圆珠笔头用环保超易切削不锈钢的组织与性能

2020-05-12郭亨长吴开明

武汉科技大学学报 2020年2期

郭亨长，吴开明，黄刚

(1. 上海晨光文具股份有限公司中国轻工业制笔工程技术重点实验室，上海，201406；2. 武汉科技大学理学院，湖北武汉，430065；3. 武汉科技大学冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室，湖北武汉，430065)

圆珠笔是一种采用圆形球珠在球座体内滚动带出书写介质形成字迹的书写工具，笔头是决定书写性能的核心部件。常见的圆珠笔头由球珠和球座体组成，球座体内部根据结构和功能差异分为三个部分，即球座、中孔、小孔和油槽，其结构复杂、精度要求高，还需要经过全自动笔头机进行钻孔、车圆、冲槽等十几道工序加工制作，因此，对所用材料的耐磨性、耐蚀性、可加工性以及综合性能一致性和稳定性要求极高[1]。

我国对易切削不锈钢的研究逐渐受到重视，研究集中在易切削机理和钢种开发方面[2-3]，所开发材料在机械、仪表等领域得到成功应用。但这些材料的机械物理性能、切削性能和材质稳定性方面不适合于圆珠笔头制造，因此长期以来，我国制笔行业高档圆珠笔球座体材料全部依赖于进口，主要是日本的SF20T和ASK-3200超易切削不锈钢线材[4]。SF20T使用最为广泛，该材料是在20Cr-2Mo成分的基础上复合添加了S、Pb和碲(Te)元素的铁素体型不锈钢，近年在SF20T的基础上，日本又进一步研发了无铅环保材料[5-6]。经过国内相关钢铁企业的努力，近年虽有成功开发S-Pb复合添加超易切削不锈钢线材[7-8]，但Pb的毒性易对人体和环境造成严重危害。由此看来，开发新型圆珠笔头用无铅环保超易切削不锈钢材料来替代进口产品，对于我国制笔行业的发展具有重要意义。

本研究通过向铁素体不锈钢中复合添加S、铋(Bi)和Te元素，制备了具有优异切削性能的不锈钢材料，并从材料的化学成分、易切削夹杂物、硬度、切削性能及笔头书写性能等方面与同类进口材料进行对比研究，以期为无铅环保超易切削不锈钢材料的研发和优化提供技术参考。

1 试验材料与方法

表1 试验钢的化学成分(wB/%)

图1 圆珠笔笔头的内部结构

2 试验结果

2.1 钢中夹杂物种类与分布

两种试验钢纵截面夹杂物分布的OM和SEM照片分别如图2和图3所示，钢样A中不同夹杂物的EDS能谱分析见图4(进口钢B的EDS分析结果与钢A类似，文中不再重复描述)。由图2可见，钢样A和B纵截面上夹杂物沿着变形方向以断续的椭球形或点状呈串链式分布，结合图4(a)可知，深色夹杂为S、Mn元素的富集区域，表明该夹杂物为MnS相。对比图2(a)和图2(b)后发现，钢样A中MnS夹杂的平均宽度略小于钢样B，串链长度也稍短一些。随机各取15张金相照片，利用图像分析软件Image-Pro Plus 6.0对两种钢中夹杂物占比进行统计分析，结果显示，钢样A和B中MnS夹杂物面积比依次为3.4%和3.8%，钢样A中MnS易切削相稍少一些，但两类钢中总体分布和数量较接近。

从图3可以清楚地观察到，两试样中均存在颜色较深且呈椭球形、串链状分布的MnS相，另外，组织中还有许多白色夹杂物，有的呈零散点状单独分布于基体中，有的则分布于MnS相的边缘，并且在MnS的边角处被拉长为细条状。结合图4(a)可知，MnS附近的白色长条状夹杂物中含有Bi元素。另外，EDS能谱分析还在少量MnS相与白色相交界处检测出了Te元素的存在。图4(b)和图4(c)为钢样A基体中弥散分布的白色夹杂物的EDS面扫描分析结果，可以看出，图4(b)中白色夹杂为MnTe相，图4(c)中左侧浅色相为Bi和MnTe的复合夹杂物，右侧深色相为MnS夹杂。由于Bi元素的化学性质稳定，故组织中的白色夹杂物可能是单质Bi、MnTe或者其复合夹杂物。

(a)钢样A (b)钢样B

图2 钢样纵截面上夹杂物分布的OM照片

Fig.2 OM images of inclusion distribution in the vertical section of steel samples

(a)钢样A (b)钢样B

图3 钢样纵截面上夹杂物分布的SEM照片

Fig.3 SEM images of inclusion distribution in the vertical section of steel samples

(a)区域I

(b)区域II

2.2 显微硬度

表2列出了试验材料A和B各5个随机测量点的显微硬度HV0.3及其平均值。从表2可以看出，钢样A和B的硬度分布比较均匀，显微硬度平均值几乎一致，可见这两种钢的硬度性能指标接近。

表2 钢样的显微硬度HV0.3

2.3 切削表面与切削屑分析

笔头球座体的后外圆需要用笔头加工机床车削加工，车削过的钢样A和B表面的OM照片如图5所示。从图5可以观察到，两试样的切削表面都十分光滑，刀痕均匀，纹理清晰，均没有明显的切削瘤。

