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    低熔點元素鉍對鋼切削性能和高溫變形的影響

    來源:津鈉儀器(上海)有限公司   2025年07月30日 07:50  
    近年來,隨著綠色冶金的發展及人們環保意識的增強,環保型鉍易切削鋼被開發出用于替代有毒的鉛易切削鋼,以滿足市場對高性能、環保型易切削鋼的需求。然而,低熔點元素鉍在鋼中作為“兩面性元素”,一方面可顯著提高鋼的可切削加工性能;另一方面作為鋼中5大有害元素之一,又極易導致鋼高溫變形(連鑄矯直與軋制)裂紋的產生。


    車床車削示意圖

    目前,低熔點元素鉍對鋼脆化行為的影響機制尚不明晰,嚴重制約了鉍易切削鋼的工業化生產。本文通過在鋼中添加較高質量分數的鉍(0.17%),針對低熔點元素鉍在鋼中的“兩面性”作用,研究了低熔點元素鉍在切削加工與高溫變形過程中對鋼脆化行為的影響。


     1、試驗材料與方法
    實驗室真空感應爐熔煉制備出低碳高硫鉍易切削鋼,冶煉過程選用SAE1215低碳高硫易切削鋼為母料,每爐質量為25kg,并加入一定量的中碳錳鐵進行脫氧合金化,冶煉末期加入所需的金屬鉍,熔煉均勻后立即澆鑄,試驗鋼的化學成分見表1。

    然后,將冶煉的鑄錠在1200℃保溫2h后進行鍛造,終鍛溫度在1050℃以上,鍛造后空冷至室溫。結合車削試驗和高溫(鉍熔點溫度附近)拉伸試驗,研究在切削加工過程中低熔點元素鉍對鋼脆化行為的影響。車削試驗在無級調速車床上進行,采用YT14硬質合金刀具,進行干車削,觀察車削過程切屑形貌的變化,分析車削加工過程中鉍對鋼的脆化作用;測量鉍熔點溫度附近鋼的塑性情況,并結合電子掃描電鏡(SEM)對鋼中鉍的存在形式及切屑斷口形貌進行微觀分析,揭示鉍改善鋼可切削加工性能的作用機制。通過熱塑性試驗,研究在高溫變形過程中低熔點元素鉍對鋼脆化行為的影響。試驗在熱力模擬機上進行,試樣為$10mmx120mm的標準試樣,氬氣保護氣氛,試驗溫度為850~1200℃間隔50℃。首先將試樣以10℃/s升溫到1350℃保溫5min,進行固溶處理;然后以3℃/s冷卻到試驗溫度,保溫1min后拉他至斷裂,拉斷后迅速淬水冷卻斷口,隨后測量并分析斷面收縮率隨試驗溫度的變化,明確高溫變形過程中含鉍鋼的脆化行為。采用SEM觀察典型的拉伸斷口形貌,然后將斷口沿中心線縱剖,磨樣、拋光、浸蝕(酒精溶液)后,采用SEM的背散射電子模式(BES)二次電子模式(SED)及EDS能譜對縱剖斷口的微觀組織形貌進行分析,揭示鉍導致鋼高溫變形脆化行為的作用機制。


     2、結果分析與討論
    2.1切削加工過程中鉍對鋼脆化行為的影響
    鉍易切削鋼切削加工過程中的切屑形貌如圖1所示,在切削加工初期觀察到切屑以“螺旋”屑為主(圖1(a)),隨著切削加工溫度的逐漸升高,切屑變為以“C形”屑為主(圖1(b))。


    (a)切削初期“螺旋”屑;(b)切削過程中“C形”屑。
    圖1切削加工時切屑的SEM形貌

    切削加工“螺旋”屑與“C形”屑的斷口形貌如圖2所示,可以看出“C形”屑較“螺旋”屑表現出了明顯的脆性斷裂特征。


    (a)切削初期“螺旋”屑;(b)切削過程中“C形”屑。
    圖2切削斷口的SEM形貌

    即,C形”屑具有較大的脆性,在切削加工過程中易于斷屑,有利于切削加工的進行,促使鉍易切削鋼具有優良的可切削加工性能。


    (a)鉍存在形式的SEM形貌;(b)鉍夾雜能譜;(c)MnS夾雜能譜。
    圖3鋼基體中鉍的存在形式及EDS分析(BES模式,白色亮點為鉍)

    室溫~500℃時,鉍易切削鋼拉伸塑性隨溫度的變化趨勢如圖4所示,由圖4可知,鉍易切削鋼在鉍熔點溫度(271.3℃)附近的塑性顯著降低,即鉍易切削鋼出現了藍脆溫度區的脆性斷裂。


