一种高硫易切削工具钢棒材及制备方法技术

本发明专利技术属于冶金技术领域，具体涉及一种高硫易切削工具钢棒材及制备方法，本发明专利技术中工具钢棒材控制碳含量为0.52～0.58％，使碳含量与55#钢保持一致，以满足高耐磨性耐冲击性的要求，同时将S的质量分数控制在0.15～0.25％之间，控制ω[Mn]/ω[S]比值为4.5

【技术实现步骤摘要】
一种高硫易切削工具钢棒材及制备方法


[0001]本专利技术涉及一种高硫易切削工具钢棒材及制备方法，属于冶金


技术介绍

[0002]S55C相当于中国优质碳素结构钢55#钢，与45#钢一样属于中碳钢高级优质中碳钢，热轧状态下抗压强度≥645Mpa，硬度在未热处理时≤255HB。该钢是由电炉、平炉或纯氧转炉炼钢法制造的全静钢，具有加工性优良、金相组织均匀的特点。S55C钢价格便宜，加工容易，适合于高频淬火、火焰淬火等表面硬化处理。S55C钢含碳量(质量分数，％)≥0.4，耐磨性优良，但延展性减少，淬火易变形和开裂，故淬火极为重要，且回火后必须急冷，以避免发生回火脆性。由于含碳量在中碳钢中偏高，形成的三次渗碳体为片状，导致材料硬度增加，切削困难，需进行球化退火改善切削性能，退火后硬度≤217HB，以利于机械加工。但是球化处理只是将片状渗碳体转变成球状渗碳体，由于渗碳体含量较多，机加工时渗碳体依然会对刀具造成磨损；另外加工后工件硬度不够，并且容易产出应力集中，还需要淬火等热处理进行力学性能的提升，因此造成能耗增加，成本提升。
[0003]传统机械制造往往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有效提高生产效率、降低生产成本。随着机械制造和汽车工业蓬勃发展以及生产日趋高速化和自动化，特别是数控机床的普及和应用，具有易断屑、表面光洁度高、刀具损耗小、生产效率高、能耗低等优点的易切削钢获得迅猛发展，易切削钢棒主要用作加工成各种轴类零件的原材料。它切削性能好、表面光洁度高、尺寸精度高，广泛用于家用电器和仪器仪表行业。
[0004]易切削钢是在优质碳素钢中加入适量的易切削元素如S、P、Pb、Se、Te、Ca、Bi等，使碳素钢具有优良的切削性能。
[0005]其中硫系易切削钢占易切削钢总产量的90％，根据加入硫质量分数不同，可分为低硫钢(W(S)≤0.025％)、中硫钢(W(S):0.040％～0.090％)和高硫钢(W(S):0.100％～0.300％)。钢中硫以(Mn、Fe)S的形式存在钢中，由于MnS夹杂物割断了基体的连续性和应力集中源作用而使车屑易断，润滑作用使刀具的磨损减小，从而改善了钢材的切削性能。由于硫易切削钢用途广泛、生产成本低且经济环保，近年来得到了快速发展，硫易切削钢的可切削性随硫质量分数的增多而改善，即在刀具同样寿命的条件下，硫质量分数越高，可切削性能越好。
[0006]虽然通过增加硫含量能够改善钢的切削性能，但是采用连铸方式生产，含硫易切削钢连铸可浇性差，主要表现为：(1)夹杂物易吸附在中间包水口上，造成水口堵塞；(2)水口结瘤也造成结晶器液面波动，引起结晶器弯月面卷渣，影响钢水质量甚至出现非金属低倍夹杂。因此制备出力学性能和切削性能均衡的中碳高硫易切削钢在实际生产中仍然比较困难；并且碳含量越高，浇注过程中的中心偏析越严重，因此含碳量及含硫量越高则制备出兼具力学性能和切削性能的成品越困难。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的局限性，本专利技术提供一种高硫易切削工具钢棒材，本专利技术的目的是将碳含量控制在0.52～0.58％，使碳含量与55#钢保持一致，以满足高耐磨性耐冲击性的要求，同时将S的质量分数控制在0.15～0.25％之间，控制ω[Mn]/ω[S]比值为4.5
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8.6，以便抑制S的偏析并能形成足够的MnS，使其无需球化退火即可保证其具有较好的切削性，但是由于MnS硬度小，通过工艺参数控制90％以上的MnS尺寸≤4μm，防止粗大的MnS或MnS偏析聚集而削弱材料的力学性能。
[0008]本专利技术还提供了一种高硫易切削工具钢棒材的制备方法，通过控制LF精炼阶段氧的含量并利用钙线进行变性处理，保证90％以上的MnS尺寸≤4μm，得到大部分形状是纺锤状和球状的MnS夹杂物，在连铸阶段采用电磁搅拌使钢液中成分均匀分布，防止成分偏析造成MnS枝晶长大，从而控制MnS的析出尺寸，降低对基体的削弱作用，另外也使MnS分布更加弥散；为解决高硫易切削钢的连铸性较差的问题，通过分体式中间包连铸，采用全程保护浇注，使用高硫钢专用保护渣，精炼后期不喂铝线，改善了高硫易切削工具钢棒材的连铸性；最终得到切削性能、耐磨性和耐冲击性兼顾的工具钢棒材。
