專利名稱：含硫易切削鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用作不需要很大強(qiáng)度的部件的材料的含硫易切削鋼(快削鋼)，其中使用JIS(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))規(guī)定的SUM鋼和SAE(美國汽車工程師協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SAE 11xx和SAE 12xx鋼。
背景技術(shù)：
含硫易切削鋼，例如JIS SUM鋼、SAE 11xx鋼和SAE 12xx鋼，在軋制后進(jìn)行拉制，和作為拋光棒鋼用于自動(dòng)切削中。其中將S(硫)加入鋼中以通過高速鋼工具提高鋼的切削加工性的含硫易切削鋼已被用作這種類型的傳統(tǒng)易切削鋼。
該種含硫易切削鋼的切削加工性隨著S的含量增加而改善；然而，另一方面，由于在熱加工例如軋制、鍛造等期間的熱脆性(紅脆性)而產(chǎn)生大量的出現(xiàn)破裂等的產(chǎn)品。這是由于高硫含量造成的低熔點(diǎn)FeS在晶界的析出而導(dǎo)致的。此外，在高S鋼的情況下，相對(duì)于軋制方向的橫向的延性和斷面收縮率下降，因此在拉制期間產(chǎn)生問題。因此，一般將0.35％設(shè)定為S含量的上限，至多該含量限制到0.40％。
此外，已開發(fā)了除S以外還含有重金屬如Pb、Te、Bi等的復(fù)合易切削鋼作為具有良好切削加工性的易切削鋼。然而，近年來，日益重視環(huán)境問題，因此，需要開發(fā)不使用對(duì)環(huán)境具有損害作用的這些重金屬且切削加工性與含有重金屬的易切削鋼相當(dāng)或比之更好的易切削鋼。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種具有優(yōu)越的切削加工性的含硫易切削鋼，它不用添加對(duì)環(huán)境有害的重金屬而獲得改善的切削加工性，并且不在制造期間，特別是在熱加工或冷拉伸期間導(dǎo)致問題。
本發(fā)明是一種高硫易切削鋼，按質(zhì)量百分比計(jì)它具有如下化學(xué)成分C0.03-0.20％，Si0.35％或更少(包括0％)，Mn0.30-2.00％，P0.01-0.15％，S0.35-0.65％，O0.0100-0.0250％，N0.020％或更少，Al0.005％或更少(包括0％)，Nb0.02-0.20％，還包含V0.05-0.50％和/或Ti0.02-0.20％，以及由Fe和不可避免的雜質(zhì)組成的剩余(余量)部分，其中，包含在鋼中的作為主要的非金屬夾雜物的硫化物型夾雜物在鋼的橫截面中具有50μm2或更小的平均尺寸，并且以每平方毫米(mm2)500至1000個(gè)夾雜物的比率(數(shù)量)存在。
首先，在本發(fā)明中，S含量是一種超過傳統(tǒng)上被認(rèn)為上限的0.35％的的大的S含量。為了防止由這樣一種大的S含量引起出現(xiàn)有害的影響例如熱脆性等，通過包含大量的Mn來防止FeS的析出，使得只析出MnS型硫化物。
此外，發(fā)現(xiàn)可以通過增加在MnS型硫化物和切割工具之間的接觸頻率獲得良好的易切削性能。
因此，盡管MnS型硫化物從熔融鋼固化時(shí)開始析出到鋼中，發(fā)現(xiàn)利用在熔融鋼的溫度下析出到熔融鋼中的TiN和在固化過程中析出到γ鐵中的NbN和VN作為MnS型硫化物析出的核，可以使夾雜物更微細(xì)，因此析出的夾雜物的數(shù)量增加；此外，發(fā)現(xiàn)可以獲得這些夾雜物的均勻的分散。
