专利名称：具有改善的切屑可处理性的机器结构用易切削钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包含各种用于降低切削成本的易切削材料的机器结构用易切削钢，并且具体地涉及一种用于包括汽车部件的部件的易切削钢。
背景技术：
目前，在用于包括汽车部件的部件的机器结构用钢中，已经加入了各种易切削材料以降低成本。这些易切削钢的代表性例子包括加铅易切削钢、(再)加硫易切削钢、(加)钙脱氧易切削钢和通过组合使用上述易切削材料而制成的复杂/多元易切削钢。
其中，加铅易切削钢的使用最普遍，因为和基本钢相比，加铅易切削钢更不容易引起机械性能的下降，并且在改善可切削性尤其是低速切削期间的刀具寿命或切屑可处理性(disposability)上的效果优良。然而，人们近年来对环境问题的日益关注已使全球都趋向于减少用在钢中的对人体有害的铅的量。这又导致对开发替代加铅易切削钢的易切削钢的需求日益增加。
可以考虑将(再)加硫易切削钢作为可用作加铅易切削钢的替代物的易切削钢之一。但是，在(再)加硫易切削钢中，因为硫以沿轧制方向伸长的MnS夹杂物(inclusion)的形式存在于钢中，加入大量的硫不利地增强了机械性能的各向异性。
钙脱氧易切削钢是一种通过在钢中加入低熔点氧化物CaO-Al2O3-SiO2而改善其可切削性的钢。通过这样的原理而实现该可切削性，即上述氧化物在刀具的刀口上形成一层防止切屑和刀具直接接触的保护膜。但是，在钙脱氧易切削钢中，只能在较高速切削例如烧结碳化物/硬质合金刀具切削期间才能获得该效果。
也使用化合状态下的铅、硫和钙都包含在其中的加铅三元易切削(合金)钢。加铅三元易切削钢具有非常好的可切削性，但是，另一方面，它并不能克服加铅易切削钢和(再)加硫易切削钢中的缺陷。
日本专利No.1981560、日本待审公开专利No.350065/1999和日本待审公开专利No.34538/2000公开了其中加入了用于改善(再)加硫易切削钢的机械性能的钙的钢。此外，在这种情况下，将硬Al2O3转化为CaO-Al2O3或在Al2O3上覆盖硫化物据称可以使钢无害化。日本待审公开专利No.145889/1994公开了通过加入六方BN、CaO-Al2O3和Ca-Mn-S而改善其可切削性的钢。在这些情况下，和基本钢相比，在机械性能各向异性上可以通过控制硫化物的形状来减少恶化程度。但是，在可切削性上不能在各种切削条件下均获得令人满意的结果。目前，尤其是作为加铅易切削钢的替代钢的最重要性能的切屑可处理性，不能总是达到加铅钢的水平。
日本待审公开专利No.180184/2002公开了其可切削性—主要是钻头使用寿命—和强度各向异性通过调整硫化物的粒度(size)而得到改善的结构钢。但是，就其切屑可处理性而言，所建议的结构钢还远不是可用作具有令人满意的性能的加铅易切削钢的替代物的钢。
发明内容
现在本发明人已发现，在具有预定成分的热轧或热锻钢中，通过调整主要包括具有预定粒度的MnS的硫化物的数量和具有预定粒度的氧化物夹杂物的数量，可以不加入有害材料例如铅而实现非常好的切屑可处理性。
因此，本发明的一个目的是提供一种机器结构用易切削钢，该钢可以实现非常好的切屑可处理性，而不用加入任何有害材料例如铅。
根据本发明，提供一种具有改善的切屑可处理性的易切削钢，其中，该钢经过热轧或热锻并包括其质量百分比如下所示的材料碳(C)0.01％至0.70％，硅(Si)0.05％至2.00％，锰(Mn)0.20％至3.50％，钙(Ca)0.0003％至0.01％，硫(S)0.020％至0.300％，铝(Al)0.002％至0.300％，氮(N)0.003％至0.035％，和氧(O)0.0010％至0.0080％，其余成分包括铁(Fe)和不可避免的杂质，其中，该钢包含具有大于等于0.5μm并小于20μm的长轴并包括MnS作为主要成分的硫化物，这些硫化物的数量不少于硫化物的总数量的30％，和其中，该钢包含具有大于等于0.5μm并小于50μm的长轴并且与硫化物共存或单独存在的氧化物夹杂物，该氧化物夹杂物在每平方毫米检测面积中的数量不少于10。
在本发明的一优选实施例中，根据本发明的易切削钢还包括由以下元素中选出的一种或多种具有如下质量百分比的元素，铬(Cr)0.20％至2.50％，钼(Mo)0.05％至1.50％，镍(Ni)0.05％至3.50％，钒(V)0.01％至0.50％，铌(Nb)0.01％至0.10％，和钛(Ti)0.01％至0.50％。
