專利名稱：一種環保型高性能石墨化易切削鋼的制作方法
技術領域：
本發明涉及石墨鋼，具體屬于加工構件的高性能石墨化易切削鋼。
背景技術：
隨著近年來我國汽車工業和機械制造業的快速發展，對易切削鋼的需求日益增 加。然而我國目前易切削鋼生產水平還不高，在產量、質量和品種諸方面都遠遠不能滿足高 速發展的國民經濟的要求，高品質的易切削鋼則依賴進口。現有易切削鋼主要是通過在鋼 中單獨或復合添加如S、P、Pb、Se、Te、Bi等易切削元素來提高材料的切削性能。易切削元 素的加入，增加了鋼的不純凈度，使材料的基本性能低于基體鋼，難以滿足對強度、韌性有 嚴格要求的機械結構用鋼領域。如常用的硫系切削鋼，冶煉時空氣污染嚴重，高的硫含量可 導致鋼的力學性能(特別是橫向沖擊韌性)顯著降低，表面廢品率和熱脆性增高，熱加工性 能差。而鉛系易切削鋼雖然其切削性能優良，但由于鉛污染環境以及鉛在廢鋼回收熔煉過 程中的有害作用，其應用受到了限制，如歐洲共同體有關條例(The EU-Directive on End ofLife Vehicles)已停止回收再利用含鉛的汽車零件。鈣易削鋼晶粒粗大，鈣在鋼中的溶 解度很低，不容易加入鋼中，因此產品合格率低，成本高。只有在使用硬質合刀具高速切削 時才能顯著延長刀具壽命，但使用高速鋼刀具時效果不顯著。硒或蹄系易切削鋼煉鋼時回 收率低且不穩定，并對人體有害，而且價格較高多與硫、鉛等復合加入。由此可見，現有的易 切削鋼種，都存在著或多或少的問題，因此，有必要開發出一種具有切削性能優良，機械性 能良好和環境友好等特點的新型易切削鋼。石墨化易切削鋼由于具有良好切削性能、冷成型性，高的疲勞強度以及環境友好 等特點，近年來受到世界各國冶金研究者和制造商的關注和研究。例如，美國專利文獻 6174384B1(2001)公開了在C為(質量分數，以下同)左右的鋼中添加0. 1-1. 5%的 Si，0. 01-0. 5%的Zr，利用Si可抑制滲碳體的形核和形成ZrC作為石墨的形核核心來生 產石墨化易切削鋼。美國專利文獻5830285(1998)公開了在C在0. 4-1. 0%的鋼中，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作為石墨的形核核心和Mo對石墨分布的影響來生產石墨化易切削鋼。日本公開專利 49-67817 則在 C含量為 0. 45-1. 5% 的鋼中，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 來生產石墨化易切削鋼。文獻“Machinability ofmedium carbon graphitic steel, Journal of materials processing technology, 1996,62, 358-362，，中，其成分為 0. 55% C, 1. 2% Si，0. 50% Μη,Ο. 012% Ρ，0· 011% S，0. 025% Α1，0· 0025% B。文獻“石墨化處理后 中碳鋼的顯微組織與性能，機械工程材料，2008,32(10)，48”，其石墨化易切削鋼的成分為 0. 43% C, 1. 5% Si，0. 45% Μη,Ο. 010% S，0. 009% Ρ，0· 005% B。但是，在這些公開的專利 和文獻中，將鋼中的C轉變為石墨，所需的石墨化時間較長，一般都在10小時以上，而且部 分元素，如Ti，Zr等在煉鋼時很難控制其含量或較難加入。
發明內容
