抗拉强度≥1200 MPa的工程机械用易切削钢及生产方法
【专利摘要】抗拉强度≥1200MPa的工程机械用易切削钢，其组分及wt%为：C：0.30～0.50%、Si：0.40～0.60%、Mn：1.2～1.5%、P≤0.015%、S≤0.015%、N：0.03～0.05%、B：0.01～0.02%、Al：0.01～0.03%、Nb：0.01～0.03%、Ti：0.01～0.03%；生产步骤：冶炼并成坯；将方坯加热；热轧；穿水冷却；坑冷。本发明无环境污染，成分简单，成本相对较低，抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥850MPa、延伸率A≥15%、断面收缩率Z≥20%，且兼具优良切削性能。
【专利说明】抗拉强度& 1200 MPa的工程机械用易切削钢及生产方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种机械工程用钢及生产方法，具体地属于抗拉强度≥1200 MPa的工程机械用易切削钢及生产方法。
【背景技术】
[0002]易切削钢一般分为两类:(一)机械结构用易切削钢，该钢种除需要具有良好切削性能之外，还需具有良好的力学性能；(二)以AISI12L14为代表的钢种，主要对切削性能有较高要求。随着社会经济的发展，许多机械机构用钢需要高力学性能的钢中才能适配，如:汽车轻量化要求通过提高钢材强度，以减少整车重量，从而达到节能环保的目标；工作环境恶劣的重载卡车常因关键零部件强度失效而提前报废。
[0003]现有技术中，常见机械结构用易切削钢，为硫系、铅系、钙系三种易切削钢。其三种钢种分别存在如下不足:
铅系易切削钢因力学性能、热处理性能、冷热加工性能和焊接性能不受加铅的影响，而切削性能(刀具寿命、切屑处理性、加工面光洁度等)优于其它易切削钢，而获得广泛应用。但由于铅对环境和人体危害极大，因此欧盟和美国等发达国家对含Pd易切削钢的生产、使用和回收均进行严格限制，可预见无Pd化是易切削钢的发展方向；
硫系易切削钢因硫的加入，导致钢材机械性能各向异性增加，且钢中氧含量较高，导致钢质纯净度较低，钢材力学性能较差；
钙系易切削钢不仅连铸困难，而且仅在高速切削中才能充分显现良好的切削性；Se(硒)、Te (蹄)、Bi (铋)等稀有元素系易切削钢，切削性能和力学性能俱佳，但因成本昂贵而无法大规模应用。
[0004]现有的易切削钢种，不仅存在上述不足，而且其力学性能别那个满足发展了的机械结构工程用钢的需求，其抗拉强度均不高于lOOMPa，屈服强度均低于500MPa。
[0005]近年来，利用与石墨晶体结构(六方晶体)和理化性质类似的BN改善钢的切削性能，成为国际上无Pb易切削钢研发的热点。该钢种切削性能与含铅易切削钢同样优良，机械性能与母材无异，且价格便宜、易于推广，属于环境友好型易切削钢。
[0006]经检索，中国专利CN02809296.1公开了一种硫系易切削钢，其按重量百分比计的组分为:c 0.10 — 0.55%,Si 0.05 — 1.00%,Mn 0.30 — 2.50%,P ( 0.15%,S 0.050 —0.350 %、Al > 0.010 % 至 0.020 %、Nb 0.015 — 0.200 %、O 0.0015 — 0.0150
N 0.02%;还含有 V 0.03 - 0.50%, Ti 0.02 — 0.20%和 Zr 0.01 — 0.20%中的至少一种。其存在的不足:该专利钢种硫、氧含量较高，不可避免的降低了钢质纯净度和力学性能，限制了其应用范围。
[0007]中国专利CN1271232C公开了一种机器结构用易切削钢，其按重量百分比计的组分为:C 0.01 - 0.70%, Si 0.05 - 2.00%, Mn 0.20 - 3.50%, Ca 0.0003-0.01%、S
0.020-0.30%、Al 0.002-0.30%, N 0.003-0.035%、O 0.001-0.008%，其余成分包括铁和不可避免的杂质。其存在的不足:该专利钢种期望通过调整钢中MnS形态和数量以及具有预定粒度的氧化物夹杂数量，来改善钢材切削性能，工艺控制复杂且该专利更专注切削性能的改善而对钢材力学性能没有更多考虑。而本发明属于BN型易切削钢，切削性能与Pd系易切削钢相似，生产工艺简单易控，且力学性能优越(抗拉强度> 1200MPa，屈服强度> 850MPa、延伸率A≤15%、断面收缩率Z≤20%)。
[0008]日本专利JP1981560、JP350065/1999、JP34538/2000公开了钙硫复合机械结构用易切削钢，其存在的不足:上述专利钢种通过复杂的工艺控制，使得钢材机械性能的各向异性控制得较为满意，但切削性能与铅系易切削钢差距明显。而本发明，能同时兼顾良好的切削性能和力学性能，且切削性能与Pd系易切削钢相似。
