碲對(duì)40Cr13塑料模具鋼加工性能的影響

周茂華, 鐘亮美, 唐佳麗, 陳 煒, 付建勛

(1.攀鋼集團(tuán)四川長(zhǎng)城特殊鋼有限責(zé)任公司, 江油 621000;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, 上海 200444)

0 引 言

40Cr13鋼是一種中碳耐蝕塑料模具鋼[1-2],通常利用軋制余熱直接淬火來(lái)進(jìn)行預(yù)硬化處理以獲得良好的切削性能[3-4],硬度一般為28～33 HRC或32～37 HRC。隨著下游用戶(hù)對(duì)模具鋼使用壽命要求的提高,高硬度(40～50 HRC)在線(xiàn)預(yù)硬化模具鋼受到廣泛關(guān)注[5-7],但高硬度模具鋼的機(jī)械加工性能不好,制約了其應(yīng)用。提高高硬度模具鋼的切削性能,并確保其綜合性能不降低,成為模具行業(yè)發(fā)展的方向。

碲改質(zhì)技術(shù)通過(guò)向含硫鋼中加入碲來(lái)改善硫化物形態(tài)、降低硫化物長(zhǎng)寬比,從而顯著提高其斷屑性能,降低加工表面粗糙度[8-11]。蘇蒙蒙等[12]開(kāi)展了不同碲含量303Cu易切削不銹鋼的切削試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)碲的加入可以降低切削力和切削前后的表面粗糙度,并且隨著碲含量增加,切削性能改善更加顯著。劉貝貝等[13]研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)時(shí)長(zhǎng)120 h以上的生產(chǎn)性切削后,碲改質(zhì)1215MS易切削鋼的刀具磨損量、加工表面粗糙度與AISI12L14、SUM24L鉛系易切削鋼相當(dāng)。ABEYAMA等[14]研究發(fā)現(xiàn),碲能顯著降低18Cr-2Mo鋼的表面粗糙度,提高斷屑中C型屑的比例。李杰等[15]研究發(fā)現(xiàn),添加碲可以增大303Cu鋼中硫化物夾雜物的硬度。謝劍波等[16]研究發(fā)現(xiàn),隨著碲含量的增加,易切削不銹鋼的表面粗糙度逐漸降低。

目前,碲改質(zhì)技術(shù)已成功應(yīng)用于含硫易切削鋼、非調(diào)質(zhì)鋼、齒輪鋼、不銹鋼的加工性能改善,然而對(duì)硫含量較低的40Cr13模具鋼進(jìn)行碲改質(zhì)的研究相對(duì)較少。為此,作者以不同硬度的無(wú)碲低硫40Cr13鋼、含碲中硫40Cr13鋼和無(wú)碲高硫40Cr13鋼為研究對(duì)象,分析了不同試驗(yàn)鋼中夾雜物的形貌與顯微硬度,量化評(píng)估其切削性能和拋光性能,探究了碲對(duì)加工性能的影響規(guī)律,以期為開(kāi)發(fā)高硬度易切削塑料模具鋼提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

含碲40Cr13鋼工業(yè)試制流程如下:30 t電爐冶煉→1 650～1 690 ℃下氬氧脫碳→大于1 650 ℃下鋼包精練→真空脫氣(極限真空度小于67 Pa,保持時(shí)間大于15 min)→模鑄→軋制→喂入碲線(xiàn)進(jìn)行碲改質(zhì)處理→鋼液表面覆一層碳化稻殼。基于作者課題組前期的研究成果和確保工業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定的考慮,碲添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.003%。無(wú)碲低硫40Cr13鋼、含碲中硫40Cr13鋼和無(wú)碲高硫40Cr13鋼3種試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)如表1所示,試樣尺寸為40 mm×30 mm×80 mm。將3種鋼試樣進(jìn)行1 050 ℃×30 min的淬火熱處理后,油冷。隨后將無(wú)碲低硫鋼試樣分別加熱至550,560,570 ℃保溫2 h空冷,使其洛氏硬度分別為41,38,36 HRC,分別記為1號(hào),2號(hào),3號(hào)試樣;將含碲中硫鋼試樣加熱至550 ℃保溫2 h空冷,使其洛氏硬度為41 HRC,記為4號(hào)試樣;將無(wú)碲高硫鋼試樣分別加熱至580,550 ℃保溫2 h空冷,使其洛氏硬度分別為33,41 HRC,分別記為5號(hào),6號(hào)試樣。

表1 3種40Cr13鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of three kinds of 40Cr13 steel