本發明的目的在于克服上述不足，提供一種在保證石墨鋼具有良好切削性能、冷 成型性，高的疲勞強度的前提下，石墨化時間< 5小時的，不含污染環境即對人有害的Pb、 Se、Te元素，硫含量低的環保型高性能石墨化易切削鋼。實現上述目的的技術措施一種環保型高性能石墨化易切削鋼，其組分及重量百分比為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%，余量為 Fe 及不可 避免的雜質，同時Si+Al之和在1. 0 4. 0%。其在于A1重量百分比的優選范圍在0. 05 2. 0%。其在于還添加有重量百分比為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單獨加入或幾種同時復合加入，其量彡0. 5%。本發明中主要元素在鋼中的作用及機理C :C是石墨易切削鋼中的主要成分之一，是鋼中石墨的來源。其主要作用在于，在 石墨化退火時，通過同素異型轉變而轉變為石墨，從而達到提高切削性及冷成型性等的目 的。當鋼中的C含量低于0. 時，石墨化退火時所需的時間較長，而且鋼中的石墨含量也 較少，鋼的易切削性因此不高。此外，經淬火及回火處理后，鋼的強度也不高。而當鋼中的 C含量過高時，經冷加工后，淬火時很容易產生裂紋。Si =Si是非碳化物形成元素，與C原子的親和力較小，能顯著抑制石墨退火時滲碳 體的析出，因此鋼中必須有一定的Si含量。此外，Si也是一種較強的固溶強化元素，能增 加石墨化退火后鋼的強度。Al 本發明鋼種中合金元素Al的含量較高，即達到0.05-2.0%。Al與Si的作用類 似，主要是石墨化退火時，阻礙滲碳體的析出。這主要是因為Al，Si不溶于滲碳體，必須從 滲碳體/鐵素體界面擴散出來，導致界面處濃度逐漸增加，C的活性相應增加，流動性降低， 滲碳體核心的長大因此受到抑制，而且Al也是一種較強的固溶強化元素，可以彌補完全石 墨化后，得到的組織鐵素體+石墨強度的不足。此外，Al在煉鋼的過程中，與鋼中的N結合 形成A1N，也可作為石墨的形核核心而加速石墨化進程。Mn :Mn是鋼中的常規元素，冶煉過程中的主要作用是脫氧，還能與S結合，生產MnS 而提高鋼的切削性。此外，Mn還能細化鐵素體晶粒，提高鋼板的強度和韌性，同時可固溶強 化鐵素體和增加淬透性。Si+Al 為了實現目的，對合金元素與石墨化時間及石墨粒子的大小、分布等關系 進行了詳細研究，結果發現，將Si和Al作為必須元素，通過工藝，可在較短的時間內將鋼中 的C轉變為石墨，而且石墨粒子的尺寸較小，分布也較為均勻，如再添加適當的Ti、Nb、Zr、 B等元素，可進一步促進鋼中C轉變為石墨。本發明與現有的鋼種不同在于，石墨化時間彡5小時，使生產效率大大提高，并可 在該時間內將鋼中的C轉變為石墨，而且石墨粒子的尺寸較小，分布也較為均勻；且無對環 境有害元素，還具有良好切削性能、冷成型性，高的疲勞強度。
圖1為石墨化2h后得到的組織圖2是試樣侵蝕后的組織(2-4%的硝酸酒精侵蝕圖3是石墨化2h后得到的組織(2-4%的硝酸酒精侵蝕)圖4是根據實施例3石墨化4h后得到的組織(無侵蝕)圖5是石墨化3h后得到的組織(2-4%的硝酸酒精侵蝕)
具體實施例方式實施例1一種環保型高性能石墨化易切削鋼，其組分及重量百分比為C:0. 10%, Si 0. 82%, Al 0. 18%, Mn 0. 83%, P 0. 019%, S 0. 192%，余量為 Fe 及不可避免的雜質，同 時Si+Al之和為1. 0%。實施例2一種環保型高性能石墨化易切削鋼，其組分及重量百分比為C:0.43%，Si 0. 5%, Al 2. 0%, Mn 1. 0%, P 0. 018%, S 0. 190%，余量為 Fe 及不可避免的雜質，同時 Si+Al 之和為 2. 6%。實施例3一種環保型高性能石墨化易切削鋼，其組分及重量百分比為C:0.62%，Si
