0.   引言

Cr12MoV冷作模具鋼屬于萊氏體型高碳高鉻鋼,具有較高的耐磨性、淬透性、淬硬性和尺寸穩(wěn)定性以及較好的熱穩(wěn)定性和綜合力學(xué)性能[1-4],是制造各種性能要求極高、工作條件極惡劣的冷作模具的首選鋼材,如形狀復(fù)雜的沖孔心模、冷擠壓模、滾螺紋輪、冷剪切刀和精密量具等,是目前市場上應(yīng)用最廣泛的冷作模具鋼材料[5-6]。然而,由于Cr12MoV冷作模具鋼的硬度高,切削過程中產(chǎn)生的切削力較大,同時(shí)由于其韌性好,切屑也容易黏附在刀具上形成積屑瘤,影響切削效率和表面加工質(zhì)量,該鋼切削性能較差。碲改質(zhì)可以顯著提高鋼材的切削性能,降低加工表面粗糙度,延長刀具壽命[7-11]。碲作為硫的同族元素,具有與硫元素相近的物理、化學(xué)性能[12-14],不同的是其對(duì)材料耐腐蝕性和韌性等性能的有害影響較小[15]。劉年富等[16]研究發(fā)現(xiàn),碲改質(zhì)38MnVS鋼的切削力相比碲改質(zhì)前降低,加工表面質(zhì)量得到改善,且耐腐蝕性降低不顯著。目前,碲改質(zhì)技術(shù)已成功應(yīng)用于含硫易切削鋼、齒輪鋼和不銹鋼等的切削性能改善[17-18],但應(yīng)用于嚴(yán)格限硫的冷作模具鋼的案例較少。為此,作者采用非真空冶煉制備了不同碲含量的Cr12MoV冷作模具鋼,并進(jìn)行調(diào)質(zhì)使硬度均為60 HRC,研究了碲對(duì)試驗(yàn)鋼中夾雜物的影響,量化評(píng)估了碲對(duì)該鋼切削性能和表面加工質(zhì)量的影響,以期為含碲冷作模具鋼的工業(yè)開發(fā)提供試驗(yàn)支撐。 

1.   試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為Cr12MoV冷作模具鋼,化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為1.54C,0.28Mn,0.021P,0.025Si,0.48Mo,0.07Cu,11.74Cr,0.003S,0.23V,0.19Ni。在IGBT-100KW型中頻感應(yīng)電爐中進(jìn)行非真空冶煉來加碲（碲原料為純度99.99%的碲粉）：第一步制備爐襯,用體積比5∶1的粗細(xì)鎂砂、質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%硼酸、水玻璃混合填充線圈和坩堝間隙,超出坩堝部分用體積比1∶1的粗細(xì)鎂砂錘實(shí),將成型爐襯放在干燥爐內(nèi),在60~80 ℃下烘烤5~6 h；第二步空爐烘烤,將干燥后的爐襯放入中頻感應(yīng)電爐空爐烘烤11~12 h,初始功率為3.8 kW,每小時(shí)遞增1 kW；第三步正式煉鋼,稱取10 kg已去除表面氧化鐵皮的原料放入中頻感應(yīng)電爐,加熱,待溫度達(dá)到1 490 ℃,鋼完全熔化,將鐵皮包裹碲粉插入鋼液中,保溫2 min,使碲在鋼中分布更為均勻,再添加造渣劑、鋁塊,保溫過程中在鋼液表面覆蓋稻殼,加入發(fā)熱劑,然后關(guān)閉設(shè)備待鋼錠降溫。共進(jìn)行3爐冶煉。冶煉后在距鋼錠頂部8 cm處鉆屑取樣,在北京鋼研納克國家鋼鐵質(zhì)量檢測中心檢測碲含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同）,結(jié)果如表1所示。對(duì)不同碲含量試驗(yàn)鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,使其硬度均為60 HRC。 

采用線切割從圓坯弧邊部到鑄坯中心制取金相試樣,每爐鋼取3個(gè)試樣,尺寸為10 mm×10 mm×10 mm,將試樣依次使用240#,400#,600#,800#,1 000#,1 500#,2 000#砂紙打磨,使用顆粒粒徑1.5,0.5 μm的拋光膏粗拋和細(xì)拋后,用乙醇清洗以消除水漬及雜質(zhì),最后冷風(fēng)吹干后干燥。采用Zeiss Axio型光學(xué)顯微鏡（OM）觀察顯微組織,使用Image Pro Plus軟件分析夾雜物。采用Phenom XL G2型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察夾雜物二維形貌,將試樣用由體積分?jǐn)?shù)1%四甲基氯化銨+10%乙酰丙酮+甲醇組成的電解液電解后觀察夾雜物三維形貌,使用配套能譜儀（EDS）分析微區(qū)成分。 

