化學(xué)成分對Bi系易切削鋼低溫沖擊韌性的影響

王 鑫 李彬周 王軍生 李金夢 張紅梅

(1.遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051； 2.鞍鋼集團(tuán)北京研究院有限公司，北京 102209)

易切削鋼自1920年研制成功以來，因具有優(yōu)異的切削性能在儀表、精密儀器和汽車等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1]。易切削鋼可用于生產(chǎn)需要控制表面光潔度和精度的零件，需求量巨大且逐年上升[2]。隨著易切削鋼的發(fā)展，易切削元素也從硫(S)和鉛(Pb)逐漸增加到了十幾種之多[3-4]。其中，硫系和鉛系易切削鋼曾占據(jù)了一段時(shí)間的市場，但它們會(huì)對人和環(huán)境產(chǎn)生很大的危害，鉛有毒也是重金屬，含鉛鋼鐵與“綠色鋼鐵”相違背[5]。因此，急需開發(fā)新型的高質(zhì)量環(huán)境友好型易切削鋼[6]。我國鉍(Bi)儲量豐富，鉍的熔點(diǎn)低且具有較高的柔軟性，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與鉛有眾多相似點(diǎn)，故鉍有望替代鉛，用于改善鋼的切削加工性能[7]。含鉍易切削鋼對環(huán)境友好，潛在商業(yè)價(jià)值巨大，對提高鋼材附加值、減少環(huán)境污染意義重大[8]。

美國和日本已開發(fā)出了無鉛含鉍易切削鋼[9]。日本神戶鋼鐵公司研發(fā)的無鉛含鉍易切削鋼，Bi含量只有含鉛鋼P(yáng)b含量的一半，但其加工性和機(jī)械性卻很優(yōu)良，切屑處理性和冷鍛性也優(yōu)于含鉛易切削鋼。近年來，國內(nèi)很多鋼鐵公司如杭州鋼鐵、寧波鋼鐵和首鋼貴陽特鋼等也相繼著手研發(fā)無鉛低硫含鉍易切削鋼[10-12]。

1 試驗(yàn)材料與方法

沖擊試驗(yàn)試樣示意如圖1所示。5種不同成分含鉍試驗(yàn)鋼的主要化學(xué)成分如表1所示。所添加的易切削元素有鉍、錫、銻、碲。除1號鋼不含Bi外，其他鋼均含Bi，4號鋼含Bi和Te，5號鋼含Sn和Sb。2號鋼含S量最少，為低硫含鉍易切削鋼。分別沿橫向和縱向取樣，加工成尺寸為10 mm×5 mm×55 mm的夏比U形缺口沖擊試樣，在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫、-20和-40 ℃的沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后利用掃描電子顯微鏡(SEM,scanning electron microscope)和能譜儀對斷口形貌及斷口處夾雜物進(jìn)行觀察與分析。

表1 5種試驗(yàn)鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Main chemical compositions of the five kinds of tested steels (mass fraction) %

圖1 沖擊試驗(yàn)試樣示意Fig.1 Schematic diagram of the impact test sample

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)成分對低溫沖擊韌性的影響

圖2為5種不同成分易切削鋼試樣在不同溫度沖擊試驗(yàn)后的宏觀形貌。觀察發(fā)現(xiàn)，2號橫向及縱向試樣和3號縱向試樣沖擊試驗(yàn)后并未斷裂，沖擊韌性超出預(yù)期。

圖2 5種試樣進(jìn)行不同溫度沖擊試驗(yàn)后的宏觀形貌Fig.2 Macroscopic appearances of the five kinds of samples after impact test at different temperatures

