本发明属于冶金领域，具体地，本发明涉及一种环保型易切削铁素体不锈钢及其制造方法。
背景技术：
由全自动机床加工完成的小尺寸精密机械零件或者电子零部件(如圆珠笔头、钟表轴承、打印机零件等)由于结构较复杂，切削速度快，加工及装配精度要求高，加工材料需满足耐腐蚀、易切削及加工性能稳定的要求，多年来以硫-铅(s-pb)复合添加的易切削不锈钢材料为主。其中pb以微小单质颗粒分布不锈钢基体中，因为pb熔点低，在高速加工过程中易熔化成液体而达到易切削及降低刀具磨损的目的。
然而铅(pb)是有毒有害元素，在冶炼生产过程中会对环境造成污染，在产品加工和使用过程中会对人体存在危害。
对于环保型易切削铁素体不锈钢，国内外都有过研究，主要是使用其它易切削元素来降低铅(pb)元素含量或者完全取代铅(pb)元素。例如日本专利“铁素体型易切削不锈钢日本专利”(jp2005060812a)提供了硫-硒(s-se)复合添加方案，但研究表明仅硫-硒复合添加达不到硫-铅(s-pb)复合添加的易切削性能，而且过量的硒(se)摄入也对人体有害；国内专利“一种易切削不锈钢及其制备方法”(cn108315643b)提供了硫-铅-铋-碲(s-pb-bi-te)复合添加的方案，虽然降低了铅(pb)含量，但保留了0.001～0.1％的铅，仍然存在铅污染问题。
由全自动机床加工的易切削不锈钢材料为高端特殊钢材，细分市场需求有限，例如全国圆珠笔制造用易切削不锈钢需求只有2000～3000吨，大型钢铁企业不会重视。专利“一种易切削不锈钢及其制备方法”(cn108315643b)提供制备方法为：高炉铁水预处理、lf精炼、连铸以及分步轧制，此方法流程较长、成本较高，不适合中小特殊钢厂。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种环保型易切削铁素体不锈钢及其制造方法，解决现有技术中的污染问题。通过成功碲铋合金化代替铅元素，更好的提升了所述环保不锈钢的易切削性能，并且制备方法具有高效、短流程和低成本的特点。
一方面，本发明提供一种环保型易切削铁素体不锈钢，按重量百分比计，其包含：
c：0.006～0.020％，
si：0.3～0.6％，
mn：1.0～1.2％，
cr：18.5～22.5％，
p：0.02～0.04％，
s：0.30～0.45％，
te,且te的含量满足te/s<0.07，
mo：1.5～2.0％，
v：0.08～0.18％，
ni：0.15～0.25％，
bi：0.10～0.20％，
o：0.012～0.020％，
nb：0.015～0.040％，
余量为fe和无法避免的杂质，各个组分的重量百分数之和为100％。
其中，优选地，前述环保型易切削铁素体不锈钢，按重量百分比计，其包含：
c：0.008～0.018％，
si：0.4～0.6％，
mn：1.05～1.18％，
cr：19.0～21.0％，
p：0.02～0.03％，
s：0.35～0.45％，
te,且te的含量满足te/s<0.07，
mo：1.7～2.0％，
v：0.10～0.15％，
ni：0.18～0.22％，
bi：0.12～0.18％，
o：0.013～0.018％，
nb：0.025～0.035％，
余量为fe和无法避免的杂质，各个组分的重量百分数之和为100％。
最优选，前述的环保型易切削铁素体不锈钢，按重量百分比计，其包含：
c：0.011％，
si：0.43％，
mn：1.17％，
cr：20.5％，
p：0.024％，
s：0.38％，
te,且te的含量满足te/s＝0.068，
mo：1.93％，