因此，為了消除縮短工具壽命的α-型Al2O3夾雜物的存在，使用Si-Mn的共同脫氧作為熔融鋼的脫氧基而不是使用Al。此外，通過將Si的含量降低到0.35％或更少以使得硬的硅酸鹽型氧化物夾雜物最少，除了Nb以外加入V和/或Ti作為脫氧輔助劑，以將脫氧后熔融鋼的氧水平保持穩(wěn)定在0.01-0.025％。發(fā)現(xiàn)通過利用熔融鋼中的這些元素的殘留物作為這些MnS型硫化物析出的核，可以使MnS型硫化物更微細(xì)和更均勻地分散和析出。此處所指的殘留物也自然地包括Nb等的氧化物；還完全可以考慮將這些物質(zhì)以復(fù)合夾雜物和用于MnS型硫化物析出的核的形式作為粘結(jié)劑。
此外，發(fā)現(xiàn)通過將氧水平保持在0.01-0.0250％，析出的MnS型硫化物的硬度也降低，因此延長了工具壽命和減少了MnS夾雜物的長寬比(MnS夾雜物的長度與直徑的比率)，因此改善了切屑破碎性(碎屑性)。
上述三種發(fā)現(xiàn)構(gòu)成了本發(fā)明的基礎(chǔ)。開發(fā)了一種具有與包含Pb、Bi、Te等重金屬的鋼相當(dāng)或比之更好的加工性的含硫易切削鋼，而不用添加這些重金屬。


圖1是示出了使用一車床切削本發(fā)明鋼和對(duì)比鋼的試樣時(shí)的切屑破碎性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的照片。
優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)說明下面將說明限制本發(fā)明的含硫易切削鋼的化學(xué)成分的含量的原因。
C0.03-0.20％當(dāng)C含量大時(shí)，在拉制期間發(fā)生裂縫；因此，將上限設(shè)定為0.20％。另一方面，當(dāng)C含量低時(shí)，強(qiáng)度過分降低；因此，將C含量的下限設(shè)定為0.03％。
Si0.35％或更少(包括0％)Si與Mn用作共同的脫氧劑。然而，當(dāng)加入過多量的Si時(shí)，鋼的硬度增加，構(gòu)成脫氧產(chǎn)物的硅氧化物是硬的，因此工具的壽命劣化(降低)。因此，將其上限設(shè)定為0.35％。優(yōu)選地，其添加量為0.10％或更少，和與Mn進(jìn)行共同的脫氧。為了確保將鑄造前熔融鋼中的氧含量保持在0.01-0.025％，使用Nb(見后述)，以及V和Ti中的一種或兩種(即V和/或Ti)作為脫氧輔助劑。
Mn0.30-2.00％為了防止導(dǎo)致熱脆性的低熔點(diǎn)FeS在晶界的析出，加入Mn以析出穩(wěn)定的MnS。為了有效地獲得該作用，需要添加0.30-2.00％的Mn。
P0.01-0.15％添加0.01-0.15％范圍的P以改善鋼的成品切割表面。在該范圍之外不能充分地實(shí)現(xiàn)所希望的目標(biāo)。
S0.35-0.65％已知切削加工性隨著S含量的增加而改善，和熱加工性隨著S含量的增加而劣化。因此，傳統(tǒng)上將S含量的上限設(shè)定為0.35％。如果使用本發(fā)明的Nb以及V和/或Ti作為脫氧輔助劑進(jìn)行Si-Mn的共同脫氧，則即使是將S含量的上限設(shè)定為0.65％，熱加工性也沒有損失。