5種試樣在不同溫度下的沖擊吸收能量如表2所示。分析發(fā)現(xiàn)：所有試樣的橫向和縱向沖擊吸收能量均隨著溫度的降低而降低。沖擊試驗(yàn)溫度每降20 ℃，縱向沖擊吸收能量平均下降1.0～3.8 J，橫向沖擊吸收能量平均下降1.00～7.05 J。2號試樣的縱向沖擊吸收能量達(dá)到139 J左右，橫向沖擊吸收能量達(dá)到131 J左右，沖擊韌性最好。3號、4號、5號試樣的含硫量均較2號多，沖擊韌性相比2號試樣明顯下降，且橫向與縱向沖擊吸收能量差異較大；僅添加S元素的1號試樣橫向與縱向沖擊吸收能量均最低。

表2 5種試樣在不同溫度下的沖擊吸收能量Table 2 Impact absorption energy of the five kinds of samples at different temperatures

硫元素的添加嚴(yán)重惡化了含鉍易切削鋼的沖擊韌性，且對橫向沖擊韌性影響更明顯。復(fù)合添加Bi和Te的4號試樣和Bi、Sn和Sb的5號試樣的低溫沖擊韌性并沒有比僅添加Bi的易切削鋼好。含鉍鋼在不同溫度的縱向沖擊韌性均優(yōu)于橫向沖擊韌性。

2.2 化學(xué)成分對沖擊斷口形貌的影響

圖3為5種不同成分縱向試樣的室溫沖擊斷口SEM形貌。由圖3可知， 1號試樣斷口特征為羽毛狀，方向一致，夾雜物數(shù)量多，說明是脆性斷裂，伴有塑性斷裂特征；2號試樣韌窩花樣為拋物線狀，韌窩深且細(xì)小，分布均勻，夾雜物數(shù)量少，有少量的單質(zhì)Bi，試樣斷裂前發(fā)生了明顯的宏觀塑性變形，說明是塑性斷裂；3號試樣韌窩的大小分布不均勻，夾雜物數(shù)量也較多，發(fā)生了塑性斷裂；4號試樣部分韌窩大且深，夾雜物數(shù)量多；5號試樣大部分韌窩較大，夾雜物尺寸增大。說明添加Te、Sn和Sb的3號、4號和5號試樣的韌窩和夾雜物尺寸增大，對含鉍易切削鋼的沖擊韌性影響不利[13]。

圖3 5種縱向試樣的室溫沖擊斷口SEM形貌Fig.3 SEM morphologies of fractures of the five kinds of longitudinal samples impact tested at room temperature

圖4為5種不同成分縱向試樣的-40 ℃沖擊斷口SEM形貌。由圖4可知，1號試樣斷口形貌仍以羽毛狀為主，伴有等軸狀韌窩。2號試樣韌窩花樣仍為拋物線狀，韌窩小、淺且均勻，仍為明顯的塑性變形。3號試樣韌窩較大，夾雜物也較多，一個(gè)韌窩內(nèi)含有兩個(gè)夾雜物。4號試樣韌窩較大，夾雜物數(shù)量多。5號試樣脆性斷裂特征更明顯，斷口呈解理臺階花樣，并伴有局部河流花樣。

圖4 5種縱向試樣的-40 ℃沖擊斷口SEM形貌Fig.4 SEM morphologies of fractures of the five kinds of longitudinal samples impact tested at -40 ℃

隨著沖擊試驗(yàn)溫度的降低，添加Te和Bi的4號試樣和Bi、Sn和Sb的5號試樣的韌窩都增大，這與鋼的化學(xué)成分和夾雜物尺寸有關(guān)。-40 ℃沖擊試驗(yàn)時(shí)，5號試樣的韌窩出現(xiàn)了明顯的解理花樣，其他試樣沒有出現(xiàn)該花樣，這說明添加Bi、Sn和Sb的5號試樣對沖擊試驗(yàn)溫度的降低比其他4種試樣更敏感。低硫含鉍的2號試樣室溫和-40 ℃沖擊斷口形貌特征變化很小，均勻的拋物線狀韌窩是明顯的塑性韌窩，其沖擊吸收能量最高，低溫沖擊韌性最好。