v：0.12％，
ni：0.21％，
bi：0.15％，
o：0.018％，
nb：0.025％，
余量为fe和无法避免的杂质，各个组分的重量百分数之和为100％。
同时，本发明也提供一种环保型易切削铁素体不锈钢，按重量百分比计，其组成为：
c：0.006～0.020％，
si：0.3～0.6％，
mn：1.0～1.2％，
cr：18.5～22.5％，
p：0.02～0.04％，
s：0.30～0.45％，
te,且te的含量满足te/s<0.07，
mo：1.5～2.0％，
v：0.08～0.18％，
ni：0.15～0.25％，
bi：0.10～0.20％，
o：0.012～0.020％，
nb：0.015～0.040％，
余量为fe和无法避免的杂质，各个组分的重量百分数之和为100％。
其中，优选地，前述环保型易切削铁素体不锈钢，按重量百分比计，其组成为：
c：0.008～0.018％，
si：0.4～0.6％，
mn：1.05～1.18％，
cr：19.0～21.0％，
p：0.02～0.03％，
s：0.35～0.45％，
te,且te的含量满足te/s<0.07，
mo：1.7～2.0％，
v：0.10～0.15％，
ni：0.18～0.22％，
bi：0.12～0.18％，
o：0.013～0.018％，
nb：0.025～0.035％，
余量为fe和无法避免的杂质，各个组分的重量百分数之和为100％。
最优选，前述的环保型易切削铁素体不锈钢，按重量百分比计，其组成为：
c：0.011％，
si：0.43％，
mn：1.17％，
cr：20.5％，
p：0.024％，
s：0.38％，
te,且te的含量满足te/s＝0.068，
mo：1.93％，
v：0.12％，
ni：0.21％，
bi：0.15％，
o：0.018％，
nb：0.025％，
余量为fe和无法避免的杂质，各个组分的重量百分数之和为100％。
前述环保型易切削铁素体不锈钢，所述不锈钢的微观组织为铁素体，晶粒度≥10级。
前述环保型易切削铁素体不锈钢，所述不锈钢的a类粗系夹杂物面积占比≥50％。
前述环保型易切削铁素体不锈钢，所述不锈钢硬度为hv260-300，在相同横截面上硬度的波动范围≤hv15。
另一方面，本发明提供一种环保型易切削铁素体不锈钢的制造方法，包括：
(1)废钢、纯铁以及合金为原料，按比例先后加入电炉中熔炼，对其进行预处理；
(2)将经过预处理的钢水浇铸成2～3吨的钢锭；
(3)当钢锭冷却至700℃以上，优选为800℃以上时送至方坯轧制车间，加热轧制成小方坯。
(4)直接将小方坯送入棒材连轧机组，在1050-1200℃，优选为1100-1180℃温度开轧，轧制成不锈钢圆棒。
前述的制造方法，步骤(1)中预处理为在1450～1600℃，优选为1500～1580℃的温度吹纯氩气弱搅拌不少于10分钟。
前述的制造方法，步骤(1)中原料中含bi和含te物料为直径小于20mm的细碎合金，且在浇铸前两分钟添加。
前述的制造方法，步骤(1)中预处理过程中要精确控氧，且钢水成分重量百分比达到下列比例才能进行步骤(2)的钢水浇铸：
c0.006～0.020％，si0.3～0.6％，mn1.0～1.2％，cr18.5～22.0％，p0.02～0.04％，s0.30～0.45％，te,且te的含量满足te/s<0.07，mo1.5～2.0％，v0.08～0.18％，ni0.15～0.25％，bi0.10～0.20％，o0.012～0.020％，nb0.015～0.040％，各个组分的重量百分数之和为100％。
