非調質鋼廣泛應用于汽車發動機曲軸、連桿、凸輪軸、傳動軸等重要零部件中。切削加工是這些零部件制造過程中主要的加工工序之一[1]。 

鋼材的切削性能受諸多因素影響,主要包括：鋼的化學成分、顯微組織、材料物性以及硫化物形貌等。 

1.   切削性能的影響因素

1.1   鋼的化學成分

鋼中C元素含量過低,在切削過程中不易發生斷屑。C元素含量過高,鋼的強度及硬度就會變大,在加工過程中會產生較大的切削抗力。Ni元素可固溶于鋼基體中,使材料的強度和韌性增大,切削性能變差。Mn元素會與鋼中的S元素生成MnS,提高鋼的切削性能。鋼中的低熔點元素,如Te、Bi、Pb等,會與MnS結合,在切削過程中產生潤滑效應,提高鋼材的切削性能。 

1.2   顯微組織

純鐵素體的硬度較低,但在切削過程中容易產生積屑瘤,使材料表面粗糙度變大,因此鐵素體的可切削性較差。片層狀珠光體可以作為應力集中源,故切削性能較好。奧氏體的加工硬化率較大,馬氏體的硬度較大,因此其切削性能較差。 

1.3   力學性能

一般而言,隨著鋼材強度、硬度的增大,所需的切削力會逐漸增大,切削過程中的摩擦力也會變大,導致切削溫度升高。如果鋼材的強度和硬度過大,會產生非常大的切削力,同時切削溫度急劇升高,進而加速刀具磨損,還會引起刀尖燒損。當鋼的硬度較小時,材料會發生變形,產生黏刀現象,導致材料表面質量和斷屑性能變差。此外,鋼的塑性、韌性越大,加工后材料的表面質量越差。鋼的塑性和韌性越小,加工負荷會集中在刀具韌口附近,也會導致刀具磨損加劇。 

1.4   硫化物形貌

鋼的切削性能隨鋼中硫元素含量的增加而提高。相對于長帶狀硫化物夾雜,球狀或紡錘狀硫化物更加有利于提高鋼材的切削性能。在鋼液中喂入適量碲線,對鋼水進行碲改質處理后,在鋼中形成一定數量的MnTe,且該夾雜包裹在MnS夾雜外圍,形成MnTe-MnS的共晶化合物[2],該共晶化合物熔點低,在軋制過程形成液相,可以避免MnS發生變形,從而使硫化物呈橢球體狀,有利于切削性能的提高[3]。 

2.   碲改質處理后的材料

2.1   化學成分分析

對38MnVS鋼進行碲改質處理,試樣編號為AM,未改質處理的60 mm（直徑）熱軋棒材編號為AN,比AM鋼具有更大壓縮比的60 mm（直徑）熱軋棒材編號為BN,這3種材料的化學成分分析結果如表1所示。由表1可知：AM、BN鋼中Ni元素含量大于技術要求；3種鋼的Ti元素含量均大于技術要求。 

2.2   顯微組織及硬度

3種材料試樣的顯微組織形貌如圖1所示。由圖1可知：3種材料的組織均為鐵素體+珠光體,AN鋼中鐵素體明顯呈帶狀分布,帶狀級別為1.5級；AM鋼中的鐵素體也呈帶狀分布,帶狀級別為0.5級；BN鋼種鐵素體含量較低,分布較均勻。對3種材料中的鐵素體含量進行統計,AN鋼和AM鋼中鐵素體含量為26%~28%,而BN鋼鐵素體含量為22%。 

圖  1  3種材料試樣的顯微組織形貌

用維氏顯微硬度計對3種材料進行硬度測試,AN鋼和AM鋼的硬度分別為268.4,270.2 HV,BN鋼的硬度最大,為287.3 HV。 

2.3   硫化物分析

AM鋼中添加了碲元素,使鋼中硫化物的形態、尺寸和分布發生改變,碲改質工藝使38MnVS鋼中硫化物的長寬比減小,形狀由長條狀轉變為橢球狀,且硫化物密度增大[4]。碲改質前后硫化物的微觀形貌如圖2所示。依據GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》對A類夾雜物進行評級,改質前硫化物為細系2.5級,粗系1.0級；改質后硫化物為細系1.5級,粗系0.5級。改質前,長寬比小于2的硫化物占比低于30%,硫化物長寬比小于6的占比低于70%；改質后,長寬比小于2的硫化物占比接近50%,90%的硫化物長寬比小于6。碲改質使長條狀硫化物變少,均勻分布的橢球狀硫化物更有利于切屑與工件分離,減少切屑與刀具前刀面的摩擦[5]。 

