铅分散型低碳复合易切削钢的开发-江苏省钢铁行业协会

1引言

随着环保意识的增强，欧洲等地发布了RoHS指令，对环境负荷物质进行限制。其中，电气电子部件的铅（Pb）含量被限制在1000ppm以下。因此，对于传统的低碳含铅易切削钢AISI12L14、JISSUM24L而言，需要开发一种减少铅含量且切削性能与铅易切削钢相当的钢材。目前JFE钢铁公司已经开发并销售了完全不添加铅的易切削钢，但还未能完全替代其他公司开发的低碳含铅易切削钢。因此，JFE钢铁公司开发了一种将铅添加量限制在1000ppm以下，且切削性能和力学性能与现有含铅易切削钢相当及以上的产品，以下将对其进行介绍。

2新开发钢的特点

2.1切削性能提升机制

2.1.1成分设计与铅的效果发挥机制

表1展示了新开发钢的化学成分设计。与传统使用的AISI12L14相比，除铅以外的成分没有大幅变动，铅含量则符合RoHS指令规定（1000ppm以下）。目前，与铅具有同等性质的元素仅有铋（Bi）、碲（Te）等，在实际应用中，铅被认为是唯一有用的元素。因此，研究的重点在于添加少量铅并充分发挥其效果，考察其是否能获得与传统钢材相同的性能。

钢材的切削性能受“积屑瘤”影响，积屑瘤是在切削过程中，被切削材料附着、堆积在刀具切削刃前端而形成的。在切削过程中，积屑瘤不断附着、脱落，影响刀具寿命和加工表面粗糙度。在切削时，刀具前端附近温度达到400℃以上，而铅的熔点仅为327℃，这会导致熔敷金属脆化，积屑瘤变脆，更容易剥落，从而使积屑瘤尺寸不断变小。积屑瘤变小不仅会抑制加工表面粗糙度增大，而且由于刀具前端始终存在小型积屑瘤，可抑制非铅易切削钢中常见的积屑瘤增大和脱落现象，减少被切削材料与刀具的直接接触，有助于延长刀具寿命。鉴于铅在实现这一效果中起着关键作用，由此判断，如果不添加铅则无法获得相同效果。

图1展示了切削性能提升机制。铅在钢材中的存在状态主要分为两类：一类是在MnS界面聚集的粗大颗粒，另一类是在钢基体中弥散分布的细小颗粒。当铅添加量较多时，铅更容易在MnS界面聚集。研究发现，聚集在MnS界面的粗大铅颗粒对积屑瘤小型化的贡献较小。因此，综合考虑对切削性能提升的最低铅添加量以及符合环境法规要求，认为上述成分设计是完全可行的。

2.1.2为提升切削性能的制造设计

铅颗粒越细小且间隔越窄，就越容易在刀具前端引发熔敷金属脆化，从而使积屑瘤更易发生脆性断裂。因此，研究了在制造过程中增加铅在钢中细微分散度的方法，从而使新开发钢中细小铅颗粒的含量比传统的含铅易切削钢JISSUM24L更多（见图2）。铅在钢水精炼时添加并进行连铸，连铸方法与传统方法相同。虽然铅多存在于MnS界面，但MnS的存在形态取决于凝固阶段的结晶以及随后的析出。当添加更多的Mn、S时，MnS会进一步长大，且冷却速率越慢，MnS也会越大。为了提高MnS自身的切削性能，使其以粗大且长径比小的纺锤形存在较为理想，但在添加铅的钢材中，还需要铅的细微分散，综合考虑这些因素，通过使产品中的MnS不仅呈粗大纺锤状，还更加细微地分散，最终确立了使铅细微分散的制造方法（见图2）。

2.2新开发钢的切削性能

通过切削试验对新开发钢和传统钢AISI12L14的切削性能进行了评估。试验采用硬质合金刀片进行车削，切削速度为70m/s，进给量为0.02mm/r，切削深度为1.0mm，使用水溶性切削油进行加工。表2展示了用于切削性能评估试验的材料力学性能。新开发钢具有与传统AISI12L14钢同等的力学性能和微观组织。

切削性能评估结果如图3所示：（a）刀具后刀面磨损量与传统钢相当或更低；（b）被切削材料的加工表面粗糙度与传统钢趋势相同。此外，新开发钢的切屑断裂情况与传统钢相似，切削过程中切屑不会缠绕在刀具上，加工状态良好。

3结语