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嘉峪檢測網 2025-01-22 17:09
非調質鋼廣泛應用于汽車發動機曲軸、連桿、凸輪軸、傳動軸等重要零部件中。切削加工是這些零部件制造過程中主要的加工工序之一。
鋼材的切削性能受諸多因素影響，主要包括：鋼的化學成分、顯微組織、材料物性以及硫化物形貌等。
1、 切削性能的影響因素
1.1 鋼的化學成分
鋼中C元素含量過低，在切削過程中不易發生斷屑。C元素含量過高，鋼的強度及硬度就會變大，在加工過程中會產生較大的切削抗力。Ni元素可固溶于鋼基體中，使材料的強度和韌性增大，切削性能變差。Mn 元素會與鋼中的S 元素生成MnS，提高鋼的切削性能。鋼中的低熔點元素，如Te、Bi、Pb等，會與MnS結合，在切削過程中產生潤滑效應，提高鋼材的切削性能。
1.2 顯微組織
純鐵素體的硬度較低，但在切削過程中容易產生積屑瘤，使材料表面粗糙度變大，因此鐵素體的可切削性較差。片層狀珠光體可以作為應力集中源，故切削性能較好。奧氏體的加工硬化率較大，馬氏體的硬度較大，因此其切削性能較差。
1.3 力學性能
一般而言，隨著鋼材強度、硬度的增大，所需的切削力會逐漸增大，切削過程中的摩擦力也會變大，導致切削溫度升高。如果鋼材的強度和硬度過大，會產生非常大的切削力，同時切削溫度急劇升高，進而加速刀具磨損，還會引起刀尖燒損。當鋼的硬度較小時，材料會發生變形，產生黏刀現象，導致材料表面質量和斷屑性能變差。此外，鋼的塑性、韌性越大，加工后材料的表面質量越差。鋼的塑性和韌性越小，加工負荷會集中在刀具韌口附近，也會導致刀具磨損加劇。
1.4 硫化物形貌
鋼的切削性能隨鋼中硫元素含量的增加而提高。相對于長帶狀硫化物夾雜，球狀或紡錘狀硫化物更加有利于提高鋼材的切削性能。在鋼液中喂入適量碲線，對鋼水進行碲改質處理后，在鋼中形成一定數量的MnTe，且該夾雜包裹在MnS夾雜外圍，形成MnTe-MnS的共晶化合物，該共晶化合物熔點低，在軋制過程形成液相，可以避免MnS發生變形，從而使硫化物呈橢球體狀，有利于切削性能的提高。
2、 碲改質處理后的材料
2.1 化學成分分析
對38MnVS 鋼進行碲改質處理，試樣編號為AM，未改質處理的60mm（直徑）熱軋棒材編號為AN，比AM鋼具有更大壓縮比的60mm（直徑）熱軋棒材編號為BN，這3種材料的化學成分分析結果如表1所示。由表1可知：AM、BN鋼中Ni元素含量大于技術要求；3種鋼的Ti元素含量均大于技術要求。
2.2 顯微組織及硬度
3種材料試樣的顯微組織形貌如圖1所示。由圖1可知：3種材料的組織均為鐵素體+珠光體，AN鋼中鐵素體明顯呈帶狀分布，帶狀級別為1.5級；AM鋼中的鐵素體也呈帶狀分布，帶狀級別為0.5級；BN鋼種鐵素體含量較低，分布較均勻。對3種材料中的鐵素體含量進行統計，AN鋼和AM鋼中鐵素體含量為26%~28%，而BN鋼鐵素體含量為22%。
用維氏顯微硬度計對3種材料進行硬度測試，AN鋼和AM鋼的硬度分別為268.4，270.2HV，BN鋼的硬度最大，為287.3HV。
2.3 硫化物分析
AM鋼中添加了碲元素，使鋼中硫化物的形態、尺寸和分布發生改變，碲改質工藝使38MnVS鋼中硫化物的長寬比減小，形狀由長條狀轉變為橢球狀，且硫化物密度增大。碲改質前后硫化物的微觀形貌如圖2所示。依據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》對A類夾雜物進行評級，改質前硫化物為細系2.5級，粗系1.0級；改質后硫化物為細系1.5級，粗系0.5級。改質前，長寬比小于2 的硫化物占比低于30%，硫化物長寬比小于6的占比低于70%；改質后，長寬比小于2的硫化物占比接近50%，90% 的硫化物長寬比小于6。碲改質使長條狀硫化物變少，均勻分布的橢球狀硫化物更有利于切屑與工件分離，減少切屑與刀具前刀面的摩擦。