优选地，c0.008～0.018％，si0.4～0.6％，mn1.05～1.18％，cr19.0～21.0％，p0.02～0.03％，s0.35～0.45％，te,且te的含量满足te/s<0.07，mo1.7～2.0％，v0.10～0.15％，ni0.18～0.22％，bi0.12～0.18％，o0.013～0.018％，nb0.025～0.035％，各个组分的重量百分数之和为100％。
前述的制造方法，步骤(4)中所述小方坯轧制时，不等其冷却至室温，直接送入下一步轧制，实现短流程连铸连轧。
前述的制造方法，步骤(4)中，将棒材连轧机组的粗轧机、中轧机、精轧机冷却水设为900～1000m3/小时，优选为920～1000m3/小时，同时将三号飞剪剪下的头尾长度增加为碳合金结构钢的情况下所剪下的头尾长度的1.5～2.5倍，优选为1.8～2.3倍，保证钢材头部温度较高，进入精轧机不劈头。
本发明的环保型易切削铁素体不锈钢解决了现有技术中的污染问题，通过易切削元素硫-铋-碲(s-bi-te)的复合添加，更好的提升了所述环保不锈钢的易切削性能。本发明的环保型易切削不锈钢适用于各种自动机床加工的小尺寸精密零配件加工。制造方法为使用废钢、纯铁加合金电炉冶炼，以及连铸连轧短流程技术，具有高效和低成本的特点，适合中小型特殊钢企业生产。
具体实施方式
为了进一步阐明本发明目的、特征及效果，下文将结合具体实施方式，对本发明作详细说明。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。
针对传统的易切削不锈钢材料含铅易对环境与人体造成危害的问题，本发明采用易切削元素硫-铋-碲(s-bi-te)复合添加，不添加铅(pb)元素，避免了该不锈钢在冶炼生产以及使用过程中对环境及人体的危害，是一种环保型的易切削不锈钢材料。该不锈钢制造方法为使用废钢、纯铁加合金电炉冶炼，以及连铸连轧短流程技术，具有生产效率高和成本低的特点，适合中小型特殊钢企业生产。
一方面，本发明提供了一种环保型易切削铁素体不锈钢，按重量百分比计，其包含：c0.006～0.020％，si0.3～0.6％，mn1.0～1.2％，cr18.5～22.0％，p0.02～0.04％，s0.30～0.45％，te,且te的含量满足te/s<0.07，mo1.5～2.0％，v0.08～0.18％，ni0.15～0.25％，bi0.10～0.20％，o0.012～0.020％，nb0.015～0.040％，fe和无法避免的杂质，各个组分的重量百分数之和为100％。优选为，c0.008～0.018％，si0.4～0.6％，mn1.05～1.18％，cr19.0～21.0％，p0.02～0.03％，s0.35～0.45％，te,且te的含量满足te/s<0.07，mo1.7～2.0％，v0.10～0.15％，ni0.18～0.22％，bi0.12～0.18％，o0.013～0.018％，nb0.025～0.035％，各个组分的重量百分数之和为100％。
同时，本发明也提供了一种环保型易切削铁素体不锈钢，按重量百分比计，其组成为：c0.006～0.020％，si0.3～0.6％，mn1.0～1.2％，cr18.5～22.0％，p0.02～0.04％，s0.30～0.45％，te,且te的含量满足te/s<0.07，mo1.5～2.0％，v0.08～0.18％，ni0.15～0.25％，bi0.10～0.20％，o0.012～0.020％，nb0.015～0.040％，fe和无法避免的杂质，各个组分的重量百分数之和为100％。优选为，c0.008～0.018％，si0.4～0.6％，mn1.05～1.18％，cr19.0～21.0％，p0.02～0.03％，s0.35～0.45％，te,且te的含量满足te/s<0.07，mo1.7～2.0％，v0.10～0.15％，ni0.18～0.22％，bi0.12～0.18％，o0.013～0.018％，nb0.025～0.035％，各个组分的重量百分数之和为100％。