2.3 化學(xué)成分對夾雜物的影響

5種不同成分試樣的室溫沖擊斷口處夾雜物及其能譜分析如圖5所示。從圖5可見，1號試樣中夾雜物主要是MnS，有球狀、桿棒狀、斷裂的片狀和心形等，數(shù)量多且大小不一；2號試樣中夾雜物數(shù)量少、尺寸小，形狀不規(guī)則呈團(tuán)簇狀。3號試樣含有個(gè)別尺寸較大的片狀MnS夾雜。4號試樣中夾雜物以紡錘狀為主，部分呈片狀，還有一個(gè)聚集區(qū)包含許多單質(zhì)Bi附著于紡錘狀MnS和MnTe尖端處的復(fù)合夾雜物。該夾雜物含有Te元素，這可能與Te的添加或冶煉方式或S、Bi和Te的相對含量有關(guān)。加入Sn和Sb的5號試樣中夾雜物以片狀為主，也有球狀和桿狀等，部分片狀?yuàn)A雜物的尺寸較大。MnS夾雜具有潤滑作用，球形或紡錘狀的MnS可以提高鋼的切削性能；而片狀?yuàn)A雜物的尖端容易形成孔洞，5號試樣中這類夾雜物不利于鋼的切削性能[14]。

圖5 5種試樣室溫沖擊斷口處夾雜物形貌及其能譜分析Fig.5 Morphologies of inclusions at fractures of the five kinds of samples impact tested at room temperature and their energy spectrum analysis

鋼的化學(xué)成分及其含量影響夾雜物的成分、形狀、尺寸和分布等，進(jìn)而影響鋼的低溫沖擊韌性和切削性能等。低S含Bi的2號試樣中夾雜物呈團(tuán)簇狀聚集，可能與Bi質(zhì)脆易粉碎的性質(zhì)有關(guān)，單質(zhì)Bi呈白色，主要以游離態(tài)存在鋼基體中，熔點(diǎn)低，對鋼的切削性能有益[15-16]。相較于2號試樣，高S含Bi的3號試樣中MnS夾雜物數(shù)量增多，并有尺寸較小的球狀和桿棒狀MnS夾雜物和較多小球狀?yuàn)A雜物，有利于提高鋼的切削性能，還有Bi與硫化物相結(jié)合的紡錘狀?yuàn)A雜物，這也是3號試樣的沖擊韌性較除2號試樣以外的其他試樣高的原因之一。含Te和含Sn、Sb的硫鉍易切削鋼的低溫沖擊韌性相比低硫含Bi易切削鋼的顯著降低，但比僅添加S的易切削鋼好?？傊?，低S含Bi的2號試樣的低溫沖擊吸收能量最高，韌窩形態(tài)最佳，夾雜物數(shù)量少，單質(zhì)Bi分散于韌窩中，尺寸較小，低溫沖擊韌性最好。

3 結(jié)論

(1)添加不同易切削元素對鋼的低溫沖擊韌性有很大影響。硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.000 8%的含Bi易切削鋼的低溫沖擊韌性最好；硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.1%時(shí)沖擊韌性明顯下降，硫含量越低，含鉍易切削鋼的沖擊韌性越好；添加Te、Sn和Sb元素并不能提高甚至降低含鉍鋼的沖擊韌性；硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.173 0%的易切削鋼的低溫沖擊吸收能量最小，低溫沖擊韌性最差。

(2)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.000 8%、Bi質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.011 0%的易切削鋼的韌窩呈拋物線狀，尺寸較小，夾雜物幾乎都是小尺寸的單質(zhì)Bi，數(shù)量較少，呈現(xiàn)明顯塑性變形，低溫沖擊韌性最好；將硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至0.1%以上時(shí)，韌窩和夾雜物尺寸均增大；加入Te、Sn和Sb元素后，韌窩深淺和大小均不一，大尺寸的片狀?yuàn)A雜物較多。