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蔡淑卿　滕梅　李吉夫　郑学锋　焦焕彩　吴庭富　宋凤立

摘　要：研 究了在18 t钢包中采用喷粉方法生产的钙系与钙硫系易切削钢中非金属夹杂物对切削性能的影响。试验结果表明：以200 m/min的速度切削Y40CrCa钢时，刀具寿命比切削40Cr钢时高6～10倍；以160 m/min的速度切削Y40CrCaS钢时，刀具寿命比切削40Cr钢时高20倍。经能谱仪查明在刀具后面形成保护薄膜，它是延长刀具寿命的主要原因。
关键词：夹杂物；薄膜成分；刀具；寿命
中图分类号：TG142.1+　　文献标识码：A　　文章编号：1001-0963(2000)02-0054-06

Effect of Non-Metallic Inclusions on Cutting Character in Ca and Ca-S Free Machining Steels

CAI Shu-qing,TENG Mei,LI Ji-fu,ZHENG Xue-feng
(Central Iron & Steel Research Institute,Beijing 100081,China)
JIAO Huan-cai,WU Ting-fu,SONG Feng-li
(Special Steel Co of Shougang Group,Beijing 100041,China)

Abstract：The effects of non-metallic inclusions on the machining properties of Ca and Ca-S free machining steels,which were made in 18 t ladle by means of powder injection,were presented.The service life of tools cutting Y40CrCa steel is 6—10 times higher than that of cutting 40Cr steel at machining speed of 200 m/min.The service life of tools cutting Y40CrCaS steel is 20 times higher than that of cutting 40Cr steel at machining speed of 160 m/min.The improvement in service life is contributed to form the protecting film on the surface of cutting tool,based on the observation of energy spectrum.
Key words：inclusion;film component;cutting tool;service life

　　易切削钢性能的改善，主要取决于准确控制钢中夹杂物的组成［1］。已有不少研究者探讨过用Si-Ca脱氧的易切削钢的性能［2，3］， 但对Ca-S系易切削钢的研究还比较少。钢铁研究总院与首钢特殊钢公司合作，开发了钙系与钙硫系易切削钢，取得了较好的冶金效果和经济效益。为了查明喷射 冶金法冶炼的钙系与钙硫系易切削钢的切削性能大幅度提高的原因，作者对钢中夹杂物的组成、分布、类型和数量与切削性能之间的关系进行了研究。

1　试验材料及方法

　　在首钢特殊钢公司炼钢二厂5号电炉上采用向包内喷吹Ca-Si粉剂(Ca 30 %，Si 60 %)和硫磺粉的方法生产Y40CrCa和Y40CrCaS易切削钢。4种试验用钢的化学成分(质量分数)列于表1。
　　为了掌握钙系与钙硫系钢的化学成分及钢中夹杂物形态对切削性能(切削热、切削力和刀具磨损量) 的影响 ，在北京航空航天大学实验室进行了切削性能试验，并按照国际标准协会(ISO)标准检验刀具寿命(以刀具后面磨损量VB达到0.3 mm作为刀具寿命)。在后角为6°，吃刀深度为1 mm，进刀量为0.2 mm/r，切削速度v=80～300 m/min的条件下，测定了切削不同硫含量的钙系与钙硫系易切削钢时的刀具寿命和YT15刀刃上形成的保护膜成分。

表1　4种试验用钢的化学成分/%
Table 1　Chemical compositions of the four tested steels/%

钢　种 炉　号 C Si Mn P S Cr Ca Ni Cu
40Cr
Y40CrCa1
Y40CrCa2
Y40CrCaS		 6-816
4-1425-1
4-1425-2
4-426		 0.41
0.44
0.45
0.40		 0.27
0.24
0.25
0.31		 0.60
0.63
0.70
0.57		 0.022
0.022
0.019
0.019		 0.015
0.027
0.031
0.048		 0.94
0.98
1.00
0.96		 -
0.007 0
0.007 0
0.005 0		 0.04
-
-
-		 0.07
-
-
-
2　试验结果及分析

