微量Ce元素对42CrMo易切削钢切削性能的影响

2022-11-03郑雷刚胡小强张玉妥

沈阳理工大学学报 2022年5期

袁麟，郑雷刚，胡小强，张玉妥，

(1.沈阳理工大学材料科学与工程学院，沈阳 110159； 2.中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心，沈阳 110016)

42CrMo钢是典型的中碳合金结构钢，具有优异的抗疲劳性、抗冲击性能以及良好的低温韧性等，广泛应用于制造曲轴、连杆、齿轮等一系列传动零部件。曲轴作为发动机的关键零件，其几何结构相对复杂，机加工艺流程繁多，且加工质量要求较高。因此，曲轴选材时除要求优异的韧性外，还需具备良好的切削加工性能[1]。改善钢切削加工性能的传统方法是向钢中加入S、Pb、Ca、Se、Te、P等元素，形成非金属夹杂物，中断基体的连续性，切削过程中更容易断屑；或形成熔点较低的第二相，在切削时熔融渗出覆盖在刀具和工件表面，起到润滑作用[2]。因此，钢的切削性能与夹杂物的数量和形态密切相关。但随着S、Pb等杂质元素含量的增加，不仅会降低钢的纯净度，恶化钢的力学性能，而且会对人体产生伤害，对环境造成污染[3]。

大量研究结果表明，稀土元素不仅能够提升钢的纯净度，改善力学性能，而且能够显著变质夹杂物，提升切削性能[4-6]。杨晓红等[7]研究了稀土Ce元素对高纯净轴承钢夹杂物的影响，结果表明适量的Ce将钢中硬脆性的Al2O3变质为低硬度的CeAlO3或CeAlO3与(Ce-O)的复合夹杂物。黄宇等[8]研究了稀土元素对钎具钢夹杂物的变质作用，结果显示加入适量的Ce元素后，夹杂物由MgAl2O4转变为Ce-O，以及Ce-O与MgO的二元相。康健等[9]对HRB500E抗震钢筋中稀土元素的作用机理研究表明，稀土可将MnS及Al-Mn-O夹杂物变质为REAlO3-MnS复合夹杂物。综上所述，稀土变质后的夹杂物形貌呈现为细小弥散分布的颗粒状，这类夹杂物的硬度远小于Al2O3夹杂物，在切削过程中大大降低对刀具的磨损，而且能够和MnS一样起到断屑的作用，从而提升钢的切削性能。因此，可通过添加稀土元素来改善传统易切削钢的不利影响，但稀土元素通过变质夹杂改善切削性能的具体作用机制尚存在争议。

本文研究稀土Ce元素对42CrMo钢夹杂物和切削性能的影响，分析稀土元素的作用机理，为高品质稀土易切削钢的开发和应用提供理论依据和技术支撑。

1 实验材料及方法

实验用钢分别为传统硫系42CrMo易切削钢(Y0)以及同时添加S和Ce元素的稀土易切削钢(Y1)，采用VIF-50真空感应熔炼炉(沈阳真空技术研究所有限公司)制备50kg实验铸锭，其实测成分如表1所示。在熔炼过程中，充分脱氧后，浇注铸锭之前加入稀土元素。

表1 实验用钢的化学成分 wt%

采用空气锤将铸锭锻成φ60mm的棒材，锻造工艺为两镦两拔，始锻温度为1200℃，终锻温度不低于900℃，保证锻造比大于7。根据现行GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》中夹杂物分析方法，在锻棒二分之一半径处纵向切取10mm×10mm×10mm试样，经机械磨抛后，制成标准夹杂物检测试样。借助TESAN MIRA3扫描电镜与能谱仪(SEM/EDS)、Thermo Fisher Explorer 4质量分析仪等分析夹杂物的类型、尺寸、数量。利用CAK50135型无极变速车床(沈阳机床股份有限公司)，在转速为600r/min、进给量为0.33mm/r、切削深度为1mm的切削条件下，对两种实验用钢进行车削加工，通过观察切屑的形状和断屑情况对比分析二者切削性能的优劣。

2 实验结果

2.1 夹杂物特征

传统硫系42CrMo易切削钢Y0的典型夹杂物形貌及其能谱分析结果如图1所示。

由图1可见，Y0钢中主要夹杂物为MnS和Al2O3以及两者的复合夹杂物。MnS夹杂物呈深灰色，形貌特征主要呈长条状；高熔点Al2O3夹杂物数量较少，尺寸较小，呈现出深黑色颗粒状形貌；MnS-Al2O3复合态夹杂物主要以Al2O3为形核核心，Al2O3周围包覆MnS夹杂物。

