秦春節(jié)，夏明哲，屠立群

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

?

夾雜物對(duì)易切削鋼性能的影響機(jī)理研究

秦春節(jié)，夏明哲，屠立群

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

摘要：為了研究易切削鋼中納米級(jí)夾雜物與其機(jī)械性能的關(guān)聯(lián)，對(duì)兩種典型易切削鋼進(jìn)行性能測(cè)試以及利用掃描電鏡、透射電鏡觀察其表面夾雜物的分布、形狀和各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù).研究中發(fā)現(xiàn)樣品Ⅱ在夾雜物的分布上更均勻，夾雜物顆粒大小適中，形狀多為球狀或紡錘狀，同時(shí)夾雜物MnS對(duì)于硬質(zhì)元素的包裹性能更好，從微觀上闡述了兩種材料在機(jī)械加工性能上的區(qū)別，為易切削鋼切削加工工藝的制定提供指導(dǎo).

關(guān)鍵詞：易切削鋼；雜質(zhì)；納米級(jí)；機(jī)械性能

易切削鋼是一種切削性能優(yōu)越的合金鋼，通過在鋼中加入一定量的一種或多種的磷、硫、鉛等易切削元素制成[1].易切削鋼中的易切削元素及相應(yīng)的夾雜物在切削加工時(shí)可以在刀具和材料間起到潤(rùn)滑作用，同時(shí)又能夠作為應(yīng)力集中源使切屑變得易碎，提高了工件表面的光潔度，從而改善了切削性能.大量研究表明，鋼中所含有的易切削相的形態(tài)、種類、數(shù)量、尺寸及分布情況在很大程度上決定了鋼的易切削性能[2].一般認(rèn)為紡錘形(或球狀)夾雜物更有利于提高可切削性，而夾雜物分布均勻、顆粒更細(xì)、數(shù)量更多的微結(jié)構(gòu)特征也對(duì)鋼的切削性能有明顯增強(qiáng)，同時(shí)能消除各向異性，有利于加工工藝[3-4].雖然易切削鋼中夾雜物的成分和組織結(jié)構(gòu)有文獻(xiàn)報(bào)道，但限于分析儀器性能的局限性未見對(duì)納米級(jí)夾雜物的成分、形狀和分布狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)研究，而那些數(shù)量眾多的納米級(jí)夾雜物的影響同樣非常重要.因此，通過對(duì)中國產(chǎn)圓珠筆頭用易切削鋼與日本進(jìn)口同類易切削鋼微觀組織結(jié)構(gòu)特別是納米級(jí)夾雜物的測(cè)試與分析，并進(jìn)行對(duì)比研究，總結(jié)夾雜物對(duì)易切削鋼切削性能的影響，對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)有重要意義.

1試樣制備與實(shí)驗(yàn)方法

樣品Ⅰ為中國產(chǎn)易切削鋼，樣品Ⅱ?yàn)槿毡鞠麓逄厥饩さ腟F20T鋼.樣品Ⅰ和樣品Ⅱ?yàn)椤癝—Pb系”復(fù)合易切削不銹鋼.

將樣品Ⅰ與樣品Ⅱ制成φ2.3 mm的成品線材，打磨、拋光后制成金相試樣，用日立S-4700型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)鋼中夾雜物的形態(tài)、大小、分布及其組織進(jìn)行較為宏觀的分析和測(cè)試.進(jìn)一步將線材通過低速鋸截短，雙面打磨拋光，然后利用離子減薄儀將樣品的厚度減薄至100 nm以下.在抽真空條件下，利用荷蘭Tecnai G2 F30 S-Twin型高分辨透射電鏡對(duì)樣品的表面選區(qū)并做納米級(jí)分析.

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1夾雜物元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其分布

樣品Ⅰ，Ⅱ的主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，見表1.樣品Ⅰ硫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%，屬于高硫型，并復(fù)合添加了微量的Pb，Te，Ti等易切削元素.與樣品Ⅱ相比，樣品Ⅰ中作為脫氧劑的Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，同時(shí)檢測(cè)出了Ni元素.

表1　主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖1，2為掃描電鏡下材料表面夾雜物形態(tài)圖，表2，3分別是相應(yīng)位置用EDS測(cè)出其各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù).圖1，2分別為5 000倍與2 500倍下的材料表面電鏡圖，表面夾雜物主要呈現(xiàn)黑色區(qū)域與白色亮斑，由表2，3分析可知：圖1中A處與圖2中A和B處主要成分為MnS，而亮斑部分由圖1中B處主要為Pb，基體部分主要為Fe與Cr.

鋼中S主要以MnS夾雜物的形式存在,起到改善鋼的切削性能的作用[1-3].切削過程中，切削力會(huì)引起不同程度大小的應(yīng)力集中，而其中起到應(yīng)力集中源作用的便是這些夾雜物.夾雜物能夠?qū)ξ诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)或者塑性變形產(chǎn)生阻礙作用，從而使夾雜物的某些部位產(chǎn)生了裂紋，并誘發(fā)更多的顯微裂紋.這些產(chǎn)生的裂紋能夠在應(yīng)力集中源中擴(kuò)展開來，從而使第一變形區(qū)變窄，剪切角增大，并降低了切削阻力，提高其切削加工性能[6].

