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CN102330038B - 中碳含铋环保易切削结构钢 - Google Patents

中碳含铋环保易切削结构钢 Download PDF

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Abstract

本发明公开的是一种中碳含铋环保易切削结构钢，以质量百分比计算，含有C：0.32～0.50％、Mn：0.70～2.0％、S：0.08～0.50％、Si：≤0.40％、P：≤0.060％、Bi：0.05～0.20％、N：0.0010～0.0200％，其余为Fe及杂质；质量百分比比值Mn/S≥1.4，质量百分比比值Bi/S＝0.1～2.5；Altot：≤0.04％、T[O]：0.0010～0.0150％。本发明具有优于传统相应碳含量的不含铅易切钢的切削性能、不弱于传统相应碳含量的含铅易切钢的切削性能、良好的室温综合力学性能以及具有传统相应碳含量的含铅易切钢不具备的环保性，而且成本较低。

Description

中碳含铋环保易切削结构钢
技术领域
本发明涉及一种易切削结构钢，特别是一种中碳含铋环保易切削结构钢，属于冶金技术领域。
背景技术
目前，在国内钢铁行业“中碳易切削结构钢”的生产开发过程及国家标准中，通常是在钢中添加硫、磷或复合添加硫-铅、硫-磷-铅、硫-钙、硫-锡、硫-磷-锡等易切削元素，其存在的问题是：(1)国内中碳易切削结构钢的钢种、牌号相对不完善。(2)含铅的易切削结构钢虽然切削性能较好，但在生产以及使用过程中对环境的污染较大，还会危害身体健康，环保性差。(3)普通的易切削结构钢、含钙或含锡的易切削结构钢虽然较为环保，但其切削性能始终逊于含铅的易切削结构钢，而且含锡的易切削结构钢成本也较高。锡以目前20万元/吨的价格计算，若钢中锡含量为0.09～0.15％，则即使所加入的锡无损耗，其成本也高达180～300元/吨钢。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种中碳含铋环保易切削结构钢，以完善国内易切削结构钢的钢种、牌号，并在比相应碳含量含硫易切削结构钢性能更优的前提下，以较低成本、较好环保性以及不逊于相应碳含量含铅易切削结构钢的切削性能，逐步代替目前市场上广泛使用的相应碳含量的含硫易切钢、含铅易切钢等。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案：一种中碳含铋环保易切削结构钢。该钢种以质量百分比计算，含有C：0.32～0.50％、Mn：0.70～2.0％、S：0.08～0.50％、Si：≤0.40％、P：≤0.060％、Bi：0.05～0.20％、N：0.0010～0.0200％，其余为Fe及杂质；Mn与S的质量百分比比值Mn/S≥1.4，Bi与S的质量百分比比值Bi/S＝0.1～2.5；钢中的Altot(全铝含量)：≤0.04％、T[O](总氧含量)：0.0010～0.0150％。
上述的中碳含铋环保易切削结构钢，还可含有Se、Te、Zr、Ca、Mg、Zn、Sb中一种或两种以上能改善切削性能的元素。
前述的中碳含铋环保易切削结构钢，以质量百分比计算，含有C：0.32～0.40％、Mn：0.70～1.20％、S：0.08～0.15％、Si：≤0.40％、P：≤0.040％、Bi：0.05～0.20％、N：0.0010～0.0200％，其余为Fe及杂质；Mn与S的质量百分比比值Mn/S＝4.67～15，Bi与S的质量百分比比值Bi/S＝0.33～2.5；钢中的Altot：≤0.04％、T[O]：0.0010～0.0150％。此项所述钢特命名为：Y35Bi。
前述的中碳含铋环保易切削结构钢，以质量百分比计算，含有C：0.32～0.40％、Mn：0.90～1.50％、S：0.10～0.30％、Si：≤0.40％、P：≤0.050％、Bi：0.05～0.20％、N：0.0010～0.0200％，其余为Fe及杂质；Mn与S的质量百分比比值Mn/S＝3～15，Bi与S的质量百分比比值Bi/S＝0.17～2；钢中的Altot：≤0.04％、T[O]：0.0010～0.0150％。此项所述钢特命名为：Y35MnBi。
