表 13爐試驗鋼的預期、實際碲含量及硬度
Table 1.Expected and actual tellurium content and hardness of 3 furnace test steel
0. 引言
Cr12MoV冷作模具鋼屬于萊氏體型高碳高鉻鋼,具有較高的耐磨性、淬透性、淬硬性和尺寸穩定性以及較好的熱穩定性和綜合力學性能[1-4],是制造各種性能要求極高、工作條件極惡劣的冷作模具的首選鋼材,如形狀復雜的沖孔心模、冷擠壓模、滾螺紋輪、冷剪切刀和精密量具等,是目前市場上應用最廣泛的冷作模具鋼材料[5-6]。然而,由于Cr12MoV冷作模具鋼的硬度高,切削過程中產生的切削力較大,同時由于其韌性好,切屑也容易黏附在刀具上形成積屑瘤,影響切削效率和表面加工質量,該鋼切削性能較差。碲改質可以顯著提高鋼材的切削性能,降低加工表面粗糙度,延長刀具壽命[7-11]。碲作為硫的同族元素,具有與硫元素相近的物理、化學性能[12-14],不同的是其對材料耐腐蝕性和韌性等性能的有害影響較小[15]。劉年富等[16]研究發現,碲改質38MnVS鋼的切削力相比碲改質前降低,加工表面質量得到改善,且耐腐蝕性降低不顯著。目前,碲改質技術已成功應用于含硫易切削鋼、齒輪鋼和不銹鋼等的切削性能改善[17-18],但應用于嚴格限硫的冷作模具鋼的案例較少。為此,作者采用非真空冶煉制備了不同碲含量的Cr12MoV冷作模具鋼,并進行調質使硬度均為60HRC,研究了碲對試驗鋼中夾雜物的影響,量化評估了碲對該鋼切削性能和表面加工質量的影響,以期為含碲冷作模具鋼的工業開發提供試驗支撐。
1. 試樣制備與試驗方法
試驗材料為Cr12MoV冷作模具鋼,化學成分（質量分數/%）為1.54C,0.28Mn,0.021P,0.025Si,0.48Mo,0.07Cu,11.74Cr,0.003S,0.23V,0.19Ni。在IGBT-100KW型中頻感應電爐中進行非真空冶煉來加碲（碲原料為純度99.99%的碲粉）：第一步制備爐襯,用體積比5∶1的粗細鎂砂、質量分數1%硼酸、水玻璃混合填充線圈和坩堝間隙,超出坩堝部分用體積比1∶1的粗細鎂砂錘實,將成型爐襯放在干燥爐內,在60~80℃下烘烤5~6h；第二步空爐烘烤,將干燥后的爐襯放入中頻感應電爐空爐烘烤11~12h,初始功率為3.8kW,每小時遞增1kW；第三步正式煉鋼,稱取10kg已去除表面氧化鐵皮的原料放入中頻感應電爐,加熱,待溫度達到1490℃,鋼完全熔化,將鐵皮包裹碲粉插入鋼液中,保溫2min,使碲在鋼中分布更為均勻,再添加造渣劑、鋁塊,保溫過程中在鋼液表面覆蓋稻殼,加入發熱劑,然后關閉設備待鋼錠降溫。共進行3爐冶煉。冶煉后在距鋼錠頂部8cm處鉆屑取樣,在北京鋼研納克國家鋼鐵質量檢測中心檢測碲含量（質量分數,下同）,結果如表1所示。對不同碲含量試驗鋼進行調質處理,使其硬度均為60HRC。
采用線切割從圓坯弧邊部到鑄坯中心制取金相試樣,每爐鋼取3個試樣,尺寸為10mm×10mm×10mm,將試樣依次使用240#,400#,600#,800#,1000#,1500#,2000#砂紙打磨,使用顆粒粒徑1.5,0.5μm的拋光膏粗拋和細拋后,用乙醇清洗以消除水漬及雜質,最后冷風吹干后干燥。采用Zeiss Axio型光學顯微鏡（OM）觀察顯微組織,使用Image Pro Plus軟件分析夾雜物。采用Phenom XL G2型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察夾雜物二維形貌,將試樣用由體積分數1%四甲基氯化銨+10%乙酰丙酮+甲醇組成的電解液電解后觀察夾雜物三維形貌,使用配套能譜儀（EDS）分析微區成分。