圖1　樣品Ⅰ夾雜物形貌Fig.1　SEM image of inclusion morphology of specimen Ⅰ

圖2　樣品Ⅱ夾雜物形貌Fig.2　SEM image of inclusion morphology of specimen Ⅱ

%

表3　樣品Ⅱ表面對(duì)應(yīng)點(diǎn)的化學(xué)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖3，4為透射電鏡下，樣品Ⅰ與樣品Ⅱ在暗場(chǎng)像中夾雜物的形態(tài).透射電鏡暗場(chǎng)像下圖像襯度大，不同的亮度表示不同的元素成分[7].能譜分析結(jié)果表明：夾雜物中較亮的部分為Cr和Mo的碳化物及Cr的氧化物，較暗的部分為MnS.圖3中碳化物及氧化物分布在夾雜物的邊緣，MnS位于夾雜物中心部分；圖4中碳化物及氧化物位于夾雜物的一端，被MnS包裹起來.

Mo與Cr的碳化物及Cr的氧化物擁有較高的強(qiáng)度硬度，在加工過程中容易對(duì)刀具造成磨損.從圖3，4可以看出：樣品Ⅱ夾雜物中MnS對(duì)碳化物與氧化物的包裹性更好，避免堅(jiān)硬的碳化物直接與刀具接觸，提高了材料的切削性能，而樣品Ⅰ夾雜物元素的分布不是十分利于切削.如樣品Ⅱ的這種球形的復(fù)合夾雜物對(duì)提高鋼材切削性能最為有效[8].

圖3　樣品Ⅰ透射電鏡圖Fig.3　TEM image of the inclusion of specimen Ⅰ

圖4　樣品Ⅱ透射電鏡圖Fig.4　TEM image of the inclusion of specimen Ⅱ

2.2MnS夾雜物的形態(tài)、大小與分布

圖5，6分別為樣品Ⅰ、樣品Ⅱ在掃描電鏡下其表面MnS夾雜物的形態(tài)及分布.圖6(a)中在高倍(×1 000)電鏡下，樣品Ⅱ的MnS夾雜物形態(tài)多為圓形及紡錘形，少量呈帶尖角的圓形；圖6(b)中在低倍(×250)鏡頭下，MnS夾雜物數(shù)量眾多、分布均勻.一般認(rèn)為，圓形及紡錘形的MnS夾雜最有利于材料的切削性能，而且，MnS夾雜物數(shù)量較多、顆粒較大且分布均勻，可以提高材料的切削性能[9-11].對(duì)比圖5，6可見，樣品Ⅱ MnS夾雜物形態(tài)更利于切削，分布更均勻，顯示出良好的分布特征[12].

圖5　樣品Ⅰ表面掃描電鏡圖Fig.5　SEM images of specimen Ⅰ

圖6　樣品Ⅱ表面掃描電鏡圖Fig.6　SEM images of specimen Ⅱ

對(duì)圖5(b)和圖6(b)的夾雜物進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)，得到結(jié)果(表4).其中樣品Ⅰ共測(cè)得夾雜物124個(gè)，其平均尺寸為3.5 μm，大多數(shù)在1.5～5.0 μm，約占總數(shù)的91%；樣品Ⅱ共測(cè)得夾雜物127個(gè)，其平均尺寸為5 μm，大多數(shù)在2.5～7.0 μm，約占總數(shù)的89%，比較集中.可見，樣品Ⅱ中MnS夾雜物的形態(tài)較大.

表4　MnS夾雜物大小統(tǒng)計(jì)

2.3切削性能試驗(yàn)

對(duì)樣品Ⅰ與樣品Ⅱ成品線材在瑞士MIKRON LX-24機(jī)床上(有切削油條件下)，使用(M200超硬合金)刀具進(jìn)行切削性能試驗(yàn)，進(jìn)給量f=0.013 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速s=19 000 r/min，通過改變切削深度ap得到不同的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7.圖7(a)中ap=0.10 mm時(shí)，樣品Ⅰ的折線與ap=0.15 mm時(shí)樣品Ⅰ的折線重合；圖7(b)中ap=0.10 mm時(shí)，樣品Ⅰ的折線與ap=0.20 mm時(shí)樣品Ⅱ的折線重合.由圖7可知：在相同的ap條件下，試驗(yàn)時(shí)間較少時(shí)，樣品Ⅰ與樣品Ⅱ的刀具磨損沒有明顯的區(qū)別.隨著切削時(shí)間增加，樣品Ⅰ的加工刀具的磨損較之樣品Ⅱ的磨損量增大.在相同切削條件下，加工表面粗糙度值樣品Ⅰ均大于樣品Ⅱ.

