含不同易切削元素的笔头用易切削不锈钢微观组织的研究

2020-07-03宋元元孔凡亚李红军戎利建

中国制笔 2020年2期

宋元元,孔凡亚，李红军，戎利建

（中国科学院金属研究所中国科学院核用材料与安全评价重点实验室，辽宁，沈阳，110016）

易切削钢是指具有优良切削加工性能的钢材，一般在钢中加入一种或一种以上的易切削元素如硫、磷、铅等，能够改善其切削性能[1]。易切削钢从上世纪20年代开始在美国首次研制成功至今已有近百年的历史了。目前，国内外生产应用最早、用量最大、用途最广的一类易切削钢是硫系易切削钢，通常也包括硫-铅复合易切削钢。硫-铅复合易切削钢是利用生成的易切削相MnS 和易切削元素Pb（铅）的复合作用显著改善钢的切削加工性，具有加工产品表面光洁度好，加工刀具受力小，能耗少等优点，广泛地应用于制造机械零件如轴、仪表的精密小件和汽车零件等[2-6]。绝大多数的笔头用金属材料就是用这种易切削钢制造生产的[7-8]。Pb 在冶炼时以及废钢回收熔炼过程中均污染环境且是一种对人体有害的有毒重金属，其应用受到了限制，世界各国开始研制无铅易切削钢[9-11]。也有一些研究学者研究以锡代铅的易切削钢或者在易切削钢中加入稀土元素，改善夹杂物组成及尺寸等，从而提高钢的可切削性能[10,11]。因此使用低毒或者无毒易切削元素从而满足笔头不锈钢加工要求成为研发热点。目前，以日本大同制钢和日本下村特殊精工等公司为代表的笔头制造用不锈钢线材制造商，进行了低Pb 和无Pb 易切削不锈钢研究开发，主要通过铅替代易切削元素（如Bi替代Pb）的研究，改善材料切削性能。

因此，本文主要以含Bi 和Te 以及含有Se 的两种笔头用易切削铁素体不锈钢为研究对象，通过微观组织分析，研究易切削元素在易切削不锈钢中的形态及分布等，从而为新型笔头用金属材料的国产化提供参考。

1.实验材料及方法

本实验对两种笔头用易切削铁素体不锈钢进行了观察分析，一种是含有Bi 和Te 的易切削铁素体不锈钢，以下简称为试样A；另一种是只含有Se 的易切削铁素体不锈钢，以下简称为试样B。两者的化学成分分析如表1所示。将两种丝材的横截面和纵截面进行研磨、抛光，用王水进行化学腐蚀制备成样品观察铁素体晶粒尺寸。采用S-3400N 型号的扫描电镜观察分析铁素体晶粒大小、MnS 易切削相的形态、尺寸以及易切削元素Bi、Te 和Se 的形态和分布；采用日本岛津公司生产的EPMA-1610 型号的电子探针对元素面分布情况进行了分析。

2.实验结果

2.1 SEM显微组织分析

图1是利用SEM 观察了两种易切削铁素体不锈钢纵截面上的基体组织，经过腐蚀可以清楚地看出铁素体晶粒沿着拉拔方向排列，其中基体上的夹杂物在腐蚀过程中已经脱落，似凹坑状分布，呈链条状沿着晶粒长轴方向贯穿几个晶粒。图1(a)是试样A 即含Bi 和Te 元素的易切削铁素体不锈钢的纵截面晶粒组织，可以看出晶粒尺寸非常细小沿长轴方向约为10μm；图1(b)是试样B 即含Se 元素的易切削铁素体不锈钢的纵截面晶粒组织，与图1(a)相比，晶粒尺寸略粗大，沿长轴方向长度约为20 μm。

图1 试样A的纵截面(a)和试样B的纵截面晶粒组织的扫描照片Fig 1.SEM images of the grain structure of the sample A in horizontal (a) and the sample B in horizontal (b)

表1 试验材料化学成分 (质量分数，%)Table1 Compositions of investigated steel (mass fraction,%)

