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新型易切削不鏽鋼TBPS中MnS夾雜相對熱塑性的實驗研究
发布时间: 2016-04-29 來源:東北特鋼 浏覽人數:18177
 

  制筆行業的圓珠筆頭結構複雜、精度高,一般均在全自動生産設備上進行加工,其生産特點是工序多、切削速度快、裝配和加工尺寸精度高,因此圓珠筆頭材料除了要滿足耐磨、耐蝕要求外,還要有優異的切削性能[1]。目前此類材料幾乎全部依靠進口,如日本下村特殊精工的SF20T[2-3]、日本大同特鋼的DSR6F超易切削不鏽鋼等[4]。太鋼采用向不鏽鋼中添加改善切削性能的硫(S)、鉛(Pb)和碲(Te)元素合金化的方法,開發了一種以MnS夾雜爲主,Pb、Te複合強化切削性能的中高鉻易切削不鏽鋼TBPS。

  球形或紡錘形硫化物比線條型更有利于提高材料的切削性能[5]。本文研究了易切削不鏽鋼TBPS中MnS夾雜相對基體的變形規律,通過合理制定熱軋工藝、減少硫化物夾雜的相對延展以提高切削性能。
  1 實驗材料與方法
  實驗材料通過1t真空感應爐+電渣重熔工藝制備而成,錠型爲Φ350mm、500kg,成分及實物見表1和圖1(a)。在電渣錠橫截面1/2R處取樣,機加工成規格爲Φ10mm×15mm的熱壓縮試樣。熱壓縮模擬試驗在Gleeble3880熱模擬機上進行。試驗過程爲:以10℃/s的速率升溫1250℃保持2min,在以5℃/s的速率降溫到900,1000,1100,1200℃,保溫2min後以℃/s變形速率壓縮變形量爲10%,30%,50%,70%。實驗結束後,立即對試樣進行淬火以保留高溫組織。
表1 實驗鋼TBPS的分析成分/%
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
Pb
Te
0.02
0.75
1.50
0.008
0.21
19.70
1.10
0.11
0.008
 
 
圖1 TBPS鋼電渣錠(a)和錠中MnS夾雜形貌(b)
  2 試驗結果及討論
  從圖1(b)可以看出,TBPS鋼在變形前(電渣錠),MnS夾雜呈橢球形,尺寸較大,平均直徑約爲5μm,長-短徑比約爲1.657。經不同溫度和變形量的熱壓縮後,MnS會發生部分回溶,尺寸略有減小(圖2)。當壓縮變形10%時,MnS變形程度很小,基本保留了鑄態時的球形或橢球形特征,如圖2(a1,b1,c1,d1)所示。隨著變形量的增加,MnS夾雜延展變形也逐漸增加,特別是當變形量50%以上時,MnS夾雜發生了明顯延展變形,大部分呈紡錘形,個別甚至呈長條型形狀,如圖2(a3,b3,c3,d3)和圖2(a4,b4,c4,d4)。
 
 
圖2 TBPS電渣錠經10%(a1,b1,c1,d1),30%(a2,b2,c2,d2),50%(a3,b3,c3,d3)和70%(a4,b4,c4,d4)熱壓縮後的MnS形貌
(0.1s-1):(a1,a2,a3,a4)900℃;(b1,b2,b3,b4)1000℃;(c1,c2,c3,c4)1100℃;(d1,d2,d3,d4)1200℃
  用量化指標來表征MnS夾雜和基體之間的變形差異,以及變形溫度、變形量對其産生怎樣的影響對控制熱軋過程中MnS延展變形具有重要意義。
  MnS夾雜和基體之間的變形差異可以用夾雜物相對塑性指數γ(也稱相對變λ形指數)來表征[6],即
  γ=εi/εs          (1)
  式中:εi-MnS夾雜應變量;εs試樣基體等效應變量。顯然相對塑性指數γ(也稱相對變形指數)越小,MnS夾雜(相對)越不容易變形。
  εi=In(λ10
  式中:λ0、λ1-MnS夾雜變形前、後的長-短徑比,λ0=1.657。
  εs=3/2Inh=3/2Inh0/h1
  式中:h0h1-基體變形前、後的厚度。
  利用圖像分析軟件Image-groplus對TBPS熱壓縮樣以及鑄坯中共3682個MnS夾雜形態進行統計,將MnS夾雜長-短徑比平均值和基本變形量相關數據代入上述公式,計算出各種壓縮試驗變形條件下MnS夾雜相對變形指數,結果見表2和圖3。
表2 TBPS鋼中MnS夾雜平均長-短徑比()和相對變形指數(γ)
溫度/℃
ε=10%
ε=30%
ε=50%
ε=70%
γ
γ
γ
γ
900
1.7880
0.4813
2.0205
0.3707
2.2664
0.3012
2.5878
0.2468
1000
1.8153
0.5774
1.9074
0.2631
2.1625
0.2561
2.3299
0.1887
1100
1.8243
0.6085
1.9089
0.2645
2.1433
0.2475
2.4830
0.2240
1200
1.7016
0.1680
1.8269
0.1824
2.0005
0.1812
2.2880
0.1787
 
 
 
圖3 變形量和溫度對TBPS鋼中MnS夾雜相對塑性指數的影響
  試驗結果可以看出,隨著變形溫度升高,MnS夾雜的相對變形指數γ基本呈減小趨勢,特別是變形溫度升高至1200℃時,MnS夾雜的相對變形指數γ達到最小。說明在高的變形溫度下MnS相對的金屬基體更不容易變形。這可能是由于金屬化合物MnS和鐵素體型金屬固溶體基體屬于不同的晶體結構體系,後者變形抗力隨著溫度升高而下降的速度要比前者快而造成的[7]
  当变形温度较低,在900℃,变形量越大,MnS相对变形指数γ越小;当变形温度较高,在1000,1100℃和10%小变形时,MnS相对变形指数γ较大,当变形温度为1200℃时,变形量对MnS相对变形指数 γ几乎没有影响。
  在變形過程中,金屬基體和夾雜物界面之間會産生摩擦力。隨著變形量的增加,摩擦力變大,MnS就會在摩擦力的作用下沿著變形方向産生延展變形。另一方面,隨著二者界面的增加,越來越多的金屬基體傾向于繞過夾雜物流動變形,從而在一定程度上削弱了夾雜物的變形,結果表現爲隨著變形量增加,MnS夾雜物的相對指數減小。但當溫度升高至1200℃,可能是MnS夾雜的變形抗力顯著降低,二者界面間的稍許摩擦力就會使MnS夾雜産生延展變形指數γ幾乎不受變形量的影響。
  3 結論
  (1)易切削不鏽鋼TBPS經熱壓縮模擬軋制變形後,MnS夾雜發生延展變形後,MnS夾雜發生延展變形。
  (2)變形量對MnS夾雜相對變形指數γ具有顯著影響。900~1100℃時,隨著變形量的增加,MnS夾雜的相對變形指數γ變小;但當溫度升高至1200℃後,MnS夾雜的相對變形指數γ與變形量的關系不大。
  (3)隨著變形溫度升高,MnS夾雜的相對變形指數γ基本呈減小趨勢,特別是當變形溫度升高至1200℃時,MnS夾雜的相對變形指數γ達到最小。
  (4)從降低MnS延展變形以獲得良好地切削性能的角度考慮,以切削不鏽鋼TBPS宜采用高的變形溫度和大的道次變形量進行熱變形。
 
 
摘選自《特殊鋼》2016年第2期
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