2.1　切削性能
　 　切削4种钢的切削速度与刀具寿命之间的关系示于图1。从图1看出，切削速度低于145 m/min时，切削Y40CrCa1与Y40CrCa2钢的刀具寿命低于40Cr钢。当切削速度提高到145～200 m/min时，切削40Cr钢的刀具寿命逐渐下降。切削另外3种钢的刀具寿命没有因切削速度的提高而下降，反而上升。这是因为，切削这3种钢时，刀具后面 形成了一层附着物，这层附着物是被切削材料中的夹杂物转化成的保护膜。当切削温度提高到750～850 ℃时，钢中的夹杂物以半熔状态粘在刀具的后面，保护了刀具。因此，钙系和钙硫系易切削钢更适合于较高的切削速度。当切削速度为200 m/min时，切削Y40CrCa钢的刀具寿命比切削40Cr钢 高6～10倍 。 切 削Y40CrCaS钢比切削其它3种钢的刀具寿命高得多。在低、中、高速切削时，刀具均具有很长的寿命，这充分证明硫对钢被切削性能的改善作用［4，5］。由图看出，当切削速度为160 m/min时，切削Y40CrCaS钢的刀具寿命比切削40Cr钢高20倍。由于受材料限制，Y40CrCaS钢未做200 m/min的试验，但另一组试验钢已做了200 m/min的试验，而且是刀具的最佳切削速度［4］。 当切削速度由200 m/min提高到300 m/min时，因切削温度达到850～900 ℃，刀具上的保护薄膜接近液态，脱离了刀具表面，起不到保护刀具的作用，刀具寿命逐渐下降。文献［3］的试验结果与本文的结果相近。另外，还测定了钙系与 钙硫系易切削钢的切削力、切削温度、断屑性、光洁度及力学性能等。发现，其力学性能均符合40Cr钢的标准，没有因为加入易切削元素而下降。其它性能 Y40CrCaS钢均为最佳。

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图1　切削速度与刀具寿命的关系
Fig.1　Relations between machining speed and service life

2.2　有利夹杂物
　　采用金相、电子探针微区X射线分析和扫描电镜等方法，对钢中夹杂物的类型、形状和尺寸进行了观察和对比研究。
　 　夹杂物金相照片见图2。由图可看出，40Cr钢中灰色条状硫化物数量很少；点状夹杂物比其它3种钢少得多；氧化物有的呈链状，有的呈不规则形状分布于 钢中。经钢包喷粉处理的3种钢，除有灰色条状硫化物外，还有很多不同灰度的由硫化物包围的不变形夹杂物呈点状弥散分布。这些点状夹杂物的尺寸都很小，氧化 物的级别低，数量也少。Y40CrCaS钢中硫化物细小且数量更多。夹杂物类型及评级级别列入表2。

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图2　4种钢中点状不变形夹杂物的金相照片
(a) 40Cr；　(b) Y40CrCa1；
(c) Y40CrCa2；　(d) Y40CrCaS
Fig.2　Metallographs of spot and non-deformed inclusions in the four tested steels

表2　夹杂物的类型及评级级别
Table 2　Types and grades of inclusions
钢种 炉号 夹杂物类型 金相评级
40Cr 6-816 氧化物
硫化物
点状夹杂物		 0.5
2.0～2.5
1.5～2.0
Y40CrCa1 4-1425-1 氧化物
硫化物
点状夹杂物		 0.5
2.5～3.0
1.5～2.0
Y40CrCa2 4-1425-2 氧化物
硫化物
点状夹杂物		 0.5
3.0～3.5
1.0～4.0
Y40CrCaS 4-426 氧化物
硫化物
点状夹杂物		 0.5
0.5～3.5
1.5～4.0
　 　为了进一步确定钢中点状不变形夹杂物的特征，用电子探针进行了定性分析，并研究了各种元素的X射线面分布情 况。电子探针分析结果表明，铁含量的差异是造成硫化物灰度不同的原因。铁含量多的硫化物为浅灰色，铁含量少的则为深灰色。用EDAX能谱仪定量分析，并用 计算机进行ZAF修正，将不同灰度的硫化物定量分析结果列于表3，点状不变形夹杂物的金相和能谱分析结果列于表4。

表3　不同灰度的硫化物定量分析结果
Table 3　Quantitative analysis of sulfide withdifferent gray scales
灰度 元素含量/%
Mn Fe S Cr
浅灰
深灰		 47.133
61.030		 20.920
2.439		 30.371
35.968		 1.574
0.562