O(氧)0.0100-0.0250％在熔融鋼的脫碳精煉的末期氧含量為大約600-1200ppm。然而，在該氧水平時(shí)，不可能利用沸騰作用進(jìn)行連續(xù)鑄造；因此，通常利用Al進(jìn)行強(qiáng)制脫氧。然而，如果用Al進(jìn)行脫氧，會(huì)生成作為脫氧產(chǎn)物的硬α-型的Al2O3，這在切削期間造成工具壽命的縮短。因此，在本發(fā)明中不準(zhǔn)備利用Al進(jìn)行脫氧。此外，Si的添加量優(yōu)選地保持在0.10％或更少，使用具有與Mn相當(dāng)脫氧能力的Nb或V和少量的Ti作為輔助劑進(jìn)行脫氧，以將氧含量保持穩(wěn)定在大約250ppm-這是Si-Mn的共同脫氧限-至100ppm之間。
N0.020％或更少本發(fā)明的一個(gè)特色是微細(xì)的NbN，VN和TiN在γ鐵中析出作為析出核，然后MnS圍繞這些核析出，以實(shí)現(xiàn)Mn硫化物在鋼中基本上均勻的散布和析出。因此，最大N含量需要為0.020％。
Al0.005％或更少(包括0％)如上所述，不打算利用Al進(jìn)行脫氧。然而，在所使用的FeSi、FeNb、FeV和FeTi中含有少量的Al，因此，當(dāng)將這些化合物添加到熔融鋼中時(shí)痕量(微量)的Al仍保留在鋼中。因此，Al的最大含量限制到0.005％。
Nb0.02-0.20％如上所述，本發(fā)明的一個(gè)目的在于使用MnS的產(chǎn)物抑制FeS的析出以改善熱和冷加工性和切削加工性。用作一種脫氧輔助劑的Nb在熔融鋼的固化期間在γ鐵中析出脫氧產(chǎn)物、氮化物和碳氮化物，這些化合物有效地作為MnS的析出核而作用，因此，硫化物夾雜物來得更微細(xì)，析出的夾雜物數(shù)量增加，使這些夾雜物均勻分散，從而改善熱和冷加工性和切削加工性。如果Nb的添加量小于0.02％或大于0.20％，則該效果不充分。
V0.05-0.50％和/或Ti0.02-0.20％如上所述，這些元素在Si-Mn的共同脫氧中起輔助作用。在γ鐵中析出的V的氮化物和在熔融鋼中析出的TiN有效地起作用，以保持在熔融鋼中的氧的量穩(wěn)定在100至250ppm范圍內(nèi)，以保持熔融鋼固化后的MnS為一種近似于球形的形狀，該形狀對(duì)切削加工性有好的影響，并且，象如上所述的Nb那樣，使得析出的MnS在鋼中基本上均勻地分散。如果所使用的量小于對(duì)應(yīng)的下限值或大于對(duì)應(yīng)的上限值，效果就不充分。
本發(fā)明的鋼具有上述成分，并且包括作為主要非金屬夾雜物的硫化物型夾雜物，在該鋼中，硫化物型夾雜物在鋼的橫截面中的平均尺寸為50μm2或更小，并且以每平方毫米500至1000個(gè)夾雜物的比率存在。由于這些數(shù)值上的限制，本發(fā)明的鋼具有優(yōu)越的切削加工性以及良好的可加工性。如果上述尺寸和數(shù)量在上述范圍之外，則不能達(dá)到足夠的切削加工性和可加工性。
示例和對(duì)比示例利用高頻感應(yīng)爐生產(chǎn)了具有如表1所示成分的鋼，并鑄造成20千克的鋼錠。
表1(質(zhì)量％)

其中編號(hào)1-10本發(fā)明的鋼編號(hào)11-14對(duì)比鋼通過將上述錠塊鍛造拉伸成直徑為40mm的圓棒試樣，使用一車床對(duì)這些試樣進(jìn)行切削加工性測(cè)試。測(cè)試條件如下。
樣品熱處理正火工具碳化物鑲尖工具SNGA 120404(三菱材料公司制造)切削速度100m/min切削深度1mm進(jìn)給0.02、0.05、0.10、0.15、0.20mm/rev(毫米/轉(zhuǎn))切削油無評(píng)價(jià)項(xiàng)目各試樣的切屑破碎性對(duì)使用車床對(duì)這些試樣進(jìn)行切削時(shí)的切屑破碎性的評(píng)價(jià)，以及在橫截面上硫化物類型夾雜物的平均尺寸和每平方毫米測(cè)試面積的夾雜物的數(shù)量示于表2中。
表2

