不锈钢、圆珠笔头用不锈钢线材及其制备方法与流程

本发明涉及一种不锈钢及其制备方法，特别是涉及圆珠笔头用铁素体不锈钢线材及其制备方法。

背景技术：

圆珠笔是利用球珠滚动带出书写介质(墨水或油墨)形成字迹的书写工具，包括圆珠笔、中性笔、中油笔、可擦圆珠笔等。

圆珠笔头(球座体)的结构较复杂，由多工位全自动车床加工，切削速度快，加工及装配精度高。球珠与球座之间的单向间隙为0.005mm左右，若单面间隙过小，则出墨不畅，过大则漏墨，甚至球珠脱落。

圆珠笔头材料的性能要求主要为耐腐蚀和易切削。耐腐蚀要求能抵抗水性墨水、油性墨水及有机醇溶剂的腐蚀，易切削要求切削表面光洁度高，切削时切屑呈颗粒粉状，笔头内腔结构复杂，以利于排屑，不允许切屑呈连续带状物。

圆珠笔头用材料一般有铅黄铜、镍白铜和易切削不锈钢，最早采用铅黄铜，由于其抗腐蚀及耐磨性能差，逐渐被镍白铜取代，但镍白铜的抗腐蚀性能还是比不锈钢差，因此高档圆珠笔笔头应该使用易切削不锈钢加工。

易切削不锈钢按组织一般可分为奥氏体、马氏体、铁素体等三大类，其中奥氏体组织具有高韧性的特性、马氏体组织具有高的硬度和脆性，在钢中加入硫元素后，这两种组织具有了一定的切削性，但不能满足圆珠笔头的切削要求。铁素体组织的强度和硬度较低，在切削加工时，切屑长而不易碎、与刀具前面粘结，产生积屑瘤恶化了切削性能，无法达到制造圆珠笔头所需的超易切削性能。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于针对现有技术中存在的缺陷，提供了一种不锈钢及其制备方法，特别是提供了圆珠笔头用铁素体不锈钢线材及其制备方法。

一方面，本发明提供了一种不锈钢，按重量百分比计，含有如下成分：

c：≤0.03％；

si：0.20％-0.50％；

mn：0.90％-1.50％；

p：≤0.050％；

s：0.20％-0.40％；

cr：19.0％-21.0％；

mo:1.5％-2.5％；

n：≤0.030％；

pb:0.10％-0.30％；

te:0.01％-0.07％；

v：0.05％-0.30％；

nb：0.01％-0.50％；

ni：0.10％-0.50％；

cu：0.10％-0.50％；

o：0.005％-0.020％；以及

余量的铁和不可避免的杂质；

优选地，按重量百分比计，含有如下成分：

c：≤0.022％，更优选0.015％；

si：0.35％-0.45％，更优选0.38％；

mn：1.22％-1.36％，更优选1.25％；

p：≤0.037％，更优选0.030％；

s：0.29％-0.39％，更优选0.30％；

cr：19.65％-20.20％，更优选20.05％；

mo:1.55％-2.03％，更优选1.65％；

n：≤0.025％，更优选0.015％；

pb:0.12％-0.28％，更优选0.15％；

te:0.012％-0.050％，更优选0.030％；

v：0.06％-0.10％，更优选0.08％；

nb：0.02％-0.04％，更优选0.025％；

ni：0.15％-0.30％，更优选0.20％；

cu：0.10％-0.40％，更优选0.18％；

o：0.008％-0.015％，更优选0.012；以及

余量的铁和不可避免的杂质。

另一方面，本发明提供了一种不锈钢的生产方法，包括如下步骤：

(1)粗炼：将铁水和铬合金、钼合金、纯镍、纯铜、钒铁、铌铁加入转炉中冶炼成粗钢水，控制粗钢水的化学成分(重量)为：c0.20-0.50％，si≤0.50％，mn0.90-1.60％，p≤0.040％，s≥0.10％，cr19.0％-20.90％，mo1.50-2.00％，v：0.05％-0.10％，nb：0.01％-0.03％，ni：0.10％-0.30％、cu：0.10％-0.30％；

(2)精炼：将粗钢水输送至真空吹氧脱碳炉和钢包精炼炉中精炼，在钢包精炼炉中将熔渣调为低碱度渣，并加入铅和碲对目标成分进行微调使精炼钢水的化学成分(重量)为：c：≤0.03％，si：0.20％-0.50％，mn：0.90％-1.50％，p：≤0.050％，s：0.20％-0.40％，cr：19.0％-21.0％，mo:1.5％-2.5％，n：≤0.030％，pb:0.10％-0.30％，te:0.01％-0.07％，v：0.05％-0.30％，nb：0.01％-0.50％，ni：0.10％-0.50％，cu：0.10％-0.50％，o：0.005％-0.020％，以及余量的铁和不可避免的杂质；

