以锡代铅研制环保型易切削钢

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2003.041.006 第25卷第4期 北京科技大学学报 Vol.25 No.4 2003年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2003 以锡代铅研制环保型易切削钢 李联生)朱荣)郭汉杰”董杰)李丰功 1)北京科技大学冶金学院，北京1000832)莱芜钢铁股份有限公司技术中心，莱芜271104 摘要以锡代铅研制了一种含锡的环保型易切削钢，并进行了切削及力学性能试验.结果 表明，在含量小于0.05%（质量分数）时，锡能明显改善钢的易切削性能，未发现对钢的力学性 能有不利的影响， 关键词易切削钢：锡：环保 分类号T℉741.322 在易切削钢中，铅系的产量仅次于硫系而居 钢中非金属夹杂物形态和数量的关键因素之一， 于第二位，而且铅系易切削钢有良好的力学性能 要进行严格监控，本实验使用北京科技大学固体 和热处理性，常用于制造各种机械零件和汽车零 电解质研究室生产的快速定氧测头即时监控钢 件，然而由于铅污染环境以及铅在废钢回收熔炼 液中氧活度.熔清后氧活度为100×10~130×10~6. 过程中的有害作用，其应用受到了限制.欧洲共 然后加入130g中碳锰铁(Fe-Mn,Mn69.4%,C 同体有关条例已停止回收再利用含铅的汽车零 1.37%)进行预脱氧，使钢液氧活度保持在70×10 件.美英日等国已开始研制无铅易切削钢，例如 -6-80x10-.然后加入150g硫化亚铁(FeS)、6g增 美国西部钢铁集团公司(Western Steel Group Inc) 碳剂(C)、65g磷铁（含P17%)及1.6-17g的锡. 研制出了DK1205冷拔易切削再硫化和回磷型钢 最后浇铸成直径为60mm,长200mm的圆锭. 以及用铋作为主要添加剂的DK1210易切削钢. 将钢锭在马弗炉中升温至1150℃，保温一段 鉴于锡与铅在化学元素周期表同属一族，物理和 时间后，将其锻成中40mm的圆坯，最后在空气中 化学性质很相近，锡有可能替代铅作为易切削钢 冷却至室温备用， 元素，近年来国外开始了含锡易切削钢的研究工 1.2切削试验 作，但国内尚未见到相关报道.因此，本文以 切削试验在北京科技大学实验工厂的C6130 Q235钢为基础钢研究了锡对钢材的切削和力学 车床上进行.采用高速钢（白钢）刀将锻坯车削 性能的影响. 成36mm,长300mm的圆棒.刀具均在工具磨床 上磨成相同规格：主偏角k=75°，副偏角←75°， 1实验 前角%-6°，后角=16°，刃倾角1，=-3°，副倒 1.1冶炼及热加工 棱0.2mm,刀尖圆弧半径R=0.5mm. 冶炼实验在北京科技大学材料科学与工程 车削时随着工件直径减小，分两次增加车床 学院铸造实验室的20kg感应炉中进行.每次熔 主轴转速（共采用三档：200rmin,320 r/min,550r/ 炼用18kgQ235钢，其主要元素的含量（质量分 min)以保证其平均切削速度在25m/min左右.走 数，%)为：C,0.17；Si,0.31;Mn,0.07;E,0.020:S, 刀速度为0.096mmr,背吃刀量1.0mm.连续车削 0.025.熔清后用100g中性渣(35gCa0,35gSi02, 试样一定时间(3~6min)后停车，取下刀具在读数 30gA12O)覆盖钢液以减少氧化.氧含量是影响 显微镜下观察并测量后刀面的磨损情况， 13力学性能测试 收稿日期200301-23李联生男，57岁，教授 力学性能试样测试段6mm×35mm,两端夹 *国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助项目 持部分为M12的螺柱，试样总长80mm. (No.50274004)

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 主 ’ 祖 加 以锡代铅研制环保型 易切 削钢 李联生 ‘， 朱 荣 ” 郭汉 杰 ” 董 杰 ” 李丰功 ， 北 京科技大 学 冶金学 院 ， 北京 莱芜钢 铁股 份有 限公 司 技术 中心 ， 莱芜 摘 要 以锡 代铅研 制 了一 种 含锡 的环 保型 易切 削钢 ， 并进行 了切 削及 力学性 能试验 结果 表 明 ， 在含 量 小于 质量分 数 时 ， 锡 能 明显 改善钢 的易切 削性能 ， 未 发 现对钢 的力学性 能 有 不 利 的影 响 关键 词 易切 削钢 锡 环保 分 类号 作 在 易切 削钢 中 ， 铅 系 的产 量仅 次 于硫 