低熔点元素铋对钢切削性能和高温变形的影响

低熔点元素铋对钢切削性能和高温变形的影响

近年来，随着绿色冶金的发展及人们环保意识的增强，环保型铋易切削钢被开发出用于替代有毒的铅易切削钢，以满足市场对高性能、环保型易切削钢的需求。然而，低熔点元素铋在钢中作为“两面性元素”，一方面可显著提高钢的可切削加工性能；另一方面作为钢中5大有害元素之一，又极易导致钢高温变形(连铸矫直与轧制)裂纹的产生。

车床车削示意图，图源网络

目前，低熔点元素铋对钢脆化行为的影响机制尚不明晰，严重制约了高端铋易切削钢的工业化生产。本文通过在钢中添加较高质量分数的铋(0.17%)，针对低熔点元素铋在钢中的“两面性”作用，研究了低熔点元素铋在切削加工与高温变形过程中对钢脆化行为的影响。

1、试验材料与方法

实验室真空感应炉熔炼制备出低碳高硫铋易切削钢，冶炼过程选用SAE1215低碳高硫易切削钢为母料，每炉质量为25kg，并加入一定量的中碳锰铁进行脱氧合金化，冶炼末期加入所需的金属铋，熔炼均匀后立即浇铸，试验钢的化学成分见表1。

然后，将冶炼的铸锭在1200℃保温2h后进行锻造，终锻温度在1050℃以上，锻造后空冷至室温。结合车削试验和高温(铋熔点温度附近)拉伸试验，研究在切削加工过程中低熔点元素铋对钢脆化行为的影响。车削试验在无级调速车床上进行，采用YT14硬质合金刀具，进行干车削，观察车削过程切屑形貌的变化，分析车削加工过程中铋对钢的脆化作用；测量铋熔点温度附近钢的塑性情况，并结合电子扫描电镜(SEM)对钢中铋的存在形式及切屑断口形貌进行微观分析，揭示铋改善钢可切削加工性能的作用机制。通过热塑性试验，研究在高温变形过程中低熔点元素铋对钢脆化行为的影响。试验在热力模拟机上进行，试样为$10mmx120mm的标准试样，氩气保护气氛，试验温度为850~1200℃间隔50℃。首先将试样以10℃/s升温到1350℃保温5min，进行固溶处理；然后以3℃/s冷却到试验温度，保温1min后拉他至断裂，拉断后迅速淬水冷却断口，随后测量并分析断面收缩率随试验温度的变化，明确高温变形过程中含铋钢的脆化行为。采用SEM观察典型的拉伸断口形貌，然后将断口沿中心线纵剖，磨样、抛光、浸蚀(苦味酸酒精溶液)后，采用SEM的背散射电子模式(BES)二次电子模式(SED)及EDS能谱对纵剖断口的微观组织形貌进行分析，揭示铋导致钢高温变形脆化行为的作用机制。

2、结果分析与讨论

2.1切削加工过程中铋对钢脆化行为的影响

铋易切削钢切削加工过程中的切屑形貌如图1所示，在切削加工初期观察到切屑以“螺旋”屑为主(图1(a))，随着切削加工温度的逐渐升高，切屑变为以“C形”屑为主(图1(b))。

(a)切削初期“螺旋”屑；(b)切削过程中“C形”屑。

图1切削加工时切屑的SEM形貌

切削加工“螺旋”屑与“C形”屑的断口形貌如图2所示，可以看出“C形”屑较“螺旋”屑表现出了明显的脆性断裂特征。

(a)切削初期“螺旋”屑；(b)切削过程中“C形”屑。

图2切削断口的SEM形貌

即，C形”屑具有较大的脆性，在切削加工过程中易于断屑，有利于切削加工的进行，促使铋易切削钢具有优良的可切削加工性能。

(a)铋存在形式的SEM形貌；(b)铋夹杂能谱；(c)MnS夹杂能谱。

图3钢基体中铋的存在形式及EDS分析(BES模式，白色亮点为铋)

室温~500℃时，铋易切削钢拉伸塑性随温度的变化趋势如图4所示，由图4可知，铋易切削钢在铋熔点温度(271.3℃)附近的塑性显著降低，即铋易切削钢出现了蓝脆温度区的脆性断裂。

