周茂華,鐘亮美,陳煒,吳欣容,唐佳麗,李宗健,徐翔宇,付建勛

1攀鋼集團(tuán)江油長(zhǎng)城特殊鋼有限責(zé)任公司;2上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院先進(jìn)凝固技術(shù)中心,省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

1 引言

40Cr13是一種中碳耐蝕型塑料模具用扁鋼,適宜制造承受高負(fù)荷、高耐磨及腐蝕介質(zhì)作用下的塑料模具鋼[1,2]。在線預(yù)硬化工藝是指模具鋼軋制后,利用軋制余熱不經(jīng)補(bǔ)償加熱直接進(jìn)行淬火的工藝[3],因?yàn)槟＞叱尚秃鬅o(wú)需進(jìn)行熱處理就可直接使用,具有工藝流程短、能耗小、成本低等優(yōu)勢(shì),被廣泛采用[4]。

隨著用戶(hù)對(duì)模具鋼使用壽命要求的提高,高硬度(40～50HRC)在線預(yù)硬化模具鋼迎來(lái)廣闊的市場(chǎng)[5],但洛氏硬度高于40HRC的高硬度模具鋼導(dǎo)致材料的機(jī)械加工性能急劇下降,用戶(hù)需要額外增加一道熱處理工藝才能完成高硬度預(yù)硬化模具鋼的加工。開(kāi)發(fā)免熱處理的易切削高硬度在線預(yù)硬性模具鋼,并確保模具鋼的機(jī)械性能及綜合性能不降低,成為模具生產(chǎn)廠商及下游用戶(hù)的期待。

碲改質(zhì)技術(shù)是向鋼中加入Te改善硫化物形態(tài),在低碲鋼中Te會(huì)固溶在MnS中形成Mn(S,Te),在高碲鋼中會(huì)析出MnTe包裹在MnS外層,形成MnTe-MnS復(fù)合夾雜物,可顯著改善其切削性能,同時(shí)還能提升材料表面光潔度[6-8]。劉年富等[9]研究發(fā)現(xiàn),在38MnVS鋼中加入Te降低了MnS的生長(zhǎng)速度,從而降低夾雜物長(zhǎng)寬比,另外固溶型含Te夾雜物顯微硬度明顯提升,顯著改善硫化物形態(tài);劉貝貝等[10]將碲改質(zhì)1215MS易切削鋼與AISI12L14、SUM24L鉛系易切削鋼切削經(jīng)過(guò)120h以上的生產(chǎn)性切削對(duì)比測(cè)試,發(fā)現(xiàn)刀具磨損和表面光潔度達(dá)到了含鉛易切削鋼相同的效果。Abeyama S.等[11]研究了不同易切削元素對(duì)18Cr-2Mo鋼工件切削性能的影響,發(fā)現(xiàn)Te能顯著降低鋼材表面粗糙度,提高斷屑中C型屑比例;Katoh T.等[12]研究發(fā)現(xiàn),在含硫鋼中添加Te可以顯著降低切削過(guò)程中的進(jìn)給力和切向力。

目前,碲改質(zhì)技術(shù)主要應(yīng)用于含硫的易切削鋼、非調(diào)質(zhì)鋼、齒輪鋼和不銹鋼,對(duì)硫含量較低,甚至嚴(yán)格限硫的模具鋼碲改質(zhì)的研究較少。本文開(kāi)展Te對(duì)40Cr13模具鋼30kg級(jí)的熔煉—軋制中試實(shí)驗(yàn),通過(guò)熱處理工藝調(diào)整實(shí)驗(yàn)材料的洛氏硬度,對(duì)不同Te含量、不同硬度的中試級(jí)鋼板開(kāi)展銑削、鉆削對(duì)比測(cè)試,量化評(píng)估碲改質(zhì)的效果,應(yīng)用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)等設(shè)備分析不同Te含量40Cr13鋼中夾雜物的形貌與成分,總結(jié)Te對(duì)模具鋼機(jī)械加工性能的影響規(guī)律,為含Te免調(diào)質(zhì)預(yù)硬化型模具鋼的開(kāi)發(fā)提供實(shí)驗(yàn)支撐。

