碲對40Cr13塑料模具鋼加工性能的影響

周茂華, 鐘亮美, 唐佳麗, 陳 煒, 付建勛

(1.攀鋼集團四川長城特殊鋼有限責任公司, 江油 621000;2.上海大學材料科學與工程學院,先進凝固技術中心,省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室, 上海 200444)

0 引 言

40Cr13鋼是一種中碳耐蝕塑料模具鋼[1-2],通常利用軋制余熱直接淬火來進行預硬化處理以獲得良好的切削性能[3-4],硬度一般為28～33 HRC或32～37 HRC。隨著下游用戶對模具鋼使用壽命要求的提高,高硬度(40～50 HRC)在線預硬化模具鋼受到廣泛關注[5-7],但高硬度模具鋼的機械加工性能不好,制約了其應用。提高高硬度模具鋼的切削性能,并確保其綜合性能不降低,成為模具行業發展的方向。

碲改質技術通過向含硫鋼中加入碲來改善硫化物形態、降低硫化物長寬比,從而顯著提高其斷屑性能,降低加工表面粗糙度[8-11]。蘇蒙蒙等[12]開展了不同碲含量303Cu易切削不銹鋼的切削試驗,發現碲的加入可以降低切削力和切削前后的表面粗糙度,并且隨著碲含量增加,切削性能改善更加顯著。劉貝貝等[13]研究發現,經過時長120 h以上的生產性切削后,碲改質1215MS易切削鋼的刀具磨損量、加工表面粗糙度與AISI12L14、SUM24L鉛系易切削鋼相當。ABEYAMA等[14]研究發現,碲能顯著降低18Cr-2Mo鋼的表面粗糙度,提高斷屑中C型屑的比例。李杰等[15]研究發現,添加碲可以增大303Cu鋼中硫化物夾雜物的硬度。謝劍波等[16]研究發現,隨著碲含量的增加,易切削不銹鋼的表面粗糙度逐漸降低。

目前,碲改質技術已成功應用于含硫易切削鋼、非調質鋼、齒輪鋼、不銹鋼的加工性能改善,然而對硫含量較低的40Cr13模具鋼進行碲改質的研究相對較少。為此,作者以不同硬度的無碲低硫40Cr13鋼、含碲中硫40Cr13鋼和無碲高硫40Cr13鋼為研究對象,分析了不同試驗鋼中夾雜物的形貌與顯微硬度,量化評估其切削性能和拋光性能,探究了碲對加工性能的影響規律,以期為開發高硬度易切削塑料模具鋼提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

含碲40Cr13鋼工業試制流程如下:30 t電爐冶煉→1 650～1 690 ℃下氬氧脫碳→大于1 650 ℃下鋼包精練→真空脫氣(極限真空度小于67 Pa,保持時間大于15 min)→模鑄→軋制→喂入碲線進行碲改質處理→鋼液表面覆一層碳化稻殼。基于作者課題組前期的研究成果和確保工業生產穩定的考慮,碲添加質量分數為0.003%。無碲低硫40Cr13鋼、含碲中硫40Cr13鋼和無碲高硫40Cr13鋼3種試驗鋼的化學成分(質量分數/%)如表1所示,試樣尺寸為40 mm×30 mm×80 mm。將3種鋼試樣進行1 050 ℃×30 min的淬火熱處理后,油冷。隨后將無碲低硫鋼試樣分別加熱至550,560,570 ℃保溫2 h空冷,使其洛氏硬度分別為41,38,36 HRC,分別記為1號,2號,3號試樣;將含碲中硫鋼試樣加熱至550 ℃保溫2 h空冷,使其洛氏硬度為41 HRC,記為4號試樣;將無碲高硫鋼試樣分別加熱至580,550 ℃保溫2 h空冷,使其洛氏硬度分別為33,41 HRC,分別記為5號,6號試樣。

