钒微合金化BN系Rel≥1200MPa非调质易切削钢及生产方法

摘要

钒微合金化BN系Rel≥1200MPa非调质易切削钢，其组分及wt%为：C：0.30～0.50 %、Si：0.40～0.60 %、Mn：1.2～1.5 %、P≤0.015 %、S≤0.015 %、N：0.03～0.05 %、B：0.01～0.02 %、Al：0.01～0.03 %、V：0.1～0.15 %；工艺：冶炼并连铸成坯；对方坯加热；热轧成棒钢；穿水冷却；经打捆后入坑进行缓冷至室温。本发明利用BN夹杂能显著改善钢材切削性能且对力学性能无影响的特点而研发。其与硫系易切削钢相比，具有更好的力学性能；与铅系易切削钢相比，具有更好的环保性；与稀有金属系易切削钢比，具有更低的生产成本，市场应用前景广阔；采用钒微合金化，钢板热轧态性能达到：抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥850MPa、延伸率A≥15%、断面收缩率Z≥20%兼具优良切削性能。

权利要求

1.钒微合金化BN系Rel≥1200MPa非调质易切削钢，其组分及重量百分比含量为：C：

0.30～0.50%、Si：0.40～0.60%、Mn：1.2～1.5%、P≤0.015%、S≤0.015%、N：0.03～0.05%、B：

0.01～0.02%、Al：0.01～0.03%、V：0.04～0.08%、Ti：0.02～0.04%，其余为Fe及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的钒微合金化BN系Rel≥1200MPa非调质易切削钢，其特征在于：V的重量百分比含量为0.051～0.070%。

3.如权利要求1所述的钒微合金化BN系Rel≥1200MPa非调质易切削钢，其特征在于：Ti的重量百分比含量为0.020～0.030%。

4.生产权利要求1至3之一所述的钒微合金化BN系Rel≥1200MPa非调质易切削钢的方法，其步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯加热，控制加热温度为1150～1250℃，保温时间120～150min；

3）热轧成棒钢：控制粗轧开轧温度在1100～1200℃；控制精轧终轧温度在750～850℃；

4）进行穿水冷却，在冷却速度为20～120℃/min下冷却到300～500℃；

5）经打捆后入坑进行缓冷，冷却至室温。

说明书

钒微合金化BN系Rel≥1200MPa非调质易切削钢及生产方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种易切削钢及生产方法，具体地属于钒微合金化BN系Rel≥1200MPa非调质易切削钢及生产方法。

背景技术

[0002] 非调质钢是在中碳钢中添加微合金元素（V、Ti、Nb等），通过控轧控冷，充分发挥钢中碳（氮）化物细晶强化和沉淀强化作用，不经调质处理即可获得合金结构钢或碳素结构钢调质处理后所达到的力学性能的钢种。由于省去淬火和回火处理，非调质钢具有生产效率高、能源消耗低、生产成本低等优点，在汽车制造等领域获得广泛应用，用于制造曲轴、连杆、转向节、前梁等重要零件。

[0003] 随着经济社会的发展，汽车安全性、稳定性以及能耗等指标愈来愈受到关注，而采用高强度非调质钢，能有效提高汽车安全性和可靠性，减少汽车自重、降低能耗和污染排放，因此伴随着汽车轻量化，非调质钢逐渐朝高强度（抗拉强度≥1000MPa）方向发展。

[0004] 相对于新兴的增材制造（3D打印），传统机械制造需要经过多次切削加工，数据显示零部件切削加工费用约占其制造成本的40%以上，因而选择符合条件且易切削的材料能显著提高生产效率、降低生产成本。现代制造业如汽车工业，多以数控机床为加工中心，机床的自动化、精密化和高效化对材料的切削性能要求越来越高，但同时一些重要零部件又需要很高的力学性能，这就要求钢材同时兼具较高的强度和良好的切削性能这两个矛盾体，即需要一种高强度的易切削钢。

[0005] 易切削钢是通过向钢中添加易切削元素（S、Pd、Bi等），利用易切削元素本身或形成的化合物来改善切削性能的钢种，往往是以牺牲母材力学性能为代价来提高切削性能。

[0006] 含铅易切削钢因力学性能、热处理性能、冷热加工性能和焊接性能不受加铅的影响，而切削性能（刀具寿命、切屑处理性、加工面光洁度等）优良的特点，获得广泛应用。但由于铅对环境和人体危害极大，因此欧盟和美国等发达国家对含Pd易切削钢的生产、使用和回收均进行严格限制，可预见无Pd化是易切削钢的发展方向。硫系、铋系等易切削钢均为常见无Pd易切削钢，但其生产或应用均面临各种问题：硫系易切削钢中较高的硫、氧含量，会降低钢质纯净度、严重恶化钢材力学性能；Se（硒）、Te（蹄）、Bi（铋）等稀有元素有助于改善钢的切削性能且不会显著恶化钢材力学性能，但因成本昂贵而无法大规模应用。

