分享：碲对Cr12MoV冷作模具钢加工性能的影响

0.   引言

Cr12MoV冷作模具钢属于莱氏体型高碳高铬钢,具有较高的耐磨性、淬透性、淬硬性和尺寸稳定性以及较好的热稳定性和综合力学性能[1-4],是制造各种性能要求极高、工作条件极恶劣的冷作模具的首选钢材,如形状复杂的冲孔心模、冷挤压模、滚螺纹轮、冷剪切刀和精密量具等,是目前市场上应用最广泛的冷作模具钢材料[5-6]。然而,由于Cr12MoV冷作模具钢的硬度高,切削过程中产生的切削力较大,同时由于其韧性好,切屑也容易黏附在刀具上形成积屑瘤,影响切削效率和表面加工质量,该钢切削性能较差。碲改质可以显著提高钢材的切削性能,降低加工表面粗糙度,延长刀具寿命[7-11]。碲作为硫的同族元素,具有与硫元素相近的物理、化学性能[12-14],不同的是其对材料耐腐蚀性和韧性等性能的有害影响较小[15]。刘年富等[16]研究发现,碲改质38MnVS钢的切削力相比碲改质前降低,加工表面质量得到改善,且耐腐蚀性降低不显著。目前,碲改质技术已成功应用于含硫易切削钢、齿轮钢和不锈钢等的切削性能改善[17-18],但应用于严格限硫的冷作模具钢的案例较少。为此,作者采用非真空冶炼制备了不同碲含量的Cr12MoV冷作模具钢,并进行调质使硬度均为60 HRC,研究了碲对试验钢中夹杂物的影响,量化评估了碲对该钢切削性能和表面加工质量的影响,以期为含碲冷作模具钢的工业开发提供试验支撑。 

1.   试样制备与试验方法

试验材料为Cr12MoV冷作模具钢,化学成分（质量分数/%）为1.54C,0.28Mn,0.021P,0.025Si,0.48Mo,0.07Cu,11.74Cr,0.003S,0.23V,0.19Ni。在IGBT-100KW型中频感应电炉中进行非真空冶炼来加碲（碲原料为纯度99.99%的碲粉）：第一步制备炉衬,用体积比5∶1的粗细镁砂、质量分数1%硼酸、水玻璃混合填充线圈和坩埚间隙,超出坩埚部分用体积比1∶1的粗细镁砂锤实,将成型炉衬放在干燥炉内,在60~80 ℃下烘烤5~6 h；第二步空炉烘烤,将干燥后的炉衬放入中频感应电炉空炉烘烤11~12 h,初始功率为3.8 kW,每小时递增1 kW；第三步正式炼钢,称取10 kg已去除表面氧化铁皮的原料放入中频感应电炉,加热,待温度达到1 490 ℃,钢完全熔化,将铁皮包裹碲粉插入钢液中,保温2 min,使碲在钢中分布更为均匀,再添加造渣剂、铝块,保温过程中在钢液表面覆盖稻壳,加入发热剂,然后关闭设备待钢锭降温。共进行3炉冶炼。冶炼后在距钢锭顶部8 cm处钻屑取样,在北京钢研纳克国家钢铁质量检测中心检测碲含量（质量分数,下同）,结果如表1所示。对不同碲含量试验钢进行调质处理,使其硬度均为60 HRC。 

采用线切割从圆坯弧边部到铸坯中心制取金相试样,每炉钢取3个试样,尺寸为10 mm×10 mm×10 mm,将试样依次使用240#,400#,600#,800#,1 000#,1 500#,2 000#砂纸打磨,使用颗粒粒径1.5,0.5 μm的抛光膏粗抛和细抛后,用乙醇清洗以消除水渍及杂质,最后冷风吹干后干燥。采用Zeiss Axio型光学显微镜（OM）观察显微组织,使用Image Pro Plus软件分析夹杂物。采用Phenom XL G2型扫描电子显微镜（SEM）观察夹杂物二维形貌,将试样用由体积分数1%四甲基氯化铵+10%乙酰丙酮+甲醇组成的电解液电解后观察夹杂物三维形貌,使用配套能谱仪（EDS）分析微区成分。 

制取尺寸为?10 cm×8 cm的切削试样,采用DX6060型数控雕铣机进行切削试验,其中：铣削时使用四刃直柄立铣刀,铣刀规格为D6-D6-50-4F,铣刀材料为涂层硬质合金,铣削参数见表2；钻削时使用二刃硬质合金麻花钻头,钻头规格为D8-D8-100-2F,钻头材料为涂层硬质合金,钻削参数见表3。采用Kistler 9257B型测力仪测试铣刀受到的x、y、z方向的铣削力和钻头受到的轴向力。采用SJ-410型表面粗糙度测量仪测试铣削加工后的表面粗糙度。 

表  2  铣削参数

Table  2.  Milling parameters

参数序号	铣削转速/（r·min−1）	进给量/（mm·min−1）	铣削深度/mm
A	3 000	100	0.15
B	3 000	200	0.15
C	3 000	300	0.15
D	2 000	100	0.15
E	2 000	200	0.15
F	2 000	300	0.15

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表  3  钻削参数

Table  3.  Drilling parameters

参数序号	钻削转速/（r·min−1）	进给量/（mm·min−1）	钻削深度/mm
G	400	20	10
H	400	30	10
I	600	20	10
J	600	30	10

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2.   试验结果与讨论

2.1   夹杂物

由图1可见：不含碲试验钢中夹杂物尺寸较小,形状不规则且棱角清晰；当碲含量为0.015%时,试验钢中出现大尺寸球状夹杂物,细小点状夹杂物数量明显下降；当碲含量为0.024%时,大尺寸夹杂物数量增加,几乎未观察到小尺寸夹杂物。综上,随着碲含量增加,钢中夹杂物形状趋向于球形,并且尺寸明显增大。 

