[发明专利]一种新型硫系易切削钢铁材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型硫系易切削钢铁材料，属于冶金材料领域。

背景技术

硫系易切削钢不仅降低材料切削力与切削温度，提高刀具寿命，而且还降低工件的表面粗糙度，改善切屑处理性。因此已广泛应用于汽车、机械、精密仪表、国防工业等各个行业和部门。其占世界与我国易切削钢总产量的比例已分别达到70％和90％。在易切削钢铁材料中，夹杂物的成分、形态(长宽比)和分布情况对钢材的机械性能、切削阻力、切削刀具的磨损以及被加工件表面光洁度有明显的影响。但当前我国生产的新型硫系易切削钢铁材料还存在一些问题，主要表现在质量、精度和夹杂物的类型、数量以及形态控制等技术方面，钢中易切削元素偏析问题也没有得到很好的解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题是以经济的优越方式提供用于制备易切削的钢铁材料，在保证其机械性能的前提下，提高其切削性能。

本发明的目的是通过如下措施来实现：新型硫系易切削钢铁材料由以下质量百分含量的组成组成：C 0.13～0.16；Mn 0.9～1.35；Si 0.06～0.12；P 0.07～0.11；S 0.28～0.33；Zr 0.04～0.11；Al≤0.006；N≤0.005；其余为Fe，质量百分数总计100％。

C是决定碳钢组织的主要元素，如果钢中铁素体较多，塑性韧性好，切削加工时产生的切削热较大，容易粘刀，而且切屑不易折断，影响表面粗糙度，因此切削加工性能不好。如果钢中渗碳体多，硬度较高，严重磨损刀具，切削性能也差。因此，当钢中铁素体与渗碳体的比例适当时，硬度和塑性也比较适中，其切削加工性能较好。综合考虑易切削钢铁材料的机械性能与易切削性能，C含量控制在0.13～0.16％比较适宜。

S是钢中易切削元素，但硫元素在提高了钢材切削性能的同时，也带来了热脆问题。为避免或减轻热脆带来的危害，向钢中添加合金元素Mn，使Mn代替低熔点FeS中的Fe，生成高熔点的MnS(熔点为1600℃)，它们使切屑易于折断，从而提高切削加工性能。且MnS具有润滑作用，本身硬度低，能减少对刀具的磨损。但是如果Mn的加入量不足，将生成富Fe的(Fe,Mn)S，仍然不能避免热脆的影响。因此Mn、S含量分别选择在0.9～1.35％、0.28～0.33％比较适宜，并要求Mn/S不低于4。

P在质地较软的低碳铁素体钢中，如果其含量合适，可溶解在铁素体中，能提高铁素体的硬度，改善零件表面的光洁度和切削性能，是易切削元素；但钢中磷太高会增加冷脆，因此其含量控制在0.07～0.11％较合适。

N和P相似，同样可以增加铁素体的硬度，有利于低碳铁素体钢的切削，但钢中含氮过多会导致钢材的时效硬化，对钢的性能不利。另外，钢中的氮能与合金元素Zr等形成硬质点的ZrN等氮化物颗粒，也会导致刀具的磨损疲劳。因此其含量控制在不高于0.005％较合适。

Zr对硫化物形态的控制有着显著的作用，加入钢中的Zr将与硫化物在高温情况下析出Zr₃S₄，同样增强了钢中硫化物的高温强度，阻止钢中的硫化物沿轧制方向的延伸，促使硫化物的形态为纺缍状。另外，N/Zr比值及锆含量对夹杂物的组成具有重要影响：N/Zr＞0.17时，钢中夹杂物以ZrN为主；N/Zr＜0.17时，钢中夹杂物以ZrO₂为主。稳定的ZrO₂为MnS的形核提供了有利形核点，减少了MnS集中分布的可能性，使硫化锰夹杂能细小弥散的分布于钢的基体之中。同时，氧化物一般呈圆形或椭圆形分布，依附于氧化物形核、生长的MnS也呈现类似的形态，使硫化物夹杂变质，从而提高易切削钢的机械性能。因此Zr含量选择在0.04～0.11％比较适宜，并要求N/Zr要小于0.17。

采用低温浇注可以增加易切削钢的等轴晶率，细化晶粒，改善S偏析，对其切削性能及机械性能均起到积极的作用。因此，浇注温度选择在高于液相线温度15～25℃范围内较合适。

具体实施方式

以下结合实施例，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

各实施例成分如表1所列，各实施例夹杂物形貌及分布统计如表2所示，

各实施例力学性能及切削性能如表3所示。

表1各实施例成分(质量百分数/％)