[0007] 经检索，中国专利申请号为CN02809296.1的文献，公开了一种机械结构用含硫易切削钢，其化学组分重量百分比为，C：0.10－0.55％、Si：0.05－1.00％、Mn：0.30－2.50％、P：≤0.15％、S：0.050－0.350％、Al：＞0.010％至≤0.020％、Nb：0.015－0.200％、O：0.0015－0.0150％、N：≤0.02％；还含有按重量％：选自V：0.03－0.50％、Ti：0.02－0.20％和Zr：0.01－0.20％中的至少一种。还有中国专利申请号为CN02808349.0的文献，公开了含硫易切削钢，其化学组分重量百分比为，C：0.03－0.20％，Si：0.35％或更少(包括0％)，Mn：
0.30－2.00％，P：0.01－0.15％，S：0.35－0.65％，O：0.0100－0.0250％，N：0.020％或更少，Al：0.005％或更少(包括0％)，Nb：0.02－0.20％，还包含：V：0.05－0.50％和/或Ti：
0.02至0.20％，以及由Fe和不可避免的杂质组成的剩余部分。上述两个专利文献存在的不足：其两个专利均为硫系易切削钢，生产工艺控制复杂且力学性能难以保障，并且该两个专利中贵金属Nb含量较高（最高可达0.2%），因而生产成本高昂，力学性能也较低。

[0008] 中国专利公开号为CN101338393B的文献，公开了一种汽车连杆用高强度非调质易切削钢，其化学成分包括（重量百分比）：0.30-0.40% C、0.50-0.70% Si、0.80-1.20% Mn、不超过0.040%的P、0.030-0.060% S、0.010-0.040% Al、0.10-0.40% Cr、0.10-0.30% V、0.010-0.015% N，其余量为铁和不可避免的夹杂。其存在的不足：其仍属于硫系易切削钢，其期望通过向钢中添加S生成MnS夹杂，来提高钢材切削性能，但该文献为保证力学性能而将S含量控制在很低的范围（0.030-0.060%），使得该钢种切削性能较差，力学性能也较低，难以满足现代机床的加工要求。

[0009] 本发明属于BN型易切削钢，其切削性能与Pd系易切削钢类似并显著优于硫系易切削钢，且BN夹杂对钢材力学性能无害，使得本发明钢种能同时具备较好的切削性能和力学性能。

[0010] 本发明，利用BN夹杂能显著改善钢材切削性能且对力学性能无影响的特点，采用钒微合金化，研发出一种强度高且切削性能优良的非调质钢，以满足汽车轻量化和机床自动化、精密化和高效化生产的需求。

发明内容

[0011] 本发明针对现有技术的不足，提供一种抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥850MPa、延伸率A≥15%、断面收缩率Z≥20%并兼具优良切削性能的非调质钢，且成本较低，能满足汽车轻量化和机床自动化、精密化和高效化生产需求的钒微合金化BN系Rel≥1200MPa非调质易切削钢及生产方法。

[0012] 实现上述目的的措施：

[0013] 钒微合金化BN系Rel≥1200MPa非调质易切削钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.30～0.50 %、Si：0.40～0.60 %、Mn：1.2～1.5 %、P≤0.015 %、S≤0.015 %、N：0.03～0.05 %、B：0.01～0.02 %、Al：0.01～0.03 %、V：0.1～0.15 %，其余为Fe及不可避免的杂质。

[0014] 优选地：其组分及重量百分比含量进一步地为：C：0.41～048 %、Si：0.41～0.57 %、Mn：1.25～1.47%、P≤0.015 %、S≤0.015 %、N：0.037～0.048 %、B：0.015～0.02 %、Al：0.018～0.028 %、V：0.12～0.15 %。

[0015] 钒微合金化BN系Rel≥1200MPa非调质易切削钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.30～0.50%、Si：0.40～0.60%、Mn：1.2～1.5%、P≤0.015%、S≤0.015%、N：0.03～0.05%、B：
0.01～0.02%、Al：0.01～0.03%、V：0.04～0.08%、Ti：0.02～0.04%，其余为Fe及不可避免的杂质。

