.4。
11.如权利要求1至4中任意一项所述的的自润滑易切削钢的生产方法，包括如下步骤：
a)电弧炉或转炉冶炼：钢液中含碳、氧和温度控制，其中含碳量≥0.03％，总氧含量为500～1200ppm，出钢钢液温度为：1600～1680℃；
b)出钢脱氧和合金化控制：出钢过程通过向钢包添加铁合金、脱氧剂和合成渣，以控制钢包精炼炉中钢液的成分和钢包渣的成分；
c)钢包精炼炉渣-金平衡：调整钢包渣成分，控制钢液成分和温度；
其中，钢包渣成分为，CaO＝25～45％，MgO＝5～10％，Al2O3＝5～25％，SiO2＝30～45％，MnO＜10％，FeO＜2％，CaF2＜5，以上均为重量百分比；
钢包精炼炉钢液成分和温度控制为：C≤0.05～0.5％，Mn＝0.6～1.7％，Si＝0.03～0.6％，P≤0.10％，S＝0.05～0.4％，Al＝0.0005～0.01％，Ca＝0.0002～0.006％；
钢液成分中总氧量为30～160ppm，其中溶解氧为≤100ppm，溶解铝为≤40ppm，溶解钙为≤20ppm，钢液温度为：1540℃～1620℃；
钢包精炼炉的钢包渣成分中的CaO/SiO2＝0.85～1.10；
d)钢包精炼钙处理：当钢中C，Si，Mn成分、溶解氧和溶解铝达到要求，向钢中喂入Ca+CaF2或CaSi合金包芯线；钢包精炼钙处理为向钢中喂入Ca+CaF2或CaSi合金包芯线，0.5～5公斤/吨钢；
e)增硫处理：吹氩搅拌数分钟后，向钢中喂入FeS合金线，使钢中硫含量达到0.05～0.4％；
f)喂入钙/镁合金包芯线：吹氩搅拌数分钟后，向钢中喂入钙/镁合金包芯线，0.5～3公斤/吨钢；
g)钢液温度调整：再吹氩搅拌数分钟，并调整钢液温度为钢的液相温度以上，结束钢包精炼；
h)铸造：完成钢包精炼后，钢液通过结晶器浇铸成铸坯。
12.如权利要求11所述的自润滑易切削钢的生产方法，其特征是，所述的步骤b中添加的铁合金是FeSi、FeMn和MnSi中的一种或几种；脱氧剂是C、CaC2、CaSi和Al中的一种或几种；合成渣含有CaO、SiO2、MgO和Al2O3和CaF2中的一种或几种。
13.如权利要求11所述的自润滑易切削钢的生产方法，其特征是，所述的步骤e中，吹氩搅拌3～5分钟后，向钢中喂入FeS合金线。
14.如权利要求11所述的自润滑易切削钢的生产方法，其特征是，所述的步骤f中，喂入FeS合金线并吹氩搅拌3～5分钟后，向钢中喂入钙/镁合金包芯线。
15.如权利要求11所述的自润滑易切削钢的生产方法，其特征是，所述的步骤g中，喂入钙/镁合金包芯线后，吹氩搅拌3～5分钟并调整钢液温度为钢的液相温度以上60～120℃，结束钢包精炼。
16.如权利要求11所述的自润滑易切削钢的生产方法，其特征是，钢液溶解氧含量高于溶解铝含量，钢中形成MnO-SiO2二元系氧化物，其Si/Mn比为0.025～0.4。
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