[0009]本专利技术解决其技术问题所采取的技术方案是：一种高硫易切削工具钢棒材，各化学成分及其重量百分数如下：C：0.52～0.58％、Si：0.10～0.40％、Mn：0.70～1.30％、P：≤0.070％、S：0.15～0.25％，余量为Fe及不可避免的杂质，ω[Mn]/ω[S]为4.5
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8.6，控制90％以上的MnS尺寸≤4μm。
[0010]C：碳含量的高低直接影响钢材的强度、塑性和韧性性能等，随着含C含量的提高，强度、硬度提高，耐磨性提高，并且C含量的提高会降低钢液的凝固温度，使钢液凝固温度与MnS的凝固温度更加接近，MnS析出在钢液凝固末期完成，容易通过工艺控制MnS和基体的组织形态。中碳钢属于亚共析钢，其退火组织为珠光体和铁素体。随着钢中碳含量增加，组织中珠光体数量增加，而铁素体数量减少。碳含量大于0.40％的钢淬火组织为马氏体，马氏体硬度较大，可增加钢的耐磨性；碳含量大于0.40％时，除了马氏体外还有少量残余奥氏体，残余奥氏体数量随着钢中碳含量的增加而增加，对工具钢，残余奥氏体可增加耐冲击性，但是残余奥氏体会降低硬度使切削性能变坏。本申请所指应用领域为需要一定耐磨和耐冲击性能的钻夹头类工具钢，因此提高碳含量，使其控制在0.52～0.58％范围内。
[0011]Si：硅作为脱氧剂可控制脱氧程度，从而影响钢中夹杂物的变形以及钢的切削性能，并以固溶强化形式提高钢的强度。Si含量低于0.10％时，脱氧效果较差，Si含量较高时降低韧性。本申请含硅量控制在0.10～0.40％范围内，主要是防止Si的夹杂物形成，其夹杂物对切削性能有害。
[0012]Mn：硫在固态铁中溶解度极小，它能与铁形成低熔点(1190℃)的FeS。FeS+Fe共晶体的熔点更低(989℃)。这种低熔点的共晶体一般以离异共晶形式分布在晶界上。对钢进行热加工(锻造，轧制)时，加热温度常在1000℃以上，这时晶界上的FeS+Fe共晶熔化，导致热加工时钢的开裂。锰与钢中的硫生成的MnS是一种重要的易切削相，可以帮助改善切削性能，并且MnS的熔点比FeS的高，控制ω[Mn]/ω[S]比例为4.5
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8.6，避免有剩余的S元素，抑制S与Fe形成低熔点化合物，有利于改善轧制过程中的热脆问题；另外锰能提高珠光体的形核功和转变激活能，降低珠光体的形核率和长大速度。锰元素及其碳化物溶于奥氏体中，使奥氏体等温转变曲线右移，增大过冷奥氏体稳定性，抑制珠光体转变，提高淬透性。因此，为
了保证良好的切削性能和力学性能，本专利技术控制锰的含量在0.70～1.30％范围内。
[0013]P：对于工具钢，磷一般被看作有害元素，但其溶于铁素体可提高材料强度。因此，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高硫易切削工具钢棒材，其特征在于：各化学成分及其重量百分数如下：C：0.52～0.58％、Si：0.10～0.40％、Mn：0.70～1.30％、P：≤0.070％、S：0.15～0.25％，余量为Fe及不可避免的杂质，ω[Mn]/ω[S]为4.5
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8.6，控制90％以上的MnS尺寸≤4μm。2.根据权利要求1所述的高硫易切削工具钢棒材，其特征在于：各化学成分及其重量百分数如下：C：0.54～0.56％、Si：0.10～0.40％、Mn：0.70～1.30％、P：≤0.070％、S：0.15～0.25％，余量为Fe及不可避免的杂质，ω[Mn]/ω[S]为4.5
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8.6，控制90％以上的MnS尺寸≤4μm。3.一种权利要求1或2所述的高硫易切削工具钢棒材的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：1)电炉冶炼：入炉原料为铁水和废钢，采用精料方针，确保铁水质量百分比大于等于40％，控制终点[C]≥0.10％，残余元素含量符合标准要求；钢水出钢温度1630～1680℃，出钢时进行留钢、留渣操作，严禁下渣，加入脱氧剂进行脱氧，脱氧后随钢流加入高锰、硫铁进行合金化；2)LF炉精炼：将电炉冶炼后的钢液进行LF炉精炼，使用电石和碳化硅进行渣...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海霞，梁建国，韩蕾蕾，修冬，马传庆，李金浩，
申请(专利权)人：山东钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：