圖  2  碲改質前后硫化物的微觀形貌

3.   切削性能評價

鋼的切削性能指的是鋼切削加工成合格零件的難易程度。切削性能通常可以用刀具使用壽命、切削力大小、切屑形貌和工件表面粗糙度（Ra）等具體指標來進行衡量[6]。 

3.1   試驗方法

切削試驗涉及切削速率、進給量、切削深度等參數,選用切削速率為180,150,120 m/min,進給量為0.6,0.4,0.2 mm/r,切削深度為0.8,0.5,0.2 mm的技術參數進行切削預試驗,得出最優參數為：150 m/min的切削速率,0.6 mm/r的進給量,0.5 mm的切削深度。 

采用該組參數將3種材料從直徑58 mm切削至33 mm,總共進行25次走刀,用測力計測試每一次切削時產生的切削力。在更換材料的同時更換刀具,以保證每種材料在切削時都使用全新的刀具。切削完成后,利用掃描電鏡（SEM）和能譜儀對刀具磨損情況進行分析,并測量磨損長度。用表面粗糙度測量儀測量材料的表面粗糙度。 

3.2   切削力測試

切削試驗最前面兩次走刀產生了較明顯的顫振現象,所得到的切削力結果并不準確,因此在計算平均切削力時從第3刀開始計算。切削力由測力計分解成3個方向測得,分別為Fx,Fy,Fz。Fx是進給方向上的切削力分量,稱為進給力；Fy是徑向的切削力分量,稱為切深抗力；Fz是切向方向的切削力分量,稱為主切削力。切削力合力F 的計算方法如式（1）所示。 

3種材料試樣的切削力測試結果如表2所示。3種材料切削力與走刀數的關系如圖3所示。由表2和圖3可知：隨著切削刀次的增加,3種材料在3個方向上的切削力沒有明顯變化,切削過程較為平穩,切削力數據可靠；3種材料的Fx和Fz差異均不明顯,相差約為10 N,而3種材料的Fy有較大差異,切深抗力對零件加工精度和表面質量有很大影響；AM鋼的切深抗力為446.4 N,AN鋼的切深抗力為477.3 N,BN鋼的切深抗力為536.0 N；碲改質后,非調質鋼的切削抗力降低了30.9 N；AM鋼的切削合力最小,為485.7 N。 

圖  3  3種材料切削力與走刀數的關系

3.3   SEM和能譜分析

試驗用刀片的SEM形貌及能譜分析位置如圖4所示,能譜分析結果如表3所示。由圖4和表3可知：刀片最外層的涂層為Ti(C,N),顏色較深的位置為第二層涂層,主要成分為Al2O3；刀片基體主要含有W、C等元素。 

圖  4  試驗用刀片的SEM形貌及能譜分析位置

將3種材料切削后的刀片進行超聲清洗,并置于SEM下觀察,結果如圖5所示。由圖5可知：切削AN鋼的刀片磨損嚴重,表面涂層有大面積磨損,且刀具表面黏附有工件基體材料,刀片磨損長度為3.75 mm；切削AM鋼的刀片涂層磨損面積較小,表面有磨損痕跡,但磨損程度較低,刀片磨損長度為1.73 mm；切削BN鋼的刀片表面已經被磨平,涂層有嚴重磨損,刃口有明顯的積屑瘤,刀片磨損長度為4.87 mm。可知切削AM鋼的刀片磨損長度最短,說明碲改質可以減輕刀具磨損程度,該結果與切削力的測試結果相對應。 

圖  5  3種材料切削后刀片的SEM形貌

3.4   表面粗糙度分析

3種材料切削后的表面輪廓圖如圖6所示,根據輪廓圖計算出對應輪廓的最大高度Rmax。AM鋼的表面粗糙度最低,為0.587 μm；AN鋼的表面粗糙度為1.153 μm；BN鋼的表面粗糙度為1.581 μm。說明碲改質可降低38MnVS鋼切削后的表面粗糙度。 

圖  6  3種材料切削后的表面輪廓圖

4.   結語和建議

（1）影響材料切削性能的因素主要包括：鋼的化學成分、顯微組織、力學性能以及硫化物形貌等。 

（2）建議對非調質鋼中的硫化物進行碲改質處理,控制鋼中碲元素質量分數為0.020%~0.040%,可以改善硫化物形貌,生成有利于提高切削性能的均勻短小狀硫化物。碲改質后切削力、刀具磨損程度、表面粗糙度均降低,材料切削性能得到有效提高。

文章來源——材料與測試網