低熔點(diǎn)元素鉍對(duì)鋼切削性能和高溫變形的影響

來(lái)源：津鈉儀器（上海）有限公司 2025年07月30日 07:50

近年來(lái)，隨著綠色冶金的發(fā)展及人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，環(huán)保型鉍易切削鋼被開(kāi)發(fā)出用于替代有毒的鉛易切削鋼，以滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)高性能、環(huán)保型易切削鋼的需求。然而，低熔點(diǎn)元素鉍在鋼中作為“兩面性元素”，一方面可顯著提高鋼的可切削加工性能；另一方面作為鋼中5大有害元素之一，又極易導(dǎo)致鋼高溫變形(連鑄矯直與軋制)裂紋的產(chǎn)生。

車(chē)床車(chē)削示意圖

目前，低熔點(diǎn)元素鉍對(duì)鋼脆化行為的影響機(jī)制尚不明晰，嚴(yán)重制約了鉍易切削鋼的工業(yè)化生產(chǎn)。本文通過(guò)在鋼中添加較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鉍(0.17%)，針對(duì)低熔點(diǎn)元素鉍在鋼中的“兩面性”作用，研究了低熔點(diǎn)元素鉍在切削加工與高溫變形過(guò)程中對(duì)鋼脆化行為的影響。

1、試驗(yàn)材料與方法
實(shí)驗(yàn)室真空感應(yīng)爐熔煉制備出低碳高硫鉍易切削鋼，冶煉過(guò)程選用SAE1215低碳高硫易切削鋼為母料，每爐質(zhì)量為25kg，并加入一定量的中碳錳鐵進(jìn)行脫氧合金化，冶煉末期加入所需的金屬鉍，熔煉均勻后立即澆鑄，試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

然后，將冶煉的鑄錠在1200℃保溫2h后進(jìn)行鍛造，終鍛溫度在1050℃以上，鍛造后空冷至室溫。結(jié)合車(chē)削試驗(yàn)和高溫(鉍熔點(diǎn)溫度附近)拉伸試驗(yàn)，研究在切削加工過(guò)程中低熔點(diǎn)元素鉍對(duì)鋼脆化行為的影響。車(chē)削試驗(yàn)在無(wú)級(jí)調(diào)速車(chē)床上進(jìn)行，采用YT14硬質(zhì)合金刀具，進(jìn)行干車(chē)削，觀察車(chē)削過(guò)程切屑形貌的變化，分析車(chē)削加工過(guò)程中鉍對(duì)鋼的脆化作用；測(cè)量鉍熔點(diǎn)溫度附近鋼的塑性情況，并結(jié)合電子掃描電鏡(SEM)對(duì)鋼中鉍的存在形式及切屑斷口形貌進(jìn)行微觀分析，揭示鉍改善鋼可切削加工性能的作用機(jī)制。通過(guò)熱塑性試驗(yàn)，研究在高溫變形過(guò)程中低熔點(diǎn)元素鉍對(duì)鋼脆化行為的影響。試驗(yàn)在熱力模擬機(jī)上進(jìn)行，試樣為$10mmx120mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，氬氣保護(hù)氣氛，試驗(yàn)溫度為850~1200℃間隔50℃。首先將試樣以10℃/s升溫到1350℃保溫5min，進(jìn)行固溶處理；然后以3℃/s冷卻到試驗(yàn)溫度，保溫1min后拉他至斷裂，拉斷后迅速淬水冷卻斷口，隨后測(cè)量并分析斷面收縮率隨試驗(yàn)溫度的變化，明確高溫變形過(guò)程中含鉍鋼的脆化行為。采用SEM觀察典型的拉伸斷口形貌，然后將斷口沿中心線縱剖，磨樣、拋光、浸蝕(酒精溶液)后，采用SEM的背散射電子模式(BES)二次電子模式(SED)及EDS能譜對(duì)縱剖斷口的微觀組織形貌進(jìn)行分析，揭示鉍導(dǎo)致鋼高溫變形脆化行為的作用機(jī)制。

2、結(jié)果分析與討論
2.1切削加工過(guò)程中鉍對(duì)鋼脆化行為的影響
鉍易切削鋼切削加工過(guò)程中的切屑形貌如圖1所示，在切削加工初期觀察到切屑以“螺旋”屑為主(圖1(a))，隨著切削加工溫度的逐漸升高，切屑變?yōu)橐浴癈形”屑為主(圖1(b))。

(a)切削初期“螺旋”屑；(b)切削過(guò)程中“C形”屑。
圖1切削加工時(shí)切屑的SEM形貌

切削加工“螺旋”屑與“C形”屑的斷口形貌如圖2所示，可以看出“C形”屑較“螺旋”屑表現(xiàn)出了明顯的脆性斷裂特征。

(a)切削初期“螺旋”屑；(b)切削過(guò)程中“C形”屑。
圖2切削斷口的SEM形貌

即，C形”屑具有較大的脆性，在切削加工過(guò)程中易于斷屑，有利于切削加工的進(jìn)行，促使鉍易切削鋼具有優(yōu)良的可切削加工性能。

(a)鉍存在形式的SEM形貌；(b)鉍夾雜能譜；(c)MnS夾雜能譜。
圖3鋼基體中鉍的存在形式及EDS分析(BES模式，白色亮點(diǎn)為鉍)

室溫~500℃時(shí)，鉍易切削鋼拉伸塑性隨溫度的變化趨勢(shì)如圖4所示，由圖4可知，鉍易切削鋼在鉍熔點(diǎn)溫度(271.3℃)附近的塑性顯著降低，即鉍易切削鋼出現(xiàn)了藍(lán)脆溫度區(qū)的脆性斷裂。

