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彡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> lOOOMPa)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 :彡 0? 15 %、S :0? 050 - 0? 350 %、A1 : > 0? 010 % 至彡 0? 020 %、Nb :0? 015 - 0? 200%、0 :0? 0015 - 0? 0150%、N :彡 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 〇% )，Mn :0? 30 - 2. 00%，P :0? 01 - 0? 15%，S :0? 35 - 0? 65%，0 :0? 0100 - 0.0250%，N:0.020%或更少，A1 :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）：〇. 30-0. 40% C、0. 50-0. 70% Si、0. 80-1. 20% Mn、 不超过 〇? 040% 的 P、0. 030-0. 060% S、0. 010-0. 040% A1、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，提供一种抗拉强度彡1200MPa，屈服强度彡850MPa、 延伸率A3 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： 钒微合金化BN系Rel彡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 彡 0? 015 %、S 彡 0? 015 %、N :0? 03 ? 0. 05 %、B :0. 01 ?0. 02 %、A1 :0. 01 ?0. 03 %、V :0. 1 ?0. 15 %，其余为 Fe 及不可避免的 杂质。
[0013] 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 彡 0? 015 %、S 彡 0? 015 %、N :0? 037 ?0? 048 %、B :0? 015 ?0? 02 %、 A1 :0. 018 ?0. 028 %、V :0. 12 ?0. 15 %。
[0014] 钒微合金化BN系Rel彡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 彡 0? 015%、S 彡 0? 015%、N :0? 03 ? 0? 05%、B :0? 01 ?0? 02%、A1 :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。
[0015] 优选地：C的重量百分比含量为：0? 35?0? 45%。
[0016] 优选地：B的重量百分比含量为：0. 015?0. 020%。
[0017] 优选地：N的重量百分比含量为：0. 040?0. 050%。
[0018] 优选地：V的重量百分比含量为0? 051?0? 070%。
[0019] 优选地：Ti的重量百分比含量为0. 020?0. 030%。
[0020] 生产钒微合金化BN系Rel彡1200MPa非调质易切削钢的方法，其步骤： 1) 冶炼并连铸成述； 2) 对方坯加热，控制加热温度为1150?1250°C，保温时间120?150min ; 3) 热轧成棒钢：控制粗轧开轧温度在1100?1200°C ;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°C /min下冷却到300?500°C ; 5) 经打捆后入坑进行缓冷，冷却至室温。
[0021] 本发明中各元素及主要工序的作用 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%。
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