显微组织和非金属夹杂物对洁净钢可切削性的影响

22钢铁译文集2018年第1期

显微组织和非金属夹杂物

对洁净钢可切削性的影响

The Influence of Microstructure and Non-Metallic

Inclusions on the Machinability of Clean Steels

Niclas Anmark等

(瑞典皇家理工学院）

摘要本研究的重点是在钢的半精加工期间，通过使用硬貭合金切削刀具来评估各种渗碳钢种的可切削性。评定了参照钢R(0. 028%S、0. 0009% 0)、洁净钢C(0. 003%S、0. 0005%O)和超洁净钢UC(0. 002%S、0. 0004%O)的成分、显微组织以及夹杂物特性对软态切削中刀具磨损的影响。切削加工参照钢R时，切削刀具寿命提高10%〜25%左右。该钢种之所以具有良好的切削加工性能，是因为比洁净钢中的非金属夹杂物含量更高、晶粒尺寸更大，且显微硬度更低。

关键词渗碳钢晶粒尺寸非金属夹杂物可切削性

1前言

钢的洁净度等级可根据钢中有害元素的 含量来确定，即〇、S、N、C、P和H的含量。Holappa等报道称，自20世纪70年代起，因炼钢技术的进步，已成功开发出了新的洁净 钢种，该钢种的杂质含量低于lOppm，并具 有极佳的机械强度和耐腐蚀性。推动技术进 步的驱动力部分来自于汽车行业，部分来自 于石油和天然气行业。这些行业特别需要那 种可以耐高机械载荷或恶劣及腐蚀性环境的 钢种。与超洁净钢优良的机械性能和/或耐 腐蚀性相比，通常认为这些钢种难以切削，从 而导致切削刀具寿命的缩短。因此，未来钢 铁工艺面临的挑战就是生产出同时具有优良 的机械强度与可切削性的高性能钢种。

可切削性本身就是一个用于说明工件的 整个机械加工性能的宽泛而复杂的概念。可 切削性指数是若干参数，如功耗、加工工件的 表面粗糙度、切屑形成能力、切削刀具磨损以 及环境影响的综合量度。[4]因此，可切削性指数取决于工件材料、切削刀具以及切削加工 工艺的特性。

汽车制造中普遍使用约〇.2%C的渗碳 钢。此类钢种易于加工（软态，约150〜200HB)，且高机械强度和高耐磨性完美结合 (硬态，58〜63HRC)。此外，可通过热处理，如退火、时效、淬火和回火，改变这些钢种的 特性。

球化处理是一种软化退火工艺，发生于 950K左右的髙温下，期间，硬且脆的珠光体 结构中的片状渗碳体（Fe3C)分裂成更小的 球形碎片。球化处理的目的是提高工件可成 形性，并降低它的硬度。因此,热处理操作可 提髙软态下渗碳钢种的可切削性。渗碳处理 可形成1〜1. 5m m厚的硬质外层，硬质外层 的硬度可以达到60±2H R C,该硬度值对接 触疲劳有较高的要求，以满足工业应用，如传 输元件。

与洁净钢和超洁净钢（C和H C，0. 001 〜0. 004%S)的可切削性相比较，切削标准

2018年第1期钢铁译文集23

渗碳钢种(R，〇.〇41%S)时，刀具寿命比洁净 钢的高30%左右。不过，标准和超洁净渗碳 钢种可切削性等级之间并无明确关联，而且 也未明确适合于软加工操作的非金属夹杂物 含量。因此，本研究的目的就是明确软态车 削中，钢的洁净度、夹杂物特性和球化渗碳钢 显微组织对刀具磨损的影响。

2试验

2.1工件材料

本研究采用的是Ovako H o fo rs公司提 供的三种渗碳钢。研究用钢的成分、对应的IS O编码和牌号列于表1。参照钢种R是汽 车用途（如变速箱传动部件）的普通渗碳钢 (280ppmS，9ppm O)。C 和 UC 钢种分别对 应于洁净钢（30ppmS，5ppmO)和高性能超洁 净钢（20ppmS，4ppm O)。C和U C钢种被设 计用于需要高疲劳强度的齿轮和轴承，而R 钢种则更易于切削加工，因为它含有更多的 M nS夹杂物。而且热加工期间M nS夹杂物 会沿轧向变形伸长，成为钢基体中的应力集 中源。因此,M nS夹杂物降低参照钢的横向 疲劳强度。这些取自各钢种的90m m直径、500m m长的试验棒于945K下进行软化退 火(球化)15h。

wt%

表1材料分析与切削试验用渗碳钢的化学成分

钢种ISO C Si Mn Cr Ni Mo S〇Ca R20NiCrMo2-20.210. 240. 880. 560. 500.210. 0280. 00090. 0002 C20NiCrMo70. 200. 240. 600. 53 1.690. 240. 0030. 00050. 0002 UC*)16NiCr6-4F0. 170. 320. 78 1.13 1. 350. 090. 0020. 00040. 0010

a)Ca处理至 10ppm。

2.2钢的特性

在钢棒半径一半位置处切取试样，用于 进行研究用钢种的显微组织分析。横截面沿 平行于钢棒纵向的平面法线截取，且每件试 样均被研磨、抛光并浸蚀于2%硝酸溶液内。此后，用光学显微镜（LO M)和配备N or-dlysM ax电子背散射（EBSD)摄像探测仪的 LEO SUPRA 35场发射枪（FEG)的扫描电 镜(SEM)以及A Z te c软件对显微组织进行 进一步的评价。利用E BS D和反极映射图 (IPF)确定显微组织的晶粒尺寸和取向。在 反极图中，根据在球面三角形中的位置指示 晶面并着色。除此之外，采用的超高压达5k V，孔径为 60jLtm，步幅为 0.5jLtm(1000X)、0.05M m(10000X)，采用4X4像素合并模 式。另外，在轧制棒材切取件的横截面上，通 过标准化测量(维氏硬度测量法)获得钢棒的 硬度分布曲线。

采用下列由国际焊接学会（IIW)推荐的 公式估算碳当量(CE):

CE=%C+(^)+(^±^±^)

6 5

+(%N i+%C U) ⑴

丄5

式中，％C、％M n、％C r、％M o、％V、％N i、和％(：11分别代表钢种的C、M n、C r、M〇、V、N i和C u含量（重量百分比）。在使用C以外的合金化元素时，碳当量是一个常用于预 测钢种物理性能，如硬化性和焊接性的参数。目的就是将这些合金化元素的含量转化为碳 当量。

在软化退火钢样的电解提取（EE)与过 滤后，对非金属夹杂物进行三维（3D)分析。在钢棒半径1/2处，纵向切取钢样（15m m X 10m m X4mm)。用10%A A电解液和40〜60m A的电流进行电解提取。然后，提取的 非金属夹杂物被收集到开孔尺寸为〇. 4M m