0.95%, Al 0. 05%,Mn 0. 80%, P 0. 0176%, S 0. 182%, Zr 0. 15%, Nb 0. 1%，余量為 Fe 及不可避免的雜質，同時Si+Al之和為1.0%。實施例4一種環保型高性能石墨化易切削鋼，其組分及重量百分比為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%，余量為Fe及不可避免的雜質，同時Si+Al之和為1.32%。實施例5一種環保型高性能石墨化易切削鋼，其組分及重量百分比為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%，余量為Fe及不可避免的雜質，同時Si+Al之和為4. 0%,Nb+V+Ti = 0. 5%。實施例6一種環保型高性能石墨化易切削鋼，其組分及重量百分比為C:1.35%，Si 2. 0%, Al 0. 08%, Mn 0. 81%, P 0. 012%, S 0. 142%, Zr 0. 48%，余量為 Fe 及不可避免 的雜質，同時Si+Al之和為2. 08%。實施例7一種環保型高性能石墨化易切削鋼，其組分及重量百分比為C:1.5%，Si
1.6%,Al 0. 95%,Mn 0. 69%,P 0. 010%,S 0. 12%,B 0. 016%，余量為 Fe 及不可避免的 雜質，同時Si+Al之和為2. 55%。實施例8一種環保型高性能石墨化易切削鋼，其組分及重量百分比為C:1. 1%，Si 1. 38%, Al 0. 66%, Mn 0. 35%, P 0. 009%, S 0. 10%, RE 0. 38%，余量為 Fe 及不可避免
5的雜質，同時Si+Al之和為2. 04% ο上述實施例的工藝采用現有的工藝制度，即冶煉，采用真空度為1.33帕、在微合 金化后出鋼、對鋼錠進行熱塑成型、進行石墨化處理等工藝。經對上述實施例的結果進行檢測，其結果見表1所列。表1實施例的檢測結果統計表
權利要求
一種環保型高性能石墨化易切削鋼，其組分及重量百分比為C0.1～1.5％，Si0.5～2.5％，Al0.05～2.0％，Mn≤1.0％，P≤0.020％，S≤0.02％，余量為Fe及不可避免的雜質，同時Si+Al之和在1.0～4.0％。
2.如權利要求1所述的一種環保型高性能石墨化易切削鋼，其特征在于A1重量百分 比的優選范圍在0. 05 1.5%。
3.如權利要求1所述的一種環保型高性能石墨化易切削鋼，其特征在于還添加有重 量百分比為:Zr 0. 15 0. 48%或B 0. 016 0. 025%或RE 彡 0. 5%或Nb+V+Ti ^ 0. 5%0
4.如權利要求3所述的一種環保型高性能石墨化易切削鋼，其特征在于Nb、V、Ti單 獨加入或幾種同時復合加入，其量< 0. 5%。
全文摘要
本發明涉及加工構件的高性能石墨化易切削鋼。其組分及重量百分比為C0.1～1.5％，Si0.5～2.5％，Al0.05～2.0％，Mn≤1.0％，P≤0.020％，S≤0.02％，余量為Fe及不可避免的雜質，同時Si+Al之和在1.0～4.0％。本發明石墨化時間≤5小時，使生產效率大大提高，并可在該時間內將鋼中的C轉變為石墨，而且石墨粒子的尺寸較小，分布也較為均勻，且對環境無有害元素，還具有良好切削性能、冷成型性，高的疲勞強度。
文檔編號C22C38/06GK101906597SQ201010253368
公開日2010年12月8日 申請日期2010年8月14日 優先權日2010年8月14日
發明者劉吉斌, 尹云洋, 方芳, 朱叢茂, 朱玉秀, 羅國華, 范植金, 陳瑋 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司