[0016] 优选地：C的重量百分比含量为：0.35～0.45%。

[0017] 优选地：B的重量百分比含量为：0.015～0.020%。

[0018] 优选地：N的重量百分比含量为：0.040～0.050%。

[0019] 优选地：V的重量百分比含量为0.051～0.070%。

[0020] 优选地：Ti的重量百分比含量为0.020～0.030%。

[0021] 生产钒微合金化BN系Rel≥1200MPa非调质易切削钢的方法，其步骤：

[0022] 1）冶炼并连铸成坯；

[0023] 2）对方坯加热，控制加热温度为1150～1250℃，保温时间120～150min；

[0024] 3）热轧成棒钢：控制粗轧开轧温度在1100～1200℃；控制精轧终轧温度在750～850℃；

[0025] 4）进行穿水冷却，在冷却速度为20～120℃/min下冷却到300～500℃；

[0026] 5）经打捆后入坑进行缓冷，冷却至室温。

[0027] 本发明中各元素及主要工序的作用

[0028] C：高强度非调质易切削钢需保持一定的强度和硬度，而基体钢的硬度取决于含碳量。过高的碳含量会使钢中珠光体比例增加，使钢偏硬，不利于切削加工；过低的碳含量会导致钢中铁素体比例增加，钢低强度降低，韧性增加，钢偏软，难以满足高强度的要求且同样不利于切削加工。因此，本发明碳含量设计为0.30～0.50%；C优选地为0.41～048%或0.35～0.45%。

[0029] Si：主要以固溶强化形式提高钢的强度，但过高的硅含量会恶化钢的冷变形能力，且其脱氧产物具有较高硬度，切削过程对刀具磨损严重，因此本发明硅含量设计为0.40～0.60%，优选地为0.41～0.57 %。

[0030] Mn：在铁素体中，Mn的固溶强化作用仅次于P和Si，可以提高钢材强度，并且不会显著恶化钢的变形能力，但含量低于0.80%时，其强化效果不明显；Mn还能与S反应生成MnS夹杂提高钢材切削性能，并能防止导致热脆性的低熔点FeS在晶界析出，同时MnS夹杂还可以成为BN夹杂形核核心，降低BN夹杂析出所需吉普斯自由能，增加BN夹杂析出数量，从而提高钢材的切削性能。因此，本发明锰含量设计为1.2～1.5%，优选地为1.25～1.47%。

[0031] P：P能强化铁素体相，但P对钢材性能而言是有害元素，理论上要求其含量越低越好，才能保证本发明钢的性能。

[0032] S：钢中硫与锰可形成的MnS夹杂可作为BN夹杂形核核心，提高BN夹杂形核率，增加钢中BN夹杂数量，但过多的MnS夹杂会增大钢材性能的各向异性，严重限制钢材的应用。

[0033] N：钢中N与B反应生成有利于改善切削性能的BN有利夹杂，且通过V（C、N）的生成实现钒微合金化提高钢材强度的目的，因此钢中需要适量的N含量，但若N含量过多，会恶化钢材力学性能并降低钢材成材率。因此，本发明氮含量设计为0.03～0.05%，优选地为00.037～0.048 %或0.040～0.050%。

[0034] B：B的添加是为形成BN夹杂，以改善钢材切削性能。钢中B含量过低，难以生成足够量的BN夹杂，过高则极易恶化钢材韧性且不利于钢材推广应用。因此本发明B含量设计为0.01～0.02 %，优选地为0.015～0.02 %。

[0035] Al：铝作为脱氧剂加入钢中，一定量的铝有利于促进BN夹杂的析出，但过量的Al会影响钢材力学性能，降低钢材切削性能。因此，本发明铝含量设计为0.01～0.03%，优选地为0.018～0.028 %。

[0036] V：作为提高钢材强度的微合金化元素加入，钒在奥氏体中固溶温度较低，但扩散速度快，在加热和均热阶段，沉淀物发生溶解，在热加工期间保持溶解状态，而随后冷却时弥散沉淀析出使钢的强度增加，但过多的钒会增加冶炼成本且对钢的进一步强化效果不明显。因此，本发明钒含量设计为0.1～0.15%，优选地为0.12～0.15%；当钒含量设计为0.04～0.08%，优选地为0.051～0.070%。

[0037] Ti：作为提高钢材强度的微合金化元素加入，钛的碳氮化物弥散沉淀析出能细化晶粒，使钢的强度增加，但过多的钛会增加冶炼难度。因此，本发明钛含量设计为0.02～0.04%，优选地为0.02～0.03%。

[0038] 本发明与现有技术相比，其利用BN夹杂能显著改善钢材切削性能且对力学性能无影响的特点，研发出一种强度高非调质的BN型易切削钢。其与硫系易切削钢相比，具有更好的力学性能；与铅系易切削钢相比，具有更好的环保性；与稀有金属系易切削钢比，具有更低的生产成本，市场应用前景广阔；采用钒微合金化，热轧态性能达到：抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥850MPa、延伸率A≥15%、断面收缩率Z≥20%兼具优良切削性能。

