850MPa级含钛易切削不锈钢锻造棒材及其制备方法转让专利
申请号 : CN202010743974.4
文献号 : CN111850407B
文献日 : 2021-10-08
发明人 : 王英虎 , 郑淮北 , 宋令玺
申请人 : 成都先进金属材料产业技术研究院有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.850MPa级含钛易切削不锈钢锻造棒材,其特征在于,化学成分包括:按重量百分比计,C:0.05~0.15%、Si:0.1~0.5%、Mn:0.5~1.5%、Ni:0.01~0.05%、Cr:10.0~
15.0%、S:0.15~0.55%、Ti:0.01~0.25%、Mo:0.005~0.02%、O:0.005~0.01%、N:
0.005~0.015%,P≤0.01%,其余为Fe和不可避免的杂质;其化学成分中,3≤Mn/S≤10且1≤S/Ti≤10。
2.根据权利要求1所述的850MPa级含钛易切削不锈钢锻造棒材,其特征在于,化学成分包括:按重量百分比计,C:0.05~0.15%、Si:0.1~0.5%、Mn:0.5~1.5%、Ni:0.01~
0.05%、Cr:13.5~14.5%、S:0.15~0.55%、Ti:0.05~0.25%、Mo:0.005~0.02%、O:
0.005~0.01%、N:0.005~0.015%,P≤0.01%,其余为Fe和不可避免的杂质;其化学成分中,3≤Mn/S≤10且1≤S/Ti≤10。
3.权利要求1或2所述的850MPa级含钛易切削不锈钢锻造棒材的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
a、配料:以高纯铁、高硫生铁、电解锰、镍板、硅铁合金、铬铁、钛铁、钼铁、增碳剂为原料,按850MPa级含钛易切削不锈钢成分所需进行配料;
b、真空炉熔炼:向真空感应熔炼炉内加入高纯铁与镍板,合炉抽真空至1~5pa后送电使高纯铁与镍板缓慢熔化,然后升温至1490~1500℃保持5~10分钟,待高纯铁与镍板完全熔清后冲入氩气到18000~20000pa,然后加入高硫生铁、电解锰、硅铁合金、铬铁与增碳剂,当合金全部熔清后再精炼10~15分钟,精炼温度为1500~1510℃;精炼结束后,静置1~5分钟;
c、浇注:将温度升到1520~1550℃后浇注到 金属模中,钢液在炉内凝固,冷却至室温后得到 的铸锭;
d、锻造:锻造前将铸锭的冒口及尾部切去后切成两段,然后将得到的铸锭,在马弗炉中进行加热,加热温度为1050~1200℃,加热时间为30~60分钟,加热保温结束后将铸锭取出在锻造设备上锻成约 的试棒,然后回炉加热,加热温度为
1050~1200℃,加热时间为10~30分钟,然后取出锻成 的试棒,空冷至室温后得到
850MPa级含钛易切削不锈钢锻造棒材。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:步骤a各种物料的用量为:在150Kg的真空炉中冶炼时,配物料铬铁28~30Kg,电解锰1.4~1.5Kg,硅铁合金0.6~0.65Kg,镍板
0.01~0.015Kg,高硫生铁0.8~0.95Kg,钼铁0.015~0.025Kg,钛铁0.4~0.95Kg,高纯铁85~88Kg。
5.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述的增碳剂为人造石墨、天然石墨或焦炭。
说明书 :
850MPa级含钛易切削不锈钢锻造棒材及其制备方法
技术领域
背景技术
系易切削钢、铅系易切削钢、钛系易切削钢以及复合易切削钢等。硫系易切削钢是问世时间
