化学成分对Bi系易切削钢低温冲击韧性的影响

王 鑫 李彬周 王军生 李金梦 张红梅

(1.辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁 鞍山 114051； 2.鞍钢集团北京研究院有限公司，北京 102209)

易切削钢自1920年研制成功以来，因具有优异的切削性能在仪表、精密仪器和汽车等行业得到了广泛应用[1]。易切削钢可用于生产需要控制表面光洁度和精度的零件，需求量巨大且逐年上升[2]。随着易切削钢的发展，易切削元素也从硫(S)和铅(Pb)逐渐增加到了十几种之多[3-4]。其中，硫系和铅系易切削钢曾占据了一段时间的市场，但它们会对人和环境产生很大的危害，铅有毒也是重金属，含铅钢铁与“绿色钢铁”相违背[5]。因此，急需开发新型的高质量环境友好型易切削钢[6]。我国铋(Bi)储量丰富，铋的熔点低且具有较高的柔软性，化学性质稳定，与铅有众多相似点，故铋有望替代铅，用于改善钢的切削加工性能[7]。含铋易切削钢对环境友好，潜在商业价值巨大，对提高钢材附加值、减少环境污染意义重大[8]。

美国和日本已开发出了无铅含铋易切削钢[9]。日本神户钢铁公司研发的无铅含铋易切削钢，Bi含量只有含铅钢Pb含量的一半，但其加工性和机械性却很优良，切屑处理性和冷锻性也优于含铅易切削钢。近年来，国内很多钢铁公司如杭州钢铁、宁波钢铁和首钢贵阳特钢等也相继着手研发无铅低硫含铋易切削钢[10-12]。

1 试验材料与方法

冲击试验试样示意如图1所示。5种不同成分含铋试验钢的主要化学成分如表1所示。所添加的易切削元素有铋、锡、锑、碲。除1号钢不含Bi外，其他钢均含Bi，4号钢含Bi和Te，5号钢含Sn和Sb。2号钢含S量最少，为低硫含铋易切削钢。分别沿横向和纵向取样，加工成尺寸为10 mm×5 mm×55 mm的夏比U形缺口冲击试样，在摆锤式冲击试验机上进行室温、-20和-40 ℃的冲击试验。试验结束后利用扫描电子显微镜(SEM,scanning electron microscope)和能谱仪对断口形貌及断口处夹杂物进行观察与分析。

表1 5种试验钢的主要化学成分(质量分数)Table 1 Main chemical compositions of the five kinds of tested steels (mass fraction) %

图1 冲击试验试样示意Fig.1 Schematic diagram of the impact test sample

2 试验结果与讨论

2.1 化学成分对低温冲击韧性的影响

图2为5种不同成分易切削钢试样在不同温度冲击试验后的宏观形貌。观察发现，2号横向及纵向试样和3号纵向试样冲击试验后并未断裂，冲击韧性超出预期。

图2 5种试样进行不同温度冲击试验后的宏观形貌Fig.2 Macroscopic appearances of the five kinds of samples after impact test at different temperatures

5种试样在不同温度下的冲击吸收能量如表2所示。分析发现：所有试样的横向和纵向冲击吸收能量均随着温度的降低而降低。冲击试验温度每降20 ℃，纵向冲击吸收能量平均下降1.0～3.8 J，横向冲击吸收能量平均下降1.00～7.05 J。2号试样的纵向冲击吸收能量达到139 J左右，横向冲击吸收能量达到131 J左右，冲击韧性最好。3号、4号、5号试样的含硫量均较2号多，冲击韧性相比2号试样明显下降，且横向与纵向冲击吸收能量差异较大；仅添加S元素的1号试样横向与纵向冲击吸收能量均最低。

表2 5种试样在不同温度下的冲击吸收能量Table 2 Impact absorption energy of the five kinds of samples at different temperatures

硫元素的添加严重恶化了含铋易切削钢的冲击韧性，且对横向冲击韧性影响更明显。复合添加Bi和Te的4号试样和Bi、Sn和Sb的5号试样的低温冲击韧性并没有比仅添加Bi的易切削钢好。含铋钢在不同温度的纵向冲击韧性均优于横向冲击韧性。

2.2 化学成分对冲击断口形貌的影响

图3为5种不同成分纵向试样的室温冲击断口SEM形貌。由图3可知， 1号试样断口特征为羽毛状，方向一致，夹杂物数量多，说明是脆性断裂，伴有塑性断裂特征；2号试样韧窝花样为抛物线状，韧窝深且细小，分布均匀，夹杂物数量少，有少量的单质Bi，试样断裂前发生了明显的宏观塑性变形，说明是塑性断裂；3号试样韧窝的大小分布不均匀，夹杂物数量也较多，发生了塑性断裂；4号试样部分韧窝大且深，夹杂物数量多；5号试样大部分韧窝较大，夹杂物尺寸增大。说明添加Te、Sn和Sb的3号、4号和5号试样的韧窝和夹杂物尺寸增大，对含铋易切削钢的冲击韧性影响不利[13]。

