专利名称：含锡易切削结构钢的制作方法
技术领域：
本发明为系列含锡易切削结构钢，它可以替代含铅易切削钢，在机械加工业得到广泛的应用。本发明属于铁基合金的技术领域。
背景技术：
易切削钢现主要应用于汽车工业、仪器仪表、标准件等机械制造业。目前全世界年消耗已超过400万吨，其中半数由美国、日本生产。2000年我国易切削钢需求量约为40～50万吨，而我国年产量仅3万多吨，需大量进口。随着我国现代化工业的发展，易切削钢市场潜力巨大。
现有的易切削钢品种主要是在0.10％～0.50％的碳钢系列中加入易切削元素形成的。最广泛使用的易切削元素是硫和铅。而硫和铅易切削钢具有各自的局限。高硫的易切削钢因硫化锰夹杂的大量存在，只适用于对综合力学性能要求不高的部件使用；铅易切削钢的各项性能较好，但铅的毒性较大，且易挥发，生产和使用铅易切削钢对环境的污染较大。因此，以其他与铅性能相近但无毒的元素替代铅就成了易切削钢发展的重要课题。
美国已开发出一种用锡代铅的易切削钢，并将投入市场。该切削钢的机械性能与含铅易切削钢基本相同，更易于切削，更利于环境且易于冶炼。这一环保产品已申请了美国专利“Tin-bearingfree-machining steel”(US 5961747，Oct.5，1999)。他们的专利要求的化学成分(wt％)范围是碳0～0.25，铜0～0.5，锰0.01～2，氧0.003～0.03，硫0.002-0.8，锡0.04-0.08，铝0～0.005，氮0～0.015，磷0.01～0.15，硅0～0.05，同时锰硫比为2.9～3.4，硫、锡和铜的总量不超过0.9。
发明内容
本发明的目的在于，开发出一系列高性能的含锡易切削结构钢，以逐步替代目前市场上广泛使用的含硫易切削钢和含铅易切削钢，从而克服高硫易切削钢夹杂物多，冶炼时空气污染严重和含铅易切削钢冶炼、加工以及钢材回收时铅对环境和人体健康易造成危害的问题。同时要保证这类易切削钢具有以下特点1、能进行正常的热加工和冷加工而不产生开裂。
2、室温下具有良好的综合力学性能。热轧态、冷拉态和调质态的各项性能指标，满足并优于国标GB8731-88“易切削结构钢技术条件”中规定的相应碳含量易切削钢的性能要求。
3、切削性能达到甚至超过普通易切削钢的水平。
4、成本增加较少。按现在市场牌价计算，生产含锡易切削钢与普碳钢相比，吨钢增加合金成本70～110元。而与现优质钢转炉生产工艺相比，可省去铁水预处理等脱硫工序。
根据本发明的试验结果，要达到上述热加工性能、综合力学性能和切削性能的要求，普通系列含锡易切削结构钢的最佳化学成分(wt％)范围为碳0.08～0.50，硅≤0.3，锰0.5～1.0，硫0.02～0.04，磷0.015～0.035，锡0.09～0.25，氧≤0.006，铁余量。
本发明提供的钢种与美国专利“Tin-bearing free-machiningsteel”中所要求的成分范围和其中所列举的钢种明显不同在于1、锡含量有大幅度提高，将锡作为改善钢的切削性能的主要添加元素。
2、硫和磷含量都有了本质上的减少，成分范围定在普碳钢正常含量的中上限，在工业生产上易于实施，同时钢中夹杂物明显减少。
3、碳含量从低碳一直扩展到中碳，如此有了国标GB8731-88“易切削结构钢技术条件”上列出的所有易切削钢号的替代品。
所述美国专利上认为，锡含量超过0.08％，将难以热加工。而我们注意到该专利所涉及的钢种中，含硫、磷量普遍很高，且一些还含有较高的铜，这些元素对钢的热塑性也是不利的。在本发明的成分设计中，将这些元素的含量降低，再将锡含量提高，经热模拟试验和锻造、热轧的工业性试验证明，热加工性良好。
另外还开发了低碳高硫高锡的超易切削钢，其成分(wt％)范围为碳0.12～0.17，硅0～0.3，锰0.8～1.4，硫0.25～0.35，磷0.015～0.045，锡0.13～0.17，氧0.001～0.010，铁余量。这种超易切削钢由于硫化锰夹杂含量较高，适合于受力条件不太恶劣，而加工过程复杂，精度要求很高的零部件使用。
综合起来，本发明涉及的系列含锡易切削钢的化学成分(wt％)范围为
碳0.05～0.50，硅0～0.4，锰0.3～2.0，铬0～2.0，硫0.005～0.35，磷0.005～0.050，锡0.09～0.25，氧0.001～0.010，铁余量。
本发明的含锡易切削钢可用转炉或电炉冶炼，冶炼工艺基本同普碳钢。锡可在钢包中加入，并充分搅拌。试验表明，连铸拉坯温度超过950℃将可保证不出现开裂现象。热轧的加热和开轧温度应稍高于相应的普碳钢，终轧温度在900℃以上。
锡改善切削加工性能的机理，经试验表明与锡在铁素体的晶界偏聚有关。已用场发射扫描电镜对锡做线扫描，证实了锡在晶界的偏聚。锡在晶界的偏聚导致了在机加工温度区间(200～500℃)钢的塑性的明显下降。