表1 3種40Cr13鋼的化學成分Table 1 Chemical composition of three kinds of 40Cr13 steel

1.2 試驗方法

采用線切割在不同硬度不同成分試驗鋼上制取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣,經磨拋后,采用Zeiss Axio型光學顯微鏡(OM)、Phenom-Word型臺式掃描電鏡以及夾雜物三維腐刻表征手段觀察試樣中夾雜物的形貌, 用Image-Pro Plus 6.0軟件分析其分布規律。采用MH-5L型顯微維氏硬度計測試硫化物顯微硬度,施加載荷為0.098 1 N,保載時間為5 s。

采用晁群機械V-8L型加工中心進行銑削、鉆削試驗:銑刀為D3-20L1-D8-100L-4T型四刃直柄立銑刀,銑刀材料為涂層硬質合金,銑削參數見表2;鉆頭為D8-60-D8-100-2F型二刃硬質合金麻花鉆,鉆頭材料為涂層硬質合金,鉆削參數見表3。采用Kistler 9257B型測力儀測試刀具受到的x、y、z方向的切削力和鉆削軸向力,將3方向的合力視為切削過程中刀具受到的總銑削、鉆削力。采用Surfcorder SE1200型表面粗糙度測量儀測試銑削加工后的表面粗糙度。

表2 銑削參數Table 2 Milling parameters

表3 鉆削參數Table 3 Drilling parameters

在不同硬度不同成分的試驗鋼上制取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的試樣,冷鑲后采用MetaServ250型單盤自動研磨拋光機對6組試樣進行自動磨拋,依次使用400#,600#,800#,1000#,1200#,1500#,2000#砂紙研磨,再使用2.5 μm金剛石拋光劑自動拋光,研磨壓力為0.2 MPa,磨盤轉速為350 r·min-1,拋光時間為3 min。采用BRUKER Counter GT-K型光學輪廓儀觀察試樣拋光后的表面形貌并測試其表面粗糙度。

2 試驗結果與討論

2.1 夾雜物

由圖1可見:3種硬度的無碲低硫鋼較為潔凈,夾雜物數量較少,僅存在少量尺寸很小的顆粒狀夾雜物;含碲中硫鋼中夾雜物數量增加,除少量小顆粒夾雜物外,還存在尺寸在10～20 μm的球狀、橢球狀夾雜物;2種硬度的無碲高硫鋼中夾雜物數量進一步增加,有長度在50～100 μm的長條狀夾雜物,夾雜物尺寸明顯增大。

圖1 不同試樣的OM形貌Fig.1 OM morphology of different samples

由表4可見:隨著40Cr13鋼中硫質量分數的提高,硫化物數量增加,夾雜物平均等效直徑和密度均增大。由圖2可知:無碲低硫鋼中多以小尺寸夾雜物為主,且夾雜物長寬比較小,長寬比大于3的占比僅為3%,說明夾雜物主要是球狀或橢球狀;含碲中硫鋼中大尺寸夾雜物的占比增加,但相比無碲低硫鋼的夾雜物長寬比未發生明顯變化,長寬比大于3的夾雜物占比小于5%;無碲高硫鋼中大尺寸夾雜物的占比進一步增加,且長寬比增加,長寬比大于3的夾雜物占比超過15%。這說明,鋼中加入微量碲可以減少長條狀硫化物的數量。長條狀硫化物會破壞鋼基體的連續性,加速橫向拉伸時的脆性斷裂[17];碲改質后硫化物形態得到改善,有利于提高橫向拉伸性能。

圖2 不同試樣中夾雜物長寬比分布Fig.2 Aspect ratio distribution of inclusion in different samples

表4 不同試樣中夾雜物的密度和平均等效直徑Table 4 Density and average equivalent diameter of inclusion in different samples

