田 超

（山東鋼鐵股份有限公司，山東 濟(jì)南250101）

1 前 言

圓珠筆尖球座體的制造須經(jīng)歷車削、鉆孔等機(jī)械加工過程，其原材料為易切削鋼絲，易切削相的種類、形態(tài)、尺寸、數(shù)量和分布等對鋼的機(jī)械加工性能有深刻影響。易切削相主要以通過向鋼中添加S元素而獲得的硫化物夾雜為主，此外還有低熔點(diǎn)元素（如Pb、Sn、Te、Bi 等）。機(jī)械加工過程中，易切削相對材料基體連續(xù)性的破壞作用以及局部應(yīng)力集中效應(yīng)會起到良好的斷屑效果，同時(shí)刀具與材料接觸位置形成局部高溫，而低熔點(diǎn)元素發(fā)生熔融，又起到潤滑刀具降低刀具磨損的作用。一般認(rèn)為，硫化物尺寸大有助于改善切削性能，材料中氧含量的控制對硫化物易切削相尺寸至關(guān)重要。研究表明［1-4］，隨著易切削鋼氧含量的增加，其硫化物的平均直徑和面積分?jǐn)?shù)增大、數(shù)量減少、長寬比減小。鋼冶金的脫氧過程會產(chǎn)生氧化物類夾雜，其中的Al2O3、Mg-Al 尖晶石、CaO 類非金屬夾雜物屬于高硬、不易變形的剛性夾雜。剛性夾雜損害材料的韌性，并且在材料機(jī)械加工過程中與切削刀具接觸會加速刃面磨損而降低刀具壽命，故應(yīng)控制冶金過程產(chǎn)生的氧化物夾雜種類。

中國年產(chǎn)圓珠筆400 多億支，為世界制筆大國，但長期以來核心技術(shù)和材料高度依賴進(jìn)口，包括加工圓珠筆尖球座體所使用的易切削鋼。按照是否添加Pb 元素，易切削鋼可分為鉛易切削鋼和無鉛易切削鋼，鉛易切削鋼發(fā)展較早，但鉛元素有毒使含鉛鋼的制造、加工、再利用過程均存在危害人體和污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。長期以來，人們對健康和環(huán)保要求不斷提高，使無鉛易切削鋼的研發(fā)呼聲越來越高，產(chǎn)生了很多實(shí)用技術(shù)與產(chǎn)品［5-8］。近年來，國內(nèi)對圓珠筆尖球座體用鉛易切削不銹鋼已有研究，如日本下村SF20T，文獻(xiàn)同時(shí)報(bào)道了國產(chǎn)圓珠筆尖用鉛易切削不銹鋼研究成果，但罕見圓珠筆尖球座體用無鉛易切削不銹鋼的研究報(bào)道。本文通過對規(guī)格為Φ2.3 mm 的無鉛易切削鋼拉拔線材的成分、微觀組織、易切削相和物理性能等方面進(jìn)行綜合分析，為圓珠筆尖球座體用無鉛易切削鋼研究提供材料設(shè)計(jì)與冶金過程精確控制依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料與方法

經(jīng)試驗(yàn)測定，國外圓珠筆尖球座體用無鉛易切削不銹鋼的化學(xué)成分如表1所示。其中S元素的添加量為0.32%，為主要的易切削相形成元素，此外低熔點(diǎn)元素主要為Bi和Te，Pb含量＜0.005%。

表1 國外無鉛易切削不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

將線材沿著橫向和縱向磨拋制成金相樣，根據(jù)需要分別進(jìn)行腐蝕處理或不腐蝕，使用光學(xué)顯微鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）及能譜進(jìn)行微觀組織和易切削相觀察，并對易切削相進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)；使用拉伸試驗(yàn)機(jī)按國標(biāo)進(jìn)行拉伸性能測試，使用顯微硬度儀測定顯微硬度（HV 0.05）；截取一小段線材并對橫截面進(jìn)行電解拋光，使用EBSD 進(jìn)行拉拔退火織構(gòu)分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 材料微觀組織