前述的中碳含铋环保易切削结构钢，以质量百分比计算，含有C：0.32～0.40％、Mn：1.35～1.65％、S：0.25～0.50％、Si：≤0.40％、P：≤0.060％、Bi：0.05～0.20％、N：0.0010～0.0200％，其余为Fe及杂质；Mn与S的质量百分比比值Mn/S＝2.7～6.60，Bi与S的质量百分比比值Bi/S＝0.1～0.8；钢中的Altot：≤0.04％、T[O]：0.0010～0.0150％。此项所述钢特命名为：Y35MnSBi。
前述的中碳含铋环保易切削结构钢，以质量百分比计算，含有C：0.37～0.45％、Mn：0.70～1.20％、S：0.08～0.15％、Si：≤0.40％、P：≤0.040％、Bi：0.05～0.20％、N：0.0010～0.0200％，其余为Fe及杂质；Mn与S的质量百分比比值Mn/S＝4.67～15，Bi与S的质量百分比比值Bi/S＝0.33～2.5；钢中的Altot：≤0.04％、T[O]：0.0010～0.0150％。此项所述钢特命名为：Y40Bi。
前述的中碳含铋环保易切削结构钢，以质量百分比计算，含有C：0.37～0.45％、Mn：0.90～1.50％、S：0.10～0.30％、Si：≤0.40％、P：≤0.050％、Bi：0.05～0.20％、N：0.0010～0.0200％，其余为Fe及杂质；Mn与S的质量百分比比值Mn/S＝3～15，Bi与S的质量百分比比值Bi/S＝0.17～2；钢中的Altot：≤0.04％、T[O]：0.0010～0.0150％。此项所述钢特命名为：Y40MnBi。
前述的中碳含铋环保易切削结构钢，以质量百分比计算，含有C：0.37～0.45％、Mn：1.35～1.65％、S：0.25～0.50％、Si：≤0.40％、P：≤0.060％、Bi：0.05～0.20％、N：0.0010～0.0200％，其余为Fe及杂质；Mn与S的质量百分比比值Mn/S＝2.7～6.60，Bi与S的质量百分比比值Bi/S＝0.1～0.8；钢中的Altot：≤0.04％、T[O]：0.0010～0.0150％。此项所述钢特命名为：Y40MnSBi。
前述的中碳含铋环保易切削结构钢，以质量百分比计算，含有C：0.40～0.50％、Mn：0.70～1.20％、S：0.08～0.15％、Si：≤0.40％、P：≤0.040％、Bi：0.05～0.20％、N：0.0010～0.0200％，其余为Fe及杂质；Mn与S的质量百分比比值Mn/S＝4.67～15，Bi与S的质量百分比比值Bi/S＝0.33～2.5；钢中的Altot：≤0.04％、T[O]：0.0010～0.0150％。此项所述钢特命名为：Y45Bi。
前述的中碳含铋环保易切削结构钢，以质量百分比计算，含有C：0.40～0.50％、Mn：0.90～1.50％、S：0.10～0.30％、Si：≤0.40％、P：≤0.050％、Bi：0.05～0.20％、N：0.0010～0.0200％，其余为Fe及杂质；Mn与S的质量百分比比值Mn/S＝3～15，Bi与S的质量百分比比值Bi/S＝0.17～2；钢中的Altot：≤0.04％、T[O]：0.0010～0.0150％。此项所述钢特命名为：Y45MnBi。
前述的中碳含铋环保易切削结构钢，以质量百分比计算，含有C：0.40～0.50％、Mn：1.35～1.65％、S：0.25～0.50％、Si：≤0.40％、P：≤0.060％、Bi：0.05～0.20％、N：0.0010～0.0200％，其余为Fe及杂质；Mn与S的质量百分比比值Mn/S＝2.7～6.60，Bi与S的质量百分比比值Bi/S＝0.1～0.8；钢中的Altot：≤0.04％、T[O]：0.0010～0.0150％。此项所述钢特命名为：Y45MnSBi。
本发明的有益效果：本发明是一种新的中碳易切削结构钢，与现有技术相比，本发明具有以下特点：
(1)室温下具有优良的综合力学性能，热轧、冷拉及调质状态下的各项性能指标，能达到甚至优于国家标准GB/T 8731-2008中规定的相应碳含量易切削结构钢的性能要求。
(2)切削性能远超过普通易切削结构钢，不弱于传统相应碳含量的含铅易切削结构钢的切削性能。在钢中铋含量仅为含铅易切削结构钢中铅含量的一半时，即具有与相应碳含量含铅易切削结构钢相当的切削性能。
(3)钢中不含铅，具有含铅易切削结构钢不具备的环保性。