图3 5种纵向试样的室温冲击断口SEM形貌Fig.3 SEM morphologies of fractures of the five kinds of longitudinal samples impact tested at room temperature

图4为5种不同成分纵向试样的-40 ℃冲击断口SEM形貌。由图4可知，1号试样断口形貌仍以羽毛状为主，伴有等轴状韧窝。2号试样韧窝花样仍为抛物线状，韧窝小、浅且均匀，仍为明显的塑性变形。3号试样韧窝较大，夹杂物也较多，一个韧窝内含有两个夹杂物。4号试样韧窝较大，夹杂物数量多。5号试样脆性断裂特征更明显，断口呈解理台阶花样，并伴有局部河流花样。

图4 5种纵向试样的-40 ℃冲击断口SEM形貌Fig.4 SEM morphologies of fractures of the five kinds of longitudinal samples impact tested at -40 ℃

随着冲击试验温度的降低，添加Te和Bi的4号试样和Bi、Sn和Sb的5号试样的韧窝都增大，这与钢的化学成分和夹杂物尺寸有关。-40 ℃冲击试验时，5号试样的韧窝出现了明显的解理花样，其他试样没有出现该花样，这说明添加Bi、Sn和Sb的5号试样对冲击试验温度的降低比其他4种试样更敏感。低硫含铋的2号试样室温和-40 ℃冲击断口形貌特征变化很小，均匀的抛物线状韧窝是明显的塑性韧窝，其冲击吸收能量最高，低温冲击韧性最好。

2.3 化学成分对夹杂物的影响

5种不同成分试样的室温冲击断口处夹杂物及其能谱分析如图5所示。从图5可见，1号试样中夹杂物主要是MnS，有球状、杆棒状、断裂的片状和心形等，数量多且大小不一；2号试样中夹杂物数量少、尺寸小，形状不规则呈团簇状。3号试样含有个别尺寸较大的片状MnS夹杂。4号试样中夹杂物以纺锤状为主，部分呈片状，还有一个聚集区包含许多单质Bi附着于纺锤状MnS和MnTe尖端处的复合夹杂物。该夹杂物含有Te元素，这可能与Te的添加或冶炼方式或S、Bi和Te的相对含量有关。加入Sn和Sb的5号试样中夹杂物以片状为主，也有球状和杆状等，部分片状夹杂物的尺寸较大。MnS夹杂具有润滑作用，球形或纺锤状的MnS可以提高钢的切削性能；而片状夹杂物的尖端容易形成孔洞，5号试样中这类夹杂物不利于钢的切削性能[14]。

图5 5种试样室温冲击断口处夹杂物形貌及其能谱分析Fig.5 Morphologies of inclusions at fractures of the five kinds of samples impact tested at room temperature and their energy spectrum analysis

钢的化学成分及其含量影响夹杂物的成分、形状、尺寸和分布等，进而影响钢的低温冲击韧性和切削性能等。低S含Bi的2号试样中夹杂物呈团簇状聚集，可能与Bi质脆易粉碎的性质有关，单质Bi呈白色，主要以游离态存在钢基体中，熔点低，对钢的切削性能有益[15-16]。相较于2号试样，高S含Bi的3号试样中MnS夹杂物数量增多，并有尺寸较小的球状和杆棒状MnS夹杂物和较多小球状夹杂物，有利于提高钢的切削性能，还有Bi与硫化物相结合的纺锤状夹杂物，这也是3号试样的冲击韧性较除2号试样以外的其他试样高的原因之一。含Te和含Sn、Sb的硫铋易切削钢的低温冲击韧性相比低硫含Bi易切削钢的显著降低，但比仅添加S的易切削钢好。总之，低S含Bi的2号试样的低温冲击吸收能量最高，韧窝形态最佳，夹杂物数量少，单质Bi分散于韧窝中，尺寸较小，低温冲击韧性最好。

3 结论

(1)添加不同易切削元素对钢的低温冲击韧性有很大影响。硫质量分数为0.000 8%的含Bi易切削钢的低温冲击韧性最好；硫质量分数高于0.1%时冲击韧性明显下降，硫含量越低，含铋易切削钢的冲击韧性越好；添加Te、Sn和Sb元素并不能提高甚至降低含铋钢的冲击韧性；硫质量分数为0.173 0%的易切削钢的低温冲击吸收能量最小，低温冲击韧性最差。

(2)硫质量分数为0.000 8%、Bi质量分数为0.011 0%的易切削钢的韧窝呈抛物线状，尺寸较小，夹杂物几乎都是小尺寸的单质Bi，数量较少，呈现明显塑性变形，低温冲击韧性最好；将硫质量分数增加至0.1%以上时，韧窝和夹杂物尺寸均增大；加入Te、Sn和Sb元素后，韧窝深浅和大小均不一，大尺寸的片状夹杂物较多。