[0009]经检索相关文献，除了 Pd系易切削钢，其它机械结构用易切削钢力学性能均难以满足现代制造业日趋严苛的要求，如:硫系易切削钢横向力学性能较差，钢材的塑性和韧性大大降低；稀土系易切削钢虽然具有优良的切削性能，但力学性能较差，如:中国专利CN1216173C公开了一种钙稀土锡系复合易切削钢及其冶炼工艺，其抗拉强度≤500MPa，延伸率15%-30%，断面收缩率25%-40%，较低的钢材强度束缚了其使用范围。
[0010]本发明支在解决现有技术存在的不足及瓶颈，研发一种与含Pd系易切削钢切削性能相似，且具有良好力学性能，即抗拉强度> 1200MPa，屈服强度> 850MPa、延伸率A ^ 15%、断面收缩率Z > 20%的机械结构用高强度易切削钢。
【发明内容】
[0011]本发明针对现有技术的不足，提供一种无环境污染，成分简单，成本相对较低，抗拉强度≤1200MPa，屈服强度≤850MPa、延伸率A≤15%、断面收缩率Z≤20%，且兼具优良切削性能的BN型机械结构用易切削钢及生产方法。
[0012]实现上述目的的措施:
抗拉强度≤1200 MPa的工程机械用易切削钢，其组分及重量百分比含量为:C:0.30~
0.50 %、Si:0.40 ~0.60%,Mn:1.2 ~1.5 %、P ( 0.015 %、S ( 0.015%, N:0.03 ~0.05%、B:0.01 ~0.02%、Al:0.01 ~0.03%、Nb:0.01 ~0.03%、Ti:0.01 ~0.03%，其余为 Fe 及不可避免的杂质；力学性能:抗拉强度≤1200MPa，屈服强度≤850MPa、延伸率A≤15%、断面收缩率Z ^ 20% ;金相组织:为针状铁素体及珠光体，其中针状铁素体不低于55%。
[0013]优选地:C的重量百分比含量为0.30~0.42 %。
[0014]优选地:Si的重量百分比含量为0.42~0.50%。
[0015]优选地:Mn的重量百分比含量为1.21~1.33%。
[0016]优选地:A1的重量百分比含量为0.012~0.02%。
[0017]优选地:N的重量百分比含量为0.042~0.048%。
[0018]生产抗拉强度> 1200 MPa的工程机械用易切削钢的方法，其步骤:
1)冶炼并成坯:控制终点钢水中碳含量不低于0.1%，出钢温度在1645~1710°C;终点氧含量< 50ppm ；
2)将钢坯加热:控制加热温度在1150~1250°C，保温时间在100~150min；
3)进行热轧:控制粗轧开轧温度在1080~1240°C;控制精轧终轧温度在850~900°C;
4)进行穿水冷却:在冷却速度为45~110°C/min下冷却到300~500°C ；
5)进行坑冷:冷却至室温。
[0019]本发明中各元素的作用
C:机械结构用高强度易切削钢需保持一定的强度和硬度，而基体钢的硬度取决于含碳量。其含量如高于0.50 %，会使钢中珠光体比例增加，致钢偏硬，不利于切削加工；如低于
0.30%则会导致钢中铁素体比例增加，钢的强度降低，韧性增加，钢偏软，难以满足高强度的要求且同样不利于切削加工。因此，本发明碳含量设计为0.30~0.50%，优选地:C:0.30~
0.42 %。
[0020]S1:主要以固溶强化形式提高钢的强度，但其含量如高于0.6%，会恶化钢的冷变形能力，且其脱氧产物具有较高硬度，切削过程对刀具磨损严重，因此本发明硅含量设计为
0.40~0.60%ο优选地:Si含量为0.42~0.50%。
[0021]Mn:在铁素体中，Mn的固溶强化作用仅次于P和Si，可以提高钢材强度，并且不会显著恶化钢的变形能力，但含量如低于1.2%%时，其强化效果不明显；Mn还能与S反应生成MnS夹杂提高钢材切削性能，并能防止导致热脆性的低熔点FeS在晶界析出，同时MnS夹杂还可以成为BN夹杂形核核心，降低BN夹杂析出所需吉普斯自由能，增加BN夹杂析出数量，从而提高钢材的切削性能。因此，本发明锰含量设计为1.2~1.5%，优选地:Mn含量为
1.21 ~1.33%。
[0022]P:P能强化铁素体相，但P对钢材性能而言是有害元素，理论上要求其含量越低越好，才能保证本发明钢的性能。因此，本发明磷含量设计为0.015%以下。
[0023] S:钢中硫与锰可形成的MnS夹杂可作为BN夹杂形核核心，提高BN夹杂形核率，增加钢中BN夹杂数量，但过多的MnS夹杂会增大钢材性能的各向异性，严重限制钢材的应用。因此，本发明硫含量设计为0.015%以下。
[0024]N:钢中N与B反应生成有利于改善切削性能的BN有利夹杂，且通过(Nb、Ti) (C、N)的生成达到复合微合金化提高钢材强度的目的，因此钢中需要适量的N含量，但若N含量过多，会恶化钢材力学性能并降低钢材成材率。因此，本发明氮含量设计为0.03~0.05%。优选地:N含量为0.042~0.048%ο
[0025]B:B的添加是为形成BN夹杂，以改善钢材切削性能。钢中B含量过低，难以生成足够量的BN夹杂，过高则极易恶化钢材韧性且不利于钢材推广应用。因此本发明B含量设计为 0.01 ~0.02 %。
