夾雜物對易切削鋼性能的影響機理研究

秦春節，夏明哲，屠立群

(浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014)

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夾雜物對易切削鋼性能的影響機理研究

秦春節，夏明哲，屠立群

(浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014)

摘要：為了研究易切削鋼中納米級夾雜物與其機械性能的關聯，對兩種典型易切削鋼進行性能測試以及利用掃描電鏡、透射電鏡觀察其表面夾雜物的分布、形狀和各元素的質量分數.研究中發現樣品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，同時夾雜物MnS對于硬質元素的包裹性能更好，從微觀上闡述了兩種材料在機械加工性能上的區別，為易切削鋼切削加工工藝的制定提供指導.

關鍵詞：易切削鋼；雜質；納米級；機械性能

易切削鋼是一種切削性能優越的合金鋼，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的夾雜物在切削加工時可以在刀具和材料間起到潤滑作用，同時又能夠作為應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、種類、數量、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、數量更多的微結構特征也對鋼的切削性能有明顯增強，同時能消除各向異性，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構有文獻報道，但限于分析儀器性能的局限性未見對納米級夾雜物的成分、形狀和分布狀態進行系統研究，而那些數量眾多的納米級夾雜物的影響同樣非常重要.因此，通過對中國產圓珠筆頭用易切削鋼與日本進口同類易切削鋼微觀組織結構特別是納米級夾雜物的測試與分析，并進行對比研究，總結夾雜物對易切削鋼切削性能的影響，對指導生產有重要意義.

1試樣制備與實驗方法

樣品Ⅰ為中國產易切削鋼，樣品Ⅱ為日本下村特殊精工的SF20T鋼.樣品Ⅰ和樣品Ⅱ為“S—Pb系”復合易切削不銹鋼.

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型場發射掃描電鏡對鋼中夾雜物的形態、大小、分布及其組織進行較為宏觀的分析和測試.進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樣品的表面選區并做納米級分析.

2試驗結果與分析

2.1夾雜物元素的質量分數及其分布

樣品Ⅰ，Ⅱ的主要化學成分的質量分數，見表1.樣品Ⅰ硫元素的質量分數為0.21%，屬于高硫型，并復合添加了微量的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質量分數較高，同時檢測出了Ni元素.

表1　主要化學成分的質量分數

圖1，2為掃描電鏡下材料表面夾雜物形態圖，表2，3分別是相應位置用EDS測出其各元素的質量分數.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黑色區域與白色亮斑，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，切削力會引起不同程度大小的應力集中，而其中起到應力集中源作用的便是這些夾雜物.夾雜物能夠對位錯運動或者塑性變形產生阻礙作用，從而使夾雜物的某些部位產生了裂紋，并誘發更多的顯微裂紋.這些產生的裂紋能夠在應力集中源中擴展開來，從而使第一變形區變窄，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

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表3　樣品Ⅱ表面對應點的化學質量分數

圖3，4為透射電鏡下，樣品Ⅰ與樣品Ⅱ在暗場像中夾雜物的形態.透射電鏡暗場像下圖像襯度大，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度硬度，在加工過程中容易對刀具造成磨損.從圖3，4可以看出：樣品Ⅱ夾雜物中MnS對碳化物與氧化物的包裹性更好，避免堅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的這種球形的復合夾雜物對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、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夾雜物數量眾多、分布均勻.一般認為，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].對比圖5，6可見，樣品Ⅱ MnS夾雜物形態更利于切削，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

對圖5(b)和圖6(b)的夾雜物進行測量統計，得到結果(表4).其中樣品Ⅰ共測得夾雜物124個，其平均尺寸為3.5 μm，大多數在1.5～5.0 μm，約占總數的91%；樣品Ⅱ共測得夾雜物127個，其平均尺寸為5 μm，大多數在2.5～7.0 μm，約占總數的89%，比較集中.可見，樣品Ⅱ中MnS夾雜物的形態較大.

表4　MnS夾雜物大小統計

2.3切削性能試驗

對樣品Ⅰ與樣品Ⅱ成品線材在瑞士MIKRON LX-24機床上(有切削油條件下)，使用(M200超硬合金)刀具進行切削性能試驗，進給量f=0.013 mm/r，主軸轉速s=19 000 r/min，通過改變切削深度ap得到不同的試驗數據如圖7.圖7(a)中ap=0.10 mm時，樣品Ⅰ的折線與ap=0.15 mm時樣品Ⅰ的折線重合；圖7(b)中ap=0.10 mm時，樣品Ⅰ的折線與ap=0.20 mm時樣品Ⅱ的折線重合.由圖7可知：在相同的ap條件下，試驗時間較少時，樣品Ⅰ與樣品Ⅱ的刀具磨損沒有明顯的區別.隨著切削時間增加，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，在切削加工時需要定時清理.由表1可知：樣品Ⅱ中C的質量分數較低，C元素主要能提高鋼的強度，質量分數較低會導致鋼的韌性提高，從而使切屑呈螺旋狀，不利于排屑.

3結論

樣品Ⅰ與樣品Ⅱ中易切削相主要為MnS和Pb及其與Te形成的復合夾雜物.樣品Ⅱ中MnS夾雜物與樣品Ⅰ相比，顆粒較大，數量更多，分布更均勻，形態多為圓形或紡錘形，且對于Mo與Cr的碳化物這類共存相擁有良好的包裹性，避免這類堅硬的碳化物直接接觸刀具，使樣品Ⅱ的切削性能優于樣品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的表現更加優秀.在切屑形態控制方面，由于樣品Ⅱ中C元素的質量分數過低，使鋼的韌性較高，導致樣品Ⅱ的切屑呈螺旋狀，不利于排屑，需定時清理.而樣品Ⅰ切屑形態呈粉末顆粒狀，排屑性能更優.

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(責任編輯：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：1006-4303(2015)04-0412-04

中圖分類號：TG142.71

文獻標志碼：A

作者簡介：秦春節(1969—)，女，安徽蕪湖人，高級實驗師，碩士，主要從事材料性能試驗、機械設計與理論研究，E-mail:qcj@zjut.edu.cn.

收稿日期：2015-03-05