(4)成本较低。以当前市场上铋、锡合金价格计，同时考虑并实测本发明实际生产中铋的加入方式、加工成本、工艺、损耗等，其铋合金为156元/吨钢；而含锡易切削结构钢即使不考虑锡合金的损耗，其合金成本最低也须达到180元/吨钢。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
一、本发明的最佳化学成分
申请人经过大量的试验发现，要达到较好的热加工性能、综合力学性能及切削性能，本发明的最佳化学成分需满足表1条件。
表1本发明的最佳化学成分组合(除Mn/S、Bi/S外其余为质量百分比)
Figure BDA0000050574600000041
本发明可用转炉或电炉生产，应进行炉外精炼处理，必要时可采用真空脱气处理，冶炼工艺基本与普碳钢相同。铋在钢包中以包芯线加入，并充分搅拌。浇铸方式可以是模铸，也可以是连铸。
二、本发明几种典型的含铋易切削结构钢的实际试验
1、具体试验生产的含铋易切削结构钢的化学成分，见表2。
表2本发明的几种典型钢的实际试验产品的化学成分(除Mn/S、Bi/S外其余为质量百分比)
Figure BDA0000050574600000042
注：以上均为电炉+精炼炉+连铸冶炼生产。
2、室温力学性能试验
将上述9种钢均采用连铸方式浇铸成150×150mm2的钢坯后，热轧成∮32的圆钢，又再冷拉成∮30的光亮材，其热轧材及冷拉材的室温力学性能分别如表3、表4所示。
表3热轧材室温力学性能
Figure BDA0000050574600000051
表4冷拉材室温力学性能
Figure BDA0000050574600000052
Figure BDA0000050574600000061
3、切削性能试验
试验地点：首钢贵阳特殊钢有限责任公司钎钢研究中心
试验机型：德国DMG集团产CTX510 eco计算机数控机床
试验材料：以表2中所述9种钢的∮32mm热轧圆钢为试验材料，并以市场上得以广泛应用的成分较为接近的Y40Mn、11L44同状态、同规格产品作为对比钢。对比钢成分见表5。
表5切削试验对比钢成分
Figure BDA0000050574600000062
试样规格：为减少试样摆动带来的影响，选择切削材尺寸为∮32mm×600mm，切削长度为400mm，最大切削至∮24mm。
试验刀具：YT14硬质合金刀具
切削速度：150m/min
送进量：0.2mm/r
切削量：1mm
切削方式：在无任何润滑的干切削状态下，切削10min、20min、30min时各自测定侧面磨损宽度并以车床用粗糙度对比块对比切削20min时的切削表面粗糙度；收集断屑并筛选，以质量百分比计算“C”型屑、卷曲长度≤10mm的卷曲屑、卷曲长度＞10mm的卷曲屑等各自比例。切削试验结果见表6。
表6切削试验结果
Figure BDA0000050574600000063
Figure BDA0000050574600000071
试验结果证明：本发明不仅具有国家标准GB/T 8731-2008中相应碳含量易切削结构钢的综合力学性能，还具有远超于其的切削加工性能，与国际上类似牌号的相应碳含量含铅易切削结构钢的切削加工性能相当，同时具有相应碳含量易切削结构钢所不具备的环保性，且生产成本比含锡易切钢低。本发明钢中还可以添加Se、Te、Zr、Ca、Mg、Zn、Sb中一种或两种以上能改善切削性能的元素，以改善其切削性能。
本发明的实施方式不限于上述实施例，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种中碳含铋环保易切削结构钢，其特征在于：以质量百分比计算，含有C：0.32～0.50％、Mn：0.70～2.0％、S：0.08～0.50％、Si：≤0.40％、P：≤0.060％、Bi：0.05～0.20％、N：0.0010～0.0200％，其余为Fe及杂质；Mn与S的质量百分比比值Mn/S≥1.4，Bi与S的质量百分比比值Bi/S＝0.1～2.5；钢中的Altot：≤0.04％、T[O]：0.0010～0.0150％。
2.根据权利要求1所述的中碳含铋环保易切削结构钢，其特征在于：以质量百分比计算，含有C：0.32～0.40％、Mn：0.70～1.20％、S：0.08～0.15％、Si：≤0.40％、P：≤0.040％、Bi：0.05～0.20％、N：0.0010～0.0200％，其余为Fe及杂质；Mn与S的质量百分比比值Mn/S＝4.67～15，Bi与S的质量百分比比值Bi/S＝0.33～2.5；钢中的Altot：≤0.04％、T[O]：0.0010～0.0150％。