制取尺寸為?10 cm×8 cm的切削試樣,采用DX6060型數(shù)控雕銑機(jī)進(jìn)行切削試驗(yàn),其中：銑削時(shí)使用四刃直柄立銑刀,銑刀規(guī)格為D6-D6-50-4F,銑刀材料為涂層硬質(zhì)合金,銑削參數(shù)見表2；鉆削時(shí)使用二刃硬質(zhì)合金麻花鉆頭,鉆頭規(guī)格為D8-D8-100-2F,鉆頭材料為涂層硬質(zhì)合金,鉆削參數(shù)見表3。采用Kistler 9257B型測力儀測試銑刀受到的x、y、z方向的銑削力和鉆頭受到的軸向力。采用SJ-410型表面粗糙度測量儀測試銑削加工后的表面粗糙度。 

表  2  銑削參數(shù)

Table  2.  Milling parameters

參數(shù)序號(hào)	銑削轉(zhuǎn)速/（r·min−1）	進(jìn)給量/（mm·min−1）	銑削深度/mm
A	3 000	100	0.15
B	3 000	200	0.15
C	3 000	300	0.15
D	2 000	100	0.15
E	2 000	200	0.15
F	2 000	300	0.15

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表  3  鉆削參數(shù)

Table  3.  Drilling parameters

參數(shù)序號(hào)	鉆削轉(zhuǎn)速/（r·min−1）	進(jìn)給量/（mm·min−1）	鉆削深度/mm
G	400	20	10
H	400	30	10
I	600	20	10
J	600	30	10

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2.   試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1   夾雜物

由圖1可見：不含碲試驗(yàn)鋼中夾雜物尺寸較小,形狀不規(guī)則且棱角清晰；當(dāng)碲含量為0.015%時(shí),試驗(yàn)鋼中出現(xiàn)大尺寸球狀?yuàn)A雜物,細(xì)小點(diǎn)狀?yuàn)A雜物數(shù)量明顯下降；當(dāng)碲含量為0.024%時(shí),大尺寸夾雜物數(shù)量增加,幾乎未觀察到小尺寸夾雜物。綜上,隨著碲含量增加,鋼中夾雜物形狀趨向于球形,并且尺寸明顯增大。 

圖  1  不同碲含量試驗(yàn)鋼的顯微組織

Figure  1.  Microstructures of test steel with different tellurium content

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

由表4可知：隨著碲含量增加,試驗(yàn)鋼中夾雜物密度、平均等效直徑和面積占比均增加。由圖2可知：不含碲試驗(yàn)鋼中夾雜物的等效直徑集中在0~3 μm內(nèi)；隨著碲含量增加,等效直徑0~3 μm夾雜物的占比逐漸降低,等效直徑5~10 μm夾雜物的占比逐漸提高。這表明碲的添加使夾雜物尺寸增加。較大的夾雜物可作為切削過程中顯著的應(yīng)力集中點(diǎn),加劇應(yīng)力影響,從而改善切削性能。 

圖  2  不同碲含量試驗(yàn)鋼中夾雜物的等效直徑分布

Figure  2.  Equivalent diameter distribution of inclusion in steel with different tellurium content

由圖3可見：不含碲試驗(yàn)鋼中出現(xiàn)兩種夾雜物,一種是規(guī)則的四邊形灰色夾雜物,尺寸在4 μm左右,所含元素以錳和硫?yàn)橹?固溶較少的鐵和鉻,結(jié)合文獻(xiàn)[19-20]推測其為MnS夾雜物；另一種是棱角分明的多面體黑色夾雜物,尺寸在8 μm左右,所含元素以鋁和氧為主,結(jié)合文獻(xiàn)[19-20]推測其為Al2O3夾雜物。當(dāng)碲含量為0.015%時(shí),夾雜物多為圓形或橢球形的復(fù)合夾雜物,其外層呈銀白色,心部呈灰色,結(jié)合EDS及文獻(xiàn)[19-20]推測復(fù)合夾雜物為MnS-（Cr,Mn）Te,由（Cr,Mn）Te（銀白色）在MnS（灰色）表面析出并包裹而形成；當(dāng)碲含量為0.024%時(shí),試驗(yàn)鋼中析出了（Cr,Mn）Te夾雜物、橢球狀MnS-（Cr,Mn）Te復(fù)合夾雜物和Al2O3-（Cr,Mn）Te復(fù)合夾雜物。 

圖  3  不同碲含量試驗(yàn)鋼中夾雜物的二維和三維形貌以及EDS分析結(jié)果

Figure  3.  Two-dimension (a–c) and three-dimension (d–f) morphology and EDS analysis results of inclusions in test steel with different tellurium content