由圖3結合能譜試驗可知:硬度為41 HRC的無碲低硫鋼中夾雜物主要為多面體或不規則狀Al2O3和Al2O3-MnS復合夾雜物,存在少量立方體Ti(C, N)和Al2O3-Ti(C, N)復合夾雜物,尺寸較小;與其硬度相同的含碲中硫鋼中夾雜物主要為MnS,存在少量Al2O3-MnS復合夾雜物,多為橢球狀;其在硫化物中檢測到質量分數1%左右的碲元素,說明碲固溶于MnS形成Mn(S, Te)夾雜物。碲的固溶增加了硫化物硬度并降低其塑性,導致熱軋溫度下硫化物變形能力降低,不易變為長條狀,長寬比降低,相同硬度的無碲高硫鋼因硫質量分數進一步增加到0.07%,MnS數量大幅增加,長度可達300 μm,另外存在部分由MnS包裹多個Al2O3顆粒形成的Al2O3-MnS復合夾雜物。

圖3 不同試樣中夾雜物的形貌Fig.3 Morphology of inclusions in different samples

測試得到含碲中硫鋼中硫化物顯微硬度增加,為152.7 HV,硬度分別為33,41 HRC的無碲高硫鋼中的硫化物顯微硬度分別為138.1,137.3 HV。碲元素能固溶在硫化物中起到固溶強化作用,使得硫化物顯微硬度增大[18],在鍛造或軋制過程中,碲改質40Cr13鋼的高硬度硫化物的形態變化較小,能夠保持橢球狀形貌,不會提高材料力學性能的各向異性,這對鋼的切削加工是有利的。

2.2 加工性能

加工時銑削或鉆削力越小,材料加工越容易。由表5可見:當銑削速度、深度一定時,進給量越大,不同硬度不同成分試驗鋼的銑削力均越高,這是因為進給量增大,銑削去除工件體積增大,材料變形抗力和摩擦力增大;當進給量、銑削深度一定時,銑削速度增大,銑削力減小,這是因為銑削速度的增大使得溫度升高,摩擦因數和變形系數相應下降[13];當銑削速度、進給量一定時,銑削深度增加,銑削力增大,這是因為銑削深度增加會增大銑削去除體積,增加銑削材料變形,導致變形抗力與摩擦抗力顯著上升。

表5 不同銑削參數下不同試樣的銑削力Table 5 Milling force of different samples under different milling parameters

相比而言,無碲高硫鋼的銑削力最小,而碲含量和硬度對銑削力的影響較小。可見,在較小進給量下提高硫含量才能降低鋼銑削力。這是因為硫在鋼中主要以MnS的形式存在,MnS不僅可以作為應力集中源使材料易于斷屑,還能在高溫下軟化起到固體潤滑劑的作用[19]。當進給量提高至600 mm·min-1時6種試驗鋼的銑削力顯著增大,材料成分和硬度對銑削力的影響也更加顯著:對于無碲低硫鋼,隨著硬度下降,銑削力顯著降低;當硬度為41 HRC時,含碲中硫鋼的銑削力比無碲低硫鋼降低了約9%,說明在惡劣工況下碲改質可以降低材料的銑削力。

表面粗糙度越小,材料加工后的表面質量越好。

由表6可見:當進給量為200 mm·min-1時,6種試驗鋼銑削后的表面質量均較好,表面粗糙度Ra為0.2～0.7 μm;進給量增大到600 mm·min-1后,表面質量降低,表面粗糙度均增大至1 μm以上;對于無碲低硫鋼,隨著硬度增大,表面粗糙度增大,這是因為硬度越高,銑削時刀具的磨損程度越大,而刀具磨損會嚴重降低材料表面質量,使表面粗糙度增加[20];含碲中硫鋼的表面粗糙度小于相同硬度的無碲低硫鋼和無碲高硫鋼,說明碲改質可以降低40Cr13鋼銑削后的表面粗糙度。

表6 不同銑削參數下不同試樣的表面粗糙度Table 6 Surface roughness of different samples under different milling parameters

