1引言
隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，歐洲等地發(fā)布了RoHS指令，對(duì)環(huán)境負(fù)荷物質(zhì)進(jìn)行限制。其中，電氣電子部件的鉛（Pb）含量被限制在1000ppm以下。因此，對(duì)于傳統(tǒng)的低碳含鉛易切削鋼AISI12L14、JISSUM24L而言，需要開發(fā)一種減少鉛含量且切削性能與鉛易切削鋼相當(dāng)?shù)匿摬?。目前JFE鋼鐵公司已經(jīng)開發(fā)并銷售了完全不添加鉛的易切削鋼，但還未能完全替代其他公司開發(fā)的低碳含鉛易切削鋼。因此，JFE鋼鐵公司開發(fā)了一種將鉛添加量限制在1000ppm以下，且切削性能和力學(xué)性能與現(xiàn)有含鉛易切削鋼相當(dāng)及以上的產(chǎn)品，以下將對(duì)其進(jìn)行介紹。
2新開發(fā)鋼的特點(diǎn)
2.1切削性能提升機(jī)制
2.1.1成分設(shè)計(jì)與鉛的效果發(fā)揮機(jī)制
表1展示了新開發(fā)鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)使用的AISI12L14相比，除鉛以外的成分沒有大幅變動(dòng)，鉛含量則符合RoHS指令規(guī)定（1000ppm以下）。目前，與鉛具有同等性質(zhì)的元素僅有鉍（Bi）、碲（Te）等，在實(shí)際應(yīng)用中，鉛被認(rèn)為是唯一有用的元素。因此，研究的重點(diǎn)在于添加少量鉛并充分發(fā)揮其效果，考察其是否能獲得與傳統(tǒng)鋼材相同的性能。
鋼材的切削性能受“積屑瘤”影響，積屑瘤是在切削過程中，被切削材料附著、堆積在刀具切削刃前端而形成的。在切削過程中，積屑瘤不斷附著、脫落，影響刀具壽命和加工表面粗糙度。在切削時(shí)，刀具前端附近溫度達(dá)到400℃以上，而鉛的熔點(diǎn)僅為327℃，這會(huì)導(dǎo)致熔敷金屬脆化，積屑瘤變脆，更容易剝落，從而使積屑瘤尺寸不斷變小。積屑瘤變小不僅會(huì)抑制加工表面粗糙度增大，而且由于刀具前端始終存在小型積屑瘤，可抑制非鉛易切削鋼中常見的積屑瘤增大和脫落現(xiàn)象，減少被切削材料與刀具的直接接觸，有助于延長刀具壽命。鑒于鉛在實(shí)現(xiàn)這一效果中起著關(guān)鍵作用，由此判斷，如果不添加鉛則無法獲得相同效果。
圖1展示了切削性能提升機(jī)制。鉛在鋼材中的存在狀態(tài)主要分為兩類：一類是在MnS界面聚集的粗大顆粒，另一類是在鋼基體中彌散分布的細(xì)小顆粒。當(dāng)鉛添加量較多時(shí)，鉛更容易在MnS界面聚集。研究發(fā)現(xiàn)，聚集在MnS界面的粗大鉛顆粒對(duì)積屑瘤小型化的貢獻(xiàn)較小。因此，綜合考慮對(duì)切削性能提升的最低鉛添加量以及符合環(huán)境法規(guī)要求，認(rèn)為上述成分設(shè)計(jì)是完全可行的。
2.1.2為提升切削性能的制造設(shè)計(jì)
鉛顆粒越細(xì)小且間隔越窄，就越容易在刀具前端引發(fā)熔敷金屬脆化，從而使積屑瘤更易發(fā)生脆性斷裂。因此，研究了在制造過程中增加鉛在鋼中細(xì)微分散度的方法，從而使新開發(fā)鋼中細(xì)小鉛顆粒的含量比傳統(tǒng)的含鉛易切削鋼JISSUM24L更多（見圖2）。鉛在鋼水精煉時(shí)添加并進(jìn)行連鑄，連鑄方法與傳統(tǒng)方法相同。雖然鉛多存在于MnS界面，但MnS的存在形態(tài)取決于凝固階段的結(jié)晶以及隨后的析出。當(dāng)添加更多的Mn、S時(shí)，MnS會(huì)進(jìn)一步長大，且冷卻速率越慢，MnS也會(huì)越大。為了提高M(jìn)nS自身的切削性能，使其以粗大且長徑比小的紡錘形存在較為理想，但在添加鉛的鋼材中，還需要鉛的細(xì)微分散，綜合考慮這些因素，通過使產(chǎn)品中的MnS不僅呈粗大紡錘狀，還更加細(xì)微地分散，最終確立了使鉛細(xì)微分散的制造方法（見圖2）。
2.2新開發(fā)鋼的切削性能
通過切削試驗(yàn)對(duì)新開發(fā)鋼和傳統(tǒng)鋼AISI12L14的切削性能進(jìn)行了評(píng)估。試驗(yàn)采用硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行車削，切削速度為70m/s，進(jìn)給量為0.02mm/r，切削深度為1.0mm，使用水溶性切削油進(jìn)行加工。表2展示了用于切削性能評(píng)估試驗(yàn)的材料力學(xué)性能。新開發(fā)鋼具有與傳統(tǒng)AISI12L14鋼同等的力學(xué)性能和微觀組織。
切削性能評(píng)估結(jié)果如圖3所示：（a）刀具后刀面磨損量與傳統(tǒng)鋼相當(dāng)或更低；（b）被切削材料的加工表面粗糙度與傳統(tǒng)鋼趨勢相同。此外，新開發(fā)鋼的切屑斷裂情況與傳統(tǒng)鋼相似，切削過程中切屑不會(huì)纏繞在刀具上，加工狀態(tài)良好。
3結(jié)語
新開發(fā)的鉛分散型低碳復(fù)合易切削鋼，不僅具備與傳統(tǒng)易切削鋼相當(dāng)?shù)那邢餍阅芎土W(xué)性能，且無需改變客戶加工工藝即可使用。