(3)连铸：将精炼钢水输送至连铸平台连铸成不锈钢方坯。

前述的不锈钢的生产方法，步骤(2)中，所述低碱度渣的渣配比是cao/sio2为0.8-1.5。

前述的不锈钢的生产方法，步骤(3)中，精炼钢水的温度是1500-1550℃，得到的不锈钢方坯的规格是厚×宽×长为220mm×220mm×3300mm。

另一方面，本发明提供了一种圆珠笔头用不锈钢线材，按重量百分比计，含有如下成分：

c：≤0.03％；

si：0.20％-0.50％；

mn：0.90％-1.50％；

p：≤0.050％；

s：0.20％-0.40％；

cr：19.0％-21.0％；

mo:1.5％-2.5％；

n：≤0.030％；

pb:0.10％-0.30％；

te:0.01％-0.07％；

v：0.05％-0.30％；

nb：0.01％-0.50％；

ni：0.10％-0.50％；

cu：0.10％-0.50％；

o：0.005％-0.020％；以及

余量的铁和不可避免的杂质；

优选地，按重量百分比计，含有如下成分：

c：≤0.022％，更优选0.015％；

si：0.35％-0.45％，更优选0.38％；

mn：1.22％-1.36％，更优选1.25％；

p：≤0.037％，更优选0.030％；

s：0.29％-0.39％，更优选0.30％；

cr：19.65％-20.20％，更优选20.05％；

mo:1.55％-2.03％，更优选1.65％；

n：≤0.025％，更优选0.015％；

pb:0.12％-0.28％，更优选0.15％；

te:0.012％-0.050％，更优选0.030％；

v：0.06％-0.10％，更优选0.08％；

nb：0.02％-0.04％，更优选0.025％；

ni：0.15％-0.30％，更优选0.20％；

cu：0.10％-0.40％，更优选0.18％；

o：0.008％-0.015％，更优选0.012；以及

余量的铁和不可避免的杂质。

前述的圆珠笔头用不锈钢线材，所述线材的直径规格是5.5mm-20mm，优选5.5mm-11.5mm。

另一方面，本发明提供了一种圆珠笔头用不锈钢线材的生产方法，包括如下步骤：

(i)采用前述的不锈钢生产方法生产不锈钢连铸坯；

(ii)对连铸坯进行第一次加热，随后进行第一次轧制将其轧成钢棒，然后冷却至室温；

(iii)对钢棒进行表面处理；

(iv)对步骤(iii)处理后的钢棒进行第二次加热，随后进行第二次轧制得到成品线材。

前述的圆珠笔头用不锈钢线材的生产方法，第一次加热采用的加热炉钢温为1100-1250℃，加热时间为120-240分钟；第二次加热采用的加热炉钢温为1100-1250℃，加热时间为120-240分钟。

前述的圆珠笔头用不锈钢线材的生产方法，第一次轧制得到的钢棒的规格是

前述的圆珠笔头用不锈钢线材的生产方法，步骤(iii)中对钢棒进行的表面处理是将钢棒表面探伤和扒皮处理。

本发明的不锈钢及线材具有超易切削性，很好的满足了制备圆珠笔头的要求。

附图说明

图1是一般的易切削不锈钢硫化锰形貌；

图2是本发明的不锈钢硫化锰形貌；

图3是一般的易切削不锈钢切屑；

图4是本发明的不锈钢切屑。

具体实施方式

为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。

易切削不锈钢的切削机理是硫在钢中与锰化合生产硫化锰夹杂，割断了金属基体的连续性，起到应力集中源的作用，使车屑易断，从而易于切削。但是由于圆珠笔头加工过程的高精度、高速度、自动化、微型化等特点，对笔头用不锈钢材料的易切削性要求更高，必须使切屑非常小而短、易排出、切削力小、刀具磨损小、切削光洁度高等，这就对材料基体特性及钢中夹杂物形貌控制提出更高要求。

本发明的技术方案是通过在易切削铁素体不锈钢的常规成分基础上，加入v、nb、ni、cu、o、pb、te等微量元素复合起作用，使冶炼中硫化锰夹杂弥散析出，然后通过高温加热、两火成材工艺，降低轧制过程温降，使轧制始终在比较高的温度进行，从而使硫化锰夹杂在轧制时断成小块而不是形成长条状，这样材料切削时切屑易碎，降低了切屑的韧性和粘附性，从而减少了刀具磨损，提高了加工表面光洁度，达到了超易切削性能，很好地满足了圆珠笔头加工要求。