利用扫描电镜观察了两种易切削铁素体不锈钢纵截面和横截面上未经腐蚀的显微组织形貌，由于Bi 是原子序数比较大的元素，在背散射电子作用下，会呈现亮白色。因此为了更好地分析组织中的Bi 以及MnS易切削相的分布，利用SEM 背散射技术对抛光后未经过腐蚀的样品进行了观察，结果如图2所示。图2(a)是试样A 纵截面的二次电子扫描电镜照片，图2(b) 和2(c)是横截面的背散射扫描电镜照片，图2(c)中A、B处的EDS 分析见表2。由表2的结果可知，其中黑色组织为MnS 或者MnTe 易切削相，亮白色组织为Bi 单质。从图2中可以清楚地看到在纵向的铁素体基体上MnS 沿拉拔方向分布，大部分MnS 呈纺锤状或者短棒状断续地相连组成链条状，也有少数短棒状MnS 单独分布在基体上。Bi 单质呈亮白色点状分布在铁素体基体上或者附着在MnS 或者MnTe 夹杂物旁。在横向截面上，可以看到MnS 或者MnTe 易切削相呈短棒状或椭圆形状，长轴方向上的长度小于10 μm。

图3分别是试样B 纵截面和横截面的二次电子扫描电镜照片。图3(a)中C 处的EDS 分析见表2，由表2的结果可知，其中黑色组织是易切削元素Se 和S 共同生成了Mn（S、Se）复合易切削相。该复合易切削相大部分呈短棒状或纺锤状断断续续分布在铁素体基体上。但MnS 夹杂物在形态上分布不太均匀，有的是以非常细长状分布在基体上。在横截面上，Mn（S、Se）复合易切削相多以圆形或者椭圆状分布，易切削相尺寸比较细小，最大的在长轴方向长度约为3μm。

图2 试样A的纵(a)、横(b)截面的扫描照片以及横截面显微组织的背散射照片(c)Fig.2 SEM and BSE images of the sections of the sample A

图3 试样B的纵(a)、横(b)截面的扫描照片Fig.3 SEM images of the sections of the sample B

表2 图2(c) 和图3(a) 中不同区域的EDS成分分析(质量分数 wt.%) Table2 EDS analysis results of each region in Fig.2 (c) and Fig.3(a)

2.2 EPMA分析

为了更好地分析成分分布，利用EPMA 研究了两种易切削钢的元素成分分布情况，结果如图4所示。从图中可以明显地看到在两种易切削不锈钢中，Mn 和S 的偏聚区是完全一致，并且是非常明显的，即形成了最主要的易切削相MnS 夹杂物。在试样A 即含Bi 和Te 的易切削不锈钢中，易切削元素Te 除了有少部分固溶在基体中外，其形成的偏聚区同Mn 和S 几乎是完全一致的，形成了MnTe 或者Mn(S、Te)复合析出相。Bi则主要以单质形式在基体上以颗粒状析出。而对于试样B 即含Se 的易切削不锈钢，Se 的分布状态同Te 非常类似，除了有少部分固溶在基体中外，同Mn 和S 的偏聚区几乎是完全一致的，形成了Mn(S、Se)复合析出相。

图4 试样 A (a) 和试样 B (b) 的BSE像和EPMA元素面分布图Fig.4 BSE images and EPMA element maps of the sample A (a) and the sample B (b)

3.分析讨论

MnS 是硫系易切削钢中的主要易切削相，对改善材料的切削性能具有重要的作用。在切削过程中，MnS相象缺口一样造成了应力集中，引起裂纹的生成并促进断裂过程的发生，可降低切削力并使钢易断[12-14]。对于笔头用易切削铁素体不锈钢而言，MnS 易切削的形态、大小及分布对材料的易切削性能及其他力学性能起着决定作用，因而在硫系易切削不锈钢中加入一些易切削元素有利于控制MnS 的形态，从而进一步提高易切削性能，加工成需要的工件。虽然都是易切削元素，它们在钢中的分布、形态及切削机理也是不同的。

Bi 同Pb 一样，熔点比较低（约272℃，比Pb 的熔点约低56℃），在铁中的溶解度也非常小，因而是一种可形成低熔点金属夹杂物元素。Bi 在易切削铁素体不锈钢中主要以尺寸较小的Bi 颗粒形式存在，这样可以起到润滑和熔融脆化作用。另外，从前面观察到的组织结果中可以看到，Bi 易在MnS 或MnTe 易切削相上偏聚，这样的分布形态对提高MnS 或MnTe 的润滑作用和应力集中效应非常有利，使裂纹容易沿着易切削相界面萌生、扩展，在材料切削加工时易于断屑，从而获得较好的表面光洁度[15]。Te 和Se 在易切削钢中的作用机理非常相似，二者在铁中的固溶度很小，它们在易切削不锈钢中主要形成MnTe、Mn(S,Te)或者Mn(S,Se)易切削相，因此它们的作用机理跟S 是一样的，形成的夹杂物在钢中起到应力集中源，在热加工后夹杂物呈纺锤状，从而改善了材料的易切削性能。另外，Se 还能够提高加工表面的光洁度[16]。