图4 铋易切削钢拉伸断面收缩率随温度的变化

在切削加工变形过程中，一方面铋夹杂可作为应力集中源促使裂纹产生，另一方面随着切削加工温度的升高，钢中析出的单质铋将以液态的形式存在，切削加工变形过程中有裂纹诱发产生时，液态铋将流入裂纹尖端以减少原子键的结合能，从而促使裂纹的形核和扩展，即产生显著的液态金属脆化作用(LEM)从而引起钢的切削加工脆化，促使切屑断裂。

综上所述，切削加工时低熔点元素铋对钢的脆化作用，主要与铋的液态金属脆化作用有关，在铋熔点温度附近显著降低钢的塑性，从而使铋易切削钢具有优良的可切削加工性能。

2.2高温变形温度区间铋对钢脆化行为的影响

图5所示为试验钢高温拉伸性能随温度的变化曲线。

(a)断面收缩率； (b)抗拉强度

图5 试验钢高温拉伸性能随温度的变化

由图5(a)可知，变形温度对铋易切削钢的热塑性有显著影响，1000℃及以下温度时试验钢的热朔性显著降低，断面收缩率小于30%。Mintz B等指出，当钢断面收缩率在60%以下时，热塑性较差，此时易于产生高温变形裂纹。故铋易切削钢在1000℃及以下温度进行连铸矫直或轧制时，低的热塑性是导致其高温变形裂纹产生的主要原因。此外，由图5(b)可知，试验钢的高温抗拉强度随温度的升高而不断降低，特别是在1050℃以上温度时，抗拉强度降低显著。

(a)1000℃断口；(b)1150℃断口。

图6典型高温拉伸断口的SEM形貌

图6所示为试验钢热塑性较差和较好时典型拉伸断口的形貌对比。可以看出，1000℃时，铋易切削钢的断口以沿晶脆性断裂为主，断口表面存在较多的解理面和部分沿晶开裂纹(图6(a))，这说明此时晶界强度明显较弱，从而导致了钢较差的塑性； 1150℃时，拉伸断口为典型的韧性断裂，断口上有大量韧窝出现，可能与此时钢基体本身具有良好的塑性有关，但断口存在韧窝的同时又有少量的开裂纹出现(图6(b))这说明此时由于晶界上可能有液态铋存在而使其晶界强度相对较低。

选取试验钢热塑性较差与较好时的拉伸断口进行纵剖，采用SEM对断口的纵剖微观组织进行分析，结果如图7所示。

(a)1000℃口沿晶裂纹形貌；(b)1000℃断口晶界铋膜；(c)1150℃断口形貌；(d)晶界铋膜EDS能谱。

图7典型高温拉伸断口纵剖组织的SEM形貌

热塑性较差时，铋易切削钢的拉伸断口存在明显的沿晶开裂纹(图7(a))，且在开裂晶界上发现了铋膜的偏聚(图7(b)(d))，高温变形时奥氏体晶界偏聚的铋膜将以液态形式存在，显著降低晶界强度，脆化晶界，导致高温变形时奥氏体晶界的脆性开裂。结合图7(c)与图5(b)可知，热塑性较好时，铋易切削钢的拉伸断口发生了明显的塑性变形(图7(c))，且此时钢基体的强度较低(图5(b))。即高温时钢基体由于其强度低而更易于发生变形，故此时钢基体本身良好的变形能力是其热塑性较好的主要原因。

综上所述，奥氏体晶界上铋膜的偏聚是造成高温变形温度区间钢脆性行为的主要原因，即铋易切削钢差的热塑性与铋的奥氏体晶界偏聚有关。

3、结论

(1)在切削加工过程中，低熔点元素铋对钢的脆化作用，可促使易断的“C形”脆性屑形成，利于切削加工的进行，使得铋易切削钢具有优良的可切削加工性能。

(2)在切削加工过程中，低熔点元素铋对钢脆化行为的影响，主要与钢中铋的液态金属脆化作用有关，显著降低钢在铋熔点温度区的塑性。

(3)在高温变形过程中，低熔点元素铋对钢脆化行为的影响，主要与奥氏体晶界上铋膜的偏聚有关。危害钢的晶界强度，显著降低钢在1000℃及以下试验温度时的热塑性。

文献来源：刘海涛，低熔点元素铋对钢脆化行为的影响