一种自润滑易切削钢及其生产方法技术

一种自润滑易切削钢及其生产方法，其组分为（重量百分比）：Ｃ０．０５～０．５％、Ｍｎ０．６～１．７％、Ｓｉ０．０３～０．８％、Ｓ０．０５～０．４％、Ａｌ０．０００５～０．０３％、Ｃａ０．０００２～０．００６％、Ｏ０．００３～０．０１６％、其余为铁和不可避免杂质；其中氧化物夹杂为ＣａＯ－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］－ＳｉＯ↓［２］－ＭｎＯ系、硫化物夹杂为ＭｎＳ－ＣａＳ（＋ＭｇＳ）系。本发明专利技术应用夹杂物工程技术控制钢液脱氧控制、渣－金平衡和钢包精炼，以控制钢中氧化物及硫化物夹杂的成分和形态，使之分别形成玻璃状和塑性夹杂物。在钢的切削加工中它们会自发地在刀具与切屑接触界面上形成一层起润滑作用的粘性薄膜，大大减弱了粘结现象，提高了刀具寿命，它们还改善了切屑断裂性能，提高了钢在高速切削速度下切削性能。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术属于钢铁冶炼
，特别涉及易切削钢生产技术。
技术介绍
随着汽车工业的发展，数控车床得到日益广泛的应用，对钢切削性能要求，特别是对切削性能稳定性要求越来越高。由于在高速和无润滑“干”切削加工条件下可以通过降低切削进给量来提高钢的表面加工精度，以至于可以用切削工序可替代磨削工序和铣削工序，而作为零件终加工工序，使汽车零部件加工产量大幅增加，加工成本大大减低。现在数控车床集成度，自动化程度和加工速度越来越高，WC刀具和CBN、TiN和TiAlN等涂层刀具得到越来越广泛的应用。然而，钢的切削性能相对却比较落后，特别是加工速度大于200米/分时的切削性能。另外，目前深受汽车零部件加工业欢迎的切削钢是含铅易钢(如AISI 12L14钢)。但是，含铅钢在炼钢过程中加铅时会产生有毒铅蒸汽，危害操作人员健康，西方一些发达国家已立法禁止含铅易切钢生产。为了替代含铅易切削钢，一些含Bi、Se、Te等元素的易切削钢相继问世。不过，这些钢在大于200米/分切削速度下切削性仍不理想，图1给出了用碳化钨刀具以每分钟200米切削速度加工AISI 12L14钢，加工15分钟后，刀具的损坏状况。另外，某些钢种，如含铋钢的成本也较高。参阅图1，其为切削速度200米/分钟，加工含铅易切削钢15分钟后碳化钨刀具的扫描电镜照片，显示出典型的三种刀具损坏顶面凹坑损坏、侧面损坏和刀角角部损坏。图2给出了钢在切削加工中切屑3的剪切变形现象，切屑3与刀具1的作用，以及刀具损坏原因的分析。如图所示，二次局部剪切变形区5的高温粘结造成了刀具1顶面102凹坑损坏c，切屑3中一次和局部剪切变形区4和二次局部剪切变形区5的高温联合作用造成了刀具尖角部位损坏a，工件2与刀具前端清理面101间的磨擦造成了刀具侧面损坏b。由于切屑厚度变化，在切屑内部出现一次局部剪切变形。在高速切削下变形量大，变形速度极快，在一次局部剪切变形区内产生高温。在相同切削进给量6条件下，切割角α越小，切屑变形量越大，温度就越高。在刀具与切屑接触界面上，由于刀具对快速移动切屑的粘滞作用，切屑中产生了二次局部剪切变形。在较低速切削加工时，这种粘滞属于物理磨擦现象。但在高速切削加工时，作用在切屑上正应力超过了材料的屈服强度，在刀具与切屑界面上产生了化学粘结现象。一旦化学粘结形成，在二次局部剪切变形区就会产生高温，而高温愈进一步加剧化学粘结。在高温粘结条件下，刀具材料就向切屑中进行化学扩散，造成了刀具顶面凹坑损坏。另外，随着切削速度提高，加工时间增加，凹坑会向角部扩展，以至造成刀具角部损坏，见图1。切屑中一次和二次局部剪切变形区的高温，使刀具刀尖部位温度升高，加剧了刀角氧化损坏。在刀具前端清理面上，由于工件与刀具间摩擦造成了刀具侧面损坏。工件中不变形硬性夹杂物则加剧了这种磨损损坏。传统易切削钢中加入硫和铅，以利于切削过程中切屑初始断裂。然而，铅和硫化锰只能在较低切削加工速度下对钢切削性能有利。随着切削速度提高，刀具损坏机理由物理磨损转化为化学损坏。在数控车床用碳化陶瓷或氮化钛等刀具以较高切削速度加工条件下，由于刀具与切屑接触界面上出现粘结现象，钢中MnS、Pb、Bi、Se、Te等第二项粒子或元素均不能降低凹坑损坏，切削过程中外部注入润滑剂和冷却剂也不起润滑和冷却作用，降低凹坑损坏。图1是以每分钟200米切削速度加工AISI 12L14钢15分钟后，碳化钨刀具的电镜扫描图。可见，由于钢中非金属夹杂物没有得到有效控制，不能在切削过程中在刀具与切屑接触界面上形成一层起润滑作用的粘性层以避免刀具的高温化学损坏，此外，钢中硬性夹杂物还导致了刀具的物理损坏。
