Te對40Cr13預硬強化型塑料模具鋼機加性能的影響研究

周茂華,鐘亮美,陳煒,吳欣容,唐佳麗,李宗健,徐翔宇,付建勛

1攀鋼集團江油長城特殊鋼有限責任公司;2上海大學材料科學與工程學院先進凝固技術中心,省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室

1 引言

40Cr13是一種中碳耐蝕型塑料模具用扁鋼,適宜制造承受高負荷、高耐磨及腐蝕介質作用下的塑料模具鋼[1,2]。在線預硬化工藝是指模具鋼軋制后,利用軋制余熱不經補償加熱直接進行淬火的工藝[3],因為模具成型后無需進行熱處理就可直接使用,具有工藝流程短、能耗小、成本低等優勢,被廣泛采用[4]。

隨著用戶對模具鋼使用壽命要求的提高,高硬度(40～50HRC)在線預硬化模具鋼迎來廣闊的市場[5],但洛氏硬度高于40HRC的高硬度模具鋼導致材料的機械加工性能急劇下降,用戶需要額外增加一道熱處理工藝才能完成高硬度預硬化模具鋼的加工。開發免熱處理的易切削高硬度在線預硬性模具鋼,并確保模具鋼的機械性能及綜合性能不降低,成為模具生產廠商及下游用戶的期待。

碲改質技術是向鋼中加入Te改善硫化物形態,在低碲鋼中Te會固溶在MnS中形成Mn(S,Te),在高碲鋼中會析出MnTe包裹在MnS外層,形成MnTe-MnS復合夾雜物,可顯著改善其切削性能,同時還能提升材料表面光潔度[6-8]。劉年富等[9]研究發現,在38MnVS鋼中加入Te降低了MnS的生長速度,從而降低夾雜物長寬比,另外固溶型含Te夾雜物顯微硬度明顯提升,顯著改善硫化物形態;劉貝貝等[10]將碲改質1215MS易切削鋼與AISI12L14、SUM24L鉛系易切削鋼切削經過120h以上的生產性切削對比測試,發現刀具磨損和表面光潔度達到了含鉛易切削鋼相同的效果。Abeyama S.等[11]研究了不同易切削元素對18Cr-2Mo鋼工件切削性能的影響,發現Te能顯著降低鋼材表面粗糙度,提高斷屑中C型屑比例;Katoh T.等[12]研究發現,在含硫鋼中添加Te可以顯著降低切削過程中的進給力和切向力。

目前,碲改質技術主要應用于含硫的易切削鋼、非調質鋼、齒輪鋼和不銹鋼,對硫含量較低,甚至嚴格限硫的模具鋼碲改質的研究較少。本文開展Te對40Cr13模具鋼30kg級的熔煉—軋制中試實驗,通過熱處理工藝調整實驗材料的洛氏硬度,對不同Te含量、不同硬度的中試級鋼板開展銑削、鉆削對比測試,量化評估碲改質的效果,應用光學顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)等設備分析不同Te含量40Cr13鋼中夾雜物的形貌與成分,總結Te對模具鋼機械加工性能的影響規律,為含Te免調質預硬化型模具鋼的開發提供實驗支撐。

2 實驗材料與實驗方案

2.1 樣品制備

冶煉實驗的原料為40Cr13模具鋼,成分如表1所示。在鞍鋼鋼鐵研究院50kg真空感應爐進行熔煉實驗,用打磨掉氧化層的40Cr13模具鋼返回料進行無渣熔煉得到2個30kg的實驗錠。在氮氣保護下進行熔煉,在冶煉末期升溫至1550℃左右,待鋼樣完全熔清后添加純Te粉(99.9%),通過鋼液自身的電磁攪拌力使鋼液成分和溫度均勻,5min后關閉電源,將鋼液澆注到鑄模中,待樣品冷卻后取出鋼錠。在兩鋼錠底部1cm處鉆屑取樣,在北京鋼研納克國家鋼鐵質量檢測中心檢測Te含量,如表2所示。

表1 40Cr13模具鋼化學成分 (wt.%)