基于上述的考虑，具体来说，本发明提供了一种能够极好地满足圆珠笔头加工要求的超易切削铁素体不锈钢线材，按重量百分比计，含有如下成分：c：≤0.03％，si：0.20％-0.50％，mn：0.90％-1.50％，p：≤0.050％，s：0.20％-0.40％，cr：19.0％-21.0％，mo:1.5％-2.5％，n：≤0.030％，pb:0.10％-0.30％，te:0.01％-0.07％，v：0.05％-0.30％，nb：0.01％-0.50％，ni：0.10％-0.50％，cu：0.10％-0.50％，o：0.005％-0.020％，以及余量的铁和不可避免的杂质。优选地，本发明的超易切削铁素体不锈钢线材，按重量百分比计，含有如下成分：c：≤0.022％，更优选0.015％；si：0.35％-0.45％，更优选0.38％；mn：1.22％-1.36％，更优选1.25％；p：≤0.037％，更优选0.030％；s：0.29％-0.39％，更优选0.30％；cr：19.65％-20.20％，更优选20.05％；mo:1.55％-2.03％，更优选1.65％；n：≤0.025％，更优选0.015％；pb:0.12％-0.28％，更优选0.15％；te:0.012％-0.050％，更优选0.030％；v：0.06％-0.10％，更优选0.08％；nb：0.02％-0.04％，更优选0.025％；ni：0.15％-0.30％，更优选0.20％；cu：0.10％-0.40％，更优选0.18％；o：0.008％-0.015％，更优选0.012；以及余量的铁和不可避免的杂质。

本发明的超易切削铁素体不锈钢线材的制备方法如下：

(i)冶炼和连铸

粗炼：将铁水和铬合金、钼合金、纯镍、纯铜、钒铁、铌铁加入转炉中冶炼成粗钢水，控制粗钢水的化学成分(重量)为：c0.20-0.50％，si≤0.50％，mn0.90-1.60％，p≤0.040％，s≥0.10％，cr19.0％-20.90％，mo1.50-2.00％，v：0.05％-0.10％，nb：0.01％-0.03％，ni：0.10％-0.30％、cu：0.10％-0.30％。

精炼：将粗钢水输送至真空吹氧脱碳炉和钢包精炼炉中精炼，在钢包精炼炉中将熔渣调为低碱度渣，并加入铅和碲(例如，铅的金属或合金，碲的金属或合金)对目标成分进行微调使精炼钢水的化学成分(重量)为：c：≤0.03％，si：0.20％-0.50％，mn：0.90％-1.50％，p：≤0.050％，s：0.20％-0.40％，cr：19.0％-21.0％，mo:1.5％-2.5％，n：≤0.030％，pb:0.10％-0.30％，te:0.01％-0.07％，v：0.05％-0.30％，nb：0.01％-0.50％，ni：0.10％-0.50％，cu：0.10％-0.50％，o：0.005％-0.020％，以及余量的铁和不可避免的杂质。其中，低碱度渣的渣配比是cao/sio2为0.8-1.5。

在一种具体实施方式中，微调后的精炼钢水的化学成分(重量)为：c：≤0.022％，优选0.015％；si：0.35％-0.45％，优选0.38％；mn：1.22％-1.36％，优选1.25％；p：≤0.037％，优选0.030％；s：0.29％-0.39％，优选0.30％；cr：19.65％-20.20％，优选20.05％；mo:1.55％-2.03％，优选1.65％；n：≤0.025％，优选0.015％；pb:0.12％-0.28％，优选0.15％；te:0.012％-0.050％，优选0.030％；v：0.06％-0.10％，优选0.08％；nb：0.02％-0.04％，优选0.025％；ni：0.15％-0.30％，优选0.20％；cu：0.10％-0.40％，优选0.18％；o：0.008％-0.015％，优选0.012；以及余量的铁和不可避免的杂质。

上述粗炼和精炼中涉及的各元素金属或合金的加入顺序以及冶炼过程中涉及的其它条件均为本领域常规技术，本领域技术人员可根据实际情况来确定。

连铸：将精炼钢水输送至连铸平台，在不锈钢方坯连铸机上连铸成不锈钢方坯。其中，精炼钢水的温度是1500-1550℃，得到的不锈钢方坯的规格是厚×宽×长为220mm×220mm×3300mm。

