专利名称：一种环保型高性能石墨化易切削钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及石墨钢，具体属于加工构件的高性能石墨化易切削钢。
背景技术：
随着近年来我国汽车工业和机械制造业的快速发展，对易切削钢的需求日益增 加。然而我国目前易切削钢生产水平还不高，在产量、质量和品种诸方面都远远不能满足高 速发展的国民经济的要求，高品质的易切削钢则依赖进口。现有易切削钢主要是通过在钢 中单独或复合添加如S、P、Pb、Se、Te、Bi等易切削元素来提高材料的切削性能。易切削元 素的加入，增加了钢的不纯净度，使材料的基本性能低于基体钢，难以满足对强度、韧性有 严格要求的机械结构用钢领域。如常用的硫系切削钢，冶炼时空气污染严重，高的硫含量可 导致钢的力学性能(特别是横向冲击韧性)显著降低，表面废品率和热脆性增高，热加工性 能差。而铅系易切削钢虽然其切削性能优良，但由于铅污染环境以及铅在废钢回收熔炼过 程中的有害作用，其应用受到了限制，如欧洲共同体有关条例(The EU-Directive on End ofLife Vehicles)已停止回收再利用含铅的汽车零件。钙易削钢晶粒粗大，钙在钢中的溶 解度很低，不容易加入钢中，因此产品合格率低，成本高。只有在使用硬质合刀具高速切削 时才能显著延长刀具寿命，但使用高速钢刀具时效果不显著。硒或蹄系易切削钢炼钢时回 收率低且不稳定，并对人体有害，而且价格较高多与硫、铅等复合加入。由此可见，现有的易 切削钢种，都存在着或多或少的问题，因此，有必要开发出一种具有切削性能优良，机械性 能良好和环境友好等特点的新型易切削钢。石墨化易切削钢由于具有良好切削性能、冷成型性，高的疲劳强度以及环境友好 等特点，近年来受到世界各国冶金研究者和制造商的关注和研究。例如，美国专利文献 6174384B1(2001)公开了在C为(质量分数，以下同)左右的钢中添加0. 1-1. 5%的 Si，0. 01-0. 5%的Zr，利用Si可抑制渗碳体的形核和形成ZrC作为石墨的形核核心来生 产石墨化易切削钢。美国专利文献5830285(1998)公开了在C在0. 4-1. 0%的钢中，添加 0. 4-1. 3 % Si,0. 3-1. 0 % Μη,Ο. 0003-0. 006 % B，0· 002-0. 010 % N，0· 05-0. 20 % Mo,利用 BN作为石墨的形核核心和Mo对石墨分布的影响来生产石墨化易切削钢。日本公开专利 49-67817 则在 C含量为 0. 45-1. 5% 的钢中，添加 0. 5-2. 5% Si,0. 1-2. 0%Μη,0. 02-0. 15% Ρ，0· 001-0. 015% S，0. 008-0. 020% Ν，0· 1-2. 0% Ni，0. 015-0. 5% Al 以及 0. 015-0. 030% Ca 来生产石墨化易切削钢。文献“Machinability ofmedium carbon graphitic steel, Journal of materials processing technology, 1996,62, 358-362，，中，其成分为 0. 55% C, 1. 2% Si，0. 50% Μη,Ο. 012% Ρ，0· 011% S，0. 025% Α1，0· 0025% B。文献“石墨化处理后 中碳钢的显微组织与性能，机械工程材料，2008,32(10)，48”，其石墨化易切削钢的成分为 0. 43% C, 1. 5% Si，0. 45% Μη,Ο. 010% S，0. 009% Ρ，0· 005% B。但是，在这些公开的专利 和文献中，将钢中的C转变为石墨，所需的石墨化时间较长，一般都在10小时以上，而且部 分元素，如Ti，Zr等在炼钢时很难控制其含量或较难加入。