[发明专利]环境友好不含Pb的快速切削钢及其制备方法

说明书

[技术领域]

本发明涉及一种具有出色切削性的环境友好不含铅的快速切削钢及其制备方法，更具体地，涉及一种以如下方式制备的提高了切削性和热轧特性并且环境友好不含铅的快速切削钢及其制备方法，即：①通过添加适量钛(Ti)、铬(Cr)和氮(N)等形成非金属夹杂物和沉淀；②控制成分中的锰(Mn)/硫(S)比例为3.5以上；③将总氧(T.[O])含量限制在300ppm以下；和④控制硫化锰(MnS)夹杂物数量，以使面积为5μm²以上的MnS的数量在轧制方向截面上在300-1000/mm²范围内。

[背景技术]

快速切削钢是指切削性——通常称为机械加工性(machinability)——大幅提高的钢。快速切削钢广泛用作用于机动车的液压部件、能够用于印刷机等办公自动化装置的轴和切割部件等的材料，而且其应用和需求有逐渐上升的趋势。

快速切削钢基本上具有出色的切削性，特别是机械切削性，为此目的，通常通过添加多种合金元素或在快速切削钢中形成夹杂物的方法提高切削性。尤其，非金属夹杂物用作提高切削性的方法，非金属夹杂物中的一种公知材料是硫化锰(MnS)。

快速切削钢的切削性可通过控制MnS的尺寸、形状或分布等得到。更具体地，在使用如车床这样的机械装置切割钢时，非金属夹杂物如MnS等在工具顶端部(Tip)与钢之间的接触部分起到应力集中源(Stress Concentration Source)的作用，在这些非金属夹杂物和基质(Matrix)之间的界面上产生空隙(void)，因此可促进空隙处形成裂缝(Crack)，从而作为减小切割所需的力的原理来作用。

因此，为提高快速切削钢的切削性，基本上，①MnS应大量存在，②MnS应随机(random)分布，和③MnS的尺寸较大、特别是MnS的形状接近球形较好。

快速切削钢中存在的MnS的形状可根据连铸中间包(Tundish)的氧含量而大幅改变，形状大体上分为三类，即球形(类型I)、树枝形(类型II)和不规则形状(类型III)。

已知快速切削钢的切削性随MnS接近球形(类型I)而提高。在中间包总氧(T.[O])含量高达数百ppm的情况下，MnS将结晶成为复合硫化物如Mn(O，S)等，而在高温下在熔融钢中固化并脱氧。另一方面，当中间包T.[O]含量相对低至几十ppm时，在固化过程中，树枝(类型II)结构不会在熔融状态钢中结晶，但会沿主要晶界沉淀。然后，在钢的热轧过程中，树枝(类型II)结构易于沿轧制方向延长，从而大幅降低材料的各向异性。

所述树枝结构是除了快速切削钢以外的普通钢固化过程中产生的形状，并会大幅降低钢的机械性质。因此，为在精炼过程中抑制MnS沉淀，已做出多种努力，如将S含量降低至几ppm等。

最后，不规则形状(类型III)MnS的特征为当中间包T.[O]含量低至几ppm且熔融铝含量较高时，主要在高温下形成MnS的分离的夹杂物，而且在铝脱氧钢中以角形状存在。

在快速切削钢相关现有技术中，存在一种限制元素如碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、硫(S)、磷(P)、铌(Nb)和氧(O)等在具体范围、同时限制呈显微结构的多边形铁素体(Poligonal Ferrite)的面积比为5％以上的技术。然而，尽管相关现有技术大量加入高价合金元素，如Nb、钼(Mo)、锆(Zr)等，但不能清楚表明这些合金元素在快速切削钢中的作用。还存在以下限制：尽管将多边形铁素体的面积比限制在需要的范围内，但没有具体指出其测量方法。

另一种快速切削钢相关现有技术是添加一定量的合金元素如碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、硫(S)、氧(O)、铋(Bi)等，并将轧制方向截面中Bi夹杂物/mm²的数量和Bi含量比限制至一定值或更高。然而，尽管相关现有技术限制Bi夹杂物的数量和Bi含量比，但实际上难以在快速切削钢的制备方法中控制该比例。另外，相关现有技术的特征在于添加氧至0.003重量％以下，但以这样的氧量难以提供能够将MnS形状控制为类型I即球形的具有出色切削性的高氧快速切削钢。

另一种快速切削钢相关现有技术涉及一种基于硫的连铸快速切削钢，其具有与通过通常铸锭方法制备的快速切削钢相当水平的切削性。其特征在于包括一定量的碳(C)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)、氮(N)和氧(O)，且MnS夹杂物的平均尺寸为50μm²以下。然而，虽然该相关现有技术公开了有关MnS的含量，但其仅指出其颗粒尺寸，没有说明MnS形状对切削性的影响。