含不同易切削元素的筆頭用易切削不銹鋼微觀組織的研究

宋元元,孔凡亞，李紅軍，戎利建

（中國科學(xué)院金屬研究所 中國科學(xué)院核用材料與安全評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧，沈陽，110016）

易切削鋼是指具有優(yōu)良切削加工性能的鋼材，一般在鋼中加入一種或一種以上的易切削元素如硫、磷、鉛等，能夠改善其切削性能[1]。易切削鋼從上世紀(jì)20年代開始在美國首次研制成功至今已有近百年的歷史了。目前，國內(nèi)外生產(chǎn)應(yīng)用最早、用量最大、用途最廣的一類易切削鋼是硫系易切削鋼，通常也包括硫-鉛復(fù)合易切削鋼。硫-鉛復(fù)合易切削鋼是利用生成的易切削相MnS 和易切削元素Pb（鉛）的復(fù)合作用顯著改善鋼的切削加工性，具有加工產(chǎn)品表面光潔度好，加工刀具受力小，能耗少等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于制造機(jī)械零件如軸、儀表的精密小件和汽車零件等[2-6]。絕大多數(shù)的筆頭用金屬材料就是用這種易切削鋼制造生產(chǎn)的[7-8]。Pb 在冶煉時(shí)以及廢鋼回收熔煉過程中均污染環(huán)境且是一種對人體有害的有毒重金屬，其應(yīng)用受到了限制，世界各國開始研制無鉛易切削鋼[9-11]。也有一些研究學(xué)者研究以錫代鉛的易切削鋼或者在易切削鋼中加入稀土元素，改善夾雜物組成及尺寸等，從而提高鋼的可切削性能[10,11]。因此使用低毒或者無毒易切削元素從而滿足筆頭不銹鋼加工要求成為研發(fā)熱點(diǎn)。目前，以日本大同制鋼和日本下村特殊精工等公司為代表的筆頭制造用不銹鋼線材制造商，進(jìn)行了低Pb 和無Pb 易切削不銹鋼研究開發(fā)，主要通過鉛替代易切削元素（如Bi替代Pb）的研究，改善材料切削性能。

因此，本文主要以含Bi 和Te 以及含有Se 的兩種筆頭用易切削鐵素體不銹鋼為研究對象，通過微觀組織分析，研究易切削元素在易切削不銹鋼中的形態(tài)及分布等，從而為新型筆頭用金屬材料的國產(chǎn)化提供參考。

1.實(shí)驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)對兩種筆頭用易切削鐵素體不銹鋼進(jìn)行了觀察分析，一種是含有Bi 和Te 的易切削鐵素體不銹鋼，以下簡稱為試樣A；另一種是只含有Se 的易切削鐵素體不銹鋼，以下簡稱為試樣B。兩者的化學(xué)成分分析如表1所示。將兩種絲材的橫截面和縱截面進(jìn)行研磨、拋光，用王水進(jìn)行化學(xué)腐蝕制備成樣品觀察鐵素體晶粒尺寸。采用S-3400N 型號的掃描電鏡觀察分析鐵素體晶粒大小、MnS 易切削相的形態(tài)、尺寸以及易切削元素Bi、Te 和Se 的形態(tài)和分布；采用日本島津公司生產(chǎn)的EPMA-1610 型號的電子探針對元素面分布情況進(jìn)行了分析。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 SEM顯微組織分析

圖1是利用SEM 觀察了兩種易切削鐵素體不銹鋼縱截面上的基體組織，經(jīng)過腐蝕可以清楚地看出鐵素體晶粒沿著拉拔方向排列，其中基體上的夾雜物在腐蝕過程中已經(jīng)脫落，似凹坑狀分布，呈鏈條狀沿著晶粒長軸方向貫穿幾個(gè)晶粒。圖1(a)是試樣A 即含Bi 和Te 元素的易切削鐵素體不銹鋼的縱截面晶粒組織，可以看出晶粒尺寸非常細(xì)小沿長軸方向約為10μm；圖1(b)是試樣B 即含Se 元素的易切削鐵素體不銹鋼的縱截面晶粒組織，與圖1(a)相比，晶粒尺寸略粗大，沿長軸方向長度約為20 μm。

圖1 試樣A的縱截面(a)和試樣B的縱截面晶粒組織的掃描照片F(xiàn)ig 1.SEM images of the grain structure of the sample A in horizontal (a) and the sample B in horizontal (b)

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table1 Compositions of investigated steel (mass fraction,%)

利用掃描電鏡觀察了兩種易切削鐵素體不銹鋼縱截面和橫截面上未經(jīng)腐蝕的顯微組織形貌，由于Bi 是原子序數(shù)比較大的元素，在背散射電子作用下，會呈現(xiàn)亮白色。因此為了更好地分析組織中的Bi 以及MnS易切削相的分布，利用SEM 背散射技術(shù)對拋光后未經(jīng)過腐蝕的樣品進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖2所示。圖2(a)是試樣A 縱截面的二次電子掃描電鏡照片，圖2(b) 和2(c)是橫截面的背散射掃描電鏡照片，圖2(c)中A、B處的EDS 分析見表2。由表2的結(jié)果可知，其中黑色組織為MnS 或者M(jìn)nTe 易切削相，亮白色組織為Bi 單質(zhì)。從圖2中可以清楚地看到在縱向的鐵素體基體上MnS 沿拉拔方向分布，大部分MnS 呈紡錘狀或者短棒狀斷續(xù)地相連組成鏈條狀，也有少數(shù)短棒狀MnS 單獨(dú)分布在基體上。Bi 單質(zhì)呈亮白色點(diǎn)狀分布在鐵素體基體上或者附著在MnS 或者M(jìn)nTe 夾雜物旁。在橫向截面上，可以看到MnS 或者M(jìn)nTe 易切削相呈短棒狀或橢圓形狀，長軸方向上的長度小于10 μm。