系 而 居 于 第 二位 ， 而 且铅 系 易切 削钢 有 良好 的力 学性 能 和 热 处 理 性 ， 常用 于 制造 各种机械 零件和 汽 车零 件 然 而 由于铅 污 染环 境 以及铅 在废钢 回收熔炼 过 程 中 的有 害 作用 ， 其 应 用 受 到 了 限制 欧 洲 共 同体 有 关 条 例 已 停 止 回 收 再 利 用 含 铅 的汽 车 零 件 美英 日等 国 己 开 始研制 无铅 易切 削钢 ‘ ， 例 如 美 国西 部 钢 铁集 团公 司 几 研制 出 了 冷拔 易切 削再硫 化 和 回磷 型 钢 以及用 秘 作 为主 要 添 加 剂 的 易切 削钢 份， 鉴 于 锡 与铅 在化 学元 素周 期表 同属 一族 ， 物 理 和 化 学性质 很相近 ， 锡 有 可 能替代 铅 作 为 易切 削钢 元 素 ， 近 年 来 国外 开始 了含 锡易切 削钢 的研 究工 作 ‘ 一 ，， 但 国 内 尚未 见 到 相 关 报 道 因 此 ， 本 文 以 钢 为 基 础 钢 研 究 了锡 对 钢 材 的切 削 和 力 学 性 能 的影 响 实验 冶炼 及 热加 工 冶 炼 实验 在 北 京 科 技 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院铸 造 实验 室 的 魄 感 应 炉 中进 行 每 次熔 炼用 钢 ， 其 主 要 元 素 的含 量 质 量 分 数 ， 为 ， ， ， ， ， 熔清 后 用 中性渣 ， ， 覆 盖 钢 液 以减 少 氧 化 氧 含 量 是 影 响 收稿 日期 刁 佗 李联生 男 ， 岁 ， 教授 国 家 自然 科 学 基 金 和 上 海 宝 钢 集 团 公 司 联 合 资 助 项 目 钢 中非 金属 夹 杂物形态 和 数 量 的关 键 因素之 一 ， 要 进行 严 格监 控 本 实验 使用 北 京科 技 大 学 固体 电解 质 研 究 室 生 产 的快 速 定氧测 头 即 时监 控 钢 液 中氧 活度 熔清 后 氧 活度 为 一 “ 然 后 加 入 中碳锰 铁 一 ， ， 进行 预 脱 氧 ， 使钢 液氧 活 度 保 持在 一 一 一 气然 后 加 入 硫 化 亚 铁 、 增 碳 剂 、 磷 铁 含 及 一 的锡 最 后 浇 铸成 直 径 为 ， 长 的 圆锭 将 钢 锭 在 马 弗炉 中升 温 至 ℃ ， 保温一 段 时 间后 ， 将 其 锻 成 中 的 圆坯 ， 最 后 在 空气 中 冷 却 至 室 温 备 用 切 削试 验 切 削试验 在 北 京 科 技大 学 实验 工 厂 的 车床 上 进 行 采 用 高速钢 白钢 刀 将锻 坯 车 削 成 中 ， 长 的 圆棒 刀 具 均在 工 具 磨床 上 磨 成 相 同规 格 主 偏 角无 。 ， 副偏角瓜， 气 前 角 一 ， 后 角 。 ， 刃 倾 角凡 一 ， 副倒 棱 们。 ， 刀 尖 圆弧 半 径 车 削 时 随着 工 件直 径减 小 ， 分 两 次增 加 车床 主 轴转 速 共 采用 三 档 ， ， 以保 证 其平 均切 削速度 在 公 左 右 走 刀 速 度 为 浏耐 ， 背 吃 刀 量 连 续 车 削 试 样 一 定 时 间 一 后 停车 ， 取 下 刀 具在读数 显 微 镜 下观 察 并 测 量 后 刀 面 的磨 损 情 况 力学性 能测 试 力 学 性 能试 样 测 试 段中 幻以 ， 两 端夹 持 部 分 为 的螺 柱 ， 试 样 总 长 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．04．006

VoL25 No.4 李联生等：以锡代铅研制环保型易切削钢 ·313· 拉伸试验在北京科技大学新金属材料国家 2.2易切削性能的试验 重点实验室的MTS810材料试验机上进行， 试样的切削试验数据如图1所示，一般来说， 2结果及讨论 高速钢刀具的后刀面磨损宽度V达到0.50mm时 就认为它受到了剧烈的磨损，应停止使用.从图 2.1冶炼实验结果 中可以看出经过60mn的加工试验，车刀的后角 所炼Y20Sn易切削钢及国家标准(GB/T8731 磨损量八远小于0.50mm,尚未到使用寿命. 一1988)y胸中Y20易切削钢的成分如表1所示. 