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种在保证石墨钢具有良好切削性能、冷 成型性，高的疲劳强度的前提下，石墨化时间< 5小时的，不含污染环境即对人有害的Pb、 Se、Te元素，硫含量低的环保型高性能石墨化易切削钢。实现上述目的的技术措施一种环保型高性能石墨化易切削钢，其组分及重量百分比为C :0. 1 1. 5%，Si 0. 5 2. 5%，A1 :0. 05 2. 0%，Μη 彡 1. 0%，P 彡 0. 020%，S 彡 0. 02%，余量为 Fe 及不可 避免的杂质，同时Si+Al之和在1. 0 4. 0%。其在于A1重量百分比的优选范围在0. 05 2. 0%。其在于还添加有重量百分比为Zr 0. 15 0.48%或B :0. 016 0. 025%或RE 彡 0. 5%或 Nb+V+Ti ^ 0. 5%0其在于Nb、V、Ti单独加入或几种同时复合加入，其量彡0. 5%。本发明中主要元素在钢中的作用及机理C :C是石墨易切削钢中的主要成分之一，是钢中石墨的来源。其主要作用在于，在 石墨化退火时，通过同素异型转变而转变为石墨，从而达到提高切削性及冷成型性等的目 的。当钢中的C含量低于0. 时，石墨化退火时所需的时间较长，而且钢中的石墨含量也 较少，钢的易切削性因此不高。此外，经淬火及回火处理后，钢的强度也不高。而当钢中的 C含量过高时，经冷加工后，淬火时很容易产生裂纹。Si =Si是非碳化物形成元素，与C原子的亲和力较小，能显著抑制石墨退火时渗碳 体的析出，因此钢中必须有一定的Si含量。此外，Si也是一种较强的固溶强化元素，能增 加石墨化退火后钢的强度。Al 本发明钢种中合金元素Al的含量较高，即达到0.05-2.0%。Al与Si的作用类 似，主要是石墨化退火时，阻碍渗碳体的析出。这主要是因为Al，Si不溶于渗碳体，必须从 渗碳体/铁素体界面扩散出来，导致界面处浓度逐渐增加，C的活性相应增加，流动性降低， 渗碳体核心的长大因此受到抑制，而且Al也是一种较强的固溶强化元素，可以弥补完全石 墨化后，得到的组织铁素体+石墨强度的不足。此外，Al在炼钢的过程中，与钢中的N结合 形成A1N，也可作为石墨的形核核心而加速石墨化进程。Mn :Mn是钢中的常规元素，冶炼过程中的主要作用是脱氧，还能与S结合，生产MnS 而提高钢的切削性。此外，Mn还能细化铁素体晶粒，提高钢板的强度和韧性，同时可固溶强 化铁素体和增加淬透性。Si+Al 为了实现目的，对合金元素与石墨化时间及石墨粒子的大小、分布等关系 进行了详细研究，结果发现，将Si和Al作为必须元素，通过工艺，可在较短的时间内将钢中 的C转变为石墨，而且石墨粒子的尺寸较小，分布也较为均勻，如再添加适当的Ti、Nb、Zr、 B等元素，可进一步促进钢中C转变为石墨。本发明与现有的钢种不同在于，石墨化时间彡5小时，使生产效率大大提高，并可 在该时间内将钢中的C转变为石墨，而且石墨粒子的尺寸较小，分布也较为均勻；且无对环 境有害元素，还具有良好切削性能、冷成型性，高的疲劳强度。
图1为石墨化2h后得到的组织图2是试样侵蚀后的组织(2-4%的硝酸酒精侵蚀图3是石墨化2h后得到的组织(2-4%的硝酸酒精侵蚀)图4是根据实施例3石墨化4h后得到的组织(无侵蚀)图5是石墨化3h后得到的组织(2-4%的硝酸酒精侵蚀)
具体实施例方式实施例1一种环保型高性能石墨化易切削钢，其组分及重量百分比为C:0. 10%, Si 0. 82%, Al 0. 18%, Mn 0. 83%, P 0. 019%, S 0. 192%，余量为 Fe 及不可避免的杂质，同 时Si+Al之和为1. 0%。实施例2一种环保型高性能石墨化易切削钢，其组分及重量百分比为C:0.43%，Si 0. 5%, Al 2. 0%, Mn 1. 0%, P 0. 018%, S 0. 190%，余量为 Fe 及不可避免的杂质，同时 Si+Al 之和为 2. 6%。实施例3一种环保型高性能石墨化易切削钢，其组分及重量百分比为C:0.62%，Si