图  1  不同碲含量试验钢的显微组织

Figure  1.  Microstructures of test steel with different tellurium content

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由表4可知：随着碲含量增加,试验钢中夹杂物密度、平均等效直径和面积占比均增加。由图2可知：不含碲试验钢中夹杂物的等效直径集中在0~3 μm内；随着碲含量增加,等效直径0~3 μm夹杂物的占比逐渐降低,等效直径5~10 μm夹杂物的占比逐渐提高。这表明碲的添加使夹杂物尺寸增加。较大的夹杂物可作为切削过程中显著的应力集中点,加剧应力影响,从而改善切削性能。 

图  2  不同碲含量试验钢中夹杂物的等效直径分布

Figure  2.  Equivalent diameter distribution of inclusion in steel with different tellurium content

由图3可见：不含碲试验钢中出现两种夹杂物,一种是规则的四边形灰色夹杂物,尺寸在4 μm左右,所含元素以锰和硫为主,固溶较少的铁和铬,结合文献[19-20]推测其为MnS夹杂物；另一种是棱角分明的多面体黑色夹杂物,尺寸在8 μm左右,所含元素以铝和氧为主,结合文献[19-20]推测其为Al2O3夹杂物。当碲含量为0.015%时,夹杂物多为圆形或椭球形的复合夹杂物,其外层呈银白色,心部呈灰色,结合EDS及文献[19-20]推测复合夹杂物为MnS-（Cr,Mn）Te,由（Cr,Mn）Te（银白色）在MnS（灰色）表面析出并包裹而形成；当碲含量为0.024%时,试验钢中析出了（Cr,Mn）Te夹杂物、椭球状MnS-（Cr,Mn）Te复合夹杂物和Al2O3-（Cr,Mn）Te复合夹杂物。 

图  3  不同碲含量试验钢中夹杂物的二维和三维形貌以及EDS分析结果

Figure  3.  Two-dimension (a–c) and three-dimension (d–f) morphology and EDS analysis results of inclusions in test steel with different tellurium content

2.2   加工性能

铣削或钻削力越小,材料越容易加工。由表5可见：当铣削转速一定时,随着进给量增加,不同碲含量试验钢的铣削力均明显增大,这是因为进给量增加,铣削去除工件体积增大,材料变形抗力增大[21]；当进给量一定时,铣削转速越大,铣削力越小,这是因为在高速铣削条件下,切削温度较高,摩擦因数较小,材料强度因软化而降低[22]；随着碲含量增加,试验钢的铣削力减小且降幅逐渐减小,这说明添加碲可以改善试验钢切削性能,但是当碲含量超过0.015%时改善效果有限。 

由表6可见：进给量越大或钻削转速越小,试验钢的钻削力越大；随着碲含量增加,钻削力减小,这说明碲的添加改善了试验钢的切削性能,提升了可加工性。 

含碲试验钢中形成的MnS被包裹在MnS-（Cr,Mn）Te复合夹杂物里面,这有利于吸收热加工时产生的应力,减小MnS的塑性变形,从而维持其较低的长宽比；较低长宽比的球状或纺锤状MnS可以使材料具有更为优异的切削性能[19-20]。此外,在切削过程中,刀具-工件、刀具-切屑之间由于摩擦力和剪切力作用而产生热量,温度高达600~800 ℃,这使得（Cr,Mn）Te发生分解并在摩擦过程中逐渐附着到刀具的前后刀面,进而在其表面形成一层润滑薄膜[23]。这层润滑薄膜不但可以减小摩擦,而且可以阻止积屑瘤的形成。综上,添加碲可以减小切削力和摩擦力,从而显著提升试验钢切削性能。 

2.3   表面粗糙度

表面粗糙度越小,说明材料加工后的表面质量越好。由表7可知：当铣削转速一定时,随着进给量增加,不同碲含量试验钢铣削后的表面质量变差,这是因为进给量增加,材料铣削后残留部分高度增大,积屑瘤和鳞刺等缺陷也更容易产生,并且摩擦产生的热量更多,热软化作用增强,塑性变形增大,导致材料表面形貌恶化,表面粗糙度增大[24]；当进给量一定时,铣削转速越大,铣削后的表面质量越好,这是因为铣削转速增大使得积屑瘤和鳞刺现象减少甚至消失,同时有效缩短了刀具与工件表面间的接触时间,减小切屑和加工表面的塑性变形程度,从而减少了表面缺陷[25-26]。随着碲含量增加,试验钢铣销后的表面质量变好。这是因为碲的固溶可以提升硫化物的显微硬度,有助于减少积屑瘤的形成；此外,碲的添加有助于钢中夹杂物的均匀分布并维持其较低的长宽比,优化材料的断屑性质,从而在铣削加工后获得更低的表面粗糙度。 

3.   结论

（1）不含碲试验钢中的夹杂物主要为MnS和Al2O3,夹杂物尺寸小、形状不规则且棱角清晰；当碲含量为0.015%时,夹杂物主要为（Cr,Mn）Te包裹MnS的MnS-（Cr,Mn）Te,当碲含量为0.024%时,夹杂物主要为（Cr,Mn）Te、MnS-（Cr,Mn）Te和Al2O3-（Cr,Mn）Te；随碲含量增加,试验钢中夹杂物数量增多,尺寸增加,形状趋向球形。 

（2）随着碲含量增加,试验钢的铣削力、钻削力和铣削后的表面粗糙度减小,加工性能提高,表面加工质量改善。

文章来源——材料与测试网