表4　点状不变形夹杂物的金相和能谱分析结果/%
Table 4　Metallographs and energy spectrum analysis of spot and non-deformed inclusions/%
钢种 炉号 金相特征 Al2O3 SiO2 MgO CaO MnO FeO CaS MnS(Fe) TiO
40Cr 6-816 灰色、偏光和
暗场下透明		 60.5 10.2 16.6 7.3 5.5 微量 - - -
Y40CrCa1 4-1425-1 深灰色、偏光下不
太透明、暗场下不透明		 35.8 30.6 - 29.8 微量 3.6 - - -
Y40CrCa2 4-1425-2 深灰色、偏光和
暗场下稍透明		 35.2 32.3 - 28.5 少量 3.9 - - -
Y40CrCaS 4-426 深灰色、偏光下
透明、各向同性		 34.9 22.6 - 27.5 - - 12.0 2.6 0.38
黑色点状夹杂物
被灰色硫化物包围		 59.5 18.2 2.9 5.5 - - 4.8 6.8 2.3
　　X射线能谱分析结果是按电子探针X射线面分布照片无硫分布处定点测定的，因能谱仪不能测定氧元素，所以表4中的氧化物是经过换算的结果。40Cr钢的点状夹杂物中心部位主要含60.5 %的Al2O3和16.6 %的MgO，这些高熔点尖晶石型夹杂物的形成与钢渣及炉衬材料有关。Y40CrCa钢点状不变形夹杂物主要为Al2O3.SiO2.CaO，根据三元相图可确定是一种钙长石型低熔点的硅铝酸钙，其熔点为1 400～1 500 ℃。这种夹杂物的形成与喷吹工艺有关。如果喷吹工艺合适，Ca-Si粉剂喷入钢中后立即与钢中的Al2O3结 合形成这种复合夹杂物。Y40CrCaS钢中点状不变形夹杂物 的 组 成 与Y40CrCa钢很相似，由于钢中硫含量增多，硅铝酸钙部分也含有一定数量的硫化物(10 %左右)。Y40CrCaS钢的点状夹杂物比较大，其中心有一小长条镁铝尖晶石，它含MgO 23.4 %，Al2O3 74.0 %及少量Mn和Fe。该尖晶石的周围是钙长石，最外层为MnS(Fe)和CaS，如图3所示。这种夹杂物是有利于切削的夹杂物，它以高熔点的尖晶石为核， 由于喷入了Ca-Si和硫磺粉剂，形成了低熔点的硅铝酸钙并被硫化物包围。另一种点状夹杂物主要含59.5 %的Al2O3和18.2 %的SiO2，它的特点是周围一圈灰色硫化物已沿着轧制方向变形(见图4二次电子像)，而 且 黑 色 部 分 还 含 有4.8 %的CaS和6.8 %的Mn(Fe)S。在Y40CrCaS钢中这种类型的夹杂物占有一定的数量，作者认为它是改善切削性能的重要原因之一。
　　在一般情况下，夹杂物多为不均匀的复合体，能谱仪定点测定的结果只代表直径小于1 μm范围内的元素成分，因此又采用电子探针对上述4个点状不变形夹杂物进行了元素X射线面扫描。从测定的结果可见，X射线面分布与能谱仪测定的结果符合得很好。

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图3　Y40CrCaS钢中夹杂物的X射线面分布图
Fig.3　Distribution of inclusions in Y40CrCaS steel by X-ray

t57-4.gif (12676 bytes)

图4　Y40CrCaS钢中被硫化物包围的点状夹杂物
Fig.4　Metallographs of spot inclusions enclosed
by sulfide in Y40CrCaS steel

　 　用扫描电镜观察断口发现，钢中存在更微小的夹杂物(见图5)。从图5(a)中看出40Cr钢断口处长条状硫化物和点状夹杂物的数量均很少。从图5 (b)、(c)中看出，Y40CrCa钢断口处有的视场硫化物呈带状分布 ，点状夹杂物均匀地分布于韧窝中且数量很多。从图5(d)中看出，Y40CrCaS钢断口处极少见硫化物呈条带状分布，多为细条状弥散分布。观察视场均为 韧窝状的韧性断口，点状夹杂物很多，这和金相观察结果完全一致。

t58-1.gif (25077 bytes)t58-2.gif (25614 bytes)t58-3.gif (30547 bytes)

图5　4种试验钢的断口照片
(a) 40Cr钢；　(b) Y40CrCa1钢；　(c) Y40CrCa2钢；　(d) Y40CrCaS钢
Fig.5　Fracture morphologys of the four tested steels

2.3　刀具后面保护薄膜的发现和分析
　 　为了研究试验中刀具寿命大幅度提高的原因，用扫描电镜观察了刀具后面的磨损带，用X射线能谱仪对刀具后面进行了分析，结果发现：在中速和高速切削的过 程中，刀具后面形成了一层薄膜，如图6所示。对该薄膜进行了定量分析，然后换算成氧化物和硫化物。X射线能谱仪定量分析的结果列入表5。

t58-4.gif (16823 bytes)

图6　以160 m/min速度切削Y40CrCa2钢时刀具后面形成的保护薄膜
Fig.6　Morphology of protecting film formed
on the backside of a tool cutting
Y40CrCa2 steel at 160 m/min