2.2   加工性能

銑削或鉆削力越小,材料越容易加工。由表5可見：當(dāng)銑削轉(zhuǎn)速一定時(shí),隨著進(jìn)給量增加,不同碲含量試驗(yàn)鋼的銑削力均明顯增大,這是因?yàn)檫M(jìn)給量增加,銑削去除工件體積增大,材料變形抗力增大[21]；當(dāng)進(jìn)給量一定時(shí),銑削轉(zhuǎn)速越大,銑削力越小,這是因?yàn)樵诟咚巽娤鳁l件下,切削溫度較高,摩擦因數(shù)較小,材料強(qiáng)度因軟化而降低[22]；隨著碲含量增加,試驗(yàn)鋼的銑削力減小且降幅逐漸減小,這說明添加碲可以改善試驗(yàn)鋼切削性能,但是當(dāng)碲含量超過0.015%時(shí)改善效果有限。 

由表6可見：進(jìn)給量越大或鉆削轉(zhuǎn)速越小,試驗(yàn)鋼的鉆削力越大；隨著碲含量增加,鉆削力減小,這說明碲的添加改善了試驗(yàn)鋼的切削性能,提升了可加工性。 

含碲試驗(yàn)鋼中形成的MnS被包裹在MnS-（Cr,Mn）Te復(fù)合夾雜物里面,這有利于吸收熱加工時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力,減小MnS的塑性變形,從而維持其較低的長寬比；較低長寬比的球狀或紡錘狀MnS可以使材料具有更為優(yōu)異的切削性能[19-20]。此外,在切削過程中,刀具-工件、刀具-切屑之間由于摩擦力和剪切力作用而產(chǎn)生熱量,溫度高達(dá)600~800 ℃,這使得（Cr,Mn）Te發(fā)生分解并在摩擦過程中逐漸附著到刀具的前后刀面,進(jìn)而在其表面形成一層潤滑薄膜[23]。這層潤滑薄膜不但可以減小摩擦,而且可以阻止積屑瘤的形成。綜上,添加碲可以減小切削力和摩擦力,從而顯著提升試驗(yàn)鋼切削性能。 

2.3   表面粗糙度

表面粗糙度越小,說明材料加工后的表面質(zhì)量越好。由表7可知：當(dāng)銑削轉(zhuǎn)速一定時(shí),隨著進(jìn)給量增加,不同碲含量試驗(yàn)鋼銑削后的表面質(zhì)量變差,這是因?yàn)檫M(jìn)給量增加,材料銑削后殘留部分高度增大,積屑瘤和鱗刺等缺陷也更容易產(chǎn)生,并且摩擦產(chǎn)生的熱量更多,熱軟化作用增強(qiáng),塑性變形增大,導(dǎo)致材料表面形貌惡化,表面粗糙度增大[24]；當(dāng)進(jìn)給量一定時(shí),銑削轉(zhuǎn)速越大,銑削后的表面質(zhì)量越好,這是因?yàn)殂娤鬓D(zhuǎn)速增大使得積屑瘤和鱗刺現(xiàn)象減少甚至消失,同時(shí)有效縮短了刀具與工件表面間的接觸時(shí)間,減小切屑和加工表面的塑性變形程度,從而減少了表面缺陷[25-26]。隨著碲含量增加,試驗(yàn)鋼銑銷后的表面質(zhì)量變好。這是因?yàn)轫诘墓倘芸梢蕴嵘蚧锏娘@微硬度,有助于減少積屑瘤的形成；此外,碲的添加有助于鋼中夾雜物的均勻分布并維持其較低的長寬比,優(yōu)化材料的斷屑性質(zhì),從而在銑削加工后獲得更低的表面粗糙度。 

3.   結(jié)論

（1）不含碲試驗(yàn)鋼中的夾雜物主要為MnS和Al2O3,夾雜物尺寸小、形狀不規(guī)則且棱角清晰；當(dāng)碲含量為0.015%時(shí),夾雜物主要為（Cr,Mn）Te包裹MnS的MnS-（Cr,Mn）Te,當(dāng)碲含量為0.024%時(shí),夾雜物主要為（Cr,Mn）Te、MnS-（Cr,Mn）Te和Al2O3-（Cr,Mn）Te；隨碲含量增加,試驗(yàn)鋼中夾雜物數(shù)量增多,尺寸增加,形狀趨向球形。 

（2）隨著碲含量增加,試驗(yàn)鋼的銑削力、鉆削力和銑削后的表面粗糙度減小,加工性能提高,表面加工質(zhì)量改善。

文章來源——材料與測試網(wǎng)