筆頭用不銹鋼線材易切削性能影響因素研究

王輝綿，李建民，王麗君，張壽祿，王發(fā)展

（1.山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西 太原 030003；2.北京科技大學(xué)，北京 100083；3.西安冶金建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055）

據(jù)統(tǒng)計，我國中性圓珠筆的年產(chǎn)量約為400億支左右，除了滿足國內(nèi)文具需求外，出口地遍及世界各國。不銹鋼絲材為制造中性圓珠筆筆頭的主要原材料，圓珠筆頭的車削加工具有高速、高精度、自動化等特點，對筆頭不銹鋼材料的成分、組織以及易切削性要求極高，一般的不銹鋼難以滿足。

筆頭用不銹鋼材料最重要的是具備較好的易切削性能，材料具有極易脆斷性但又不能完全失去塑性，加工時既要容易切削，還不能開裂，因此對原材料不銹鋼的性能提出極為苛刻的要求[1]。本文對鋼中添加易切削元素的含量、硫化錳夾雜的尺寸和分布對筆頭鋼易切削性能影響進行了研究。

1 試驗方法

對添加不同含量硫、鉛、碲元素的筆頭用易切削不銹鋼絲在數(shù)控車床進行切削試驗，研究易切削元素含量與切削性的關(guān)系；實驗室冶煉不同氧含量的筆頭用不銹鋼材料，然后分析其中硫化錳夾雜的大小、形貌及分布狀態(tài)，對不同氧含量的筆頭不銹鋼線材試樣在數(shù)控車床進行切削試驗，得到氧含量與切削性能的關(guān)系，并用掃描電鏡分析了對應(yīng)的硫化錳夾雜形貌、大小。

2 結(jié)果與討論

2.1 筆頭用易切削不銹鋼中S、Pb、Te含量對易切削性能的影響

在實驗室冶煉兩種成分的筆頭用易切削不銹鋼，試驗材料化學(xué)成分如表1所示。試驗材料經(jīng)電渣冶煉、鍛造開坯、軋制成為線材5.5 mm規(guī)格產(chǎn)品，圖1和圖2為鋼中易切削相分布電鏡照片，可見16號試樣中夾雜物比較短粗，而且夾雜物外圍及基體中白色的Pb物質(zhì)較多。

圖1 試驗鋼6號中易切削相分布（×1 000）

圖2 對比鋼16號中易切削相分布（×1 000）

表1 不同S、Pb、Te含量的筆頭用易切削不銹鋼成分%

對6號和16號樣品在數(shù)控車床上進行了切削實驗，采用外接型號為OMRON：3G3RV-A4075-ZV變頻器配合LZ-30轉(zhuǎn)速表保證切削過程中，由于工件直徑的變化改變轉(zhuǎn)速以保證切削速度的恒定。

采用固定切削速度V約為110 m/min，改變切削深度ap或進給量f的方法來測定切削力。試驗結(jié)果如下頁圖3所示。可見隨切削深度ap和進給量f增加，Pb、Te含量控制較高時切削力Fz增加的速率比較慢，切削性比較好，鋼中夾雜物寬度較大時，切削性較好。

圖3 試驗鋼鋼切削力Fz與切削深度ap、進給量f的關(guān)系

鋼中硫含量的較高，由于硫化錳夾雜物起到割斷鋼中基體的連續(xù)性和應(yīng)力集中源作用，從而使車屑易斷，起到了潤滑作用，使刀具的磨損減小，從而改善了鋼材的切削性能。在切削加工過程中，刀具與加工件之間產(chǎn)生強烈的摩擦而產(chǎn)生熱量，使鋼中的鉛顆粒呈熔融狀態(tài)析出，從而起到潤滑作用，進而可以改善鋼的切削性能，Te元素含量增加可促進硫化錳夾雜物尺寸紡錘化從而影響切削力，切削時夾雜物的前段部位產(chǎn)生裂紋，并誘發(fā)更多顯微裂紋，這些裂紋在應(yīng)力集中源中間穿過并擴展開來，導(dǎo)致第一變形區(qū)變窄，剪切角增大，降低了切削力[2]。

2.2 筆頭用易切削不銹鋼氧含量對夾雜物尺寸、形貌及分布的影響

在實驗室冶煉了不同氧含量的筆頭用易切削不銹鋼，對鋼液凝固后的硫化錳夾雜分布和大小進行了研究，結(jié)果如圖4所示。

圖4 硫化錳夾雜物數(shù)量、夾雜物平均直徑隨氧含量的變化

從圖4可以看出，隨著氧含量的增加，硫化物的尺寸增加，數(shù)量有一定減少。據(jù)資料介紹，含硫易切削不銹鋼中氧含量較低時，硫化錳基本呈細小沿晶界分布形貌，氧含量增加時，硫化錳發(fā)生長大，且分布更加彌散均勻。在低氧條件下，夾雜物類型基本全部為第Ⅱ類硫化物，氧含量增加有助于夾雜物類型由第Ⅱ類向第Ⅰ類轉(zhuǎn)變。鋼中硫化錳的存在基本形式為大量細小硫化物+少量尺寸較大的硫化物，其中細小硫化物為Ⅱ類硫化錳；大顆粒硫化物為Ⅰ類硫化錳[3]。

圖5是筆頭用鋼中不同氧含量下的硫化錳夾雜的形貌，可見隨著氧含量增加，硫化錳尺寸變長、分布更均勻，其寬度8~15μm，長度60~170μm，易切削性達到最佳。最佳條件為：切削速度V=80 m/min；給進量f=0.1 mm/r；切削深度ap=0.5 mm。

圖5 不同氧含量筆頭用鋼種MnS夾雜形貌（×500）

如圖6所示，對不同氧含量筆頭鋼進行車削試驗時切削力的變化，可見氧含量高，切削力小，切削性更好，從車削后表面粗糙度的檢測結(jié)果也可以進一步證明該結(jié)論（見表2）。

圖6 不同氧含量筆頭鋼切削力的變化

表2 不同氧含量筆頭鋼切削后表面粗糙度

3 結(jié)論

1）筆頭用不銹鋼中S、Pb、Te等易切削元素必須達到在一定含量，是獲得易切削性能的基礎(chǔ)。

2）控制鋼中氧含量范圍，使硫化錳夾雜呈塊狀而不是細長條狀，可以有效提高不銹鋼的易切削性能。

3）筆頭鋼中硫化錳夾雜分布均勻，寬度8~15μm，長度60~170μm，易切削性達到最佳。