最早,迄今为止用量最大且用途最广的易切削钢,占世界和我国易切削钢总产量的比例分
别为70%与90%以上。硫系易切削钢主要应用在螺栓、螺母、管接头、汽车制动零部件、弹簧
座和模具等复杂部件,这些复杂零部件需要在数控机床上进行切削加工,为了延长刀具使
用寿命,降低加工成本,提高生产效率,必须要求钢材具有良好的切削加工性能。硫系易切
削不锈钢中的硫主要以硫化锰的形式存在,硫化锰夹杂物可作为应力集中源诱发基体产生
许多微裂纹,降低切削抗力并致使钢材在车削加工时容易断屑。
应形成;第二类是短棒状,沿晶界呈链状或网状分布,存在于用少量铝脱氧的钢中,由共晶
反应形成;第三类为块状,无规则分布,存在于加铝量高且有残铝的钢中,由伪共晶反应生
成。后来,研究人员又追加了第四类:树枝状硫化物,由共晶反应形成。含硫易切削不锈钢中
硫化锰的尺寸、形貌与分布对钢材的力学性能有着显著的影响。为了获得最佳的切削性能,
生产中希望得到球形或纺锤形长宽比较小的硫化物夹杂,这类夹杂物在轧制过程中因塑性
小不易变形,可以在基体变形后仍保持纺锤形或椭球形,对改善切削性能非常有益。而长宽
比超过4:1的细长条状硫化锰不但破坏基体的连续性,还会造成切削屑粘结,降低工件表面
质量。易切削不锈钢在锻造变形后容易生成细长条状的硫化锰,引起钢材的各向异性,降低
钢材的综合力学性能。
兼优的钙硫钛系新型易切削钢,其抗拉强度达到了820MPa,延伸率为16%,断面收缩率
42%。该专利中的易切削钢抗拉强度仅达到了820MPa,难以满足一些零部件对更高强度的
要求,应用范围受到了严重限制。
(15‑45)SnCaTi的碳含量为0.12‑0.18%,热轧(锻)态试样的抗拉强度为400MPa,断后延伸
率为22.0%,断面收缩率为37%,Y45SnCaTi易切削钢的热轧(锻)态试样的抗拉强度为
800MPa,断后延伸率为17.7%,断面收缩率为47%。同样的,该专利中的易切削钢抗拉强度
仅达到了800MPa,难以满足零部件对更高强度的要求,应用范围受到了严重限制。
难以满足零部件对更高强度的要求,应用范围受到了严重限制。
化物形态的报道。为了满足零部件对更高强度的要求,急需开发一些抗拉强度更高的钢品
种,以满足生产需要。
发明内容
1.5%、Ni:0.01~0.05%、Cr:10.0~15.0%、S:0.15~0.55%、Ti:0.01~0.25%、Mo:0.005
~0.02%、O:0.005~0.01%、N:0.005~0.015%,P≤0.01%,其余为Fe和不可避免的杂质。
14.5%、S:0.15~0.55%、Ti:0.05~0.25%、Mo:0.005~0.02%、O:0.005~0.01%、N:
0.005~0.015%,P≤0.01%,其余为Fe和不可避免的杂质。
镍板完全熔清后冲入氩气到18000~20000pa,然后加入高硫生铁、电解锰、硅铁合金、铬铁
与增碳剂,当合金全部熔清后再精炼10~15分钟,精炼温度为1500~1510℃;精炼结束后,
静置1~5分钟;
30~60分钟,加热保温结束后将铸锭取出在锻造设备上锻成约 的试棒,然后回炉
加热,加热温度为1050~1200℃,加热时间为10~30分钟,然后取出锻成 的试棒,空
冷至室温后得到850MPa级含钛易切削不锈钢锻造棒材。
0.6~0.65Kg,镍板0.01~0.015Kg,高硫生铁0.8~0.95Kg,钼铁0.015~0.025Kg,钛铁0.4
~0.95Kg,高纯铁85~88Kg。
能,同时还具有非常好的力学性能。采用本工艺生产的铸态易切削不锈钢中长宽比≤3的硫
化物所占比例达60%以上,锻态易切削不锈钢中长宽比≤3的硫化物所占比例达10%以上,