圖4鉍易切削鋼拉伸斷面收縮率隨溫度的變化
在切削加工變形過(guò)程中，一方面鉍夾雜可作為應(yīng)力集中源促使裂紋產(chǎn)生，另一方面隨著切削加工溫度的升高，鋼中析出的單質(zhì)鉍將以液態(tài)的形式存在，切削加工變形過(guò)程中有裂紋誘發(fā)產(chǎn)生時(shí)，液態(tài)鉍將流入裂紋以減少原子鍵的結(jié)合能，從而促使裂紋的形核和擴(kuò)展，即產(chǎn)生顯著的液態(tài)金屬脆化作用(LEM)從而引起鋼的切削加工脆化，促使切屑斷裂。
綜上所述，切削加工時(shí)低熔點(diǎn)元素鉍對(duì)鋼的脆化作用，主要與鉍的液態(tài)金屬脆化作用有關(guān)，在鉍熔點(diǎn)溫度附近顯著降低鋼的塑性，從而使鉍易切削鋼具有優(yōu)良的可切削加工性能。
2.2高溫變形溫度區(qū)間鉍對(duì)鋼脆化行為的影響
圖5所示為試驗(yàn)鋼高溫拉伸性能隨溫度的變化曲線。

(a)斷面收縮率； (b)抗拉強(qiáng)度
圖5 試驗(yàn)鋼高溫拉伸性能隨溫度的變化
由圖5(a)可知，變形溫度對(duì)鉍易切削鋼的熱塑性有顯著影響，1000℃及以下溫度時(shí)試驗(yàn)鋼的熱朔性顯著降低，斷面收縮率小于30%。Mintz B等指出，當(dāng)鋼斷面收縮率在60%以下時(shí)，熱塑性較差，此時(shí)易于產(chǎn)生高溫變形裂紋。故鉍易切削鋼在1000℃及以下溫度進(jìn)行連鑄矯直或軋制時(shí)，低的熱塑性是導(dǎo)致其高溫變形裂紋產(chǎn)生的主要原因。此外，由圖5(b)可知，試驗(yàn)鋼的高溫抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高而不斷降低，特別是在1050℃以上溫度時(shí)，抗拉強(qiáng)度降低顯著。

(a)1000℃斷口；(b)1150℃斷口。
圖6典型高溫拉伸斷口的SEM形貌
圖6所示為試驗(yàn)鋼熱塑性較差和較好時(shí)典型拉伸斷口的形貌對(duì)比?？梢钥闯?，1000℃時(shí)，鉍易切削鋼的斷口以沿晶脆性斷裂為主，斷口表面存在較多的解理面和部分沿晶開(kāi)裂紋(圖6(a))，這說(shuō)明此時(shí)晶界強(qiáng)度明顯較弱，從而導(dǎo)致了鋼較差的塑性；1150℃時(shí)，拉伸斷口為典型的韌性斷裂，斷口上有大量韌窩出現(xiàn)，可能與此時(shí)鋼基體本身具有良好的塑性有關(guān)，但斷口存在韌窩的同時(shí)又有少量的開(kāi)裂紋出現(xiàn)(圖6(b))這說(shuō)明此時(shí)由于晶界上可能有液態(tài)鉍存在而使其晶界強(qiáng)度相對(duì)較低。
選取試驗(yàn)鋼熱塑性較差與較好時(shí)的拉伸斷口進(jìn)行縱剖，采用SEM對(duì)斷口的縱剖微觀組織進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。

(a)1000℃口沿晶裂紋形貌；(b)1000℃斷口晶界鉍膜；(c)1150℃斷口形貌；(d)晶界鉍膜EDS能譜。
圖7典型高溫拉伸斷口縱剖組織的SEM形貌
熱塑性較差時(shí)，鉍易切削鋼的拉伸斷口存在明顯的沿晶開(kāi)裂紋(圖7(a))，且在開(kāi)裂晶界上發(fā)現(xiàn)了鉍膜的偏聚(圖7(b)(d))，高溫變形時(shí)奧氏體晶界偏聚的鉍膜將以液態(tài)形式存在，顯著降低晶界強(qiáng)度，脆化晶界，導(dǎo)致高溫變形時(shí)奧氏體晶界的脆性開(kāi)裂。結(jié)合圖7(c)與圖5(b)可知，熱塑性較好時(shí)，鉍易切削鋼的拉伸斷口發(fā)生了明顯的塑性變形(圖7(c))，且此時(shí)鋼基體的強(qiáng)度較低(圖5(b))。即高溫時(shí)鋼基體由于其強(qiáng)度低而更易于發(fā)生變形，故此時(shí)鋼基體本身良好的變形能力是其熱塑性較好的主要原因。
綜上所述，奧氏體晶界上鉍膜的偏聚是造成高溫變形溫度區(qū)間鋼脆性行為的主要原因，即鉍易切削鋼差的熱塑性與鉍的奧氏體晶界偏聚有關(guān)。
3、結(jié)論
(1)在切削加工過(guò)程中，低熔點(diǎn)元素鉍對(duì)鋼的脆化作用，可促使易斷的“C形”脆性屑形成，利于切削加工的進(jìn)行，使得鉍易切削鋼具有優(yōu)良的可切削加工性能。
(2)在切削加工過(guò)程中，低熔點(diǎn)元素鉍對(duì)鋼脆化行為的影響，主要與鋼中鉍的液態(tài)金屬脆化作用有關(guān)，顯著降低鋼在鉍熔點(diǎn)溫度區(qū)的塑性。
(3)在高溫變形過(guò)程中，低熔點(diǎn)元素鉍對(duì)鋼脆化行為的影響，主要與奧氏體晶界上鉍膜的偏聚有關(guān)。危害鋼的晶界強(qiáng)度，顯著降低鋼在1000℃及以下試驗(yàn)溫度時(shí)的熱塑性。

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