2 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方案

2.1 樣品制備

冶煉實(shí)驗(yàn)的原料為40Cr13模具鋼,成分如表1所示。在鞍鋼鋼鐵研究院50kg真空感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉實(shí)驗(yàn),用打磨掉氧化層的40Cr13模具鋼返回料進(jìn)行無(wú)渣熔煉得到2個(gè)30kg的實(shí)驗(yàn)錠。在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行熔煉,在冶煉末期升溫至1550℃左右,待鋼樣完全熔清后添加純Te粉(99.9%),通過(guò)鋼液自身的電磁攪拌力使鋼液成分和溫度均勻,5min后關(guān)閉電源,將鋼液澆注到鑄模中,待樣品冷卻后取出鋼錠。在兩鋼錠底部1cm處鉆屑取樣,在北京鋼研納克國(guó)家鋼鐵質(zhì)量檢測(cè)中心檢測(cè)Te含量,如表2所示。

表1 40Cr13模具鋼化學(xué)成分 (wt.%)

表2 40Cr13模具鋼切削試樣Te含量與硬度

利用鞍鋼鋼鐵研究院中試熱軋機(jī)進(jìn)行熱軋制,對(duì)鋼錠加熱至1200℃保溫4h使組織完全奧氏體化,經(jīng)多道次軋制,成為厚度38mm扁鋼,軋制比約為3.5,與工廠生產(chǎn)預(yù)硬化扁鋼軋制比基本一致。通過(guò)熱處理調(diào)整實(shí)驗(yàn)扁鋼硬度,使其達(dá)到高硬度(調(diào)質(zhì)后洛氏硬度分別為44HRC和43HRC),取不含Te的中硬度(37HRC)、高硬度(43HRC)40Cr13扁鋼作為對(duì)比材料,與兩種含Te 40Cr13鋼進(jìn)行銑削、鉆削對(duì)比測(cè)試,切削后試樣如圖1所示。

(a)1#,無(wú)Te/43HRC

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

在上海大學(xué)機(jī)械加工中心進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)。使用HARDINCEVMC-1000Ⅱ立式萬(wàn)能機(jī)床進(jìn)行測(cè)試,其最大功率為5.5kW。銑削刀具為整體硬質(zhì)合金四刃平頭立銑刀(國(guó)產(chǎn)GU26UF),銑刀直徑6mm,刀頭為T(mén)iAlN涂層,鉆頭選用含鈷高速鋼M35材料,鉆頭直徑6mm。加工參數(shù)如表3和表4所示。

表3 銑削實(shí)驗(yàn)方案

為測(cè)試切削力,使用Kistler 9257B測(cè)力儀測(cè)試銑削的x,y,z方向銑削力和鉆削的軸向力,如圖2所示,采用上海大學(xué)表面粗糙度測(cè)量?jī)x(Surfcorder SE1200,KosakaLab)測(cè)量材料加工后的表面粗糙度。

圖2 測(cè)力儀設(shè)備及測(cè)量原理

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 切削力分析

為了比較銑削過(guò)程中四種試樣的銑削力,獲取穩(wěn)定銑削過(guò)程中力的最大值,使用Fx,Fy,Fz的幾何平均值F表示不同參數(shù)下的銑削力。圖3為銑削過(guò)程中的切削力變化。

圖3 不同切削參數(shù)時(shí)四組試樣的銑削力變化

從圖3可以看到,當(dāng)銑削速度一定時(shí),對(duì)比參數(shù)A、B、C的曲線,進(jìn)給量增加,銑削力明顯增大,這是因?yàn)檫M(jìn)給量增大,銑削時(shí)去除的工件體積增大,材料變形抗力和摩擦力都會(huì)增大,導(dǎo)致銑削力大幅增加。而當(dāng)進(jìn)給量一定時(shí),對(duì)比參數(shù)B、D和C、E,銑削速度增大,銑削力減小。在高速銑削條件下,由于銑削速度的增大,切削溫度升高會(huì)導(dǎo)致摩擦系數(shù)和變形系數(shù)相應(yīng)下降,使銑削力下降[13]。