1.2 試驗(yàn)方法

采用線(xiàn)切割在不同硬度不同成分試驗(yàn)鋼上制取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣,經(jīng)磨拋后,采用Zeiss Axio型光學(xué)顯微鏡(OM)、Phenom-Word型臺(tái)式掃描電鏡以及夾雜物三維腐刻表征手段觀察試樣中夾雜物的形貌, 用Image-Pro Plus 6.0軟件分析其分布規(guī)律。采用MH-5L型顯微維氏硬度計(jì)測(cè)試硫化物顯微硬度,施加載荷為0.098 1 N,保載時(shí)間為5 s。

采用晁群機(jī)械V-8L型加工中心進(jìn)行銑削、鉆削試驗(yàn):銑刀為D3-20L1-D8-100L-4T型四刃直柄立銑刀,銑刀材料為涂層硬質(zhì)合金,銑削參數(shù)見(jiàn)表2;鉆頭為D8-60-D8-100-2F型二刃硬質(zhì)合金麻花鉆,鉆頭材料為涂層硬質(zhì)合金,鉆削參數(shù)見(jiàn)表3。采用Kistler 9257B型測(cè)力儀測(cè)試刀具受到的x、y、z方向的切削力和鉆削軸向力,將3方向的合力視為切削過(guò)程中刀具受到的總銑削、鉆削力。采用Surfcorder SE1200型表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)試銑削加工后的表面粗糙度。

表2 銑削參數(shù)Table 2 Milling parameters

表3 鉆削參數(shù)Table 3 Drilling parameters

在不同硬度不同成分的試驗(yàn)鋼上制取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的試樣,冷鑲后采用MetaServ250型單盤(pán)自動(dòng)研磨拋光機(jī)對(duì)6組試樣進(jìn)行自動(dòng)磨拋,依次使用400#,600#,800#,1000#,1200#,1500#,2000#砂紙研磨,再使用2.5 μm金剛石拋光劑自動(dòng)拋光,研磨壓力為0.2 MPa,磨盤(pán)轉(zhuǎn)速為350 r·min-1,拋光時(shí)間為3 min。采用BRUKER Counter GT-K型光學(xué)輪廓儀觀察試樣拋光后的表面形貌并測(cè)試其表面粗糙度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 夾雜物

由圖1可見(jiàn):3種硬度的無(wú)碲低硫鋼較為潔凈,夾雜物數(shù)量較少,僅存在少量尺寸很小的顆粒狀?yuàn)A雜物;含碲中硫鋼中夾雜物數(shù)量增加,除少量小顆粒夾雜物外,還存在尺寸在10～20 μm的球狀、橢球狀?yuàn)A雜物;2種硬度的無(wú)碲高硫鋼中夾雜物數(shù)量進(jìn)一步增加,有長(zhǎng)度在50～100 μm的長(zhǎng)條狀?yuàn)A雜物,夾雜物尺寸明顯增大。

圖1 不同試樣的OM形貌Fig.1 OM morphology of different samples

由表4可見(jiàn):隨著40Cr13鋼中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高,硫化物數(shù)量增加,夾雜物平均等效直徑和密度均增大。由圖2可知:無(wú)碲低硫鋼中多以小尺寸夾雜物為主,且?jiàn)A雜物長(zhǎng)寬比較小,長(zhǎng)寬比大于3的占比僅為3%,說(shuō)明夾雜物主要是球狀或橢球狀;含碲中硫鋼中大尺寸夾雜物的占比增加,但相比無(wú)碲低硫鋼的夾雜物長(zhǎng)寬比未發(fā)生明顯變化,長(zhǎng)寬比大于3的夾雜物占比小于5%;無(wú)碲高硫鋼中大尺寸夾雜物的占比進(jìn)一步增加,且長(zhǎng)寬比增加,長(zhǎng)寬比大于3的夾雜物占比超過(guò)15%。這說(shuō)明,鋼中加入微量碲可以減少長(zhǎng)條狀硫化物的數(shù)量。長(zhǎng)條狀硫化物會(huì)破壞鋼基體的連續(xù)性,加速橫向拉伸時(shí)的脆性斷裂[17];碲改質(zhì)后硫化物形態(tài)得到改善,有利于提高橫向拉伸性能。

圖2 不同試樣中夾雜物長(zhǎng)寬比分布Fig.2 Aspect ratio distribution of inclusion in different samples

表4 不同試樣中夾雜物的密度和平均等效直徑Table 4 Density and average equivalent diameter of inclusion in different samples

