微量Ce元素對42CrMo易切削鋼切削性能的影響

袁 麟，鄭雷剛，胡小強(qiáng)，張玉妥，

(1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159； 2.中國科學(xué)院金屬研究所 沈陽材料科學(xué)國家研究中心，沈陽 110016)

42CrMo鋼是典型的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，具有優(yōu)異的抗疲勞性、抗沖擊性能以及良好的低溫韌性等，廣泛應(yīng)用于制造曲軸、連桿、齒輪等一系列傳動零部件。曲軸作為發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零件，其幾何結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，機(jī)加工藝流程繁多，且加工質(zhì)量要求較高。因此，曲軸選材時(shí)除要求優(yōu)異的韌性外，還需具備良好的切削加工性能[1]。改善鋼切削加工性能的傳統(tǒng)方法是向鋼中加入S、Pb、Ca、Se、Te、P等元素，形成非金屬夾雜物，中斷基體的連續(xù)性，切削過程中更容易斷屑；或形成熔點(diǎn)較低的第二相，在切削時(shí)熔融滲出覆蓋在刀具和工件表面，起到潤滑作用[2]。因此，鋼的切削性能與夾雜物的數(shù)量和形態(tài)密切相關(guān)。但隨著S、Pb等雜質(zhì)元素含量的增加，不僅會降低鋼的純凈度，惡化鋼的力學(xué)性能，而且會對人體產(chǎn)生傷害，對環(huán)境造成污染[3]。

大量研究結(jié)果表明，稀土元素不僅能夠提升鋼的純凈度，改善力學(xué)性能，而且能夠顯著變質(zhì)夾雜物，提升切削性能[4-6]。楊曉紅等[7]研究了稀土Ce元素對高純凈軸承鋼夾雜物的影響，結(jié)果表明適量的Ce將鋼中硬脆性的Al2O3變質(zhì)為低硬度的CeAlO3或CeAlO3與(Ce-O)的復(fù)合夾雜物。黃宇等[8]研究了稀土元素對釬具鋼夾雜物的變質(zhì)作用，結(jié)果顯示加入適量的Ce元素后，夾雜物由MgAl2O4轉(zhuǎn)變?yōu)镃e-O，以及Ce-O與MgO的二元相?？到〉萚9]對HRB500E抗震鋼筋中稀土元素的作用機(jī)理研究表明，稀土可將MnS及Al-Mn-O夾雜物變質(zhì)為REAlO3-MnS復(fù)合夾雜物。綜上所述，稀土變質(zhì)后的夾雜物形貌呈現(xiàn)為細(xì)小彌散分布的顆粒狀，這類夾雜物的硬度遠(yuǎn)小于Al2O3夾雜物，在切削過程中大大降低對刀具的磨損，而且能夠和MnS一樣起到斷屑的作用，從而提升鋼的切削性能。因此，可通過添加稀土元素來改善傳統(tǒng)易切削鋼的不利影響，但稀土元素通過變質(zhì)夾雜改善切削性能的具體作用機(jī)制尚存在爭議。

本文研究稀土Ce元素對42CrMo鋼夾雜物和切削性能的影響，分析稀土元素的作用機(jī)理，為高品質(zhì)稀土易切削鋼的開發(fā)和應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)用鋼分別為傳統(tǒng)硫系42CrMo易切削鋼(Y0)以及同時(shí)添加S和Ce元素的稀土易切削鋼(Y1)，采用VIF-50真空感應(yīng)熔煉爐(沈陽真空技術(shù)研究所有限公司)制備50kg實(shí)驗(yàn)鑄錠，其實(shí)測成分如表1所示。在熔煉過程中，充分脫氧后，澆注鑄錠之前加入稀土元素。

