笔头用不锈钢线材易切削性能影响因素研究

2022-01-23王辉绵李建民王丽君张寿禄王发展

山西冶金 2021年6期

王辉绵，李建民，王丽君，张寿禄，王发展

（1.山西太钢不锈钢股份有限公司，山西太原 030003；2.北京科技大学，北京 100083；3.西安冶金建筑科技大学，陕西西安 710055）

据统计，我国中性圆珠笔的年产量约为400亿支左右，除了满足国内文具需求外，出口地遍及世界各国。不锈钢丝材为制造中性圆珠笔笔头的主要原材料，圆珠笔头的车削加工具有高速、高精度、自动化等特点，对笔头不锈钢材料的成分、组织以及易切削性要求极高，一般的不锈钢难以满足。

笔头用不锈钢材料最重要的是具备较好的易切削性能，材料具有极易脆断性但又不能完全失去塑性，加工时既要容易切削，还不能开裂，因此对原材料不锈钢的性能提出极为苛刻的要求[1]。本文对钢中添加易切削元素的含量、硫化锰夹杂的尺寸和分布对笔头钢易切削性能影响进行了研究。

1 试验方法

对添加不同含量硫、铅、碲元素的笔头用易切削不锈钢丝在数控车床进行切削试验，研究易切削元素含量与切削性的关系；实验室冶炼不同氧含量的笔头用不锈钢材料，然后分析其中硫化锰夹杂的大小、形貌及分布状态，对不同氧含量的笔头不锈钢线材试样在数控车床进行切削试验，得到氧含量与切削性能的关系，并用扫描电镜分析了对应的硫化锰夹杂形貌、大小。

2 结果与讨论

2.1 笔头用易切削不锈钢中S、Pb、Te含量对易切削性能的影响

在实验室冶炼两种成分的笔头用易切削不锈钢，试验材料化学成分如表1所示。试验材料经电渣冶炼、锻造开坯、轧制成为线材5.5 mm规格产品，图1和图2为钢中易切削相分布电镜照片，可见16号试样中夹杂物比较短粗，而且夹杂物外围及基体中白色的Pb物质较多。

图1 试验钢6号中易切削相分布（×1 000）

图2 对比钢16号中易切削相分布（×1 000）

表1 不同S、Pb、Te含量的笔头用易切削不锈钢成分%

对6号和16号样品在数控车床上进行了切削实验，采用外接型号为OMRON：3G3RV-A4075-ZV变频器配合LZ-30转速表保证切削过程中，由于工件直径的变化改变转速以保证切削速度的恒定。

采用固定切削速度V约为110 m/min，改变切削深度ap或进给量f的方法来测定切削力。试验结果如下页图3所示。可见随切削深度ap和进给量f增加，Pb、Te含量控制较高时切削力Fz增加的速率比较慢，切削性比较好，钢中夹杂物宽度较大时，切削性较好。

图3 试验钢钢切削力Fz与切削深度ap、进给量f的关系

钢中硫含量的较高，由于硫化锰夹杂物起到割断钢中基体的连续性和应力集中源作用，从而使车屑易断，起到了润滑作用，使刀具的磨损减小，从而改善了钢材的切削性能。在切削加工过程中，刀具与加工件之间产生强烈的摩擦而产生热量，使钢中的铅颗粒呈熔融状态析出，从而起到润滑作用，进而可以改善钢的切削性能，Te元素含量增加可促进硫化锰夹杂物尺寸纺锤化从而影响切削力，切削时夹杂物的前段部位产生裂纹，并诱发更多显微裂纹，这些裂纹在应力集中源中间穿过并扩展开来，导致第一变形区变窄，剪切角增大，降低了切削力[2]。

2.2 笔头用易切削不锈钢氧含量对夹杂物尺寸、形貌及分布的影响

在实验室冶炼了不同氧含量的笔头用易切削不锈钢，对钢液凝固后的硫化锰夹杂分布和大小进行了研究，结果如图4所示。

图4 硫化锰夹杂物数量、夹杂物平均直径随氧含量的变化

从图4可以看出，随着氧含量的增加，硫化物的尺寸增加，数量有一定减少。据资料介绍，含硫易切削不锈钢中氧含量较低时，硫化锰基本呈细小沿晶界分布形貌，氧含量增加时，硫化锰发生长大，且分布更加弥散均匀。在低氧条件下，夹杂物类型基本全部为第Ⅱ类硫化物，氧含量增加有助于夹杂物类型由第Ⅱ类向第Ⅰ类转变。钢中硫化锰的存在基本形式为大量细小硫化物+少量尺寸较大的硫化物，其中细小硫化物为Ⅱ类硫化锰；大颗粒硫化物为Ⅰ类硫化锰[3]。

图5是笔头用钢中不同氧含量下的硫化锰夹杂的形貌，可见随着氧含量增加，硫化锰尺寸变长、分布更均匀，其宽度8~15μm，长度60~170μm，易切削性达到最佳。最佳条件为：切削速度V=80 m/min；给进量f=0.1 mm/r；切削深度ap=0.5 mm。