圆珠笔头用环保超易切削不锈钢的组织与性能

1试验材料与方法

本研究用钢为自制新型超易切削不锈钢(委托江苏省启东市荣盛铜业有限公司生产)与同类日本进口材料,其化学成分列于表1,可以看出,这两种钢均实现了无铅化,满足环保要求。试验钢A的冶炼在真空感应炉中进行,随后在氩气保护下浇铸成方锭,将方锭扒皮后轧制成方坯,然后经过多道次热连轧制成圆钢,并将其热轧成6.5 mm盘条,最后经多道次冷拔、剥皮、退火等工序制成2.3mm的线材。在相同切削工艺条件下,利用瑞士MIKRON全自动笔头机将两种材料加工成圆珠笔笔头(结构示意图见图1),用于后续试验分析。

沿2.3mm成品线材纵向切取样品，经过镶嵌、打磨和抛光后制成金相样品，利用Olympus BM51光学显微镜（OM）、赛默飞Apreo S HiVac型扫描电镜（SEM）及其配备的牛津Ultim Max100能谱仪（EDS）对钢样中夹杂物的形态、分布及成分进行表征；使用耐博THV-1MD型显微硬度仪测量样品中心部位的硬度，载荷为0.3kgf，加载时间为10s。笔头球座体加工过程中，利用光学显微镜观察钢样的车削表面及切屑的形态，以表征钢的切削性能。使用HB16-3015型卧式投影仪和顶珠力测试仪进行笔头露珠面、球珠窜动量和球珠顶出力等参数的测试。参照标准QB/T2625-2011，采用ZTHY-05型书写划圆仪测试笔芯的百米出墨量。采用KLD-200书写润滑度测试仪测试笔头摩擦系数，采用HB16-3015卧式投影仪检测笔芯百米书写球珠磨损量。

2试验结果

2.1钢中夹杂物种类与分布

两种试验钢纵截面夹杂物分布的OM和SEM照片分别如图2和图3所示,钢样A中不同夹杂物的EDS能谱分析见图4(进口钢B的EDS分析结果与钢A类似,文中不再重复描述)。由图2可见,钢样A和B纵截面上夹杂物沿着变形方向以断续的椭球形或点状呈串链式分布,结合图4(a)可知,深色夹杂为S、Mn元素的富集区域,表明该夹杂物为MnS相。对比图2(a)和图2(b)后发现,钢样A中MnS夹杂的平均宽度略小于钢样B,串链长度也稍短一些。随机各取15张金相照片,利用图像分析软件Image-ProPlus 6.0对两种钢中夹杂物占比进行统计分析,结果显示,钢样A和B中MnS夹杂物面积比依次为3.4%和3.8%,钢样A中MnS易切削相稍少一些,但两类钢中总体分布和数量较接近。

从图3可以清楚地观察到,两试样中均存在颜色较深且呈椭球形、串链状分布的MnS相,另外,组织中还有许多白色夹杂物,有的呈零散点状单独分布于基体中,有的则分布于MnS相的边缘,并且在MnS的边角处被拉长为细条状。结合图4(a)可知,MnS附近的白色长条状夹杂物中含有Bi元素。另外,EDS能谱分析还在少量MnS相与白色相交界处检测出了Te元素的存在。图4(b)和图4(c)为钢样A基体中弥散分布的白色夹杂物的EDS面扫描分析结果,可以看出,图4(b)中白色夹杂为MnTe相,图4(c)中左侧浅色相为Bi和MnTe的复合夹杂物,右侧深色相为MnS夹杂。由于Bi元素的化学性质稳定,故组织中的白色夹杂物可能是单质Bi、MnTe或者其复合夹杂物。

2.2显微硬度

表2列出了试验材料A和B各5个随机测量点的显微硬度HVo.3及其平均值。从表2可以看出，钢样A和B的硬度分布比较均匀，显微硬度平均值几乎一致，可见这两种钢的硬度性能指标接近。

2.3切削表面与切削屑分析

笔头球座体的后外圆需要用笔头加工机床车削加工，车削过的钢样A和B表面的OM照片如图5所示。从图5可以观察到，两试样的切削表面都十分光滑，刀痕均匀，纹理清晰，均没有明显的切削瘤。

笔头需连续经过十余道加工工序，各工序加工方式不同，车削屑有所不同，大多数车削屑为短碎屑，从中分别取出钢样A和B车削后的长屑进行对比观察分析，如图6所示，两种车削屑形态均为理想的短螺旋型，长度多在5~10mm之间，此类车削屑流出较为顺畅，不易缠绕工件。另外，在清洗处理过程中还发现，这两种车削屑轻捻时都容易碎裂。