以下是本发明所涉及的主要化学成分的作用及其限定说明：
碳：c元素可以在钢中形成碳化物，也能起到固溶强化作用，c在铁素体中的含量很低，过多的c含量会降低钢的耐腐蚀性和铁素体的韧性，本发明c含量不高于0.02％。
硅：si元素能够溶于铁素体，起到固溶强化的作用，但si含量过高会恶化耐蚀性，而且会降低冷加工性能。本发明控制si含量为0.3～0.6％。
铬：cr元素主要起到提高合金耐蚀性的作用，其含量越高，不锈钢耐腐蚀性能越高，但是cr可溶于铁素体，含量过高会增加钢的硬度和脆性。本发明控制cr含量为18.5～22.0％。
镍：ni可溶于铁素体，提高钢的耐腐蚀性能，但是ni的奥氏体稳定化作用非常强，而且价格比较贵。本发明控制ni含量为0.15～0.25％。
锰和硫：mn与s元素可化合形成mns，mns是塑性夹杂物，可作为切削断屑的裂纹源，有利于改善本发明不锈钢的易切削性。mn含量一般是s含量的2倍以上，本发明控制mn含量为1.0～1.2％，本发明控制s含量为0.3～0.45％。
钼：mo元素可以显著提高不锈钢的耐腐蚀性能，也是铁素体化元素，可以起固溶强化的作用，mo也是稀缺贵重元素，本发明控制mo含量为1.5～2.0％。
磷：p可改善钢的易切削性能，但是p显著增加不锈钢的冷脆性，本发明控制p含量为0.01～0.04％。
铋：bi与pb元素都具有较低的熔点，bi比pb的熔点更低，加工时可以润滑切削工具，只需pb含量的一半就可以达到相同的性能，大幅提升不锈钢的易切削性能。而且bi没有毒害作用，消除了pb元素的存在给生产及使用过程带来的危害。本发明设计bi含量为0.10～0.20％。
碲：te为表面活性极高的元素，能够有效降低变形过程中切变阻力，当te的含量满足te/s<0.07时，本发明不锈钢组织中会有mnte出现，部分碲化物存在于mns边缘，形成软的包裹层，可以减少mns的受压变形，减小mns夹杂的长宽比，有利于提高切削性能。
氧：o含量可以调节s在钢液中的溶解度，对形成硫化物的数量和形态产生影响，合适的氧含量有利于mns夹杂物形态由b类向a类转变，使其平均直径和面积分数增大，数量减少，长宽比减小，提升易切削性能，所以本发明要求钢中精确控氧，控制o含量为0.012～0.020％。
钒和铌：v和nb均会与钢中c、n形成夹杂物，细化奥氏体的晶粒。但过多的v和nb会形成粗大的夹杂物，损害组织的性能。本发明控制v含量为0.08～0.18％，本发明控制nb含量为0.015～0.040％。
根据本发明所述环保型易切削铁素体不锈钢材料中的a类夹杂物是塑性夹杂物，其含量高、形态多为椭圆形，分布较均匀，在加工过程使车削屑更易断裂脱落，避免粘刀，延长刀具使用寿命。
测定根据本发明所述环保型易切削铁素体不锈钢材料的硬度，具体方法如下：截取一段制得的不锈钢圆棒，高度为10～20mm，使用1000#砂纸将截面打磨平滑，置于维氏硬度仪载物台。硬度仪载荷设置为0.3(或0.5/1.0)kg，分别在待测面上测量5个不同位置的硬度值，分别为中心点，以及中心点上、下、左、右四个不同方向上至边缘的中间位置。