在本发明的一优选实施例中，根据本发明的易切削钢还包括由以下元素中选出的一种或多种具有如下质量百分比的元素，镁(Mg)0.0003％至0.01％，锆(Zr)0.0005％至0.30％，铋(Bi)0.01％至0.30％，和硼(B)0.0003％至0.015％。
具体实施例方式
下面将说明限制根据本发明的具有改善的切屑可处理性的机器结构用易切削钢的各组分的原因。在该钢的化学成分中，“％”表示质量百分比。
碳(C)是一种被加入以确保钢的强度的元素。当碳的含量小于0.01％时，钢的强度是不令人满意的。另一方面，当碳的含量超过0.70％时，钢的韧性变差。因此，根据本发明的钢的碳含量限制在0.01％至0.70％。
硅(Si)是一种在炼钢期间被加入以用于脱氧并确保钢的强度的元素。当硅的含量小于0.05％时，不能获得令人满意的脱氧效果。另一方面，当硅的含量超过2.00％时，热加工性变差。因此，根据本发明的钢的硅含量限制在0.05％至2.00％。
锰(Mn)是一种被加入以改善可淬性/淬透性的元素。此外，锰是一种与硫一起形成一种用于改善可切削性的硫化物的必需的元素。而且，MnS还可以有效地抑制奥氏体晶粒的粗化以细化组织。然而，当锰的含量小于0.20％时，预期效果不大。另一方面，当锰的含量超过3.50％时，可加工性变差。因此，锰的含量限制在0.20％至3.50％。
钙(Ca)具有通过控制硫化物的形状而改善各向异性的作用。此外，钙可以改善切屑可处理性。而且，钙可以在刀具上沉积一(Mn，Ca)S和AlN保护膜以延长刀具的使用寿命。此外，钙可以形成一钙的氧化物以改善切屑可处理性。可以通过加入含量不少于0.0003％，优选地不少于0.001％的钙而获得上述效果。当钙含量超过0.01％时，效果达到饱和。而且，在这种情况下，钙的添加收效率下降。因此，根据本发明的钢中的钙含量限制在0.0003％至0.01％。
硫(S)具有形成硫化物例如MnS和(Mn，Ca)S以改善可切削性的作用。当钢被加热到1000℃或以上以进行热加工时，这些硫化物可以抑制奥氏体晶粒的粗化。当根据本发明的钢用作微合金化钢时，硫可以有利地提高钢的韧性。为了获得上述效果，硫的含量应该不少于0.020％，优选地不少于0.050％。然而，当硫的含量超过0.300％时，由于硫化物的应力集中效果，韧性变差。因此，在根据本发明的钢中，硫的含量限制在0.020％至0.300％。
铝(Al)和硅一样被加入以在炼钢期间脱氧。脱氧产生的复合氧化物可以有效地改善切屑可处理性。此外，铝形成有助于细化奥氏体晶粒的AlN。为了获得上述效果，铝含量应该不少于0.002％。加入量多于0.300％的铝导致形成破坏钢的韧性和可切削性的铝氧化物。因此，在根据本发明的钢中，铝的含量限制在0.002％至0.300％，优选地为0.003％至0.015％。
氮(N)被加入以提高钢的韧性。此外，氮形成可以有效地细化奥氏体晶粒的氮化物例如AlN。为了获得上述效果，氮的含量应不少于0.003％。当加入的氮的量多于0.035％时，所述效果达到饱和。因此，在根据本发明的钢中，氮的含量限制在0.003％至0.035％，优选地为0.005％至0.020％。
氧(O)形成一种有效地确保可切削性并还用作用于精细分散的硫化物的核的氧化物。为了获得上述效果，氧的含量应不少于0.0010％。当氧的含量多于0.0080％时，机械性能下降。因此，在根据本发明的钢中，氧的含量限制在0.0010％至0.0080％，优选地为0.0015％至0.0050％。
在本发明的一优选实施例中，根据本发明的钢还包含0.20％至2.50％的铬(Cr)。铬的作用与锰相类似。也就是说，铬是一种提高可淬性和改善强度的元素。当铬的含量小于0.20％时，预期效果不大。另一方面，当铬的含量多于2.50％时，费用增加。
在本发明的一优选实施例中，根据本发明的钢还包含0.05％至1.50％的钼(Mo)。钼的作用与铬类似。也就是说，钼是一种提高可淬性和改善强度的元素。当钼的含量小于0.05％时，预期效果不大。另一方面，当钼的含量多于1.50％时，费用增加。