由图可看出，加锡的钢种的易切削性能明显 表1Y20Sn及国家标准(GB/T8731一1988)的成分（质量分数） Table 1 Composition of Y20Sn and some steels of the national standard(GB/T8731-1988) % 试样号 钢号 C Si Mn Pb Sn 1 Y20P 0.21 0.56 0.79 0.29 0.066 2 Y20Sn 0.21 0.56 0.80 0.28 0.068 一 0.013 3 Y20Sn 0.20 0.60 0.80 0.28 0.07 0.049 4 Y20Sn 0.20 0.58 0.79 0.29 0.068 0.088 GB/T8731-1988Y15P% 0.10-0.18 ≤0.15 0.80-1.20 0.23-0.33 0.05-0.10 0.15-0.35 GB/T8731-1988 Y20 0.170.25 0.150.350.70-1.00 0.080.15 ≤0.06 0.7 b) 0.6 0.4 0.5 0.3 日 0.4 0.3 0.2 0.2 0.1 0 10 2030405060 10 20 30 40 5060 t/min t/min 0.40 (c) 0.5 d 0.35 0.4 0.30 0.3 日 0.25 0.2 0.20 0.1 0 102030405060 0 1020 30 4050 t/min 图1切削刀具磨损曲线.(a)Y20P钢(1)，(b)Y20Sn钢(2)，(c)Y20Sn钢(3)，(dY20Sn钢（④）.1,2,3,4为表2中的试样号 Fig.1 Wear of the cutting tools made of (a)Y20P(1),(b)Y20Sn(2),(c)Y20Sn(3)and (d)Y20Sn(4) 高于不加锡的钢种：而在含锡易切削钢中，含锡 材具有较好的一切削性能 0.013%和0.049%的钢种的易切削性能比较好. 2.3力学性能测试结果 图2是加工后的Y20Sn易切削钢试样及切屑 Y20Sn钢的力学性能测试数据如表2所示， 照片.工件表面光滑，其表面粗糙度达到6.4m. 为了便于比较，同时列出了Y20和Y15Pb国家标 切屑为短小的断屑，说明锡含量小于0.05%时钢 准易切削钢的力学性能数据。从表中可以看出

李联 生等 以锡代铅研 制环 保型 易切 削钢 拉 伸 试 验 在 北 京 科技 大 学 新 金 属 材料 国家 重 点实验 室 的 材 料试 验 机 上 进 行 ， 结果 及 讨论 冶炼 实验 结 果 所炼 易切 削钢 及 国家标 准 厅 一 间 中 易切 削钢 的成 分 如 表 所 示 易切 削性 能的试验 试样 的切 削试验数据如 图 所 示 一般来说 ， 高速钢 刀 具 的后 刀 面磨 损 宽度 达 到 时 就 认 为它 受 到 了剧 烈 的磨损 ， 应 停止 使用 从 图 中可 以看 出经 过 的加 工试 验 ， 车 刀 的后 角 磨 损量 凡远 小 于 ， 尚未 到 使用 寿命 由图可看 出 ， 加锡 的钢 种 的 易切 削性 能 明显 表 及 国 家标 准 汀 一 ， 的成分 质 分数 介 汀 一 一月八一， 一︸︸， 月︶ 试样号 汀 一 厅 一 钢 号 葱 片，‘凡，月 … 八”︹︸ ︵月日 · … ︾ 一 产 矛 户月日 · ︾日 刀 刀川 一 ‘ 一了 卜 月︾︵日自 价月︾日台 刀 图 切 削 具磨损 曲线 钢 ， 钢 ， 钢 ， 钢 夕户 ， 为表 中的试样号 七 卜 ， 句 ， 高于 不 加锡 的钢 种 而 在含锡 易切 削钢 中 ， 含 锡 和 的钢 种 的易切 削性 能 比较 好 图 是 加 工 后 的 易切 削钢 试 样 及 切 屑 照 片 工 件 表 面 光 滑 ， 其 表 面 粗 糙度 达 到 阿 切 屑 为 短 小 的断 屑 ， 说 明锡 含 量 小于 时钢 材 具 有较好 的一 切 削性 能 力学性 能测 试 结 果 钢 的力 学性 能测 试 数 据 如 表 所 示 ， 为 了便 于 比较 ， 同 时列 出了 和 巧 国家标 准 易切 削钢 的力 学 性 能数 据 从 表 中可 以看 出

314。 北京科技大学学报 2003年第4期 (a) 大于0.05%时，强度和塑性都明显降低 3结论 锡可以替代铅作为易切削元素，提高钢的易 切削性能.当锡含量小于0.05%时，对钢的力学性 b 能无影响， 参考文献 1轶名.无铅加镁易切削钢).世界金属导报，2001， 10:9 2 Mason F.Free-machining steel,unleaded style [J].Am 图2加工后的切屑试样.