表2 40Cr13模具鋼切削試樣Te含量與硬度

利用鞍鋼鋼鐵研究院中試熱軋機進行熱軋制,對鋼錠加熱至1200℃保溫4h使組織完全奧氏體化,經多道次軋制,成為厚度38mm扁鋼,軋制比約為3.5,與工廠生產預硬化扁鋼軋制比基本一致。通過熱處理調整實驗扁鋼硬度,使其達到高硬度(調質后洛氏硬度分別為44HRC和43HRC),取不含Te的中硬度(37HRC)、高硬度(43HRC)40Cr13扁鋼作為對比材料,與兩種含Te 40Cr13鋼進行銑削、鉆削對比測試,切削后試樣如圖1所示。

(a)1#,無Te/43HRC

2.2 實驗方案

在上海大學機械加工中心進行切削實驗。使用HARDINCEVMC-1000Ⅱ立式萬能機床進行測試,其最大功率為5.5kW。銑削刀具為整體硬質合金四刃平頭立銑刀(國產GU26UF),銑刀直徑6mm,刀頭為TiAlN涂層,鉆頭選用含鈷高速鋼M35材料,鉆頭直徑6mm。加工參數如表3和表4所示。

表3 銑削實驗方案

為測試切削力,使用Kistler 9257B測力儀測試銑削的x,y,z方向銑削力和鉆削的軸向力,如圖2所示,采用上海大學表面粗糙度測量儀(Surfcorder SE1200,KosakaLab)測量材料加工后的表面粗糙度。

圖2 測力儀設備及測量原理

3 實驗結果與討論

3.1 切削力分析

為了比較銑削過程中四種試樣的銑削力,獲取穩定銑削過程中力的最大值,使用Fx,Fy,Fz的幾何平均值F表示不同參數下的銑削力。圖3為銑削過程中的切削力變化。

圖3 不同切削參數時四組試樣的銑削力變化

從圖3可以看到,當銑削速度一定時,對比參數A、B、C的曲線,進給量增加,銑削力明顯增大,這是因為進給量增大,銑削時去除的工件體積增大,材料變形抗力和摩擦力都會增大,導致銑削力大幅增加。而當進給量一定時,對比參數B、D和C、E,銑削速度增大,銑削力減小。在高速銑削條件下,由于銑削速度的增大,切削溫度升高會導致摩擦系數和變形系數相應下降,使銑削力下降[13]。

在相同切削參數下對比四組試樣可以發現,1號樣的銑削力要明顯高于其他3組試樣。加入0.0065%Te后的2號樣銑削力相比1號樣平均降低了52.6%,進一步添加0.014%Te的3號樣的銑削力相比1號樣平均降低了62.2%,低硬度的4號樣的銑削力對比1號樣降低了62%。說明Te的加入可以降低切削過程中的抗力,當加入0.014% Te時,對切削力的改善可以達到與降低工件硬度相同的效果。

為了比較鉆削過程中四種試樣的切削抗力,以切削過程中的軸向力F為評價標準。圖4為鉆削過程中的軸向力變化。

從圖4可以看到,對于同一組試樣,鉆削參數對軸向力的影響與銑削類似,當鉆削速度一定時,進給量增加,軸向力明顯增大;在高速鉆削時,軸向力會降低。在相同削參數下對比四組試樣,1號樣的軸向力最大。相比于1號樣,加入0.0065%Te后,2號樣的軸向力降低了15.8%,加入0.014%Te的3號樣軸向力降低了21.4%,低硬度的4號樣軸向力降低了50.7%。對比顯示,降低硬度可以顯著降低鉆削時的軸向力,而Te同樣可以起到降低軸向力的效果。

碲改質降低40Cr13切削力主要通過調控鋼中硫化物形態以及析出易切削相MnTe實現。結合后文的夾雜物分析可知,隨著鋼中Te含量提高,硫化物夾雜球化并粗化,MnTe析出量增多。MnS在切削時不僅起到破壞鋼基體組織的連續性和應力集中的作用,使基體形成顯微裂紋,造成切屑脆化、折斷,而且還能在刀具表面形成一層保護膜,發揮其潤滑作用,降低切削阻力,MnTe與MnS性質相似,同樣能夠作為易切削相提高材料的切削性能[14]。有研究表明:分布均勻、尺寸適中的球狀或紡錘狀MnS的應力集中效應更好,斷屑性更好,切削過程中材料的切削抗力更小[15]。