　 　值得注意的是：这层薄膜随着钢种及切削工艺参数的不同而存在差异，不仅它的厚度不均匀，而且成分也不同，在刀具刃部附近铁含量高，而磨损带前沿(即磨损 带的下边缘附近)含Al、Si、Ca元素多些。切削40Cr钢的刀具上主要附着 一 层Fe； 切 削Y40CrCa钢的刀具后面形成的薄膜含Al、Si、Ca、S、Fe和Mn元素；切削Y40CrCaS钢的刀具后面形成的薄膜主要含S、Mn、Ca、 Fe和Al，如图7所示。图中的W和Ti为刀具本身的成分。因所用X射线能谱仪分辨率仅为150 eV，所以无法将W和Si分开，但从X射线面分布图像［4］可 确认Si的存在。定量分析结果证实，从工艺上已完全保证了可生成有利于切削的夹杂物。在切削过程中，这些夹杂物在刀具后面形成的由钙长石和MnS、FeS 组成的薄膜保护了刀具，提高了刀具的寿命。文献［3］指出，保护膜能够提高刀具寿命的主要原因是抑制了刀具材料中易氧化元素和被切削材料中铁的扩散。保护 薄膜的润滑作用还可使刀具表面温度降低。

t59-1.gif (3061 bytes)

图7　切削Y40CrCaS钢的刀具上形成的保护膜的元素能谱分析曲线
Fig.7　Energy spectrum curves of elements
of protecting film in a tool cutting Y40CrCaS steel

　 　表5中22号刀具后面的附着物主要是MnS和FeS，两者占90 %。在切削速度为300 m/min的情况下，刀具温度高于900 ℃再冷却时，因温差很大造成了龟裂(见图8)；切削速度为250 m/min时，只有几条裂纹；更低切削速度下没有发现裂纹。同样条件下，切削40Cr钢和Y40CrCa钢的刀具后面均未发现龟裂现象，这表明不是刀具本 身发生了龟裂，而是保护膜发生了龟裂，并且与试验钢中硫含量高有密切关系。

t59-2.gif (19618 bytes)

图8　刀具后面磨损带上保护膜的龟裂照片
Fig.8　Fracture morphology of protecting film in the wearing area on the backside of cutting tool

表5　刀具后面形成的保护膜的X射线能谱定量分析结果
Table 5　Quantitative analysis of protecting film on the backsideof cutting tool by X-ray energy spectrum
刀具号 钢种 切削速度
m.min-1		 氧化物或硫化物/%
Al2O3 SiO2 CaO Mn(Fe)S Fe Mn
47
123
128
22		 Y40CrCa1
Y40CrCa1
Y40CrCa2
Y40CrCaS		 160
250
300
250		 34.12
35.46
27.37
2.24		 30.93
32.15
18.65
 20.14
30.23
24.72
7.43		 4.58
1.91
1.51
89.96		 10.13

24.42

1.74
-
3　结　论

　　(1)用喷射冶金工艺冶炼的Y40CrCa钢和Y40CrCaS钢中形成了大量的硫化物和由硫化物包围的CaO-SiO2-Al2O3复合点状不变形夹杂物。
　 　(2)在中、高速切削条件下，Y40CrCa易切削钢中点状不变形夹杂物转化成刀具后面形成的一层钙长石型薄膜，这层保护膜抑制了刀具中易氧化元素在切 削过程中的扩散，它对提高刀具寿命起主要作用。在最佳切削速度200 m/min下，其刀具寿命比切削40Cr钢提高6～10倍。
　　(3)切削Y40CrCaS易切削钢时，主要是硫化物附着在刀具后面，其次还有CaO和Al2O3。这种类型的薄膜不仅能抑制刀具中易氧化元素在切削过程中的扩散，同时也起润滑作用，减少刀具磨损，使刀具寿命明显提高。切削速度为160 m/min时，其刀具寿命比切削40Cr钢提高20倍。

作者简介：蔡淑卿(1933-)，女，大学本科，高级工程师
蔡淑卿(钢铁研究总院分析测试研究所，北京　100081)
滕梅(钢铁研究总院分析测试研究所，北京　100081)
李吉夫(钢铁研究总院分析测试研究所，北京　100081)
郑学锋(钢铁研究总院分析测试研究所，北京　100081)
焦焕彩(首钢特殊钢公司炼钢二厂，北京　100041)
吴庭富(首钢特殊钢公司炼钢二厂，北京　100041)
宋凤立(首钢特殊钢公司炼钢二厂，北京　100041)

参考文献：

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