由圖3結(jié)合能譜試驗(yàn)可知:硬度為41 HRC的無(wú)碲低硫鋼中夾雜物主要為多面體或不規(guī)則狀A(yù)l2O3和Al2O3-MnS復(fù)合夾雜物,存在少量立方體Ti(C, N)和Al2O3-Ti(C, N)復(fù)合夾雜物,尺寸較小;與其硬度相同的含碲中硫鋼中夾雜物主要為MnS,存在少量Al2O3-MnS復(fù)合夾雜物,多為橢球狀;其在硫化物中檢測(cè)到質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%左右的碲元素,說(shuō)明碲固溶于MnS形成Mn(S, Te)夾雜物。碲的固溶增加了硫化物硬度并降低其塑性,導(dǎo)致熱軋溫度下硫化物變形能力降低,不易變?yōu)殚L(zhǎng)條狀,長(zhǎng)寬比降低,相同硬度的無(wú)碲高硫鋼因硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加到0.07%,MnS數(shù)量大幅增加,長(zhǎng)度可達(dá)300 μm,另外存在部分由MnS包裹多個(gè)Al2O3顆粒形成的Al2O3-MnS復(fù)合夾雜物。

圖3 不同試樣中夾雜物的形貌Fig.3 Morphology of inclusions in different samples

測(cè)試得到含碲中硫鋼中硫化物顯微硬度增加,為152.7 HV,硬度分別為33,41 HRC的無(wú)碲高硫鋼中的硫化物顯微硬度分別為138.1,137.3 HV。碲元素能固溶在硫化物中起到固溶強(qiáng)化作用,使得硫化物顯微硬度增大[18],在鍛造或軋制過(guò)程中,碲改質(zhì)40Cr13鋼的高硬度硫化物的形態(tài)變化較小,能夠保持橢球狀形貌,不會(huì)提高材料力學(xué)性能的各向異性,這對(duì)鋼的切削加工是有利的。

2.2 加工性能

加工時(shí)銑削或鉆削力越小,材料加工越容易。由表5可見(jiàn):當(dāng)銑削速度、深度一定時(shí),進(jìn)給量越大,不同硬度不同成分試驗(yàn)鋼的銑削力均越高,這是因?yàn)檫M(jìn)給量增大,銑削去除工件體積增大,材料變形抗力和摩擦力增大;當(dāng)進(jìn)給量、銑削深度一定時(shí),銑削速度增大,銑削力減小,這是因?yàn)殂娤魉俣鹊脑龃笫沟脺囟壬?摩擦因數(shù)和變形系數(shù)相應(yīng)下降[13];當(dāng)銑削速度、進(jìn)給量一定時(shí),銑削深度增加,銑削力增大,這是因?yàn)殂娤魃疃仍黾訒?huì)增大銑削去除體積,增加銑削材料變形,導(dǎo)致變形抗力與摩擦抗力顯著上升。

表5 不同銑削參數(shù)下不同試樣的銑削力Table 5 Milling force of different samples under different milling parameters

相比而言,無(wú)碲高硫鋼的銑削力最小,而碲含量和硬度對(duì)銑削力的影響較小。可見(jiàn),在較小進(jìn)給量下提高硫含量才能降低鋼銑削力。這是因?yàn)榱蛟阡撝兄饕訫nS的形式存在,MnS不僅可以作為應(yīng)力集中源使材料易于斷屑,還能在高溫下軟化起到固體潤(rùn)滑劑的作用[19]。當(dāng)進(jìn)給量提高至600 mm·min-1時(shí)6種試驗(yàn)鋼的銑削力顯著增大,材料成分和硬度對(duì)銑削力的影響也更加顯著:對(duì)于無(wú)碲低硫鋼,隨著硬度下降,銑削力顯著降低;當(dāng)硬度為41 HRC時(shí),含碲中硫鋼的銑削力比無(wú)碲低硫鋼降低了約9%,說(shuō)明在惡劣工況下碲改質(zhì)可以降低材料的銑削力。

表面粗糙度越小,材料加工后的表面質(zhì)量越好。

由表6可見(jiàn):當(dāng)進(jìn)給量為200 mm·min-1時(shí),6種試驗(yàn)鋼銑削后的表面質(zhì)量均較好,表面粗糙度Ra為0.2～0.7 μm;進(jìn)給量增大到600 mm·min-1后,表面質(zhì)量降低,表面粗糙度均增大至1 μm以上;對(duì)于無(wú)碲低硫鋼,隨著硬度增大,表面粗糙度增大,這是因?yàn)橛捕仍礁?銑削時(shí)刀具的磨損程度越大,而刀具磨損會(huì)嚴(yán)重降低材料表面質(zhì)量,使表面粗糙度增加[20];含碲中硫鋼的表面粗糙度小于相同硬度的無(wú)碲低硫鋼和無(wú)碲高硫鋼,說(shuō)明碲改質(zhì)可以降低40Cr13鋼銑削后的表面粗糙度。

