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-MetallicInclusions on the Machinability of Clean SteelsNiclas 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. 0010a)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 m24钢铁译文集2018年第1期的聚碳酸酯过滤器表面上。
再用配备了能散 X 射线光谱仪（EDS )的S E M 分析过滤器表 面上的夹杂物。
另外，ED S 还可将渗碳体颗 粒与氧、硫和硫氧化物夹杂区别开来。
因此， 在夹杂物分析中忽略渗碳体颗粒。
钢种R 、 C 和U C 分析出来的颗粒总量分别为207、 119和70。
观察到的夹杂物的特性用长度 (1)、宽度(界)、形状(长宽比八尺=17\\0、计 算的等效直径(d £q )、钢的每单位体积夹杂物 数量（N V )和夹杂物体积分数（fV )加以量 化。
deq 值用下式计算：j _L m a x 1 "W m a xe q 2(2)N =n •—---—n A o b s Wd is(3)式中，L max和分别是被分析夹杂物 的最大长度和最大宽度。
参数n 是所选尺寸 范围内观察到的夹杂物数量，A f是过滤后带 有夹杂物的薄膜滤片的面积，八^是总观察 面积。
pm 对应于试样金属基体的密度（〜0. 0078g • mm _3)，Wdi S 则是提取过程中钢的 溶解重量。
2.3可切削性的评定钢棒的可切削性试验使用SandvikGC 4325 商用硬质合金切削刀具。
切削刀具经精确成 形，带有80°的刀尖角，刀尖半径为0. 8mm (CNMG 120408PM )，如图 1 所示。
在车削作业过程中，使用W alterC 3-PCLNL -22040-12车刀架和含有5%乳液的 Castrol Syntilo 9913 冷却液（以 2. 4L . min _1的流速注人)开展刀具寿命试验。
切削加工试 验所用主要参数列于表2。
图1 GC 4325硬质合金切削刀具与相应磨损形势图（SEM -BSE ,LOM )表2切削性能试验的主要参数切削加工切削切削速度进刀速度切削深度试验操作 VcAm • min-_1) fn/(mm * rev-1)ap/(mm)刀具寿命端面车削300J60和4500.32〜3当切削刀具达到的最大后刀面磨损值(VBmax )>0. 3m m 或当刀具因边裂、豁口、 塑性变形或刀鼻磨损而受损时，试验终止。
利用光学显微镜以预定的时间间隔测量切削 刀具的最大后刀面磨损值。
另外，用配备了 背散射检测仪的JEOL JSM 7000 F F E OS E M 进行刀具磨损分析。
3结果与讨论3.1钢的显微组织与硬度对切削刀具寿命 的影响通过显微组织评定，发现钢种具有铁素 体——珠光体组织（包含沿铁素体晶界的球 状渗碳体），如图2所示。
除此之外，图3给 出了软化退火后研究用钢种内晶粒的典型 SEM -EBSD 图像。
研究用钢种的主要特性 列于表3。
图2研究用钢种（a )R 、（b )C 和（c )U C 内球状渗碳体的典型尺寸与形态。
2018年第1期钢铁译文集25图3研究用钢种（a):R;(b)C和（c)U C内铁素体相的IPFEBSD图表3研究用钢的显微组织特性钢C含量(wt%)显微组织C当量CE(wt%)平均晶粒尺寸DG(f jL m)1/2半径处的硬度HV0.5r(HV5)R0.21铁素体一一珠光体0.54110. 士0.3149士4 C0.20铁素体一一珠光体0.579.4士0.5165士6 UC0.17铁素体一一珠光体0.638.2士0.3171士1显然，尽管给定钢种内的C含量略有减 少，但钢棒的碳当量（CE)和平均硬度(H V m)却显著提高。
平均晶粒尺寸亦按照 钢种R到U C的顺序依次减小。
图4(a)示 出了 0£、11¥。
.51<和〇〇值之间的关系。
研究 用钢R、C和U C的特性由下式评定：K(P i)=(Pi)/(P R)(4)式中，K T i)是C或U C钢种的参数值 (Pi)与参照钢种R的参数值（P R)之比的相 对变化系数。
不同钢种的K(CE)与K(P i)之间的关系示于图4(b)。
图中的^^-。
参数对应于金属试样表面上观察到的每单位面积 的晶粒数量。
由图可见，当C E值从0.54w t%上升到 0. 63w t%(17%)，H V0.5R (15%)和 N a-g(97%)值上升，而D G值下降 (25%)。