加入Ce元素后的42CrMo稀土易切削钢Y1中夹杂物形貌及EDS面扫描结果如图2所示。

图1 Y0钢中夹杂物类型及形貌

图2 Y1钢中稀土硫化物SEM形貌及EDS面扫描结果

由图2可见，与Y0钢相比，Y1钢的夹杂物类型和形态发生显著变化。夹杂物类型由传统的以MnS和Al2O3为主转变为以稀土硫化物为主；Ce2S3夹杂物的SEM形貌呈亮白色，表现为颗粒状形貌，尺寸较小，弥散分布于基体中；同时，Y1钢中也存在大量如图3所示的以稀土硫化物为核心、包覆MnS夹杂生长的球状复合夹杂物(图3a)，其相应的EDS面扫描结果见图3b～3d。

图3 Y1钢中复合夹杂物SEM形貌及EDS面扫描结果

采用质量分析仪测试夹杂物尺寸及数量，统计结果如表2所示，扫描统计面积约为26mm2。

表2 钢中夹杂物的尺寸和数量

由表2可见，两种实验钢中夹杂物尺寸主要以0～5μm为主。其中Y1钢中小于2μm的小尺寸夹杂物数量较多，较Y0钢增加了5.88%；Y1钢中5～10μm和大于10μm的大尺寸夹杂物所占比例较小，分别较Y0钢降低了2.9%和0.66%；Y1钢中整体夹杂物平均尺寸有所降低；加入Ce的Y1钢中夹杂物的数密度较Y0钢约增大一倍，夹杂物的总体数量显著增多。

采用质量分析仪对实验钢中夹杂物的长径比进行测试，统计结果如图4所示。

图4 实验钢中夹杂物的长径比及所占比例

由图4可见，Y1钢中夹杂物长径比在1.0～1.5、1.5～2.0和2.0～2.5区间内的比例分别为24.5%、20.2%和11.9%，分别较Y0钢(长径比在1.0～1.5、1.5～2.0和2.0～2.5区间内的比例分别为19.6%、18.1%、14.3%)增加了4.9%、2.1%和1.9%；当长径比大于3.0时，Y1钢中此类夹杂物的比例明显减少，较Y0钢降低5.9%；Y1钢中夹杂物具有较小的长径比，具有更好的球化效果。因此，42CrMo钢中加入Ce元素，对夹杂物起到明显的变质作用。

2.2 切削性能

在夹杂物分析的基础上，利用无极变速车削车床对Y0和Y1钢进行车削，得到切屑形貌如图5所示。

图5 实验钢切屑形貌

由图5可见，Y0钢的切屑主要为平螺旋屑，以及少量的发条和C形屑；Y1钢的切屑多为C形屑，平螺旋屑数量较少，且长度短于Y0钢的切屑。文献[10]的研究表明，相同切削条件下，C形屑更容易断屑，切削性能优于平螺旋屑和发条屑。由此可知，Y1钢的切削性能优于Y0钢，加入稀土元素能够通过变质夹杂物改善切削性能。

3 讨论

由表2所示夹杂物统计结果分析可知，添加Ce元素的Y1钢中，单位面积内夹杂物的数量较Y0钢显著增加，原因是稀土Ce元素的化学性质活泼，Ce含量的增加使得钢中S极易与Ce结合形成稀土硫化物。同时，稀土硫化物可作为MnS的异质形核核心，形成复合夹杂物，使得夹杂物的数量增多，尺寸减小。该现象与文献[11]的研究结果一致。

在切削过程中，大量夹杂物会阻碍位错运动，导致大量位错塞积，增大其发展成裂纹源的几率，进而沿夹杂物表面延伸开裂，使刃前金属更容易与基体分离，提高材料的断屑性。稀土易切削钢中因夹杂物数量较多、尺寸较小，因此断屑性优于传统硫系易切削钢，切削性能较好[12]，此为稀土改善材料切削性能的原因之一。此外，宰相勇等[13]的研究结果表明稀土的加入还存在另一种改善切削性能的方式，在切削过程中，较高的切削温度会使稀土夹杂物软化，在适当的切削条件下，稀土夹杂物会黏附在刀具表面，形成一层保护膜，有效保护刀具，延长刀具使用寿命。

文献[14]指出，球状或纺锤状的夹杂物，即具有较小长径比的夹杂物，更有利于改善钢的切削性能。由图4所示夹杂物长径比结果以及图2和图3中的扫描电镜图像可知，Y1钢中的稀土夹杂物多呈现球状或椭球状，符合最佳夹杂物的形态。

切削过程中，小尺寸的球状夹杂物会在基体切变运动开始时，与基体分离形成显微空洞[15]，随着切变运动的继续进行，空洞也随之拓展。而球状夹杂物表面也会受到切变运动产生的摩擦力而发生滚动，夹杂物的滚动也进一步促进了显微空洞的拓展。因此，获得显微空洞是提升切削性能的关键，稀土易切削钢中球状夹杂物更容易导致显微空洞的形成，从而提升切削性能。球状夹杂物与显微空洞模型及其受力情况如图6所示。图中f为滚动摩擦力，N为周围基体对夹杂物表面的压应力。