圓珠筆頭用環(huán)保超易切削不銹鋼的組織與性能

郭亨長，吳開明，黃 剛

(1. 上海晨光文具股份有限公司中國輕工業(yè)制筆工程技術(shù)重點實驗室，上海，201406；2. 武漢科技大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢，430065；3. 武漢科技大學(xué)冶金工業(yè)過程系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點實驗室，湖北 武漢，430065)

圓珠筆是一種采用圓形球珠在球座體內(nèi)滾動帶出書寫介質(zhì)形成字跡的書寫工具，筆頭是決定書寫性能的核心部件。常見的圓珠筆頭由球珠和球座體組成，球座體內(nèi)部根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能差異分為三個部分，即球座、中孔、小孔和油槽，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高，還需要經(jīng)過全自動筆頭機進行鉆孔、車圓、沖槽等十幾道工序加工制作，因此，對所用材料的耐磨性、耐蝕性、可加工性以及綜合性能一致性和穩(wěn)定性要求極高[1]。

我國對易切削不銹鋼的研究逐漸受到重視，研究集中在易切削機理和鋼種開發(fā)方面[2-3]，所開發(fā)材料在機械、儀表等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。但這些材料的機械物理性能、切削性能和材質(zhì)穩(wěn)定性方面不適合于圓珠筆頭制造，因此長期以來，我國制筆行業(yè)高檔圓珠筆球座體材料全部依賴于進口，主要是日本的SF20T和ASK-3200超易切削不銹鋼線材[4]。SF20T使用最為廣泛，該材料是在20Cr-2Mo成分的基礎(chǔ)上復(fù)合添加了S、Pb和碲(Te)元素的鐵素體型不銹鋼，近年在SF20T的基礎(chǔ)上，日本又進一步研發(fā)了無鉛環(huán)保材料[5-6]。經(jīng)過國內(nèi)相關(guān)鋼鐵企業(yè)的努力，近年雖有成功開發(fā)S-Pb復(fù)合添加超易切削不銹鋼線材[7-8]，但Pb的毒性易對人體和環(huán)境造成嚴(yán)重危害。由此看來，開發(fā)新型圓珠筆頭用無鉛環(huán)保超易切削不銹鋼材料來替代進口產(chǎn)品，對于我國制筆行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

本研究通過向鐵素體不銹鋼中復(fù)合添加S、鉍(Bi)和Te元素，制備了具有優(yōu)異切削性能的不銹鋼材料，并從材料的化學(xué)成分、易切削夾雜物、硬度、切削性能及筆頭書寫性能等方面與同類進口材料進行對比研究，以期為無鉛環(huán)保超易切削不銹鋼材料的研發(fā)和優(yōu)化提供技術(shù)參考。

1 試驗材料與方法

表1 試驗鋼的化學(xué)成分(wB/%)

圖1 圓珠筆筆頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 試驗結(jié)果

2.1 鋼中夾雜物種類與分布

兩種試驗鋼縱截面夾雜物分布的OM和SEM照片分別如圖2和圖3所示，鋼樣A中不同夾雜物的EDS能譜分析見圖4(進口鋼B的EDS分析結(jié)果與鋼A類似，文中不再重復(fù)描述)。由圖2可見，鋼樣A和B縱截面上夾雜物沿著變形方向以斷續(xù)的橢球形或點狀呈串鏈?zhǔn)椒植迹Y(jié)合圖4(a)可知，深色夾雜為S、Mn元素的富集區(qū)域，表明該夾雜物為MnS相。對比圖2(a)和圖2(b)后發(fā)現(xiàn)，鋼樣A中MnS夾雜的平均寬度略小于鋼樣B，串鏈長度也稍短一些。隨機各取15張金相照片，利用圖像分析軟件Image-Pro Plus 6.0對兩種鋼中夾雜物占比進行統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示，鋼樣A和B中MnS夾雜物面積比依次為3.4%和3.8%，鋼樣A中MnS易切削相稍少一些，但兩類鋼中總體分布和數(shù)量較接近。