在本发明的一优选实施例中，根据本发明的钢还包含0.05％至3.50％的镍(Ni)。镍的作用与钼类似。也就是说，镍是一种提高可淬性和改善强度的元素。当镍的含量小于0.05％时，预期效果不大。另一方面，当镍的含量多于3.50％时，费用增加。
在本发明的一优选实施例中，根据本发明的钢还包含0.01％至0.50％的钒，0.01％至0.10％的铌和/或0.01％至0.50％的钛。钒、铌和钛在钢中形成细小的碳氮化合物，并且这些沉淀/析出物(precipitate)在热加工期间细化奥氏体晶粒并改善钢的韧性。此外，通过这些沉淀物的弥散强化或沉淀硬化可以起到改善钢的强度的作用。对于钒、铌和钛来说，当它们的含量不多于0.01％时，不能获得该效果。当含量过大时，韧性减小。因此，钒含量的上限是0.50％，铌含量的上限是0.10％，而钛含量的上限是0.50％。
在本发明的一优选实施例中，根据本发明的钢还包含0.0003％至0.01％的镁，0.0005％至0.30％的锆，0.01％至0.30％的铋，和/或0.0003％至0.015％的硼。镁和锆象钙一样以一种硫化物或氧化物的形式存在，铋单独存在或与其它夹杂物并存，并且，硼以一种氮化物形式存在。以上述各形式存在的这些元素进一步改善了根据本发明的钢的切屑可处理性。镁和锆都是用于控制硫化物的形状的元素，并且还都具有改善机械各向异性的效果。当镁的含量小于0.0003％时，当锆的含量小于0.0005％时，当铋的含量小于0.01％时，以及当硼的含量小于0.0003％时，上述效果是不令人满意的。另一方面，当镁的含量多于0.01％时，当锆的含量多于0.30％时，当铋的含量多于0.30％时，以及当硼的含量多于0.015％时，上述效果达到饱和，并导致费用增加。
根据本发明的易切削钢是一种具有上述化学成分的热轧或热锻易切削钢，其中，该钢包含具有大于等于0.5μm并小于20μm的长轴并包括MnS作为主要成分的硫化物，该MnS的数量不少于硫化物的总数量的30％，并且其中，该钢包含具有大于等于0.5μm并小于50μm的开区间长轴并且与硫化物共存或单独存在的氧化物夹杂物，该氧化物夹杂物在每平方毫米检测面积中的数量不少于10。上述组成可以提供一种其机械性能与加铅易切削钢基本相当、可切削性优良且尤其是其切屑可处理性与加铅钢相当的机器结构用易切削钢。
可以考虑通过下述原理获得该可切削性的改善效果。但是，应该注意，下述说明是基于一假设，并且本发明不限于该假设。首先，当切削根据本发明的机器结构用易切削钢时，在具有20μm以上长轴的较大粒度的MnS组成的夹杂物的周围容易产生裂纹。当该裂纹附近存在具有大于等于0.5μm并小于20μm的长轴的大量较细硫化物(这些硫化物的数量不少于所有硫化物的30％)时，这些硫化物有效地加速了硫化物裂纹的扩展。在这种情况下，仅通过硫化物获得的效果不大。但是，当具有大于等于0.5μm并小于50μm的长轴的氧化物夹杂物在每平方毫米检测面积中的数量不少于10时，切屑裂纹的扩展大大加快，从而获得改善的切屑可处理性。
可以以如下方法生产根据本发明的易切削钢。具体地，在炼钢过程中，除了传统的对化学成分的调整，还通过利用铝和硅进行脱氧而将溶解的氧含量调整至15ppm和90ppm之间的一值，然后加入钙。此后，对钢进行热轧或热锻。从而获得具有上述化学成分的钢产品，其中，该钢包含具有大于等于0.5μm并小于20μm的长轴并包括MnS作为主要成分的硫化物，这些硫化物的数量不少于硫化物的总数量的30％，并且其中，该钢包含具有大于等于0.5μm并小于50μm的长轴并且与硫化物共存或单独存在的氧化物夹杂物，该氧化物夹杂物在每平方毫米检测面积中的数量不少于10。
在本发明的一优选实施例中，根据本发明的钢中的氧化物还可以包括CaO和Al2O3。此外，由具有高氧化物形成能力的杂质元素或合金元素形成的例如MgO、MnO、SiO2、TiO2、ZrO2和REM氧化物与上述氧化物共存。
示例下述示例进一步说明了本发明但并不用于限制本发明。
通过在真空熔炉中的熔融工序生产具有表1中示出的化学成分的100kg的各种钢No.1至No.20。用传统工艺生产的这些钢锭通过在1200℃下锻造成直径为45mm的条钢。
表1(质量％)
*本发明范围以外的值有下划线在表1中，对比钢中的本发明范围以外的组分有下划线。
随后，锻制条钢被淬火并回火以将所有钢的硬度调整至25±2HRC。
对这样获得的钢进行下述1至3测量。