通过与合理的锻造工艺相配合,其抗拉强度≥850MPa,屈服强度≥550MPa,断面收缩率≥
15%,断后伸长率≥5%,冲击韧性≥15J。本发明所制备的高强度高切削性能的易切削不锈
钢适用于制造汽车、高铁、家电及办公装备等行业的零部件,可以有效降低机加工成本、提
高生产效率与产品的竞争力。
附图说明
具体实施方式
~15.0%、S:0.15~0.55%、Ti:0.01~0.25%、Mo:0.005~0.02%、O:0.005~0.01%、N:
0.005~0.015%,P≤0.01%,其余为Fe和不可避免的杂质。
会增加,钢材的强度与硬度下降,由于钢太软太韧,切削屑容易黏刀,其切削性能下降;反
之,当钢中的碳含量过高时,其硬度会升高,同样会造成刀具磨损,降低钢材的切削性能。因
此,本发明中的C含量控制在0.05%~0.15%的范围内。
能,硅含量过高容易生成硅酸盐夹杂物,硅酸盐夹杂物会造成刀具磨损,降低切削性能,硅
含量过高还会导致钢材在热加工过程中产生大量氧化皮,降低钢材的表面质量,促使磷从
基体中析出,在晶界形成磷化物薄膜,恶化钢的热加工性。因此,要需要合理控制易切削不
锈钢中的硅含量,本发明中Si含量控制在0.1%~0.5%的范围内。
切削性能,锰含量过低则硫化锰生成量较少,不利于改善切削性能。因此,本发明中Mn含量
控制在0.5%~1.5%的范围内。
贵,添加成本较高,所以应尽量减少镍的添加量。本发明中Ni含量控制在0.01%~0.05%的
范围内。
素加入时,效果会更加显著。但钢中铬含量过高会增加钢的硬度,硬度过高会影响钢材的切
削性能。因此,本发明中Cr含量控制在10%~15%的范围内。
时,钢材中不能生成足够含量的硫化物,无法满足高切削性能的要求;反之,当硫含量超过
0.6%时,其热加工性能会降低并容易造成铸锭中心硫元素偏析。因此,本发明中S含量控制
在0.15%~0.55%的范围内。
的添加量。因此,本发明中Mo含量控制在0.005%~0.02%的范围内。
善钢材的力学性能。但是钛含量过高会形成较大的高熔点钛氮化物,降低钢材的切削性能。
因此,本发明中Ti含量控制在0.01%~0.25%的范围内。
的钢中,可显著提高钢材的切削性能);当钢中氧含量在0.004%~0.01%时,易形成第二类
硫化物(短棒状,沿晶界呈链状或网状分布,常存在于用少量铝脱氧的钢中);当钢中氧含量
小于0.004%时,易形成第三类硫化物(块状,无规则分布,常存在于加铝量高且有残铝的钢
中),硫化物的三种类型往往在钢中同时出现,既有球状、块状,也有短棒状,第二类和第三
类硫化物会对钢材的切削加工性能产生不利影响。硫化物中的氧会与其他元素形成(Mn、
Fe)(S、O)复合型夹杂物,这类夹杂物的塑性较小,在热加工变形的过程中不易变形,能够保
持纺锤形及球形,对改善切削性能有利。然而,氧含量过高也会影响易切削不锈钢的表面质
量,产生皮下气泡,在铸坯中心产生严重的成分偏析,若钢水中氧含量过高还会使钢水在连
铸时水口堵塞,并且硬质氧化物夹杂含量过高会对刀具磨损产生不利影响,最终影响钢材
的切削性能。氧含量增加还会降低试验钢的高温力学性能。通过合理控制氧含量在钢中生
成含硫夹杂物形核心的氧化物,可以达到调控改善硫化物尺寸、数量、分布及形态的效果。
因此,本发明中O含量控制在0.005%~0.01%的范围内。
可作为硫化物形核的核心,有利于改善硫化物的分布状态,从而提高易切削不锈钢的切削
性能。但氮含量过高时,容易形成大颗粒的夹杂物,降低钢的切削性能。因此,本发明中N含
量控制在0.005%~0.015%的范围内。
14.5%、S:0.15~0.55%、Ti:0.05~0.25%、Mo:0.005~0.02%、O:0.005~0.01%、N:
0.005~0.015%,P≤0.01%,其余为Fe和不可避免的杂质。
优化,进一步使得含钛易切削不锈钢锻造棒材的切削性能更好。
夹杂物对易切削钢基体的割裂作用,本发明通过进一步限定Mn/S、S/Ti来提高钢材的易切
削钢的综合力学性能。
镍板完全熔清后冲入氩气到18000~20000pa,然后加入高硫生铁、电解锰、硅铁合金、铬铁
与增碳剂,当合金全部熔清后再精炼10~15分钟,精炼温度为1500~1510℃;精炼结束后,
静置1~5分钟;
30~60分钟,加热保温结束后将铸锭取出在锻造设备上锻成约 的试棒,然后回炉
加热,加热温度为1050~1200℃,加热时间为10~30分钟,然后取出锻成 的试棒,空
冷至室温后得到850MPa级含钛易切削不锈钢锻造棒材。
0.6~0.65Kg,镍板0.01~0.015Kg,高硫生铁0.8~0.95Kg,钼铁0.015~0.025Kg,钛铁0.4
~0.95Kg,高纯铁85~88Kg。
对铸锭的低倍组织进行观察分析,并且锻造后对钢材的夹杂物、力学性能、断口形貌等进行
检测分析。
的质量百分比计算各物料的质量。高纯铁、高硫生铁、铬铁等大块炉料采用100Kg电子称称
量,镍板、钛铁、增碳剂等量少的炉料采用200g电子称称量,各炉料称量前用砂轮打磨,去掉
其表面氧化皮并做烘干处理,每炉共配料120Kg。各原料的用量如表2所示。
重量/Kg 29.3 1.46 0.61 0.012 0.86 0.02 0.41 87.33
清后冲入氩气18000pa,然后加入高硫生铁、电解锰、硅铁合金、铬铁与增碳剂,当合金料全
部熔清后再精炼10分钟,精炼温度为1500℃,精炼结束后,静置3分钟;
铸锭;
出在锻造设备上锻成 的试棒,然后回炉加热,加热温度为1200℃,保温时间为20分
钟,然后取出锻成 的试棒,空冷至室温后得到成分如表2中实施例1所示的一种
850MPa级含钛易切削不锈钢锻造棒材1。
的质量(高纯铁、高硫生铁、电解锰、硅铁合金、镍板、铬铁、钛铁、钼铁、增碳剂)。各原料的用
量如表3所示。
的试棒,然后回炉加热,加热温度为1200℃,保温时间为10分钟,然后取出锻成
的试棒,空冷至室温后得到850MPa级含钛易切削不锈钢锻造棒材2。
实施例2 0.11 1.16 0.35 0.01 13.6 0.32 0.008 0.010 0.007 0.01 0.21 余量
可得实施例1与实施例2所得铸坯中心无明显缩松缩孔,铸坯质量良好。
条状硫化锰较少。
有含Ti硫化物生成,钛元素的添加对改善硫化物的形貌具有重要作用。
850MPa,断后伸长率大于5%,具有良好的力学性能。
韧窝出现,锻态易切削不锈钢为韧性断裂,本发明含硫易切削不锈钢的塑韧性良好。
钢在切削过程中断屑情况良好,具有良好的切削性能。
个试样统计分析的面积均为4mm 。表5为实施例1与实施例2硫化锰的长宽比统计,实施例1
与实施例2铸态易切削不锈钢中长宽比≤3的硫化锰所占比例均大于60%,主要以球型及纺
锤型为主,有利于改善钢材的切削性能。
3<X≤5 20.4 19.8
5<X≤10 13.6 12.0
10<X≤30 4.8 4.4
X>30 0.6 0.3
试验机与MTS落锤式冲击试验机进行室温拉伸与夏比冲击试验,测定本发明实施1与实施例
2的力学性能。实施例1与实施例2的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率及冲击韧
性如表6所示。从表6可以看出,其抗拉强度≥850MPa,屈服强度≥550MPa,断面收缩率≥
15%,断后伸长率≥5%,冲击韧性≥15J,具有良好的强度与切削性能相匹配。
行业的零部件,拓宽了含钛易切削不锈钢的用途领域,具有显著的经济效益。