圖7　樣品Ⅰ與樣品Ⅱ切削試驗(yàn)Fig.7　The result of cutting-test of specimen

圖8　樣品切屑形貌Fig.8　Morphology of the chip of specimen

圖8為樣品Ⅰ與樣品Ⅱ的切屑形貌.圖8(a)切屑形貌多為顆粒粉狀，利于切屑的排出.圖8(b)切屑形貌多為螺旋狀，不利于排屑，在切削加工時(shí)需要定時(shí)清理.由表1可知：樣品Ⅱ中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，C元素主要能提高鋼的強(qiáng)度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低會(huì)導(dǎo)致鋼的韌性提高，從而使切屑呈螺旋狀，不利于排屑.

3結(jié)論

樣品Ⅰ與樣品Ⅱ中易切削相主要為MnS和Pb及其與Te形成的復(fù)合夾雜物.樣品Ⅱ中MnS夾雜物與樣品Ⅰ相比，顆粒較大，數(shù)量更多，分布更均勻，形態(tài)多為圓形或紡錘形，且對(duì)于Mo與Cr的碳化物這類共存相擁有良好的包裹性，避免這類堅(jiān)硬的碳化物直接接觸刀具，使樣品Ⅱ的切削性能優(yōu)于樣品Ⅰ.因此，在切削性能試樣中，無論是表面粗糙度還是刀具磨損情況，樣品Ⅱ的表現(xiàn)更加優(yōu)秀.在切屑形態(tài)控制方面，由于樣品Ⅱ中C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低，使鋼的韌性較高，導(dǎo)致樣品Ⅱ的切屑呈螺旋狀，不利于排屑，需定時(shí)清理.而樣品Ⅰ切屑形態(tài)呈粉末顆粒狀，排屑性能更優(yōu).

參考文獻(xiàn)：

[1]MATSUI N, HASEGAWA T, FUJIWARA J. Effect of sulfide inclusion morphology on machinability and tool wear mechanism in low carbon free cutting steel[J]. Journal of the Japan Society of Precision Engineering，2011，77(3)：322．

[2]劉海濤，陳偉慶，涂生，等．低碳高硫易切削鋼中氧化物夾雜對(duì)可切削性能的影響[J]．鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2012，32(11)：15-18．

[3]楊芳兒，沈濤，鄭曉華，等．脈沖激光沉積CNx薄膜的微觀組織結(jié)構(gòu)表征[J]．浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，41(4)：369-374．

[4]劉春堂，唐道文，周英豪．低碳硫鉍易切削鋼的生產(chǎn)工藝實(shí)踐[J]．煉鋼，2012(6)：22-24．

[5]陳希春，王飛，史成斌，等．電渣重熔工藝對(duì)GH4169脫硫的影響[J]．鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2012，33(12)：11-16．

[6]POULACHON G， DESSOLY M， CALVEZ C L， et al． An investigation of the influence of sulphide in clusions on tool wear in high speed milling of tool steels[ J]．Wear，2001，250：334．

[7]隋成華，韋成軍，蔡萍根，等．核-殼CdO/ZnO量子點(diǎn)的制備及其光學(xué)特性研究[J]．浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，42(3)：326-329．

[8]MASON F． Free-machining steel，unleaded style[J]．American Machinist，1991，135(12)：51．

[9]吳迪，李壯．含硫、稀土、鉍等合金元素的易切削奧氏體不銹鋼研究[J]．鋼鐵，2011(8)：78-82．

[10]赤澤正久．硫磺易切削鋼的制造與產(chǎn)品特性[J]．南鋼科技，2002(3)：73．

[11]KRIZAN D, SPIRADEK-HAHN K, PICHLER A. Relationship between microstructure and mechanical properties in Nb-V microalloyed TRIP steel[J]．Materials Science and Technology，2015，31(6)：661-668．

[12]SOUSA M N, EVANGELISTA LUIZ N, DE OLIVEIRA D C, et al. Effect of residual chemical elements (Cr, Ni and Cu) on machinabilityof leaded low carbon free machining steels[J]. Materials Science and Technology，2012，28(2)：220-226．

(責(zé)任編輯：劉巖)

Study on the effect of inclusion on properties of free-cutting steel

QIN Chunjie, XIA Mingzhe, TU Liqun

(College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310032, China)

Abstract:The approach to analysis mechanical properties with the distribution, shape and element content of inclusion which is observed by SEM,TEM, which is used to study the relationship between the machining property and the nano inclusion in each specimen. The result shows that the inclusion in specimen Ⅱ has an uniform distribution that has appropriate size and good shape. The shape of most inclusion in specimen Ⅱ is spherical or spindle, and the structure that MnS surround the element which is easy to form hard compound is better. It explains the difference between two free-cutting steels in machining property.

Keywords:free-cutting steels；inclusion；nanometer level；machining property

文章編號(hào)：1006-4303(2015)04-0412-04

中圖分類號(hào)：TG142.71

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：秦春節(jié)(1969—)，女，安徽蕪湖人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事材料性能試驗(yàn)、機(jī)械設(shè)計(jì)與理論研究，E-mail:qcj@zjut.edu.cn.

收稿日期：2015-03-05