(a)Y20Sn钢(1)，b)Y20Sn钢(2) Mach,1991,135(12):51 Fig.2 Workpiece of (a)Y20Sn(1)and(b)Y20Sn(2) 3 Reynolds P E,Abernethy K,Gilroy S P.The effect of cop- 表2Y20Sn及国家标准钢(GB/T8731一1988)的力学性能 per and tin on the properties of structural,wire rod and Table 2 Mechanic properties of Y20Sn and some steels of free cutting steels [A].ASM International Europe.The the national standard(GB/T8731-1988) Recycling of Metals(Belgium)[C].Brussels:ASM Inter- 试样号 钢号MPae/%%硬度HB national Europe,1999.231 Y20P46223.1336.28 ≤127 4 Bernsmann G,Bleymehl M,Ehl R,et al.The making of 2 Y20Sn46329.3355.41 ≤122 free cutting steels with additions of lead,bismuth,tellu- 3 Y20Sn45728.8858.75 ≤122 rium,selenium and tin [J].Stahl Eisen,2001,121(2):87 4 Y20Sn41110.0027.16 ≤122 5 Pennington J N."Green"steel eliminates lead [J].Mod GB/T8731-1988Y15Pb390-45022.0036.00 ≤170 Met,1999,55(11):38 GB/T8731-1988Y20450-60020.0030.00≤175 6贾耀卿.常用金属材料手册（上）M.北京：中国标 准出版社，1986 锡含量小于0.05%的Y20Sn钢性能达到了Y20钢 的性能标准，比Y15Pb性能好.而当钢中锡含量 Development of Non-leaded Free-Cutting Steel by Adding Tin LI Liansheng',ZHU Rong",GUO Hanjie",DONG Jie,LI Fenggong 1)Metallurgical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Technological Centre,Laiwu Steel Co Ltd,Laiwu 271104,China ABSTRACT A type of non-leaded free cutting steel was developed by adding tin into the steel melt.Machining tests and mechanical tests of the steel were conducted.The results showed that tin would improve the machinability of the steel when the tin content in the steel was less than 0.05%,and any negative influence was not found on the mechanical properties of the steel. KEY WORDS free cutting steel;tin;environment-friendly

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 大 于 时 ， 强度 和 塑 性 都 明显 降低 结论 锡 可 以替 代 铅 作 为 易切 削元 素 ， 提 高钢 的易 切 削性 能 当锡 含 量 小 于 时 ， 对 钢 的力学性 能 无 影 响 图 加 工 后 的切 屑试样 钢 ， 伪 钢 · 心 伪 表 及 国 家标准钢 一 的 力学性能 比 一 试 样号 钢 号 氏心侧 ￡ 叮 硬度 三 三 厅 一 三 汀 一 一 三 锡 含 量 小 于 的 钢 性 能达 到 了 钢 的性 能标准 ， 比 巧 性 能好 而 当钢 中锡 含 量 参 考 文 献 轶 名 无 铅 加 镁 易切 削钢 世界金属 导报 ， ， 一 ， 刀 ， ， ， ， ， 仍 ， ， ， 民 ， ， ， 刀 切由 ， ， ” ，， 而 月 以 ， ， 贾耀 卿 常 用 金属材料 手 册 上 〕 北京 中国标 准 出版社 ， 一 一 心 夕， 梦气 〔 ’ ’ ， 卫，， 创笋喇 】 电 ， ， ， ， 认叨 ， 、 ， 口 一 妙 耐 丫 ， 只 一 皿