制取尺寸為?10cm×8cm的切削試樣,采用DX6060型數控雕銑機進行切削試驗,其中：銑削時使用四刃直柄立銑刀,銑刀規格為D6-D6-50-4F,銑刀材料為涂層硬質合金,銑削參數見表2；鉆削時使用二刃硬質合金麻花鉆頭,鉆頭規格為D8-D8-100-2F,鉆頭材料為涂層硬質合金,鉆削參數見表3。采用Kistler 9257B型測力儀測試銑刀受到的x、y、z方向的銑削力和鉆頭受到的軸向力。采用SJ-410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
2. 試驗結果與討論
2.1 夾雜物
由圖1可見：不含碲試驗鋼中夾雜物尺寸較小,形狀不規則且棱角清晰；當碲含量為0.015%時,試驗鋼中出現大尺寸球狀夾雜物,細小點狀夾雜物數量明顯下降；當碲含量為0.024%時,大尺寸夾雜物數量增加,幾乎未觀察到小尺寸夾雜物。綜上,隨著碲含量增加,鋼中夾雜物形狀趨向于球形,并且尺寸明顯增大。
圖 1不同碲含量試驗鋼的顯微組織
Figure 1.Microstructures of test steel with different tellurium content
由表4可知：隨著碲含量增加,試驗鋼中夾雜物密度、平均等效直徑和面積占比均增加。由圖2可知：不含碲試驗鋼中夾雜物的等效直徑集中在0~3μm內；隨著碲含量增加,等效直徑0~3μm夾雜物的占比逐漸降低,等效直徑5~10μm夾雜物的占比逐漸提高。這表明碲的添加使夾雜物尺寸增加。較大的夾雜物可作為切削過程中顯著的應力集中點,加劇應力影響,從而改善切削性能。
表 4不同碲含量試驗鋼中夾雜物的密度、平均等效直徑和面積占比
Table 4.Density, average equivalent diameter and area ratio of inclusion in test steel with different tellurium content
圖 2不同碲含量試驗鋼中夾雜物的等效直徑分布
Figure 2.Equivalent diameter distribution of inclusion in steel with different tellurium content
由圖3可見：不含碲試驗鋼中出現兩種夾雜物,一種是規則的四邊形灰色夾雜物,尺寸在4μm左右,所含元素以錳和硫為主,固溶較少的鐵和鉻,結合文獻[19-20]推測其為MnS夾雜物；另一種是棱角分明的多面體黑色夾雜物,尺寸在8μm左右,所含元素以鋁和氧為主,結合文獻[19-20]推測其為Al2O3夾雜物。當碲含量為0.015%時,夾雜物多為圓形或橢球形的復合夾雜物,其外層呈銀白色,心部呈灰色,結合EDS及文獻[19-20]推測復合夾雜物為MnS-（Cr,Mn）Te,由（Cr,Mn）Te（銀白色）在MnS（灰色）表面析出并包裹而形成；當碲含量為0.024%時,試驗鋼中析出了（Cr,Mn）Te夾雜物、橢球狀MnS-（Cr,Mn）Te復合夾雜物和Al2O3-（Cr,Mn）Te復合夾雜物。
圖 3不同碲含量試驗鋼中夾雜物的二維和三維形貌以及EDS分析結果
Figure 3.Two-dimension (a–c) and three-dimension (d–f) morphology and EDS analysis results of inclusions in test steel with different tellurium content
2.2 加工性能