表1 實(shí)驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分 wt%

采用空氣錘將鑄錠鍛成φ60mm的棒材，鍛造工藝為兩鐓兩拔，始鍛溫度為1200℃，終鍛溫度不低于900℃，保證鍛造比大于7。根據(jù)現(xiàn)行GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》中夾雜物分析方法，在鍛棒二分之一半徑處縱向切取10mm×10mm×10mm試樣，經(jīng)機(jī)械磨拋后，制成標(biāo)準(zhǔn)夾雜物檢測試樣。借助TESAN MIRA3掃描電鏡與能譜儀(SEM/EDS)、Thermo Fisher Explorer 4質(zhì)量分析儀等分析夾雜物的類型、尺寸、數(shù)量。利用CAK50135型無極變速車床(沈陽機(jī)床股份有限公司)，在轉(zhuǎn)速為600r/min、進(jìn)給量為0.33mm/r、切削深度為1mm的切削條件下，對兩種實(shí)驗(yàn)用鋼進(jìn)行車削加工，通過觀察切屑的形狀和斷屑情況對比分析二者切削性能的優(yōu)劣。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 夾雜物特征

傳統(tǒng)硫系42CrMo易切削鋼Y0的典型夾雜物形貌及其能譜分析結(jié)果如圖1所示。

由圖1可見，Y0鋼中主要夾雜物為MnS和Al2O3以及兩者的復(fù)合夾雜物。MnS夾雜物呈深灰色，形貌特征主要呈長條狀；高熔點(diǎn)Al2O3夾雜物數(shù)量較少，尺寸較小，呈現(xiàn)出深黑色顆粒狀形貌；MnS-Al2O3復(fù)合態(tài)夾雜物主要以Al2O3為形核核心，Al2O3周圍包覆MnS夾雜物。

加入Ce元素后的42CrMo稀土易切削鋼Y1中夾雜物形貌及EDS面掃描結(jié)果如圖2所示。

圖1 Y0鋼中夾雜物類型及形貌

圖2 Y1鋼中稀土硫化物SEM形貌及EDS面掃描結(jié)果

由圖2可見，與Y0鋼相比，Y1鋼的夾雜物類型和形態(tài)發(fā)生顯著變化。夾雜物類型由傳統(tǒng)的以MnS和Al2O3為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐韵⊥亮蚧餅橹鳎籆e2S3夾雜物的SEM形貌呈亮白色，表現(xiàn)為顆粒狀形貌，尺寸較小，彌散分布于基體中；同時(shí)，Y1鋼中也存在大量如圖3所示的以稀土硫化物為核心、包覆MnS夾雜生長的球狀復(fù)合夾雜物(圖3a)，其相應(yīng)的EDS面掃描結(jié)果見圖3b～3d。

圖3 Y1鋼中復(fù)合夾雜物SEM形貌及EDS面掃描結(jié)果

采用質(zhì)量分析儀測試夾雜物尺寸及數(shù)量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，掃描統(tǒng)計(jì)面積約為26mm2。

表2 鋼中夾雜物的尺寸和數(shù)量

由表2可見，兩種實(shí)驗(yàn)鋼中夾雜物尺寸主要以0～5μm為主。其中Y1鋼中小于2μm的小尺寸夾雜物數(shù)量較多，較Y0鋼增加了5.88%；Y1鋼中5～10μm和大于10μm的大尺寸夾雜物所占比例較小，分別較Y0鋼降低了2.9%和0.66%；Y1鋼中整體夾雜物平均尺寸有所降低；加入Ce的Y1鋼中夾雜物的數(shù)密度較Y0鋼約增大一倍，夾雜物的總體數(shù)量顯著增多。

采用質(zhì)量分析儀對實(shí)驗(yàn)鋼中夾雜物的長徑比進(jìn)行測試，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)鋼中夾雜物的長徑比及所占比例

由圖4可見，Y1鋼中夾雜物長徑比在1.0～1.5、1.5～2.0和2.0～2.5區(qū)間內(nèi)的比例分別為24.5%、20.2%和11.9%，分別較Y0鋼(長徑比在1.0～1.5、1.5～2.0和2.0～2.5區(qū)間內(nèi)的比例分別為19.6%、18.1%、14.3%)增加了4.9%、2.1%和1.9%；當(dāng)長徑比大于3.0時(shí)，Y1鋼中此類夾雜物的比例明顯減少，較Y0鋼降低5.9%；Y1鋼中夾雜物具有較小的長徑比，具有更好的球化效果。因此，42CrMo鋼中加入Ce元素，對夾雜物起到明顯的變質(zhì)作用。