3.根据权利要求1所述的中碳含铋环保易切削结构钢，其特征在于：以质量百分比计算，含有C：0.32～0.40％、Mn：0.90～1.50％、S：0.10～0.30％、Si：≤0.40％、P：≤0.050％、Bi：0.05～0.20％、N：0.0010～0.0200％，其余为Fe及杂质；Mn与S的质量百分比比值Mn/S＝3～15，Bi与S的质量百分比比值Bi/S＝0.17～2；钢中的Altot：≤0.04％、T[O]：0.0010～0.0150％。
4.根据权利要求1所述的中碳含铋环保易切削结构钢，其特征在于：以质量百分比计算，含有C：0.32～0.40％、Mn：1.35～1.65％、S：0.25～0.50％、Si：≤0.40％、P：≤0.060％、Bi：0.05～0.20％、N：0.0010～0.0200％，其余为Fe及杂质；Mn与S的质量百分比比值Mn/S＝2.7～6.60，Bi与S的质量百分比比值Bi/S＝0.1～0.8；钢中的Altot：≤0.04％、T[O]：0.0010～0.0150％。
5.根据权利要求1所述的中碳含铋环保易切削结构钢，其特征在于：以质量百分比计算，含有C：0.37～0.45％、Mn：0.70～1.20％、S：0.08～0.15％、Si：≤0.40％、P：≤0.040％、Bi：0.05～0.20％、N：0.0010～0.0200％，其余为Fe及杂质；Mn与S的质量百分比比值Mn/S＝4.67～15，Bi与S的质量百分比比值Bi/S＝0.33～2.5；钢中的Altot：≤0.04％、T[O]：0.0010～0.0150％。
6.根据权利要求1所述的中碳含铋环保易切削结构钢，其特征在于：以质量百分比计算，含有C：0.37～0.45％、Mn：0.90～1.50％、S：0.10～0.30％、Si：≤0.40％、P：≤0.050％、Bi：0.05～0.20％、N：0.0010～0.0200％，其余为Fe及杂质；Mn与S的质量百分比比值Mn/S＝3～15，Bi与S的质量百分比比值Bi/S＝0.17～2；钢中的Altot：≤0.04％、T[O]：0.0010～0.0150％。
7.根据权利要求1所述的中碳含铋环保易切削结构钢，其特征在于：以质量百分比计算，含有C：0.37～0.45％、Mn：1.35～1.65％、S：0.25～0.50％、Si：≤0.40％、P：≤0.060％、Bi：0.05～0.20％、N：0.0010～0.0200％，其余为Fe及杂质；Mn与S的质量百分比比值Mn/S＝2.7～6.60，Bi与S的质量百分比比值Bi/S＝0.1～0.8；钢中的Altot：≤0.04％、T[O]：0.0010～0.0150％。
8.根据权利要求1所述的中碳含铋环保易切削结构钢，其特征在于：以质量百分比计算，含有C：0.40～0.50％、Mn：0.70～1.20％、S：0.08～0.15％、Si：≤0.40％、P：≤0.040％、Bi：0.05～0.20％、N：0.0010～0.0200％，其余为Fe及杂质；Mn与S的质量百分比比值Mn/S＝4.67～15，Bi与S的质量百分比比值Bi/S＝0.33～2.5；钢中的Altot：≤0.04％、T[O]：0.0010～0.0150％。
9.根据权利要求1所述的中碳含铋环保易切削结构钢，其特征在于：以质量百分比计算，含有C：0.40～0.50％、Mn：0.90～1.50％、S：0.10～0.30％、Si：≤0.40％、P：≤0.050％、Bi：0.05～0.20％、N：0.0010～0.0200％，其余为Fe及杂质；Mn与S的质量百分比比值Mn/S＝3～15，Bi与S的质量百分比比值Bi/S＝0.17～2；钢中的Altot：≤0.04％、T[O]：0.0010～0.0150％。
10.根据权利要求1所述的中碳含铋环保易切削结构钢，其特征在于：以质量百分比计算，含有C：0.40～0.50％、Mn：1.35～1.65％、S：0.25～0.50％、Si：≤0.40％、P：≤0.060％、Bi：0.05～0.20％、N：0.0010～0.0200％，其余为Fe及杂质；Mn与S的质量百分比比值Mn/S＝2.7～6.60，Bi与S的质量百分比比值Bi/S＝0.1～0.8；钢中的Altot：≤0.04％、T[O]：0.0010～0.0150％。
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