     圖4鉍易切削鋼拉伸斷面收縮率隨溫度的變化
    在切削加工變形過程中,一方面鉍夾雜可作為應力集中源促使裂紋產生,另一方面隨著切削加工溫度的升高,鋼中析出的單質鉍將以液態的形式存在,切削加工變形過程中有裂紋誘發產生時,液態鉍將流入裂紋以減少原子鍵的結合能,從而促使裂紋的形核和擴展,即產生顯著的液態金屬脆化作用(LEM)從而引起鋼的切削加工脆化,促使切屑斷裂。
    綜上所述,切削加工時低熔點元素鉍對鋼的脆化作用,主要與鉍的液態金屬脆化作用有關,在鉍熔點溫度附近顯著降低鋼的塑性,從而使鉍易切削鋼具有優良的可切削加工性能。
    2.2高溫變形溫度區間鉍對鋼脆化行為的影響
    圖5所示為試驗鋼高溫拉伸性能隨溫度的變化曲線。


    (a)斷面收縮率; (b)抗拉強度
    圖5 試驗鋼高溫拉伸性能隨溫度的變化
          由圖5(a)可知,變形溫度對鉍易切削鋼的熱塑性有顯著影響,1000℃及以下溫度時試驗鋼的熱朔性顯著降低,斷面收縮率小于30%。Mintz B等指出,當鋼斷面收縮率在60%以下時,熱塑性較差,此時易于產生高溫變形裂紋。故鉍易切削鋼在1000℃及以下溫度進行連鑄矯直或軋制時,低的熱塑性是導致其高溫變形裂紋產生的主要原因。此外,由圖5(b)可知,試驗鋼的高溫抗拉強度隨溫度的升高而不斷降低,特別是在1050℃以上溫度時,抗拉強度降低顯著。


    (a)1000℃斷口;(b)1150℃斷口。
    圖6典型高溫拉伸斷口的SEM形貌
    圖6所示為試驗鋼熱塑性較差和較好時典型拉伸斷口的形貌對比??梢钥闯觯?000℃時,鉍易切削鋼的斷口以沿晶脆性斷裂為主,斷口表面存在較多的解理面和部分沿晶開裂紋(圖6(a)),這說明此時晶界強度明顯較弱,從而導致了鋼較差的塑性;1150℃時,拉伸斷口為典型的韌性斷裂,斷口上有大量韌窩出現,可能與此時鋼基體本身具有良好的塑性有關,但斷口存在韌窩的同時又有少量的開裂紋出現(圖6(b))這說明此時由于晶界上可能有液態鉍存在而使其晶界強度相對較低。
    選取試驗鋼熱塑性較差與較好時的拉伸斷口進行縱剖,采用SEM對斷口的縱剖微觀組織進行分析,結果如圖7所示。


    (a)1000℃口沿晶裂紋形貌;(b)1000℃斷口晶界鉍膜;(c)1150℃斷口形貌;(d)晶界鉍膜EDS能譜。
    圖7典型高溫拉伸斷口縱剖組織的SEM形貌
    熱塑性較差時,鉍易切削鋼的拉伸斷口存在明顯的沿晶開裂紋(圖7(a)),且在開裂晶界上發現了鉍膜的偏聚(圖7(b)(d)),高溫變形時奧氏體晶界偏聚的鉍膜將以液態形式存在,顯著降低晶界強度,脆化晶界,導致高溫變形時奧氏體晶界的脆性開裂。結合圖7(c)與圖5(b)可知,熱塑性較好時,鉍易切削鋼的拉伸斷口發生了明顯的塑性變形(圖7(c)),且此時鋼基體的強度較低(圖5(b))。即高溫時鋼基體由于其強度低而更易于發生變形,故此時鋼基體本身良好的變形能力是其熱塑性較好的主要原因。
    綜上所述,奧氏體晶界上鉍膜的偏聚是造成高溫變形溫度區間鋼脆性行為的主要原因,即鉍易切削鋼差的熱塑性與鉍的奧氏體晶界偏聚有關。
     3、結論
    (1)在切削加工過程中,低熔點元素鉍對鋼的脆化作用,可促使易斷的“C形”脆性屑形成,利于切削加工的進行,使得鉍易切削鋼具有優良的可切削加工性能。
    (2)在切削加工過程中,低熔點元素鉍對鋼脆化行為的影響,主要與鋼中鉍的液態金屬脆化作用有關,顯著降低鋼在鉍熔點溫度區的塑性。
    (3)在高溫變形過程中,低熔點元素鉍對鋼脆化行為的影響,主要與奧氏體晶界上鉍膜的偏聚有關。危害鋼的晶界強度,顯著降低鋼在1000℃及以下試驗溫度時的熱塑性。

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