结果表明，本发明不锈钢材料的硬度为hv260-300，在相同横截面上硬度波动范围≤hv20，保证了其在自动机床上的加工稳定性，非常有利于提高产品加工质量。
另一方面，本发明提供了所述环保型易切削铁素体不锈钢的制备方法，包括：
(1)废钢、纯铁以及合金为原料，按比例先后加入电炉中熔炼，对其进行预处理；
(2)将经过预处理的钢水浇铸成2～3吨的钢锭；
(3)当钢锭冷却至700℃以上时送至方坯轧制车间，加热轧制成小方坯；
(4)直接将小方坯送入棒材连轧机组，在1100-1180℃温度开轧，轧制成不锈钢圆棒。
前述的制造方法，步骤(1)中预处理为在1550～1600℃的温度吹纯氩气弱搅拌不少于10分钟。
前述的制造方法，步骤(1)中，因为bi和te熔点较低，加入过早合金收得率低，所以含bi和含te物料在浇铸前两分钟添加，且物料为直径小于20mm的细碎合金，以利于及时熔化。
前述的制造方法，步骤(1)中钢水预处理过程中要精确控氧，钢水成分重量百分比达到下列比例进行步骤(2)的钢水浇铸：
c0.006～0.020％，si0.3～0.6％，mn1.0～1.2％，cr18.5～22.0％，p0.02～0.04％，s0.30～0.45％，te,且te的含量满足te/s<0.07，mo1.5～2.0％，v0.08～0.18％，ni0.15～0.25％，bi0.10～0.20％，o0.012～0.020％，nb0.015～0.040％，各个组分的重量百分数之和为100％。
前述的制造方法，步骤(4)中，不等钢锭和小方坯冷却至室温，直接送入下一步轧制，实现短流程连铸连轧。
前述的制造方法，步骤(4)中，将棒材连轧机组的粗轧机、中轧机、精轧机冷却水设为900～1000m3/小时，同时将三号飞剪剪下的头尾长度增加为碳合金结构钢的情况下所剪下的头尾长度的1.5～2.5倍，保证钢材头部温度较高，进入精轧机不劈头。
实施例一
环保型易切削铁素体不锈钢的化学成分为：
将废钢、纯铁以及合金原料按上述比例在电炉中熔化，在1560℃的温度吹纯氩气冶炼12分钟，含bi和含te物料破碎为直径小于20mm的细碎合金，在浇铸前两分钟添加。冶炼过程中监测并调整化学成分，将钢水浇铸成2吨的钢锭。
钢锭在700℃时送至方坯轧制车间，加热轧制成小方坯。
直接将小方坯送入棒材连轧机组，在1160℃的温度开轧。在棒材轧制过程中，将连轧机组的粗轧机、中轧机、精轧机冷却水设为930m3/小时，同时将三号飞剪剪下的头尾长度增加为碳合金结构钢的情况下所剪下的头尾长度的1.8倍，保证钢材头部温度较高，在不劈头的情况下，进入精轧机，制得直径40mm圆钢。
根据本发明所述环保型易切削铁素体不锈钢材料中的a类夹杂物是塑性夹杂物mns，其重量百分比含量大于mns总含量的50％，形态多为椭圆形，分布较均匀。截取一段制得的不锈钢圆棒，使用1000#砂纸将截面打磨平滑，置于维氏硬度仪载物台。硬度仪载荷设置为0.5kg，分别在待测面上测量5个不同位置的硬度值，分别为中心点，以及中心点上、下、左、右四个不同方向上至边缘的中间位置，同一截面硬度测量值分别为hv283、hv269、hv287、hv278和hv288，加工性能稳定。
实施例二
环保型易切削铁素体不锈钢的化学成分为：
将废钢、纯铁以及合金原料按上述比例在电炉中熔化，在1580℃的温度吹纯氩气15分钟冶炼，含bi和含te物料破碎为直径小于20mm的细碎合金，在浇铸前两分钟添加。冶炼过程中监测并调整化学成分，将钢水浇铸成2.5吨的钢锭。
钢锭在750℃时送至方坯轧制车间，加热轧制成小方坯。