(a)钢样A

(b)钢样B

笔头需连续经过十余道加工工序，各工序加工方式不同，车削屑有所不同，大多数车削屑为短碎屑，从中分别取出钢样A和B车削后的长屑进行对比观察分析，如图6所示，两种车削屑形态均为理想的短螺旋型，长度多在5～10 mm之间，此类车削屑流出较为顺畅，不易缠绕工件。另外，在清洗处理过程中还发现，这两种车削屑轻捻时都容易碎裂。

(a)钢样A (b)钢样B

图6 钢样车削屑的照片

Fig.6 Images of turning chips of steel samples

2.4 成品笔头性能

钢种A和B所制作笔头的性能测试结果列于表3中。由表3可以看出，两种笔头的核心参数基本一致，国产A材料加工成的笔头匹配墨水制成笔芯后，平均摩擦系数和百米平均磨损量均略小于进口B材料，这表明该笔芯书写更顺滑且磨损相对更小，其他书写使用性能指标与B材料接近。

表3 笔头性能测试结果

3 分析

3.1 易切削元素及易切削相

易切削不锈钢是通过在钢中加入易切削元素(S、P、Pb、Ca、Se、Te等)和抗腐蚀元素，所制成的具有优良切削性能的合金不锈钢[9]。经过长期发展，易切削不锈钢按元素大致分为S系、Pb系、Ca-Ti系、Se-Te系、Bi系等不同类别。为达到进一步提高切削性能和满足其他综合机械性能的目的，可将易切削元素以多元复合方式加入钢中，常有S-P、S-Pb、S-Te(Se)、S-P-Pb-Te、Ca-S等复合添加方案，其中以S-Pb、S-P-Pb-Te复合易切削钢的切削性能最佳，被称为“超易切削钢”[10]。

S在钢中与Mn形成MnS夹杂，MnS相较软且容易变形和断裂。MnS夹杂割裂了钢基体的连续性，切削过程产生应力集中易导致材料开裂。在一定的切削热与力的作用下，其能在刀具、切屑及加工表面之间起到润滑作用；此外，MnS还能包裹有害硬质颗粒，减少对刀具的磨损，对改善钢切削性能十分有利[11]。硫化物分布均匀、宽度大于4 μm、长宽比较小且呈纺锤状或椭圆形对改善钢的可切削性最有利[12]。硫系易切削不锈钢是最早发展起来的，由于生产工艺简单且廉价，其产量位居世界易切削钢之首。还有研究表明，钢液中合适的氧含量对MnS的形态和大小会产生显著影响，所以炼钢厂需要进行有效控氧才能获得较为理想的MnS相[13]。

Te与S属于同一主族，在钢中溶解度非常小，可以形成MnTe单独分布在基体或与MnS形成复相球状夹杂物[3]。Te的存在状态与钢中硫含量有关[14]：当w(Te)/w(S)小于0.07时，钢中的Te只存在于MnS中；w(Te)/w(S)略大于0.07时，有少量的MnTe会分布在MnS夹杂物边缘；随着w(Te)/w(S)继续增大，MnTe量相应增高。钢种A和B的w(Te)/w(S)均在0.10～0.12之间，所以有单独的MnTe存在于基体。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，同时也能对硫化物进行改性。此外，部分碲化物存在于MnS边缘，形成软的包裹层，可以减轻拉拔加工过程中MnS的压延变形，尽量减小MnS夹杂的长宽比，有利于提高钢种的切削性能。

Pb虽然化学性质稳定、熔点低，在切削过程中因切削热和应力作用，能够熔融析出在接触面上起到润滑作用，非常有利于钢切削性能的提高，但是Pb在冶炼生产中会对人体和周围环境造成严重危害，终将被淘汰。Bi与Pb的物化属性相近，在钢中起到的作用相似。另外，Bi元素比重小于Pb，不固溶于钢，以颗粒分布于钢中或者附存于S/Te化物周围[15]。日本神户公司研究发现，钢中添加Pb含量一半的Bi，可以达到相同的切削性能[16]。更重要的是，Bi元素无毒，这使得其取代Pb成为生产环保型超易切削不锈钢的重要元素。相比于笔头常用的不锈钢材料，新型材料A和B均采用了以Bi代Pb的方案，实现了无铅环保。

3.2 机械性能

如图1所示，笔头球座体碗口内放置高硬度的碳化钨球珠，书写过程中球珠与球座体在墨水腐蚀环境中不停相互滑动摩擦，易出现腐蚀和磨损，这要求材料具有良好的耐蚀耐磨性。此外，球座体碗口直径仅为0.525±0.005 mm，小孔直径更是只有0.3 mm，而笔头加工需要在高速(8000～20000 r/min)全自动笔头机上进行，加工过程工序多、切削速度快，且对加工尺寸和装配精度的要求很高，内孔加工公差需在2 μm以内，所以除了良好的耐蚀耐磨性外，笔头材料还应在超易切削的同时，保持机械性能均匀稳定，材料内部无裂纹、缩孔、疏松等缺陷。

硬度是影响材料切削加工、使用性能及刀具寿命的重要因素。材料太软，耐磨性会比较差，切屑易与刀具粘结产生积屑瘤，切削性能变差；若材料硬度过高，车削难度加大，表面质量差，刀具寿命短[17-18]。实验结果分析得出，钢种A和B均具有适中的显微硬度、良好的切削表面质量以及短小易碎的切削屑。