圖3分別是試樣B 縱截面和橫截面的二次電子掃描電鏡照片。圖3(a)中C 處的EDS 分析見表2，由表2的結(jié)果可知，其中黑色組織是易切削元素Se 和S 共同生成了Mn（S、Se）復(fù)合易切削相。該復(fù)合易切削相大部分呈短棒狀或紡錘狀斷斷續(xù)續(xù)分布在鐵素體基體上。但MnS 夾雜物在形態(tài)上分布不太均勻，有的是以非常細(xì)長狀分布在基體上。在橫截面上，Mn（S、Se）復(fù)合易切削相多以圓形或者橢圓狀分布，易切削相尺寸比較細(xì)小，最大的在長軸方向長度約為3μm。

圖2 試樣A的縱(a)、橫(b)截面的掃描照片以及橫截面顯微組織的背散射照片(c)Fig.2 SEM and BSE images of the sections of the sample A

圖3 試樣B的縱(a)、橫(b)截面的掃描照片F(xiàn)ig.3 SEM images of the sections of the sample B

表2 圖2(c) 和圖3(a) 中不同區(qū)域的EDS成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù) wt.%) Table2 EDS analysis results of each region in Fig.2 (c) and Fig.3(a)

2.2 EPMA分析

為了更好地分析成分分布，利用EPMA 研究了兩種易切削鋼的元素成分分布情況，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以明顯地看到在兩種易切削不銹鋼中，Mn 和S 的偏聚區(qū)是完全一致，并且是非常明顯的，即形成了最主要的易切削相MnS 夾雜物。在試樣A 即含Bi 和Te 的易切削不銹鋼中，易切削元素Te 除了有少部分固溶在基體中外，其形成的偏聚區(qū)同Mn 和S 幾乎是完全一致的，形成了MnTe 或者M(jìn)n(S、Te)復(fù)合析出相。Bi則主要以單質(zhì)形式在基體上以顆粒狀析出。而對于試樣B 即含Se 的易切削不銹鋼，Se 的分布狀態(tài)同Te 非常類似，除了有少部分固溶在基體中外，同Mn 和S 的偏聚區(qū)幾乎是完全一致的，形成了Mn(S、Se)復(fù)合析出相。

圖4 試樣 A (a) 和試樣 B (b) 的BSE像和EPMA元素面分布圖Fig.4 BSE images and EPMA element maps of the sample A (a) and the sample B (b)

3.分析討論

MnS 是硫系易切削鋼中的主要易切削相，對改善材料的切削性能具有重要的作用。在切削過程中，MnS相象缺口一樣造成了應(yīng)力集中，引起裂紋的生成并促進(jìn)斷裂過程的發(fā)生，可降低切削力并使鋼易斷[12-14]。對于筆頭用易切削鐵素體不銹鋼而言，MnS 易切削的形態(tài)、大小及分布對材料的易切削性能及其他力學(xué)性能起著決定作用，因而在硫系易切削不銹鋼中加入一些易切削元素有利于控制MnS 的形態(tài)，從而進(jìn)一步提高易切削性能，加工成需要的工件。雖然都是易切削元素，它們在鋼中的分布、形態(tài)及切削機(jī)理也是不同的。

Bi 同Pb 一樣，熔點(diǎn)比較低（約272℃，比Pb 的熔點(diǎn)約低56℃），在鐵中的溶解度也非常小，因而是一種可形成低熔點(diǎn)金屬夾雜物元素。Bi 在易切削鐵素體不銹鋼中主要以尺寸較小的Bi 顆粒形式存在，這樣可以起到潤滑和熔融脆化作用。另外，從前面觀察到的組織結(jié)果中可以看到，Bi 易在MnS 或MnTe 易切削相上偏聚，這樣的分布形態(tài)對提高M(jìn)nS 或MnTe 的潤滑作用和應(yīng)力集中效應(yīng)非常有利，使裂紋容易沿著易切削相界面萌生、擴(kuò)展，在材料切削加工時(shí)易于斷屑，從而獲得較好的表面光潔度[15]。Te 和Se 在易切削鋼中的作用機(jī)理非常相似，二者在鐵中的固溶度很小，它們在易切削不銹鋼中主要形成MnTe、Mn(S,Te)或者M(jìn)n(S,Se)易切削相，因此它們的作用機(jī)理跟S 是一樣的，形成的夾雜物在鋼中起到應(yīng)力集中源，在熱加工后夾雜物呈紡錘狀，從而改善了材料的易切削性能。另外，Se 還能夠提高加工表面的光潔度[16]。

4.結(jié) 論

含Bi 和Te 易切削鐵素體不銹鋼的鐵素體晶粒非常細(xì)小，易切削相主要是MnS、MnTe 或Mn(S,Te)和Bi。其中MnS 型易切削相多以紡錘狀或者短棒狀斷斷續(xù)續(xù)地呈鏈條樣分布在鐵素體基體上；而Bi 單質(zhì)則分布在基體中或附著在MnS 型易切削相旁；

含Se 易切削鐵素體不銹鋼的易切削相主要是Mn(S,Se)，多以紡錘狀或者短棒狀呈鏈條樣分布在鐵素體基體上。