(ii)第一次加热与第一次轧制

将连铸坯输送至加热炉进行第一次加热，加热炉钢温为：1100-1250℃，加热时间120-240分钟。

随后，将铸坯从加热炉输出，在高速线材开坯轧机上轧成中间规格钢棒，停止轧制。冷到室温。

(iii)表面处理

对钢棒进行表面探伤和扒皮处理。

(iv)第二次加热和第二次轧制

将钢棒再次输送至加热炉进行第二次加热，加热炉钢温为：1100-1250℃，加热时间120-240分钟。

随后，将铸坯从加热炉输出，在高速线材连轧轧机上轧成成品盘卷线材，成品线材直径规格为5.5mm-20mm，优选5.5mm-11.5mm。

本发明的技术方案通过在易切削铁素体不锈钢的常规成分基础上加入v、nb、ni、cu、o、pb、te等微量元素，并按照上述含量比例进行组合，使各元素之间具有协同效果，进一步，又采用了高温加热和两火成材工艺，从而使最终制备的超易切削铁素体不锈钢线材极好地满足了圆珠笔头加工要求。具体地，本发明的创新设计思路和控制手段为：

(1)添加微量元素

钢中碳、氮易与铬、铁生成化合物，多沿晶界析出，从而降低了不锈钢的耐腐蚀性和热加工塑性，在钢中添加v、nb元素，碳、氮更易与v、nb化合，形成的化合物在钢中弥散分布而不是沿晶界析出，而且使钢的晶粒细化，从而提高了不锈钢的耐腐蚀性和热加工塑性，而且钢水凝固时，硫化锰夹杂易在v、nb化合物周围析出，从而也使硫化锰夹杂呈弥散分布，为后面热加工控制硫化锰形貌打下很好的基础。

钢中添加ni、cu元素、主要是降低材料基体硬度、提高其冷加工塑韧性，使笔头不锈钢材料不致因材料太脆、太硬在切削时形成开裂和刀具磨损严重，降低切削抗力和切削热，提高易切削性。

在炼钢时采用少脱氧工艺，使钢中保留一定量的氧含量，同时加入碲，由于氧、碲的综合作用，再加上后部热加工时轧制温度控制，从而使轧制时线材中的硫化物夹杂易断开形成纺锤形，而不是随基体延伸成长条状，提高易切削性。

铅在钢中呈细小金属颗粒形态，均匀分布或附着于硫化物的周围。由于铅的熔点较低，切削时融熔渗出起润滑作用，使切屑细碎，刀具寿命延长，从而改善钢的切削性能。另外，铅也容易使切屑卷曲和起脆化作用，改善断屑特性，提高易切削性。

(2)采用高温加热

一般铁素体不锈钢如果加热温度太高，钢的晶粒粗大，其热塑性变差，容易轧制开裂，如果控制加热温度较低，易切削不锈钢中硫化锰塑性较好，随轧制进行拉成长条状，对易切削性不利。因此在成分中添加v、nb，使钢的晶粒细化，在高温下可以控制晶粒不至于太大，所以可以在一般铁素体不锈钢加热温度900-1050℃基础上提高200℃，实现了轧制塑性和易切削性的良好匹配。

(3)两火轧制

在轧制过程中由于存在自然温降，尤其轧件尾部的温度经常处于1100℃以下，达不到硫化锰夹杂控制要求，因此提出了两火轧制工艺，即在轧制到中间规格停止轧制，冷到室温进行表面处理，然后再重新加热到要求温度进行轧制，由于缩短了轧制时间，减少了温降，从而可以在整个轧制过程、轧件全长上均在要求温度下轧制，使易切削性完全达到了要求。

通过图1与图2的比较可以看出，相比于一般的易切削不锈钢，本发明的不锈钢线材内部的硫化锰夹杂呈弥散分布，硫化锰形貌得到了很好的控制。通过图3与图4的比较可以看出，相比于一般的易切削不锈钢，本发明的不锈钢线材易切削性更高，切屑卷曲、细碎，断屑特性得到改善。

采用本发明的超易切削铁素体不锈钢线材制成圆珠笔头，将笔头装到笔芯灌墨水放置3个月，笔头没有被腐蚀，也没有影响书写性能，达到了耐腐蚀性要求，超易切削性主要是切屑短、细，易清除，笔头表面粗糙度达到了0.35微米。

实施例

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。下列实施例中涉及的原料均为常规市购获得。下列实施例中涉及的设备均为本领域常规设备。