在相同切削參數(shù)下對(duì)比四組試樣可以發(fā)現(xiàn),1號(hào)樣的銑削力要明顯高于其他3組試樣。加入0.0065%Te后的2號(hào)樣銑削力相比1號(hào)樣平均降低了52.6%,進(jìn)一步添加0.014%Te的3號(hào)樣的銑削力相比1號(hào)樣平均降低了62.2%,低硬度的4號(hào)樣的銑削力對(duì)比1號(hào)樣降低了62%。說(shuō)明Te的加入可以降低切削過(guò)程中的抗力,當(dāng)加入0.014% Te時(shí),對(duì)切削力的改善可以達(dá)到與降低工件硬度相同的效果。

為了比較鉆削過(guò)程中四種試樣的切削抗力,以切削過(guò)程中的軸向力F為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。圖4為鉆削過(guò)程中的軸向力變化。

從圖4可以看到,對(duì)于同一組試樣,鉆削參數(shù)對(duì)軸向力的影響與銑削類(lèi)似,當(dāng)鉆削速度一定時(shí),進(jìn)給量增加,軸向力明顯增大;在高速鉆削時(shí),軸向力會(huì)降低。在相同削參數(shù)下對(duì)比四組試樣,1號(hào)樣的軸向力最大。相比于1號(hào)樣,加入0.0065%Te后,2號(hào)樣的軸向力降低了15.8%,加入0.014%Te的3號(hào)樣軸向力降低了21.4%,低硬度的4號(hào)樣軸向力降低了50.7%。對(duì)比顯示,降低硬度可以顯著降低鉆削時(shí)的軸向力,而Te同樣可以起到降低軸向力的效果。

碲改質(zhì)降低40Cr13切削力主要通過(guò)調(diào)控鋼中硫化物形態(tài)以及析出易切削相MnTe實(shí)現(xiàn)。結(jié)合后文的夾雜物分析可知,隨著鋼中Te含量提高,硫化物夾雜球化并粗化,MnTe析出量增多。MnS在切削時(shí)不僅起到破壞鋼基體組織的連續(xù)性和應(yīng)力集中的作用,使基體形成顯微裂紋,造成切屑脆化、折斷,而且還能在刀具表面形成一層保護(hù)膜,發(fā)揮其潤(rùn)滑作用,降低切削阻力,MnTe與MnS性質(zhì)相似,同樣能夠作為易切削相提高材料的切削性能[14]。有研究表明:分布均勻、尺寸適中的球狀或紡錘狀MnS的應(yīng)力集中效應(yīng)更好,斷屑性更好,切削過(guò)程中材料的切削抗力更小[15]。

3.2 表面粗糙度分析

為了比較銑削后試樣的表面質(zhì)量,使用粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)銑削表面進(jìn)行測(cè)量。圖5為銑削后表面粗糙度變化。結(jié)果顯示,對(duì)同一組試樣,當(dāng)銑削速度一定時(shí),對(duì)比參數(shù)A、B、C的曲線,進(jìn)給量增加,表面粗糙度明顯增大。當(dāng)進(jìn)給量增大時(shí),銑削殘留部分的高度增加,積屑瘤和鱗刺也更容易產(chǎn)生,易導(dǎo)致材料表面形貌惡化,表面粗糙度增大;當(dāng)進(jìn)給量一定時(shí),對(duì)比參數(shù)B、D和C、E,銑削速度增大,表面粗糙度降低;當(dāng)銑削速度增大時(shí),積屑瘤和鱗刺現(xiàn)象明顯減小甚至消失,同時(shí)高銑削速度可以有效降低銑削過(guò)程中切屑和加工表面的塑性變形程度,使得表面缺陷減少,表面粗糙度下降[16]。

圖5 不同參數(shù)時(shí)四組試樣銑削后的表面粗糙度變化

在相同切削參數(shù)下對(duì)比四組試樣可以發(fā)現(xiàn),不含Te的1,4號(hào)樣的表面粗糙度要明顯高于2,3號(hào)試樣。在銑削速度為65.5m/min(參數(shù)A、B、C)時(shí),加入0.0065%Te后的2號(hào)樣的表面粗糙度明顯降低,在銑削速度為150m/min(參數(shù)D、E)時(shí),2號(hào)樣的表面粗糙度變化較小。