附图说明

[0039] 图1本发明钢中BN的分布图（200X）；

[0040] 图2为本发明钢断屑性能情况图；

[0041] 图3为对比例1钢种的断屑性能情况图。

具体实施方式

[0042] 下面对本发明予以详细描述：

[0043] 表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；

[0044] 表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

[0045] 表3为本发明各实施例及对比例力学及切削性能检测情况列表。

[0046] 本发明各实施例按照以下步骤生产：

[0047] 1）冶炼并连铸成坯；

[0048] 2）对方坯加热，控制加热温度为1150～1250℃，保温时间120～150min；

[0049] 3）热轧成棒钢：控制粗轧开轧温度在1100～1200℃；控制精轧终轧温度在750～850℃；

[0050] 4）进行穿水冷却，在冷却速度为20～120℃/min下冷却到300～500℃；

[0051] 5）经打捆后入坑进行缓冷，冷却至室温。

[0052] 表1 本发明各实施例及对比例的取值列表（wt%）

[0053]实施例 C Si Mn P S N B Al V Ti
1 0.30 0.42 1.5 0.010 0.010 0.035 0.010 0.015 0.10 -
2 0.32 0.40 1.2 0.004 0.008 0.030 0.012 0.014 0.12 -
3 0.45 0.50 1.2 0.005 0.004 0.045 0.020 0.020 0.14 -
4 0.50 0.55 1.3 0.015 0.003 0.042 0.015 0.010 0.11 -
5 0.42 0.60 1.4 0.008 0.015 0.044 0.018 0.022 0.15 -
6 0.48 0.48 1.5 0.001 0.001 0.050 0.016 0.030 0.13 -
7 0.42 0.44 1.3 0.008 0.005 0.042 0.015 0.020 0.14 -
8 0.44 0.46 1.4 0.008 0.015 0.048 0.016 0.022 0.13 -
9 0.46 0.42 1.3 0.004 0.008 0.046 0.020 0.025 0.15 -
10 0.48 0.48 1.5 0.003 0.001 0.035 0.018 0.020 0.14 -
11 0.35 0.50 1.2 0.005 0.008 0.033 0.019 0.015 0.15 -
12 0.45 0.56 1.5 0.001 0.008 0.036 0.015 0.022 0.12 -
对比例1 0.35 0.50 1.3 0.015 0.25 0.010 - 0.010 0.20 -
对比例2 0.45 0.51 1.4 0.010 0.33 0.020 - 0.015 0.22 -
对比例3 0.48 0.55 1.3 0.012 0.35 0.015 - 0.020 0.30 -
13 0.30 0.45 1.5 0.009 0.008 0.036 0.011 0.015 0.040 0.020
14 0.34 0.40 1.2 0.004 0.008 0.030 0.012 0.014 0.050 0.030
15 0.46 0.50 1.2 0.005 0.004 0.045 0.020 0.020 0.080 0.035
16 0.50 0.55 1.3 0.015 0.003 0.042 0.010 0.010 0.060 0.040
17 0.42 0.60 1.4 0.008 0.015 0.044 0.018 0.022 0.070 0.025
18 0.48 0.48 1.5 0.001 0.001 0.050 0.016 0.030 0.075 0.038
19 0.35 0.42 1.3 0.002 0.009 0.035 0.012 0.012 0.057 0.022
20 0.37 0.45 1.2 0.007 0.004 0.044 0.017 0.018 0.064 0.024
21 0.42 0.52 1.4 0.008 0.005 0.050 0.018 0.024 0.062 0.022
22 0.44 0.50 1.5 0.005 0.015 0.042 0.019 0.027 0.067 0.032
23 0.32 0.55 1.3 0.004 0.008 0.043 0.018 0.023 0.054 0.037
24 0.38 0.57 1.2 0.004 0.001 0.047 0.015 0.015 0.055 0.035
对比例4 0.35 0.50 1.3 0.015 0.010 0.024 - 0.01 0.070 0.030
对比例5 0.45 0.51 1.4 0.010 0.013 0.020 - 0.015 0.050 0.040
对比例6 0.48 0.55 1.3 0.012 0.015 0.025 - 0.020 0.080 0.020

[0054] 表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表

[0055]

[0056] 表3 本发明各实施例及对比例力学及切削性能检测情况列表

[0057]

[0058] 表3中测试钢种的切削性能，采用统一的切削条件：无级调速卧式车床，几何参数一致的硬质合金刀具，切削试件为Ф100mm×300mm棒料，在不使用切削液条件下，进给量为0.2mm/r，切削深度为1mm，切削速度为200m/min，后刀面磨损量为0.3mm的车削加工时间设定为刀具寿命。

[0059] 从表3可知，本发明力学性能满足：抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥850MPa、延伸率A≥15%、断面收缩率Z≥20%，且刀具寿命明显提高，断屑性能优良，切削后钢材表面光洁度高。完全满足汽车轻量化的需求，并能很好的适应机床自动化、精密化和高效化生产的需求。

[0060] 上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。