銑削或鉆削力越小,材料越容易加工。由表5可見：當銑削轉速一定時,隨著進給量增加,不同碲含量試驗鋼的銑削力均明顯增大,這是因為進給量增加,銑削去除工件體積增大,材料變形抗力增大[21]；當進給量一定時,銑削轉速越大,銑削力越小,這是因為在高速銑削條件下,切削溫度較高,摩擦因數較小,材料強度因軟化而降低[22]；隨著碲含量增加,試驗鋼的銑削力減小且降幅逐漸減小,這說明添加碲可以改善試驗鋼切削性能,但是當碲含量超過0.015%時改善效果有限。
表 5不同銑削參數下不同碲含量試驗鋼的銑削力
Table 5.Milling force of test steel with different tellurium content under different milling parameters
由表6可見：進給量越大或鉆削轉速越小,試驗鋼的鉆削力越大；隨著碲含量增加,鉆削力減小,這說明碲的添加改善了試驗鋼的切削性能,提升了可加工性。
表 6不同鉆削參數下不同碲含量試驗鋼的鉆削力
Table 6.Drilling force of test steel with different tellurium content under different drilling parameters
含碲試驗鋼中形成的MnS被包裹在MnS-（Cr,Mn）Te復合夾雜物里面,這有利于吸收熱加工時產生的應力,減小MnS的塑性變形,從而維持其較低的長寬比；較低長寬比的球狀或紡錘狀MnS可以使材料具有更為優異的切削性能[19-20]。此外,在切削過程中,刀具-工件、刀具-切屑之間由于摩擦力和剪切力作用而產生熱量,溫度高達600~800℃,這使得（Cr,Mn）Te發生分解并在摩擦過程中逐漸附著到刀具的前后刀面,進而在其表面形成一層潤滑薄膜[23]。這層潤滑薄膜不但可以減小摩擦,而且可以阻止積屑瘤的形成。綜上,添加碲可以減小切削力和摩擦力,從而顯著提升試驗鋼切削性能。
2.3 表面粗糙度
表面粗糙度越小,說明材料加工后的表面質量越好。由表7可知：當銑削轉速一定時,隨著進給量增加,不同碲含量試驗鋼銑削后的表面質量變差,這是因為進給量增加,材料銑削后殘留部分高度增大,積屑瘤和鱗刺等缺陷也更容易產生,并且摩擦產生的熱量更多,熱軟化作用增強,塑性變形增大,導致材料表面形貌惡化,表面粗糙度增大[24]；當進給量一定時,銑削轉速越大,銑削后的表面質量越好,這是因為銑削轉速增大使得積屑瘤和鱗刺現象減少甚至消失,同時有效縮短了刀具與工件表面間的接觸時間,減小切屑和加工表面的塑性變形程度,從而減少了表面缺陷[25-26]。隨著碲含量增加,試驗鋼銑銷后的表面質量變好。這是因為碲的固溶可以提升硫化物的顯微硬度,有助于減少積屑瘤的形成；此外,碲的添加有助于鋼中夾雜物的均勻分布并維持其較低的長寬比,優化材料的斷屑性質,從而在銑削加工后獲得更低的表面粗糙度。
表 7不同銑削參數下不同碲含量試驗鋼的表面粗糙度
Table 7.Surface roughness of test steel with different tellurium content under different milling parameters
3. 結論
（1）不含碲試驗鋼中的夾雜物主要為MnS和Al2O3,夾雜物尺寸小、形狀不規則且棱角清晰；當碲含量為0.015%時,夾雜物主要為（Cr,Mn）Te包裹MnS的MnS-（Cr,Mn）Te,當碲含量為0.024%時,夾雜物主要為（Cr,Mn）Te、MnS-（Cr,Mn）Te和Al2O3-（Cr,Mn）Te；隨碲含量增加,試驗鋼中夾雜物數量增多,尺寸增加,形狀趨向球形。
（2）隨著碲含量增加,試驗鋼的銑削力、鉆削力和銑削后的表面粗糙度減小,加工性能提高,表面加工質量改善。
文章來源——材料與測試網