隨著銑削速度的增大,切屑與刀具摩擦增加,切屑斷屑性能提高;同時(shí)大量的熱量會(huì)隨切屑被帶走,切削后工件表面的溫度相對(duì)較低,因此切削區(qū)域塑性變形會(huì)減小,兩方面共同作用使材料表面粗糙度值變小。提高銑削速度與碲改質(zhì)都能通過(guò)提高材料斷屑性能從而降低表面粗糙度,而提高銑削速度產(chǎn)生的作用要更加顯著,因此在銑削速度提高、其他參數(shù)不變時(shí)Te降低材料表面粗糙度的幅度較小。

在加工條件較差的參數(shù)B、C條件下,加入0.014%Te的3號(hào)樣的表面粗糙度進(jìn)一步降低,而在其他參數(shù)條件下,3號(hào)樣的表面粗糙度與2號(hào)樣接近。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明,碲改質(zhì)可降低40Cr13鋼加工過(guò)后的表面粗糙度,提升其切削性能,尤其在低轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給量的惡劣加工條件下,添加Te后的工件表面粗糙度得到明顯改善。

經(jīng)過(guò)碲改質(zhì)后,鋼中多數(shù)MnS被MnTe包裹形成復(fù)合夾雜物,在熱軋時(shí)隨軋制方向分配到MnS兩端,減小MnS受軋制變形的影響,易形成橢球狀?yuàn)A雜,更有利于切屑與工件分離,減少切屑與刀具前刀面的摩擦[17]。切削過(guò)程中的刀具最高溫度為600℃～800℃,高溫使碲化物分解并在不斷摩擦過(guò)程中逐漸附著到刀具前刀面和后刀面,在刀具表面形成一層薄膜[18]。薄膜起到潤(rùn)滑和保護(hù)刀具作用,并且可以防止刀具表面形成積屑瘤,降低工件表面粗糙度。

3.3 夾雜物分析

為了探究添加Te對(duì)40Cr13鋼中夾雜物的影響規(guī)律以及驗(yàn)證碲改善模具鋼切削性能的機(jī)理,在無(wú)Te,0.0065%Te,0.014%Te的鑄錠上分別取三組試樣并制作金相試樣,對(duì)觀察面進(jìn)行打磨、拋光、烘干后,用金相顯微鏡對(duì)樣品觀察拍照,金相形貌如圖6所示。

(a)1號(hào)樣

在無(wú)Te的1號(hào)樣中夾雜物數(shù)量較多,尺寸較小,分布密集;在添加0.0065%Te后,2號(hào)樣中夾雜物數(shù)量減少,尺寸增大,存在少量大尺寸夾雜;進(jìn)一步添加0.014%Te后,相比2號(hào)樣,夾雜物數(shù)量增加,且大多數(shù)夾雜物分布均勻。對(duì)比無(wú)Te、低Te、高Te三組40Cr試驗(yàn)鋼的金相照片可以發(fā)現(xiàn),隨著Te含量的升高,鋼中夾雜物數(shù)量減少,夾雜物尺寸增大,表明在高碲鋼中Te主要以MnTe的形式存在[19],初步猜測(cè)是MnTe析出在夾雜物周?chē)?使夾雜物球化并粗化。

為了更明確地表征不同Te含量對(duì)鋼中夾雜物大小、數(shù)量的影響,利用Image Pro Plus軟件對(duì)每個(gè)試樣的10個(gè)200倍視野進(jìn)行夾雜物面密度和平均等效直徑統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。