3、 切削性能評價
鋼的切削性能指的是鋼切削加工成合格零件的難易程度。切削性能通常可以用刀具使用壽命、切削力大小、切屑形貌和工件表面粗糙度（Ra）等具體指標來進行衡量。
3.1 試驗方法
切削試驗涉及切削速率、進給量、切削深度等參數，選用切削速率為180，150，120m/min，進給量為0.6，0.4，0.2mm/r，切削深度為0.8，0.5，0.2mm的技術參數進行切削預試驗，得出最優參數為：150 m/min的切削速率，0.6mm/r的進給量，0.5mm的切削深度。
采用該組參數將3種材料從直徑58mm切削至33mm，總共進行25次走刀，用測力計測試每一次切削時產生的切削力。在更換材料的同時更換刀具，以保證每種材料在切削時都使用全新的刀具。切削完成后，利用掃描電鏡（SEM）和能譜儀對刀具磨損情況進行分析, 并測量磨損長度。用表面粗糙度測量儀測量材料的表面粗糙度。
3.2 切削力測試
切削試驗最前面兩次走刀產生了較明顯的顫振現象，所得到的切削力結果并不準確，因此在計算平均切削力時從第3刀開始計算。切削力由測力計分解成3個方向測得，分別為Fx，Fy，Fz。Fx是進給方向上的切削力分量，稱為進給力；Fy是徑向的切削力分量，稱為切深抗力；Fz是切向方向的切削力分量，稱為主切削力。切削力合力F的計算方法如式（1）所示。
3種材料試樣的切削力測試結果如表2所示。3種材料切削力與走刀數的關系如圖3所示。由表2和圖3可知：隨著切削刀次的增加，3種材料在3個方向上的切削力沒有明顯變化，切削過程較為平穩，切削力數據可靠；3種材料的Fx和Fz差異均不明顯，相差約為10N，而3種材料的Fy有較大差異，切深抗力對零件加工精度和表面質量有很大影響；AM鋼的切深抗力為446.4N，AN鋼的切深抗力為477.3N，BN鋼的切深抗力為536.0N；碲改質后，非調質鋼的切削抗力降低了30.9N；AM鋼的切削合力最小，為485.7N。
3.3 SEM和能譜分析
試驗用刀片的SEM 形貌及能譜分析位置如圖4所示，能譜分析結果如表3所示。由圖4和表3可知：刀片最外層的涂層為Ti(C，N)，顏色較深的位置為第二層涂層，主要成分為Al2O3；刀片基體主要含有W、C等元素。
將3種材料切削后的刀片進行超聲清洗，并置于SEM下觀察，結果如圖5所示。由圖5可知：切削AN鋼的刀片磨損嚴重，表面涂層有大面積磨損，且刀具表面黏附有工件基體材料，刀片磨損長度為3.75mm；切削AM鋼的刀片涂層磨損面積較小，表面有磨損痕跡，但磨損程度較低，刀片磨損長度為1.73mm；切削BN 鋼的刀片表面已經被磨平，涂層有嚴重磨損，刃口有明顯的積屑瘤，刀片磨損長度為4.87mm。可知切削AM鋼的刀片磨損長度最短，說明碲改質可以減輕刀具磨損程度，該結果與切削力的測試結果相對應。
3.4 表面粗糙度分析
3種材料切削后的表面輪廓圖如圖6所示，根據輪廓圖計算出對應輪廓的最大高度Rmax。AM鋼的表面粗糙度最低，為0.587μm；AN鋼的表面粗糙度為1.153μm；BN鋼的表面粗糙度為1.581μm。說明碲改質可降低38MnVS 鋼切削后的表面粗糙度。
4、 結語和建議
（1）影響材料切削性能的因素主要包括：鋼的化學成分、顯微組織、力學性能以及硫化物形貌等。
（2）建議對非調質鋼中的硫化物進行碲改質處理，控制鋼中碲元素質量分數為0.020%~0.040%，可以改善硫化物形貌，生成有利于提高切削性能的均勻短小狀硫化物。碲改質后切削力、刀具磨損程度、表面粗糙度均降低，材料切削性能得到有效提高。
作者：鄧向陽，龐卓純，李仕超，李大明
單位：中天鋼鐵集團有限公司 技術中心
來源：《理化檢驗-物理分冊》2024年第11期
來源：理化檢驗物理分冊