3.2 表面粗糙度分析

為了比較銑削后試樣的表面質量,使用粗糙度測量儀對銑削表面進行測量。圖5為銑削后表面粗糙度變化。結果顯示,對同一組試樣,當銑削速度一定時,對比參數A、B、C的曲線,進給量增加,表面粗糙度明顯增大。當進給量增大時,銑削殘留部分的高度增加,積屑瘤和鱗刺也更容易產生,易導致材料表面形貌惡化,表面粗糙度增大;當進給量一定時,對比參數B、D和C、E,銑削速度增大,表面粗糙度降低;當銑削速度增大時,積屑瘤和鱗刺現象明顯減小甚至消失,同時高銑削速度可以有效降低銑削過程中切屑和加工表面的塑性變形程度,使得表面缺陷減少,表面粗糙度下降[16]。

圖5 不同參數時四組試樣銑削后的表面粗糙度變化

在相同切削參數下對比四組試樣可以發現,不含Te的1,4號樣的表面粗糙度要明顯高于2,3號試樣。在銑削速度為65.5m/min(參數A、B、C)時,加入0.0065%Te后的2號樣的表面粗糙度明顯降低,在銑削速度為150m/min(參數D、E)時,2號樣的表面粗糙度變化較小。

隨著銑削速度的增大,切屑與刀具摩擦增加,切屑斷屑性能提高;同時大量的熱量會隨切屑被帶走,切削后工件表面的溫度相對較低,因此切削區域塑性變形會減小,兩方面共同作用使材料表面粗糙度值變小。提高銑削速度與碲改質都能通過提高材料斷屑性能從而降低表面粗糙度,而提高銑削速度產生的作用要更加顯著,因此在銑削速度提高、其他參數不變時Te降低材料表面粗糙度的幅度較小。

在加工條件較差的參數B、C條件下,加入0.014%Te的3號樣的表面粗糙度進一步降低,而在其他參數條件下,3號樣的表面粗糙度與2號樣接近。實驗現象說明,碲改質可降低40Cr13鋼加工過后的表面粗糙度,提升其切削性能,尤其在低轉速、高進給量的惡劣加工條件下,添加Te后的工件表面粗糙度得到明顯改善。

經過碲改質后,鋼中多數MnS被MnTe包裹形成復合夾雜物,在熱軋時隨軋制方向分配到MnS兩端,減小MnS受軋制變形的影響,易形成橢球狀夾雜,更有利于切屑與工件分離,減少切屑與刀具前刀面的摩擦[17]。切削過程中的刀具最高溫度為600℃～800℃,高溫使碲化物分解并在不斷摩擦過程中逐漸附著到刀具前刀面和后刀面,在刀具表面形成一層薄膜[18]。薄膜起到潤滑和保護刀具作用,并且可以防止刀具表面形成積屑瘤,降低工件表面粗糙度。

3.3 夾雜物分析

為了探究添加Te對40Cr13鋼中夾雜物的影響規律以及驗證碲改善模具鋼切削性能的機理,在無Te,0.0065%Te,0.014%Te的鑄錠上分別取三組試樣并制作金相試樣,對觀察面進行打磨、拋光、烘干后,用金相顯微鏡對樣品觀察拍照,金相形貌如圖6所示。

(a)1號樣

在無Te的1號樣中夾雜物數量較多,尺寸較小,分布密集;在添加0.0065%Te后,2號樣中夾雜物數量減少,尺寸增大,存在少量大尺寸夾雜;進一步添加0.014%Te后,相比2號樣,夾雜物數量增加,且大多數夾雜物分布均勻。對比無Te、低Te、高Te三組40Cr試驗鋼的金相照片可以發現,隨著Te含量的升高,鋼中夾雜物數量減少,夾雜物尺寸增大,表明在高碲鋼中Te主要以MnTe的形式存在[19],初步猜測是MnTe析出在夾雜物周圍,使夾雜物球化并粗化。