對線材的橫、縱截面研磨拋光，并用FeCl3/CuCl2水溶液腐蝕，使用光學(xué)顯微鏡觀察金相組織，如圖1所示。試驗(yàn)材料化學(xué)成分C含量低，Cr含量超過20%，可判斷該材料基體完全為鐵素體。經(jīng)測算，試驗(yàn)材料鐵素體的平均晶粒尺寸≈3.5 μm；光鏡下可見橫截面基體上分布著灰黑色顆粒狀易切削相（圖1箭頭所指）。

對于材料中的易切削相，選取了未經(jīng)腐蝕的拋光橫、縱截面，使用FEI Quanta 650掃描電鏡進(jìn)行了易切削相形態(tài)觀察，使用EDAX能譜對易切削相進(jìn)行了成分分析，結(jié)果如圖2～4 所示。能譜分析表明：易切削相種類為MnS、低熔點(diǎn)元素、硅酸鹽類夾雜物，其中低熔點(diǎn)元素主要成分為Bi 或Bi 與微量Te 的混合，硅酸鹽類夾雜物的成分特征為Si、O 含量較高。形態(tài)上，MnS 較為粗大，在縱截面上延線材軸向呈點(diǎn)鏈狀分布，尺寸粗大；低熔點(diǎn)元素在襯度像中呈高亮，尺寸較小，主要依附于MnS，部分獨(dú)立分布的較大顆粒亦分布于MnS點(diǎn)鏈的延長線上，并延軸向有一定程度的拉伸；硅酸鹽類夾雜物在橫截面和縱截面上均呈點(diǎn)狀，顆粒細(xì)小且獨(dú)立分布。

圖1 經(jīng)FeCl3/CuCl2水溶液腐蝕后的材料微觀組織金相

圖2 易切削相的SEM背散射電子像圖

圖3 試驗(yàn)材料橫截面易切削相形態(tài)及成分

圖4 試驗(yàn)材料縱截面易切削相形態(tài)及成分

3.2 易切削相的尺寸和分布

對易切削相的尺寸和分布進(jìn)行了定量統(tǒng)計(jì)分析，使用Zeiss 40MAT 數(shù)字金相顯微鏡于200 倍下在試樣不同位置隨機(jī)選擇了4個拋光橫截面視場，每個視場實(shí)際面積均為0.1 mm2，使用圖像分析軟件Image-Pro Plus對每個視場進(jìn)行易切削相統(tǒng)計(jì)分析。各個視場中可識別的易切削相總面積分別約為1 470、1 459、1 458、1 409 μm2；各個視場中可識別的易切削相個數(shù)分別約為224、198、157、208 個。此外，又使用掃描電鏡在1 000 倍下對試樣橫截面進(jìn)行了易切削相統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果如表2所示。

由于SEM識別率更高，將金相顯微鏡下不能識別出的更小顆粒加入了統(tǒng)計(jì)結(jié)果，故單位面積易切削相個數(shù)相比于光鏡視場略高，但對總面積影響不大。綜上所述，橫截面易切削相面積占比穩(wěn)定在14.5%，單位面積（1 mm2）可見易切削相個數(shù)約為2 000 個左右。

表2 試驗(yàn)材料易切削相統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

3.3 物理性能與拉拔織構(gòu)

試驗(yàn)材料的力學(xué)性能：規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2為790 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm為830 MPa，伸長率A50為4.5%。延直徑方向?qū)⒕€材剖開，將其縱截面研磨拋光后測試試驗(yàn)材料的顯微硬度（HV0.05），打點(diǎn)時(shí)避開夾雜物，每個區(qū)域測試5個點(diǎn)，點(diǎn)間距＞1 mm，結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)材料顯微硬度（HV0.05）