试验结果表明，本发明的系列含锡易切削钢，能较好的进行热加工，热轧时比高硫易切削钢更易操作；具有良好的室温综合力学性能，热轧态、调质态和冷拉态的拉伸强度和塑性、硬度、冲击性能等指标均优于中华人民共和国国家标准GB8731-88“易切削结构钢技术条件”中规定的相应含碳量的易切削钢的指标；切削加工性能优于高硫含铅易切削钢，可大大提高刀具寿命，切削表面光洁度和切屑形状也都可达到高速精密加工的要求，经用户使用反映良好。
具体实施例方式
1.几种典型的含锡易切削钢的化学成分表1是本发明的几种典型的含锡易切削钢和超易切削钢实验钢的化学成分。
表1 含Sn易切削钢的化学成分(wt％)
注加*的钢为在非真空中频炉中冶炼，其余在真空感应炉中冶炼。
2.锻造态、热轧态和冷拉态的室温力学性能它们经铸锭后锻造成坯。锻造态的室温力学性能见表2。
表2 含Sn易切削钢的室温力学性能(锻造态)
其中Y15Sn2、Y30Sn和Y45Sn三种钢，分别锻成90×90×1800和110×110×1800的坯后，热轧成φ32的圆棒，部分又经冷拉成φ30的圆棒。热轧态和冷拉态的室温性能见表3和表4。
表3 含Sn易切削钢的力学性能(热轧态)
表4 含Sn易切钢冷拉材力学性能
以上指标均符合中华人民共和国国家标准GB8731-88“易切削结构钢技术条件”中相应碳含量易切削钢的要求，并均与其下限值相比有较大富余量。
3.切削性能试验切削加工性试验在北京理工大学切削研究室进行，他们采用的试验方法与美国专利上描述的C指数的测定方法非常接近，因而数据间应具有可比性。
试验原理使用YT14硬质合金刀具，测定在不同切削速率下，使刀具磨损量达到0.30mm时所用的时间(也即切削下来的切屑体积量)的4组数据，经在双对数坐标上作直线后得到一个V60值(即刀具耐用度T定为60分钟时，所允许的切削速度)，再与45#正火钢的V60值相比，得到试验材料的切削性能指数Kr值。他们将45#钢的指数设为1。我们同时用基础钢做对比，不仅可得到绝对性能值，又可得到相对性能值。
切削条件无级变速车床，干切削进给量0.19mm/r单边切削深度1mm切削速度100m/min、120m/min、130m/min、135m/min、140m/min、150m/min、170m/min中选择四个速度。
坯料尺寸φ130×400表5是测定的几种典型的普碳系列含锡易切削钢的加工性系数V60值。
表5 含Sn易切削钢的加工性系数表
从试验结果可以看到，低碳钢中加入Sn后，钢的切削性能得到了明显改善，如含Sn较高的钢(Y15Sn*钢)，与基础钢相比，切削加工性系数提高了110％。按照美国专利上公布的试验结果，他们的基础钢(1018钢)C指数为66，仅含硫的易切钢(1215钢)为90-127，高硫的含铅易切钢(12L14)为121-125，高硫含锡易切钢为126-142。按我们的试验钢与基础钢相比的切削性提高幅度110％换算过去，Y15Sn*钢约相当于C指数139。说明在保持低硫低磷的情况下，只加入锡，就可使碳钢的加工性能达到甚至超过高硫含铅易切钢和高硫含锡易切钢。
易切削钢的采用可大大增加刀具的使用寿命。结果见表6。
表6 含Sn易切削钢的刀具耐用度T(分钟)(VB＝0.30mm)
Y15SnS钢在170m/min的切削速度下，刀具耐用度比Y15Sn*钢又提高了近两倍，完全可达到超易切削钢的水平。
从切削的表面光洁度上，含Sn易切削钢明显优于基础钢。从切屑形状上看，所有试验钢在低速切削(100-135m/min)条件下，均产生很短的C形屑，而在较高速切削(150-170m/min)条件下，含Sn钢切屑为较大的C形屑和一些螺卷屑，而基础钢则出现较多带状屑。总的来说，这种易切削钢的切削过程平稳性和工件表面的粗糙度都较好，适合批量生产的需要。切屑形状也与其它易切削钢的资料中介绍的相同，这种切屑易于加工操作和切屑的回收。
权利要求
1.一种含锡易切削结构钢，其特征在于所述含锡易切削钢的重量百分比含量为碳0.05～0.50，硅0～0.4，锰0.3～2.0，铬0～2.0，硫0.005～0.35，磷0.005～0.050，锡0.09～0.25，氧0.001～0.010，铁余量。
全文摘要
本发明为含锡易切削结构钢，它可以替代含铅易切削钢，在机械加工业得到广泛的应用。本发明属于铁基合金的技术领域。其特征在于钢中加入较高含量的锡(0.09～0.25wt％)，钢的成分范围为碳0.05～0.50，硅0～0.4，锰0.3～2.0，铬0～2.0，硫0.005～0.35，磷0.005～0.050，锡0.09～0.25，氧0.001～0.010，铁余量。试验结果表明，本发明的系列含锡易切削钢，能较好的进行热加工，热轧时比高硫易切削钢更易操作；具有良好的室温综合力学性能，热轧态、调质态和冷拉态的拉伸强度和塑性、硬度、冲击性能等；切削加工性能优于高硫含铅易切削钢，可大大提高刀具寿命，切削表面光洁度和切屑形状也都可达到高速精密加工的要求，经用户使用反映良好。
文档编号C22C38/18GK1540022SQ03122768
公开日2004年10月27日 申请日期2003年4月22日 优先权日2003年4月22日
发明者朱辰, 张功焰, 杨铁城, 崔京玉, 宫翠, 陈涛, 徐莉, 许晓东, 李本海, 朱 辰 申请人:首钢总公司