0.95%, Al 0. 05%,Mn 0. 80%, P 0. 0176%, S 0. 182%, Zr 0. 15%, Nb 0. 1%，余量为 Fe 及不可避免的杂质，同时Si+Al之和为1.0%。实施例4一种环保型高性能石墨化易切削钢，其组分及重量百分比为C:0.87%，Si
1.23，% Al 0. 090 %, Mn 0. 76 %, P 0. 013 %, S 0. 153 %, B 0. 025 %, V 0. 2 %, Ti 0. 16%，余量为Fe及不可避免的杂质，同时Si+Al之和为1.32%。实施例5一种环保型高性能石墨化易切削钢，其组分及重量百分比为C:1. 16%, Si
2.5%, Al 1. 5%,Mn 0. 81%, P 0. 012%, S 0. 142%, RE 0. 5%, Nb 0. 14%, V 0. 2%, Ti
0.16%，余量为Fe及不可避免的杂质，同时Si+Al之和为4. 0%,Nb+V+Ti = 0. 5%。实施例6一种环保型高性能石墨化易切削钢，其组分及重量百分比为C:1.35%，Si 2. 0%, Al 0. 08%, Mn 0. 81%, P 0. 012%, S 0. 142%, Zr 0. 48%，余量为 Fe 及不可避免 的杂质，同时Si+Al之和为2. 08%。实施例7一种环保型高性能石墨化易切削钢，其组分及重量百分比为C:1.5%，Si
1.6%,Al 0. 95%,Mn 0. 69%,P 0. 010%,S 0. 12%,B 0. 016%，余量为 Fe 及不可避免的 杂质，同时Si+Al之和为2. 55%。实施例8一种环保型高性能石墨化易切削钢，其组分及重量百分比为C:1. 1%，Si 1. 38%, Al 0. 66%, Mn 0. 35%, P 0. 009%, S 0. 10%, RE 0. 38%，余量为 Fe 及不可避免
5的杂质，同时Si+Al之和为2. 04% ο上述实施例的工艺采用现有的工艺制度，即冶炼，采用真空度为1.33帕、在微合 金化后出钢、对钢锭进行热塑成型、进行石墨化处理等工艺。经对上述实施例的结果进行检测，其结果见表1所列。表1实施例的检测结果统计表
权利要求
一种环保型高性能石墨化易切削钢，其组分及重量百分比为C0.1～1.5％，Si0.5～2.5％，Al0.05～2.0％，Mn≤1.0％，P≤0.020％，S≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质，同时Si+Al之和在1.0～4.0％。
2.如权利要求1所述的一种环保型高性能石墨化易切削钢，其特征在于A1重量百分 比的优选范围在0. 05 1.5%。
3.如权利要求1所述的一种环保型高性能石墨化易切削钢，其特征在于还添加有重 量百分比为:Zr 0. 15 0. 48%或B 0. 016 0. 025%或RE 彡 0. 5%或Nb+V+Ti ^ 0. 5%0
4.如权利要求3所述的一种环保型高性能石墨化易切削钢，其特征在于Nb、V、Ti单 独加入或几种同时复合加入，其量< 0. 5%。
全文摘要
本发明涉及加工构件的高性能石墨化易切削钢。其组分及重量百分比为C0.1～1.5％，Si0.5～2.5％，Al0.05～2.0％，Mn≤1.0％，P≤0.020％，S≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质，同时Si+Al之和在1.0～4.0％。本发明石墨化时间≤5小时，使生产效率大大提高，并可在该时间内将钢中的C转变为石墨，而且石墨粒子的尺寸较小，分布也较为均匀，且对环境无有害元素，还具有良好切削性能、冷成型性，高的疲劳强度。
文档编号C22C38/06GK101906597SQ201010253368
公开日2010年12月8日 申请日期2010年8月14日 优先权日2010年8月14日
发明者刘吉斌, 尹云洋, 方芳, 朱丛茂, 朱玉秀, 罗国华, 范植金, 陈玮 申请人:武汉钢铁(集团)公司