2.2 切削性能

在夾雜物分析的基礎(chǔ)上，利用無極變速車削車床對Y0和Y1鋼進(jìn)行車削，得到切屑形貌如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)鋼切屑形貌

由圖5可見，Y0鋼的切屑主要為平螺旋屑，以及少量的發(fā)條和C形屑；Y1鋼的切屑多為C形屑，平螺旋屑數(shù)量較少，且長度短于Y0鋼的切屑。文獻(xiàn)[10]的研究表明，相同切削條件下，C形屑更容易斷屑，切削性能優(yōu)于平螺旋屑和發(fā)條屑。由此可知，Y1鋼的切削性能優(yōu)于Y0鋼，加入稀土元素能夠通過變質(zhì)夾雜物改善切削性能。

3 討論

由表2所示夾雜物統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析可知，添加Ce元素的Y1鋼中，單位面積內(nèi)夾雜物的數(shù)量較Y0鋼顯著增加，原因是稀土Ce元素的化學(xué)性質(zhì)活潑，Ce含量的增加使得鋼中S極易與Ce結(jié)合形成稀土硫化物。同時(shí)，稀土硫化物可作為MnS的異質(zhì)形核核心，形成復(fù)合夾雜物，使得夾雜物的數(shù)量增多，尺寸減小。該現(xiàn)象與文獻(xiàn)[11]的研究結(jié)果一致。

在切削過程中，大量夾雜物會阻礙位錯(cuò)運(yùn)動，導(dǎo)致大量位錯(cuò)塞積，增大其發(fā)展成裂紋源的幾率，進(jìn)而沿夾雜物表面延伸開裂，使刃前金屬更容易與基體分離，提高材料的斷屑性。稀土易切削鋼中因夾雜物數(shù)量較多、尺寸較小，因此斷屑性優(yōu)于傳統(tǒng)硫系易切削鋼，切削性能較好[12]，此為稀土改善材料切削性能的原因之一。此外，宰相勇等[13]的研究結(jié)果表明稀土的加入還存在另一種改善切削性能的方式，在切削過程中，較高的切削溫度會使稀土夾雜物軟化，在適當(dāng)?shù)那邢鳁l件下，稀土夾雜物會黏附在刀具表面，形成一層保護(hù)膜，有效保護(hù)刀具，延長刀具使用壽命。

文獻(xiàn)[14]指出，球狀或紡錘狀的夾雜物，即具有較小長徑比的夾雜物，更有利于改善鋼的切削性能。由圖4所示夾雜物長徑比結(jié)果以及圖2和圖3中的掃描電鏡圖像可知，Y1鋼中的稀土夾雜物多呈現(xiàn)球狀或橢球狀，符合最佳夾雜物的形態(tài)。

切削過程中，小尺寸的球狀?yuàn)A雜物會在基體切變運(yùn)動開始時(shí)，與基體分離形成顯微空洞[15]，隨著切變運(yùn)動的繼續(xù)進(jìn)行，空洞也隨之拓展。而球狀?yuàn)A雜物表面也會受到切變運(yùn)動產(chǎn)生的摩擦力而發(fā)生滾動，夾雜物的滾動也進(jìn)一步促進(jìn)了顯微空洞的拓展。因此，獲得顯微空洞是提升切削性能的關(guān)鍵，稀土易切削鋼中球狀?yuàn)A雜物更容易導(dǎo)致顯微空洞的形成，從而提升切削性能。球狀?yuàn)A雜物與顯微空洞模型及其受力情況如圖6所示。圖中f為滾動摩擦力，N為周圍基體對夾雜物表面的壓應(yīng)力。

圖6 球狀?yuàn)A雜物與顯微空洞模型及其受力情況示意圖

4 結(jié)論

(1)42CrMo易切削鋼中加入稀土Ce元素，夾雜物類型由以MnS和Al2O3為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐韵⊥亮蚧餅橹鳎瑠A雜物的數(shù)量增多，尺寸減小，長徑比變小。

(2)微量Ce加入42CrMo易切削鋼中后，切屑以C形屑為主，斷屑尺寸較小，在切削過程中更容易碎斷和排出，能夠有效改善切削加工性能。