技术实现思路
通过上述分析，刀具损坏的关键是二次局部剪切变形区的高温和粘结现象，除了直接造成刀具凹坑损坏外，刀具顶面凹坑向刀角扩展还造成刀角损坏；二次局部剪切变形区高温造成刀角尖部位氧化损坏；二次局部剪切变形区中切屑与刀具的接触状态和切屑形状及其高温还影响刀具前端面上刀具与工件的摩擦损坏。本专利技术提出，如果在被加工材料中存在一定量的玻璃相第二相颗粒，在切削加工中，这些玻璃相颗粒就会在切屑和刀具接触界面上形成一层具有一定粘性的润滑层。这层粘性润滑层可以在切削加工时，起到自润滑接触界面的作用，避免发生粘结现象。该层粘性润滑层还阻断了刀具材料向刀屑的化学扩散。本专利技术的目的在于提供，使用此钢制成的工件中存在一些玻璃状夹杂物，这些夹杂物在切削加工过程中自发地在刀具与切屑界面上形成一层起润滑作用粘性薄膜，大大减弱了化学损坏和物理损坏，刀具寿命提高200％以上。为达到上述目的，本专利技术的一种自润滑易切削钢，其组分及其组分含量的重量百分比为C 0.05～0.5％Mn 0.6～1.7％Si 0.03～0.8％S 0.05～0.4％Al 0.0005～0.03％Ca 0.0002～0.006％O 0.003～0.016％其余为铁和不可避免杂质；其中氧化物夹杂为CaO-Al2O3-SiO2，其组分的重量百分比为CaO＝15～55％，Al2O3＝0～45％，SiO2＝25～65％。一种自润滑易切削钢，其组分及其组分含量的重量百分比为C 0.05～0.5％Mn 0.6～1.7％Si 0.03～0.8％S 0.05～0.4％Al 0.0005～0. Ca 0.0002～0.006％ O0.003～0.016％其余为铁和不可避免杂质，其中氧化物夹杂为CaO-MnO-SiO2，其组分的重量百分比为CaO＝0～55％，MnO＝0～75％，SiO2＝30～65％。一种自润滑易切削钢，其组分及其组分含量的重量百分比为C 0.05～0.5％Mn 0.6～1.7％Si 0.03～0.8％S 0.05～0.4％Al 0.0005～0.03％Ca 0.0002～0.006％O 0.003～0.016％其余为铁和不可避免杂质，其中氧化物夹杂为MnO-Al2O3-SiO2，其组分重量百分比为MnO＝15～75％，Al2O3＝0～35％，SiO2＝25～65％。一种自润滑易切削钢，其组分及其组分含量的重量百分比为C 0.05～0.5％Mn 0.6～1.7％Si 0.03～0.8％S 0.05～0.4％Al 0.0005～0.03％Ca 0.0002～0.006％O 0.003～0.016％其余为铁和不可避免杂质，其中氧化物夹杂为CaO-MnO-Al2O3-SiO2，其组分的重量百分比为CaO＝0～55％，MnO＝0～75％，Al2O3＝0～45％，SiO2＝25～65％。本专利技术的自润滑易切削钢中进一步还包含硫化夹杂物为MnS-CaS，其组分重量百分比，MnS 70～100％，CaS 0～30％；所述的硫化夹杂物还包含MgS，含量＜5％，其作用是适当提高硫化物夹杂的硬度，改善钢在切削过程中切屑断裂性能，降低切削力。所述的硫化夹杂物的长/宽比为1.5～4.5。又，本专利技术的自润滑易切削钢中还包含有P、Ti、V或Nb中的一种或几种，其中，Ti＜0.05％、V＜0.1％、Nb＜0.05％、P≤0.10％。还包含MnO-SiO2二元系氧化物，其Si/Mn比为0.025～0.4。本专利技术应用夹杂物工程技术，通过钢液预脱氧控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自润滑易切削钢，其组分及其组分含量的重量百分比为：Ｃ０．０５～０．５％Ｍｎ０．６～１．７％Ｓｉ０．０３～０．８％Ｓ０．０５～０．４％Ａｌ０．０００５～０．０３％Ｃａ ０．０００２～０．００６％Ｏ０．００３～０．０１６％其余为铁和不可避免杂质；其中氧化物夹杂为ＣａＯ－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］－ＳｉＯ↓［２］，其组分重量百分比为ＣａＯ＝１５～５５％，Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］＝ ０～４５％，ＳｉＯ↓［２］＝２５～６５％。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓兵，
申请(专利权)人：张晓兵，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]