由表7可見:較大進給量下的鉆削力較大;較大鉆削速度下的鉆削力較小;無碲低硫鋼的鉆削力略大于相同硬度的含碲中硫鋼和無碲高硫鋼,分別增加了25.7%,27.6%。由于碲改質鋼中硫化物形態得到優化,雖然硫化物數量比相同硬度的無碲高硫鋼少,但是同樣能夠顯著提高加工性能。

表7 不同鉆削參數下不同試樣的鉆削力Table 7 Drilling force of different samples under different drilling parameters

綜上所述,碲改質鋼加工性能要明顯優于相同硬度的無碲低硫鋼,和低硬度無碲低硫鋼較為接近,說明在40Cr13鋼中加入質量分數0.003%碲改質后,可顯著減小材料切削加工時的切削力,改善表面粗糙度;無碲高硫鋼的加工性能最好。

2.3 拋光性能

硬度均為41 HRC的無碲低硫鋼、含碲中硫鋼和無碲高硫鋼的拋光性能依次下降,表面粗糙度分別為0.032,0.095,0.204 μm;成分相同的試驗鋼硬度越小,拋光后表面粗糙度越大。由圖4可見:硬度為41 HRC的無碲低硫鋼表面光潔,沒有凹坑和凸起存在,硬度為38 HRC時出現部分平行條紋,硬度為36 HRC時表面出現帶狀凹坑,即隨著硬度降低,拋光表面缺陷增加;含碲中硫鋼拋光后表面出現少量麻點;無碲高硫鋼表面麻點數量明顯增加,麻點多為鏈狀,尺寸較大,表面質量急劇惡化。硬度和非金屬夾雜物會顯著影響拋光性能。無碲低硫40Cr13鋼中主要為Al2O3和Al2O3-MnS復合夾雜物,數量很少,因此經過拋光后表面未見夾雜物造成的孔洞,影響拋光性能的主要因素是硬度,硬度越低,拋光后的表面粗糙度越大。含碲中硫和無碲高硫40Cr13鋼中夾雜物主要為硬度較低的MnS,相比基體在拋光過程中更易被去除而在表面形成孔洞,影響表面質量。MnS夾雜物對模具鋼表面質量的影響不僅取決于數量多少,也與其尺寸及形狀有關。含碲中硫鋼中MnS夾雜物雜數量相比無碲高硫鋼少,且其多為橢球狀,尺寸較小,因此對材料表面的拋光性能影響較小;無碲高硫鋼中MnS數量較多,且多為長條狀,尺寸較大,在拋光過程中會整塊脫落而在材料表面形成大片凹坑,降低材料拋光表面質量。

圖4 不同試樣拋光后的表面形貌Fig.4 Surface morphology of different samples after polishing

3 結 論

(1) 無碲低硫(硫質量分數為0.003%)40Cr13鋼中夾雜物主要為Al2O3和Al2O3-MnS,尺寸小、多呈球狀或橢球狀;含碲中硫(硫質量分數為0.022%、碲質量分數為0.003%)40Cr13鋼中夾雜物主要為MnS,尺寸增加,但仍多為橢球狀;無碲高硫(硫質量分數為0.07%)40Cr13鋼中夾雜物主要為MnS,數量增加,尺寸增大,且為長條狀。由于碲在硫化物中的固溶,含碲中硫鋼中硫化物的顯微硬度較大。

(2) 硬度為41 HRC時,相比無碲低硫40Cr13鋼,含碲中硫40Cr13鋼的銑削力、鉆削力、銑削后的表面粗糙度更小,加工性能更好,接近于低硬度(38,36 HRC)無碲低硫40Cr13鋼。

(3) 硬度為41 HRC時,相比無碲低硫40Cr13鋼,含碲中硫40Cr13鋼拋光后表面粗糙度較大,拋光性能略差,但要明顯優于無碲高硫40Cr13鋼。