3分析

3.1易切削元素及易切削相

易切削不锈钢是通过在钢中加入易切削元素（S、P、Pb、Ca、Se、Te等）和抗腐蚀元素，所制成的具有优良切削性能的合金不锈钢[。经过长期发展，易切削不锈钢按元素大致分为S系、Pb系、Ca-Ti系、Se-Te系、Bi系等不同类别。为达到进一步提高切削性能和满足其他综合机械性能的目的，可将易切削元素以多元复合方式加入钢中，常有S-P、S-Pb、S-Te（Se）、S-P-Pb-Te、Ca-S等复合添加方案，其中以S-Pb、S-P-Pb-Te复合易切削钢的切削性能最佳，被称为“超易切削钢”。

S在钢中与Mn形成MnS夹杂，MnS相较软且容易变形和断裂。MnS夹杂割裂了钢基体的连续性，切削过程产生应力集中易导致材料开裂。在一定的切削热与力的作用下，其能在刀具、切屑及加工表面之间起到润滑作用；此外，MnS还能包裹有害硬质颗粒，减少对刀具的磨损，对改善钢切削性能十分有利[]。硫化物分布均匀、宽度大于4#m、长宽比较小且呈纺锤状或椭圆形对改善钢的可切削性最有利。硫系易切削不锈钢是最早发展起来的，由于生产工艺简单且廉价，其产量位居世界易切削钢之首。还有研究表明，钢液中合适的氧含量对MnS的形态和大小会产生显著影响，所以炼钢厂需要进行有效控氧才能获得较为理想的MnS相。Te与S属于同一主族，在钢中溶解度非常小，可以形成MnTe单独分布在基体或与MnS形成复相球状夹杂物[]。Te的存在状态与钢中硫含量有关：当w（Te）/w（S）小于0.07时，钢中的Te只存在于MnS中；w（Te）/w（S）略大于0.07时，有少量的MnTe会分布在MnS夹杂物边缘；随着w（Te）/w（S）继续增大，MnTe量相应增高。钢种A和B的w（Te）/zew（S）均在0.10~0.12之间，所以有单独的MnTe存在于基体。Te为表面活性极高的元素，能够有效降低变形过程中切变阻力，同时也能对硫化物进行改性。此外，部分稀化物存在于MnS边缘，形成软的包裹层，可以减轻拉拔加工过程中MnS的压延变形，尽量减小MnS夹杂的长宽比，有利于提高钢种的切削性能。

Pb虽然化学性质稳定、熔点低，在切削过程中因切削热和应力作用，能够熔融析出在接触面上起到润滑作用，非常有利于钢切削性能的提高，但是Pb在冶炼生产中会对人体和周围环境造成严重危害，终将被淘汰。Bi与Pb的物化属性相近，在钢中起到的作用相似。另外，Bi元素比重小于Pb，不固溶于钢，以颗粒分布于钢中或者附存于S/Te化物周围。日本神户公司研究发现，钢中添加Pb含量一半的Bi，可以达到相同的切削性能。更重要的是，Bi元素无毒，这使得其取代Pb成为生产环保型超易切削不锈钢的重要元素。相比于笔头常用的不锈钢材料，新型材料A和B均采用了以Bi代Pb的方案，实现了无铅环保。

3.2机械性能

如图1所示，笔头球座体碗口内放置高硬度的碳化钨球珠，书写过程中球珠与球座体在墨水腐蚀环境中不停相互滑动摩擦，易出现腐蚀和磨损，这要求材料具有良好的耐蚀耐磨性。此外，球座体碗口直径仅为0.525士0.005mm，小孔直径更是只有0.3mm，而笔头加工需要在高速（8000~20000r/min）全自动笔头机上进行，加工过程工序多、切削速度快，且对加工尺寸和装配精度的要求很高，内孔加工公差需在2um以内，所以除了良好的耐蚀耐磨性外，笔头材料还应在超易切削的同时，保持机械性能均匀稳定，材料内部无裂纹、缩孔、疏松等缺陷。

硬度是影响材料切削加工、使用性能及刀具寿命的重要因素。材料太软，耐磨性会比较差，切屑易与刀具粘结产生积屑瘤，切削性能变差；若材料硬度过高，车削难度加大，表面质量差，刀具寿命短。实验结果分析得出，钢种A和B均具有适中的显微硬度、良好的切削表面质量以及短小易碎的切削屑。