直接将小方坯送入棒材连轧机组，在1110℃的温度开轧。在棒材轧制过程中，将连轧机组的粗轧机、中轧机、精轧机冷却水设为960m3/小时，同时将三号飞剪剪下的头尾长度增加为碳合金结构钢的情况下所剪下的头尾长度的2.3倍，保证钢材头部温度较高，在不劈头的情况下，进入精轧机，制得直径60mm圆钢。
根据本发明所述环保型易切削铁素体不锈钢材料中的a类夹杂物是塑性夹杂物mns，其重量百分比含量大于mns总含量的50％，形态多为椭圆形，分布较均匀。截取一段制得的不锈钢圆棒，使用1000#砂纸将截面打磨平滑，置于维氏硬度仪载物台。硬度仪载荷设置为0.5kg，分别在待测面上测量5个不同位置的硬度值，分别为中心点，以及中心点上、下、左、右四个不同方向上至边缘的中间位置，同一截面硬度测量值分别为hv286、hv275、hv282、hv287和hv267，加工性能稳定。
实施例三
环保型易切削铁素体不锈钢的化学成分为：
将废钢、纯铁以及合金原料按上述比例在电炉中熔化，在1600℃的温度吹纯氩气11分钟冶炼，含bi和含te物料破碎为直径小于20mm的细碎合金，在浇铸前两分钟添加。冶炼过程中监测并调整化学成分，将钢水浇铸成2.8吨的钢锭。
钢锭在780℃时送至方坯轧制车间，加热轧制成小方坯。
直接将小方坯送入棒材连轧机组，在1150℃的温度开轧。在棒材轧制过程中，将连轧机组的粗轧机、中轧机、精轧机冷却水设为1000m3/小时，同时将三号飞剪剪下的头尾长度增加为碳合金结构钢的情况下所剪下的头尾长度的2.5倍，保证钢材头部温度较高，在不劈头的情况下，进入精轧机，制得直径80mm圆钢。
根据本发明所述环保型易切削铁素体不锈钢材料中的a类夹杂物是塑性夹杂物mns，其重量百分比含量大于mns总含量的50％，形态多为椭圆形，分布较均匀。截取一段制得的不锈钢圆棒，使用1000#砂纸将截面打磨平滑，置于维氏硬度仪载物台。硬度仪载荷设置为0.5kg，分别在待测面上测量5个不同位置的硬度值，分别为中心点，以及中心点上、下、左、右四个不同方向上至边缘的中间位置，同一截面硬度测量值分别为hv283、hv289、hv292、hv278和hv295，加工性能稳定。
实施例四
环保型易切削铁素体不锈钢的化学成分为：
将废钢、纯铁以及合金原料按上述比例在电炉中熔化，在1590℃的温度吹纯氩气13分钟冶炼，含bi和含te物料破碎为直径小于20mm的细碎合金，在浇铸前两分钟添加。冶炼过程中监测并调整化学成分，将钢水浇铸成3.0吨的钢锭。
钢锭在800℃时送至方坯轧制车间，加热轧制成小方坯。
直接将小方坯送入棒材连轧机组，在1170℃的温度开轧。在棒材轧制过程中，将连轧机组的粗轧机、中轧机、精轧机冷却水设为990m3/小时，同时将三号飞剪剪下的头尾长度增加为碳合金结构钢的情况下所剪下的头尾长度的2.0倍，保证钢材头部温度较高，在不劈头的情况下，进入精轧机，制得直径70mm圆钢。
根据本发明所述环保型易切削铁素体不锈钢材料中的a类夹杂物是塑性夹杂物mns，其重量百分比含量大于mns总含量的50％，形态多为椭圆形，分布较均匀。截取一段制得的不锈钢圆棒，使用1000#砂纸将截面打磨平滑，置于维氏硬度仪载物台。硬度仪载荷设置为0.5kg，分别在待测面上测量5个不同位置的硬度值，分别为中心点，以及中心点上、下、左、右四个不同方向上至边缘的中间位置，同一截面硬度测量值分别为hv280、hv290、hv294、hv279和hv297，加工性能稳定。
本发明在上文公开的优选实施例，本领域的技术人员应理解的是，这些实施例仅用于描绘本发明，而不应理解为限制本发明的范围，所以，凡是与这些实施例等效的变化与置换，均应设为涵盖于本发明的权利要求范围内。本发明的保护范围应当以权利要求书中所界定的范围为准。