(a)平均等效直徑

1號(hào)樣中夾雜物平均等效直徑為1.37μm,夾雜物密度388個(gè)/mm2。加入0.0065%Te之后的2號(hào)樣中夾雜物尺寸增大,夾雜物平均等效直徑最大,為2.02μm,夾雜物密度明顯減小,僅為124個(gè)/mm2。說(shuō)明添加Te之后形成較多MnTe包裹MnS的復(fù)合夾雜物。而加入0.014%Te的3號(hào)樣,平均等效直徑減小至1.84μm,夾雜物密度為227個(gè)/mm2,結(jié)合能譜分析可以說(shuō)明,當(dāng)Te含量繼續(xù)升高時(shí),鋼中會(huì)出現(xiàn)尺寸較小的MnTe夾雜。

對(duì)鋼樣進(jìn)行三維腐刻處理,采用Phenom Pro掃描電鏡和能譜儀對(duì)試樣中典型夾雜物的三維形貌和成分進(jìn)行分析,鋼中典型夾雜物的三維形貌及其元素組成如圖8所示。圖8a顯示40Cr13鋼中主要夾雜物為Al2O3,MnS和Al2O3-MnS,Al2O3夾雜形狀為多面體,表面棱角分明,MnS夾雜為橢球狀。如圖8b所示,在添加0.0065%Te的2號(hào)樣中存在MnS-MnTe復(fù)合夾雜物,呈橢球狀,夾雜物表面呈銀白色,說(shuō)明復(fù)合夾雜物是以MnS為核心,MnTe在MnS表面析出并包裹而形成。在3號(hào)樣中,進(jìn)一步加入0.014%Te后,同樣可以觀察到銀白色的夾雜物,能譜結(jié)果說(shuō)明它是單獨(dú)的MnTe夾雜,如圖8c1所示;而在圖8c2中,球狀的MnS-MnTe復(fù)合夾雜物中MnTe是主要組成,僅有少量MnS。

(a)1號(hào)樣

分析三組試樣,鋼中S含量均為0.003%,2號(hào)樣Te/S原子比為0.54,3號(hào)樣Te/S原子比為1.17。當(dāng)鋼中Te/S原子比達(dá)到0.54時(shí),鋼中的Te主要以碲化物包裹在MnS外層的形式存在。Te/S原子比增大到1.17時(shí),鋼中大多數(shù)MnS都得到改質(zhì),且MnS-MnTe復(fù)合夾雜物中MnTe比例明顯升高,且MnTe會(huì)單獨(dú)析出。MnS-MnTe復(fù)合夾雜物及MnTe形狀規(guī)則,在鋼中作為易切削相和斷屑源,有利于提高切削性能[20]。

4 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)展Te對(duì)40Cr13模具鋼30kg級(jí)的熔煉—軋制中試實(shí)驗(yàn),通過(guò)熱處理工藝調(diào)整實(shí)驗(yàn)材料的洛氏硬度,對(duì)不同Te含量、不同硬度的中試級(jí)鋼板開(kāi)展銑削、鉆削對(duì)比測(cè)試,量化評(píng)估碲改質(zhì)的效果,并分析不同Te含量40Cr13鋼中夾雜物的形貌與成分,總結(jié)Te對(duì)模具鋼機(jī)械加工性能的影響規(guī)律。

(1)在不同的銑削、鉆削參數(shù)下,在鋼中添加Te后都可以顯著降低切削力,提高切削性能。添加0.014%Te的3號(hào)樣銑削力相比于1號(hào)樣降低了62.2%,高硬度(44HRC)的3號(hào)樣銑削力與低硬度(36HRC)的4號(hào)樣銑削力相同;3號(hào)樣的鉆削力相比于1號(hào)樣降低了21.4%。

(2)Te可以提高工件的表面質(zhì)量,相比于不含Te的1號(hào)樣和4號(hào)樣,添加Te后的40Cr13鋼銑削后的表面粗糙度值降低,Te含量0.014%的3號(hào)樣表面粗糙度值最低。

(3)40Cr13鋼中添加碲改質(zhì)后夾雜物平均等效直徑增大,夾雜物密度減小;Te在鋼中形成MnTe包裹MnS的復(fù)合夾雜物,當(dāng)Te含量為0.014%時(shí),鋼中存在單獨(dú)的MnTe夾雜。MnS-MnTe復(fù)合夾雜物及MnTe形狀規(guī)則,在鋼中作為易切削相有利于提高切削性能。