為了更明確地表征不同Te含量對鋼中夾雜物大小、數量的影響,利用Image Pro Plus軟件對每個試樣的10個200倍視野進行夾雜物面密度和平均等效直徑統計,統計結果如圖7所示。

(a)平均等效直徑

1號樣中夾雜物平均等效直徑為1.37μm,夾雜物密度388個/mm2。加入0.0065%Te之后的2號樣中夾雜物尺寸增大,夾雜物平均等效直徑最大,為2.02μm,夾雜物密度明顯減小,僅為124個/mm2。說明添加Te之后形成較多MnTe包裹MnS的復合夾雜物。而加入0.014%Te的3號樣,平均等效直徑減小至1.84μm,夾雜物密度為227個/mm2,結合能譜分析可以說明,當Te含量繼續升高時,鋼中會出現尺寸較小的MnTe夾雜。

對鋼樣進行三維腐刻處理,采用Phenom Pro掃描電鏡和能譜儀對試樣中典型夾雜物的三維形貌和成分進行分析,鋼中典型夾雜物的三維形貌及其元素組成如圖8所示。圖8a顯示40Cr13鋼中主要夾雜物為Al2O3,MnS和Al2O3-MnS,Al2O3夾雜形狀為多面體,表面棱角分明,MnS夾雜為橢球狀。如圖8b所示,在添加0.0065%Te的2號樣中存在MnS-MnTe復合夾雜物,呈橢球狀,夾雜物表面呈銀白色,說明復合夾雜物是以MnS為核心,MnTe在MnS表面析出并包裹而形成。在3號樣中,進一步加入0.014%Te后,同樣可以觀察到銀白色的夾雜物,能譜結果說明它是單獨的MnTe夾雜,如圖8c1所示;而在圖8c2中,球狀的MnS-MnTe復合夾雜物中MnTe是主要組成,僅有少量MnS。

(a)1號樣

分析三組試樣,鋼中S含量均為0.003%,2號樣Te/S原子比為0.54,3號樣Te/S原子比為1.17。當鋼中Te/S原子比達到0.54時,鋼中的Te主要以碲化物包裹在MnS外層的形式存在。Te/S原子比增大到1.17時,鋼中大多數MnS都得到改質,且MnS-MnTe復合夾雜物中MnTe比例明顯升高,且MnTe會單獨析出。MnS-MnTe復合夾雜物及MnTe形狀規則,在鋼中作為易切削相和斷屑源,有利于提高切削性能[20]。

4 結語

開展Te對40Cr13模具鋼30kg級的熔煉—軋制中試實驗,通過熱處理工藝調整實驗材料的洛氏硬度,對不同Te含量、不同硬度的中試級鋼板開展銑削、鉆削對比測試,量化評估碲改質的效果,并分析不同Te含量40Cr13鋼中夾雜物的形貌與成分,總結Te對模具鋼機械加工性能的影響規律。

(1)在不同的銑削、鉆削參數下,在鋼中添加Te后都可以顯著降低切削力,提高切削性能。添加0.014%Te的3號樣銑削力相比于1號樣降低了62.2%,高硬度(44HRC)的3號樣銑削力與低硬度(36HRC)的4號樣銑削力相同;3號樣的鉆削力相比于1號樣降低了21.4%。

(2)Te可以提高工件的表面質量,相比于不含Te的1號樣和4號樣,添加Te后的40Cr13鋼銑削后的表面粗糙度值降低,Te含量0.014%的3號樣表面粗糙度值最低。

(3)40Cr13鋼中添加碲改質后夾雜物平均等效直徑增大,夾雜物密度減小;Te在鋼中形成MnTe包裹MnS的復合夾雜物,當Te含量為0.014%時,鋼中存在單獨的MnTe夾雜。MnS-MnTe復合夾雜物及MnTe形狀規則,在鋼中作為易切削相有利于提高切削性能。