测量1对测试钢进行镜面抛光，然后用400倍放大率的光学显微镜拍摄粒度为1mm2的夹杂物。用图像分析器测量1mm2内的所有硫化物的长轴和数量。从测量结果中抽取出主要包含具有不小于0.5μm并小于20μm的长轴的MnS的小硫化物的数量。可以根据下述等式计算出小硫化物的数量百分比。
(小硫化物的数量百分比)＝(小硫化物的数量/硫化物总数量)×100测量2提供其粒度为1mm2的夹杂物的光学显微照片以通过利用夹杂物之间的色调差而区别氧化物和主要包含MnS的硫化物，并且利用一个图像处理器测量具有一不小于0.5μm并小于50μm的粒度的氧化物的数量。
测量3用JIS P 20(刀口半径＝0.4mm)制成的一种切削用烧结碳化物/硬质合金刀具以下述条件车削测试钢切削速度150米/分(m/min)进给速度0.1毫米/转(mm/rev)切削深度0.5毫米(mm)在车削操作中，收集切屑，并对作为切屑可处理性的评价指数的每克中的切屑的数量(切屑可处理性指数)进行视觉上的计数。
针对每种钢，测量1至3所得的结果如表2所示。
表2
*每克中的切屑数量(一个连续的切屑计为一个切屑)*本发明范围以外的值和小于10的切屑可处理性试验数据有下划线钢1至13在本发明的范围之内。根据本发明的钢中的小硫化物的比例不少于30％，并且氧化物的数量不少于10/mm2。
对于本发明的钢，切屑可处理性指数为至少10切屑/克，然而，对于对比材料，即Nos.14、15、17、18和20，切屑可处理性指数少于10切屑/克。对于Nos.16和19，切屑可处理性指数不少于10切屑/克。这是因为Nos.16和19包含铅一一种有害材料。
如上所述，在根据本发明的机器结构用易切削钢中，可以不加入有害材料例如铅而实现优良的切屑可处理性。
权利要求
1.一种具有改善的切屑可处理性的易切削钢，其中，该钢经过热轧或热锻并包括其质量百分比如下所示的材料碳(C)0.01％至0.70％，硅(Si)0.05％至2.00％，锰(Mn)0.20％至3.50％，钙(Ca)0.0003％至0.01％，硫(S)0.020％至0.300％，铝(Al)0.002％至0.300％，氮(N)0.003％至0.035％，和氧(O)0.0010％至0.0080％，其余成分包括铁(Fe)和不可避免的杂质，其中，该钢包含具有大于等于0.5μm并小于20μm的长轴并包括MnS作为主要成分的硫化物，这些硫化物的数量不少于硫化物的总数量的30％，和其中，该钢包含具有大于等于0.5μm并小于50μm的开区间长轴并且与硫化物共存或单独存在的氧化物夹杂物，该氧化物夹杂物在每平方毫米检测面积中的数量不少于10。
2.根据权利要求1所述的易切削钢，其特征在于，该易切削钢还包括由以下元素中选出的一种或多种具有如下质量百分比的元素，铬(Cr)0.20％至2.50％，钼(Mo)0.05％至1.50％，镍(Ni)0.05％至3.50％，钒(V)0.01％至0.50％，铌(Nb)0.01％至0.10％，和钛(Ti)0.01％至0.50％。
3.根据权利要求1或2所述的易切削钢，其特征在于，该易切削钢还包括由以下元素中选出的一种或多种具有如下质量百分比的元素，镁(Mg)0.0003％至0.01％，锆(Zr)0.0005％至0.30％，铋(Bi)0.01％至0.30％，和硼(B)0.0003％至0.015％。
全文摘要
一种机器结构用易切削钢，可以实现很好的切屑可处理性，而不加入任何有害材料如铅。该易切削钢是一种具有改善的切屑可处理性的热轧或热锻易切削钢。该易切削钢包括具有下述质量百分比的如下元素碳0.01至0.70％，硅0.05至2.00％，锰0.20至3.50％，钙0.0003至0.01％，硫0.020至0.300％，铝0.002至0.300％，氮0.003至0.035％，和氧0.0010至0.0080％，而其余成分包括铁和不可避免的杂质。该钢包含具有大于等于0.5μm并小于20μm的长轴并包括MnS作为主要成分的硫化物，其数量不少于硫化物的总数量的30％。还包含具有大于等于0.5μm并小于50μm的长轴并且与硫化物共存或单独存在的每平方毫米检测面积中的数量不少于10的氧化物夹杂物。
文档编号C22C38/60GK1550562SQ200410034730
公开日2004年12月1日 申请日期2004年5月9日 优先权日2003年5月9日
发明者常阴典正 申请人:山阳特殊制钢株式会社