鋼絲橫截面EBSD技術(shù)分析獲得織構(gòu)如圖5所示，從極圖來看，樣品中為典型的體心立方晶體結(jié)構(gòu)拉拔退火織構(gòu)特征，即晶粒的<110>晶向平行于拉拔方向的絲織構(gòu)，因?yàn)榻?jīng)歷退火，織構(gòu)強(qiáng)度相比拉拔態(tài)會有所減弱。從{110}和{111}極圖看，該織構(gòu)比較均勻，反映出拉拔前組織均勻且拉拔過程中鋼絲半徑方向較均勻變形，工藝過程中潤滑良好。

圖5 鋼絲橫截面的織構(gòu)

在拉拔生產(chǎn)工藝過程中，當(dāng)拉拔模具內(nèi)表面潤滑良好，線材表面金屬流動性好內(nèi)應(yīng)力小，故表現(xiàn)出較芯部低的硬度，如圖6 所示，降低硬度有利于減輕表面車削加工負(fù)荷。

圖6 鋼絲顯微硬度的徑向分布

3.4 冶金過程分析

文獻(xiàn)［6-8］對國內(nèi)制造的圓珠筆尖用含鉛易切削不銹鋼線材的易切削相平均尺寸均進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，匯總結(jié)果如表4 所示。本研究中試驗(yàn)材料氧含量為0.014%，材料的橫截面易切削相平均面積達(dá)到7.0 μm2，按等積圓計(jì)直徑約為3 μm，與國內(nèi)制造的含鉛易切削不銹鋼相比，易切削相尺寸明顯較大。

表4 含鉛易切削不銹鋼易切削相尺寸

通過試驗(yàn)結(jié)果對冶金過程進(jìn)行分析，提供精確控制依據(jù)。大尺寸硫化物與低熔點(diǎn)元素復(fù)合夾雜物為本文無鉛易切削不銹鋼的主要易切削相，MnS、MnS+Bi 以及MnS+Bi+Te 為三種主要復(fù)合形式。MnS 對材料基體連續(xù)性的破壞作用以及局部應(yīng)力集中效應(yīng)起良好的斷屑效果，而Bi、Te 元素則起潤滑刀具作用。為了實(shí)現(xiàn)更好的切削性，應(yīng)在冶煉過程中嚴(yán)格控制氧含量，以調(diào)整硫化物尺寸確保獲得大的易切削相；同時(shí)，為了延長刀具的使用壽命，除控制氧含量外須同時(shí)控制脫氧工藝：避免使用Al、Ca 脫氧，控制Al2O3、Mg-Al 尖晶石、CaO 類剛性夾雜的出現(xiàn)。本試驗(yàn)材料中出現(xiàn)的小顆粒硅酸鹽類夾雜物屬于延展性高的塑性夾雜，相對于剛性夾雜對刀具壽命影響??；未發(fā)現(xiàn)含Al、Ca、Mg 元素的脫氧產(chǎn)物。

4 結(jié) 論

4.1 國外圓珠筆尖球座體用無鉛易切削不銹鋼的組織為鐵素體，基體上分布易切削相，及小顆粒硅酸鹽類夾雜，MnS、MnS+Bi、MnS+Bi+Te為易切削相的三種主要復(fù)合形式。當(dāng)氧含量為0.014%，橫截面視場中易切削相面積平均占比為14.5%，單位面積（1 mm2）可見個數(shù)約2 000 個，單個相平均面積達(dá)7.0 μm2，明顯大于國產(chǎn)鋼。

4.2 國外圓珠筆尖球座體用無鉛易切削不銹鋼的屈服強(qiáng)度790 MPa，抗拉強(qiáng)度830 MPa，延伸率4.5%，平均顯微硬度（HV0.05）為267～280，拉拔生產(chǎn)工藝過程潤滑良好時(shí)，線材表面金屬流動性好內(nèi)應(yīng)力小，表層硬度較芯部低。

4.3 為了獲得更好的切削性，應(yīng)在冶煉過程中嚴(yán)格控制氧含量，以調(diào)整硫化物尺寸確保獲得大的易切削相，同時(shí)為了延長刀具的使用壽命，除控制氧含量外，須同時(shí)控制脫氧工藝，避免使用Al、Ca脫氧。