[0026]Al:铝作为脱氧剂加入钢中，一定量的铝有利于促进BN夹杂的析出，但过量的Al会影响钢材力学性能，降低钢材切削性能。因此，本发明铝含量设计为0.01~0.03%。优选地:A1含量为0.012~0.02%。
[0027]Nb:作为提高钢材强度的微合金化元素加入，铌在加热和均热阶段，沉淀物发生溶解，在热加工期间保持溶解状态，而随后冷却时弥散沉淀析出使钢的强度增加，但过多的铌会增加冶炼成本。因此，本发明铌含量设计为0.01~0.03%。
[0028]T1:作为提高钢材强度的微合金化元素加入，钛的碳氮化物弥散沉淀析出能细化晶粒，使钢的强度增加，但过多的钛会增加冶炼难度。因此，本发明钛含量设计为0.01~
0.03%。
[0029]本发明与现有技术相比，无环境污染，成分简单，成本相对较低，抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥850MPa、延伸率A≥15%、断面收缩率Z≥20%，且兼具优良切削性倉泛。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为本发明中期待获得、具有改善切削性能作用的BN夹杂形貌图；
图2为图的能谱图；
图3为本发明的金相组织中TiN的夹杂形貌图；
图4为图3的能谱图；
图5为本发明的金相组织中BN的分布图。
【具体实施方式】
[0031]下面对本发明予以详细描述:
表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；
表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；
表3为本发明各实施例及对比例力学及切削性能检测情况列表。
[0032]本发明各实施例按照以下步骤生产:
1)冶炼并成坯:控制终点钢水中碳含量不低于0.1%，出钢温度在1645~1710°C;终点氧含量< 50ppm ；
2)将钢坯加热:控制加热温度在1150~1250°C，保温时间在100~150min；
3)进行热轧:控制粗轧开轧温度在1080~1240°C;控制精轧终轧温度在850~900°C; 4)进行穿水冷却:在冷却速度为45~110°C/min下冷却到300~500°C ；
5)进行坑冷:冷却至室温。
[0033]表1 本发明各实施例及对比例的取值列表(wt%)
【权利要求】
1.抗拉强度≥1200MPa的工程机械用易切削钢，其组分及重量百分比含量为:C:0.30 ~0.50 %、Si:0.40 ~0.60%,Mn: 1.2 ~1.5 %、P ≤0.015 %、S≤ 0.015%, N:0.03 ~0.05%,B:0.01 ~0.02%、A1:0.01 ~0.03%,Nb:0.01 ~0.03%,T1:0.01 ~0.03%,其余为 Fe及不可避免的杂质；力学性能:抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥850MPa、延伸率A≥15%、断面收缩率Z ^ 20% ;金相组织:为针状铁素体及珠光体，其中针状铁素体不低于55%。
2.如权利要求1所述的抗拉强度>1200 MPa的工程机械用易切削钢，其特征在于:C的重量百分比含量为0.30~0.42 %。
3.如权利要求1所述的抗拉强度>1200 MPa的工程机械用易切削钢，其特征在于:Si的重量百分比含量为0.42~0.50%。
4.如权利要求1所述的抗拉强度>1200 MPa的工程机械用易切削钢，其特征在于:Mn的重量百分比含量为1.21~1.33%。
5.如权利要求1所述的抗拉强度>1200 MPa的工程机械用易切削钢，其特征在于:A1的重量百分比含量为0.012~0.02%。
6.如权利要求1所述的抗拉强度>1200 MPa的工程机械用易切削钢，其特征在于:N的重量百分比含量为0.042~0.048%。
7.生产权利要求1所述的抗拉强度>1200 MPa的工程机械用易切削钢的方法，其步骤:. 1)冶炼并成坯:控制终点钢水中碳含量不低于0.1%，出钢温度在1645~1710°C;终点氧含量< 50ppm ； 2)将钢坯加热:控制加热温度在1150~1250°C，保温时间在100~150min； 3)进行热轧:控制粗轧开轧温度在1080~1240°C;控制精轧终轧温度在850~900°C; 4)进行穿水冷却:在冷却速度为45~110°C/min下冷却到300~500°C ； 5)进行坑冷:冷却至室温。
【文档编号】C22C33/04GK104178692SQ201410421539
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】张帆, 范植金, 吴杰, 徐志, 周新龙, 罗国华, 徐志东, 丁礼权, 何琴琴 申请人:武汉钢铁(集团)公司