表6 不同銑削參數(shù)下不同試樣的表面粗糙度Table 6 Surface roughness of different samples under different milling parameters

由表7可見(jiàn):較大進(jìn)給量下的鉆削力較大;較大鉆削速度下的鉆削力較小;無(wú)碲低硫鋼的鉆削力略大于相同硬度的含碲中硫鋼和無(wú)碲高硫鋼,分別增加了25.7%,27.6%。由于碲改質(zhì)鋼中硫化物形態(tài)得到優(yōu)化,雖然硫化物數(shù)量比相同硬度的無(wú)碲高硫鋼少,但是同樣能夠顯著提高加工性能。

表7 不同鉆削參數(shù)下不同試樣的鉆削力Table 7 Drilling force of different samples under different drilling parameters

綜上所述,碲改質(zhì)鋼加工性能要明顯優(yōu)于相同硬度的無(wú)碲低硫鋼,和低硬度無(wú)碲低硫鋼較為接近,說(shuō)明在40Cr13鋼中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.003%碲改質(zhì)后,可顯著減小材料切削加工時(shí)的切削力,改善表面粗糙度;無(wú)碲高硫鋼的加工性能最好。

2.3 拋光性能

硬度均為41 HRC的無(wú)碲低硫鋼、含碲中硫鋼和無(wú)碲高硫鋼的拋光性能依次下降,表面粗糙度分別為0.032,0.095,0.204 μm;成分相同的試驗(yàn)鋼硬度越小,拋光后表面粗糙度越大。由圖4可見(jiàn):硬度為41 HRC的無(wú)碲低硫鋼表面光潔,沒(méi)有凹坑和凸起存在,硬度為38 HRC時(shí)出現(xiàn)部分平行條紋,硬度為36 HRC時(shí)表面出現(xiàn)帶狀凹坑,即隨著硬度降低,拋光表面缺陷增加;含碲中硫鋼拋光后表面出現(xiàn)少量麻點(diǎn);無(wú)碲高硫鋼表面麻點(diǎn)數(shù)量明顯增加,麻點(diǎn)多為鏈狀,尺寸較大,表面質(zhì)量急劇惡化。硬度和非金屬夾雜物會(huì)顯著影響拋光性能。無(wú)碲低硫40Cr13鋼中主要為Al2O3和Al2O3-MnS復(fù)合夾雜物,數(shù)量很少,因此經(jīng)過(guò)拋光后表面未見(jiàn)夾雜物造成的孔洞,影響拋光性能的主要因素是硬度,硬度越低,拋光后的表面粗糙度越大。含碲中硫和無(wú)碲高硫40Cr13鋼中夾雜物主要為硬度較低的MnS,相比基體在拋光過(guò)程中更易被去除而在表面形成孔洞,影響表面質(zhì)量。MnS夾雜物對(duì)模具鋼表面質(zhì)量的影響不僅取決于數(shù)量多少,也與其尺寸及形狀有關(guān)。含碲中硫鋼中MnS夾雜物雜數(shù)量相比無(wú)碲高硫鋼少,且其多為橢球狀,尺寸較小,因此對(duì)材料表面的拋光性能影響較小;無(wú)碲高硫鋼中MnS數(shù)量較多,且多為長(zhǎng)條狀,尺寸較大,在拋光過(guò)程中會(huì)整塊脫落而在材料表面形成大片凹坑,降低材料拋光表面質(zhì)量。

圖4 不同試樣拋光后的表面形貌Fig.4 Surface morphology of different samples after polishing

3 結(jié) 論

(1) 無(wú)碲低硫(硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.003%)40Cr13鋼中夾雜物主要為Al2O3和Al2O3-MnS,尺寸小、多呈球狀或橢球狀;含碲中硫(硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.022%、碲質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.003%)40Cr13鋼中夾雜物主要為MnS,尺寸增加,但仍多為橢球狀;無(wú)碲高硫(硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.07%)40Cr13鋼中夾雜物主要為MnS,數(shù)量增加,尺寸增大,且為長(zhǎng)條狀。由于碲在硫化物中的固溶,含碲中硫鋼中硫化物的顯微硬度較大。

(2) 硬度為41 HRC時(shí),相比無(wú)碲低硫40Cr13鋼,含碲中硫40Cr13鋼的銑削力、鉆削力、銑削后的表面粗糙度更小,加工性能更好,接近于低硬度(38,36 HRC)無(wú)碲低硫40Cr13鋼。

(3) 硬度為41 HRC時(shí),相比無(wú)碲低硫40Cr13鋼,含碲中硫40Cr13鋼拋光后表面粗糙度較大,拋光性能略差,但要明顯優(yōu)于無(wú)碲高硫40Cr13鋼。