從圖3可以清楚地觀察到，兩試樣中均存在顏色較深且呈橢球形、串鏈狀分布的MnS相，另外，組織中還有許多白色夾雜物，有的呈零散點狀單獨分布于基體中，有的則分布于MnS相的邊緣，并且在MnS的邊角處被拉長為細條狀。結(jié)合圖4(a)可知，MnS附近的白色長條狀夾雜物中含有Bi元素。另外，EDS能譜分析還在少量MnS相與白色相交界處檢測出了Te元素的存在。圖4(b)和圖4(c)為鋼樣A基體中彌散分布的白色夾雜物的EDS面掃描分析結(jié)果，可以看出，圖4(b)中白色夾雜為MnTe相，圖4(c)中左側(cè)淺色相為Bi和MnTe的復(fù)合夾雜物，右側(cè)深色相為MnS夾雜。由于Bi元素的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，故組織中的白色夾雜物可能是單質(zhì)Bi、MnTe或者其復(fù)合夾雜物。

(a)鋼樣A (b)鋼樣B

圖2 鋼樣縱截面上夾雜物分布的OM照片

Fig.2 OM images of inclusion distribution in the vertical section of steel samples

(a)鋼樣A (b)鋼樣B

圖3 鋼樣縱截面上夾雜物分布的SEM照片

Fig.3 SEM images of inclusion distribution in the vertical section of steel samples

(a)區(qū)域I

(b)區(qū)域II

(c) 區(qū)域III

2.2 顯微硬度

表2列出了試驗材料A和B各5個隨機測量點的顯微硬度HV0.3及其平均值。從表2可以看出，鋼樣A和B的硬度分布比較均勻，顯微硬度平均值幾乎一致，可見這兩種鋼的硬度性能指標(biāo)接近。

表2 鋼樣的顯微硬度HV0.3

2.3 切削表面與切削屑分析

筆頭球座體的后外圓需要用筆頭加工機床車削加工，車削過的鋼樣A和B表面的OM照片如圖5所示。從圖5可以觀察到，兩試樣的切削表面都十分光滑，刀痕均勻，紋理清晰，均沒有明顯的切削瘤。

(a)鋼樣A

(b)鋼樣B

筆頭需連續(xù)經(jīng)過十余道加工工序，各工序加工方式不同，車削屑有所不同，大多數(shù)車削屑為短碎屑，從中分別取出鋼樣A和B車削后的長屑進行對比觀察分析，如圖6所示，兩種車削屑形態(tài)均為理想的短螺旋型，長度多在5～10 mm之間，此類車削屑流出較為順暢，不易纏繞工件。另外，在清洗處理過程中還發(fā)現(xiàn)，這兩種車削屑輕捻時都容易碎裂。

(a)鋼樣A (b)鋼樣B

圖6 鋼樣車削屑的照片

Fig.6 Images of turning chips of steel samples

2.4 成品筆頭性能

鋼種A和B所制作筆頭的性能測試結(jié)果列于表3中。由表3可以看出，兩種筆頭的核心參數(shù)基本一致，國產(chǎn)A材料加工成的筆頭匹配墨水制成筆芯后，平均摩擦系數(shù)和百米平均磨損量均略小于進口B材料，這表明該筆芯書寫更順滑且磨損相對更小，其他書寫使用性能指標(biāo)與B材料接近。

表3 筆頭性能測試結(jié)果

3 分析

3.1 易切削元素及易切削相

易切削不銹鋼是通過在鋼中加入易切削元素(S、P、Pb、Ca、Se、Te等)和抗腐蝕元素，所制成的具有優(yōu)良切削性能的合金不銹鋼[9]。經(jīng)過長期發(fā)展，易切削不銹鋼按元素大致分為S系、Pb系、Ca-Ti系、Se-Te系、Bi系等不同類別。為達到進一步提高切削性能和滿足其他綜合機械性能的目的，可將易切削元素以多元復(fù)合方式加入鋼中，常有S-P、S-Pb、S-Te(Se)、S-P-Pb-Te、Ca-S等復(fù)合添加方案，其中以S-Pb、S-P-Pb-Te復(fù)合易切削鋼的切削性能最佳，被稱為“超易切削鋼”[10]。

S在鋼中與Mn形成MnS夾雜，MnS相較軟且容易變形和斷裂。MnS夾雜割裂了鋼基體的連續(xù)性，切削過程產(chǎn)生應(yīng)力集中易導(dǎo)致材料開裂。在一定的切削熱與力的作用下，其能在刀具、切屑及加工表面之間起到潤滑作用；此外，MnS還能包裹有害硬質(zhì)顆粒，減少對刀具的磨損，對改善鋼切削性能十分有利[11]。硫化物分布均勻、寬度大于4 μm、長寬比較小且呈紡錘狀或橢圓形對改善鋼的可切削性最有利[12]。硫系易切削不銹鋼是最早發(fā)展起來的，由于生產(chǎn)工藝簡單且廉價，其產(chǎn)量位居世界易切削鋼之首。還有研究表明，鋼液中合適的氧含量對MnS的形態(tài)和大小會產(chǎn)生顯著影響，所以煉鋼廠需要進行有效控氧才能獲得較為理想的MnS相[13]。