其中編號(hào)1-10本發(fā)明鋼編號(hào)11-14對(duì)比鋼由以上結(jié)果明顯可知，本發(fā)明的易切削鋼可與包含對(duì)環(huán)境有害的重金屬的傳統(tǒng)的易切削鋼相媲美或甚至比之更好，但卻不包含這些有害的重金屬。通過對(duì)比各試樣的切屑破碎性對(duì)切削加工性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。關(guān)于用來評(píng)價(jià)測(cè)試結(jié)果的切屑破碎性的相對(duì)優(yōu)越性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，利用圖1中所示的四級(jí)◎、○、△和×對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。
如表2所示，在車床的所有各進(jìn)給速率下，本發(fā)明獲得◎級(jí)即最優(yōu)級(jí)。
此外，按如下方法對(duì)鋼中的硫化物的性質(zhì)(平均尺寸、數(shù)量)進(jìn)行了調(diào)查。在作為切削加工性試樣的延長物的直徑D為40mm的圓棒上，從相對(duì)于鍛造拉制方向的橫截面，即從該橫截面的表皮延伸到1/6直徑(D/6)的地方切出一個(gè)用于顯微觀察的樣品，使用一個(gè)400倍的光學(xué)顯微鏡對(duì)硫化物型夾雜物的平均尺寸和數(shù)量計(jì)數(shù)。對(duì)橫截面中的夾雜物的觀察使得可以容易地確定夾雜物的尺寸和分布。
本發(fā)明提供了一種具有與在添加對(duì)環(huán)境有害的重金屬的情況中所獲得的相當(dāng)或比之更好的切削加工性的含硫易切削鋼，而不用添加這些所不希望的重金屬來實(shí)現(xiàn)切削加工性的改善，并且不會(huì)造成制造方面的問題。
權(quán)利要求
1.一種含硫易切削鋼，按質(zhì)量百分比計(jì)具有如下化學(xué)成分C0.03-0.20％，Si0.35％或更少(包括0％)，Mn0.30-2.00％，P0.01-0.15％，S0.35-0.65％，O0.0100-0.0250％，N0.020％或更少，Al0.005％或更少(包括0％)，Nb0.02-0.20％，還包含V0.05-0.50％和/或Ti0.02-0.20％，以及由Fe和不可避免的雜質(zhì)組成的剩余部分，其中，包含在鋼中的作為主要的非金屬夾雜物的硫化物型夾雜物在鋼的橫截面中具有50μm2或更小的平均尺寸，并且以每平方毫米500至1000個(gè)夾雜物的比率存在。
全文摘要
一種含硫易切削鋼，按質(zhì)量百分比計(jì)具有如下化學(xué)成分C0.03－0.20％，Si0.35％或更少(包括0％)，Mn0.30－2.00％，P0.01－0.15％，S0.35－0.65％，O0.0100－0.0250％，N0.020％或更少，Al0.005％或更少(包括0％)，Nb0.02－0.20％，還包含V0.05－0.50％和/或Ti0.02至0.20％，以及由Fe和不可避免的雜質(zhì)組成的剩余部分，其中，包含在鋼中的作為主要的非金屬夾雜物的硫化物型夾雜物在鋼的橫截面中具有50μm
文檔編號(hào)C22C38/60GK1503851SQ02808349
公開日2004年6月9日 申請(qǐng)日期2002年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月12日
發(fā)明者福住達(dá)夫, 渡邊干, 吉村恒夫, 夫 申請(qǐng)人:三菱制鋼株式會(huì)社, 有限會(huì)社吉村技術(shù)事務(wù)所