实施例1

本实施例的圆珠笔头用超易切削铁素体不锈钢线材的化学成分(重量百分数)为：

其余为fe与不可避免的杂质。

本实施例的圆珠笔头用超易切削铁素体不锈钢线材的规格为5.5mm。

本实施例的圆珠笔头用超易切削铁素体不锈钢线材的制备方法是：

(一)冶炼和连铸

粗炼：将铁水和铬合金、钼合金、纯镍、纯铜、钒铁、铌铁加入转炉中冶炼成粗钢水；

精炼：将粗钢水倒入真空吹氧脱碳炉和钢包精炼炉中精炼，在钢包精炼炉中添加铅金属和碲金属，达到圆珠笔头用超易切削铁素体不锈钢化学成分要求。具体是，成品钢水化学成分(重量)为：

其余为fe与不可避免的杂质。

连铸：精炼钢水到达连铸平台，在不锈钢方坯连铸机上连铸成不锈钢方坯，铸坯规格为厚×宽×长为220mm×220mm×3300mm。

(二)一次加热

连铸坯加热，加热炉钢温为：1220℃，加热时间180分钟。

(三)一次轧制

铸坯出加热炉后在高速线材开坯轧机上轧成中间规格钢棒，停止轧制。冷到室温。

(四)中间规格钢棒表面处理

将钢棒表面探伤和扒皮处理。

(五)二次加热

将钢棒重新加热，加热炉钢温为：1150℃，加热时间120分钟。

(六)二次轧制

钢棒出炉在高速线材连轧轧机上轧成成品盘卷线材，成品线材直径规格为5.5mm。

实施例2

本实施例的圆珠笔头用超易切削铁素体不锈钢线材的化学成分(重量百分数)为：

其余为fe与不可避免的杂质。

本实施例的圆珠笔头用超易切削铁素体不锈钢线材不锈钢线材规格为6.5mm。

本实施例的圆珠笔头用超易切削铁素体不锈钢线材的制备方法是：

(一)冶炼和连铸

粗炼：将铁水和铬合金、钼合金、纯镍、纯铜、钒铁、铌铁加入转炉中冶炼成粗钢水；

精炼：将粗钢水倒入真空吹氧脱碳炉和钢包精炼炉中精炼，在钢包精炼炉中添加铅金属和碲金属，达到圆珠笔头用超易切削铁素体不锈钢化学成分要求。具体是，成品钢水化学成分(重量)为：

其余为fe与不可避免的杂质。

连铸：精炼钢水到达连铸平台，在不锈钢方坯连铸机上连铸成不锈钢方坯，铸坯规格为厚×宽×长为220mm×220mm×3300mm。

(二)一次加热

连铸坯加热，加热炉钢温为：1250℃，加热时间150分钟。

(三)一次轧制

铸坯出加热炉后在高速线材开坯轧机上轧成中间规格钢棒，停止轧制。冷到室温。

(四)中间规格钢棒表面处理

将钢棒表面探伤和扒皮处理。

(五)二次加热

将钢棒重新加热，加热炉钢温为：1130℃，加热时间150分钟。

(六)二次轧制

钢棒出炉在高速线材连轧轧机上轧成成品盘卷线材，成品线材直径规格为6.5mm。

实施例3

本实施例的圆珠笔头用超易切削铁素体不锈钢线材的化学成分(重量百分数)为：

其余为fe与不可避免的杂质。

本实施例的圆珠笔头用超易切削铁素体不锈钢线材不锈钢线材规格为11.5mm。

本实施例的圆珠笔头用超易切削铁素体不锈钢线材的制备方法是：

(一)冶炼和连铸

粗炼：将铁水和铬合金、钼合金、纯镍、纯铜、钒铁、铌铁加入转炉中冶炼成粗钢水；

精炼：将粗钢水倒入真空吹氧脱碳炉和钢包精炼炉中精炼，在钢包精炼炉中添加铅金属和碲金属，达到圆珠笔头用超易切削铁素体不锈钢化学成分要求。具体是，成品钢水化学成分(重量)为：

其余为fe与不可避免的杂质。

连铸：精炼钢水到达连铸平台，在不锈钢方坯连铸机上连铸成不锈钢方坯，铸坯规格为厚×宽×长为220mm×220mm×3300mm。

(二)一次加热

连铸坯加热，加热炉钢温为：1230℃，加热时间200分钟。

(三)一次轧制

铸坯出加热炉后在高速线材开坯轧机上轧成中间规格钢棒，停止轧制。冷到室温。

(四)中间规格钢棒表面处理

将钢棒表面探伤和扒皮处理。

(五)二次加热

将钢棒重新加热，加热炉钢温为：1180℃，加热时间200分钟。

(六)二次轧制

钢棒出炉在高速线材连轧轧机上轧成成品盘卷线材，成品线材直径规格为11.5mm。