Te與S屬于同一主族，在鋼中溶解度非常小，可以形成MnTe單獨分布在基體或與MnS形成復(fù)相球狀夾雜物[3]。Te的存在狀態(tài)與鋼中硫含量有關(guān)[14]：當(dāng)w(Te)/w(S)小于0.07時，鋼中的Te只存在于MnS中；w(Te)/w(S)略大于0.07時，有少量的MnTe會分布在MnS夾雜物邊緣；隨著w(Te)/w(S)繼續(xù)增大，MnTe量相應(yīng)增高。鋼種A和B的w(Te)/w(S)均在0.10～0.12之間，所以有單獨的MnTe存在于基體。Te為表面活性極高的元素，能夠有效降低變形過程中切變阻力，同時也能對硫化物進行改性。此外，部分碲化物存在于MnS邊緣，形成軟的包裹層，可以減輕拉拔加工過程中MnS的壓延變形，盡量減小MnS夾雜的長寬比，有利于提高鋼種的切削性能。

Pb雖然化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熔點低，在切削過程中因切削熱和應(yīng)力作用，能夠熔融析出在接觸面上起到潤滑作用，非常有利于鋼切削性能的提高，但是Pb在冶煉生產(chǎn)中會對人體和周圍環(huán)境造成嚴(yán)重危害，終將被淘汰。Bi與Pb的物化屬性相近，在鋼中起到的作用相似。另外，Bi元素比重小于Pb，不固溶于鋼，以顆粒分布于鋼中或者附存于S/Te化物周圍[15]。日本神戶公司研究發(fā)現(xiàn)，鋼中添加Pb含量一半的Bi，可以達到相同的切削性能[16]。更重要的是，Bi元素?zé)o毒，這使得其取代Pb成為生產(chǎn)環(huán)保型超易切削不銹鋼的重要元素。相比于筆頭常用的不銹鋼材料，新型材料A和B均采用了以Bi代Pb的方案，實現(xiàn)了無鉛環(huán)保。

3.2 機械性能

如圖1所示，筆頭球座體碗口內(nèi)放置高硬度的碳化鎢球珠，書寫過程中球珠與球座體在墨水腐蝕環(huán)境中不停相互滑動摩擦，易出現(xiàn)腐蝕和磨損，這要求材料具有良好的耐蝕耐磨性。此外，球座體碗口直徑僅為0.525±0.005 mm，小孔直徑更是只有0.3 mm，而筆頭加工需要在高速(8000～20000 r/min)全自動筆頭機上進行，加工過程工序多、切削速度快，且對加工尺寸和裝配精度的要求很高，內(nèi)孔加工公差需在2 μm以內(nèi)，所以除了良好的耐蝕耐磨性外，筆頭材料還應(yīng)在超易切削的同時，保持機械性能均勻穩(wěn)定，材料內(nèi)部無裂紋、縮孔、疏松等缺陷。

硬度是影響材料切削加工、使用性能及刀具壽命的重要因素。材料太軟，耐磨性會比較差，切屑易與刀具粘結(jié)產(chǎn)生積屑瘤，切削性能變差；若材料硬度過高，車削難度加大，表面質(zhì)量差，刀具壽命短[17-18]。實驗結(jié)果分析得出，鋼種A和B均具有適中的顯微硬度、良好的切削表面質(zhì)量以及短小易碎的切削屑。

4 結(jié)論

(1)采用復(fù)合添加S、Bi和Te元素生產(chǎn)了超易切削不銹鋼，鋼中的易切削相主要為MnS，縱向呈串鏈分布，平均面積比為3.4%；與進口材料相比，MnS夾雜的大小、形態(tài)和分布相近，所占面積比略低。另外還有易切削相Bi、MnTe及其復(fù)合夾雜物附存于MnS的邊角處，或者以小顆粒單獨分布在基體中。

(2)自制超易切削不銹鋼顯微硬度分布均勻，與進口材料基本相同；基體中大量的易切削相，為良好的切削性能和穩(wěn)定的機械性能提供了保證。此外，該鋼還具有良好的切削加工性和書寫使用性，可以替代同類進口產(chǎn)品。