筆尖球座體用無鉛易切削鋼的組織性能分析*

田 超

（山東鋼鐵股份有限公司，山東 濟南250101）

1 前 言

圓珠筆尖球座體的制造須經歷車削、鉆孔等機械加工過程，其原材料為易切削鋼絲，易切削相的種類、形態、尺寸、數量和分布等對鋼的機械加工性能有深刻影響。易切削相主要以通過向鋼中添加S元素而獲得的硫化物夾雜為主，此外還有低熔點元素（如Pb、Sn、Te、Bi 等）。機械加工過程中，易切削相對材料基體連續性的破壞作用以及局部應力集中效應會起到良好的斷屑效果，同時刀具與材料接觸位置形成局部高溫，而低熔點元素發生熔融，又起到潤滑刀具降低刀具磨損的作用。一般認為，硫化物尺寸大有助于改善切削性能，材料中氧含量的控制對硫化物易切削相尺寸至關重要。研究表明［1-4］，隨著易切削鋼氧含量的增加，其硫化物的平均直徑和面積分數增大、數量減少、長寬比減小。鋼冶金的脫氧過程會產生氧化物類夾雜，其中的Al2O3、Mg-Al 尖晶石、CaO 類非金屬夾雜物屬于高硬、不易變形的剛性夾雜。剛性夾雜損害材料的韌性，并且在材料機械加工過程中與切削刀具接觸會加速刃面磨損而降低刀具壽命，故應控制冶金過程產生的氧化物夾雜種類。

中國年產圓珠筆400 多億支，為世界制筆大國，但長期以來核心技術和材料高度依賴進口，包括加工圓珠筆尖球座體所使用的易切削鋼。按照是否添加Pb 元素，易切削鋼可分為鉛易切削鋼和無鉛易切削鋼，鉛易切削鋼發展較早，但鉛元素有毒使含鉛鋼的制造、加工、再利用過程均存在危害人體和污染環境的風險。長期以來，人們對健康和環保要求不斷提高，使無鉛易切削鋼的研發呼聲越來越高，產生了很多實用技術與產品［5-8］。近年來，國內對圓珠筆尖球座體用鉛易切削不銹鋼已有研究，如日本下村SF20T，文獻同時報道了國產圓珠筆尖用鉛易切削不銹鋼研究成果，但罕見圓珠筆尖球座體用無鉛易切削不銹鋼的研究報道。本文通過對規格為Φ2.3 mm 的無鉛易切削鋼拉拔線材的成分、微觀組織、易切削相和物理性能等方面進行綜合分析，為圓珠筆尖球座體用無鉛易切削鋼研究提供材料設計與冶金過程精確控制依據。

2 試驗材料與方法

經試驗測定，國外圓珠筆尖球座體用無鉛易切削不銹鋼的化學成分如表1所示。其中S元素的添加量為0.32%，為主要的易切削相形成元素，此外低熔點元素主要為Bi和Te，Pb含量＜0.005%。

表1 國外無鉛易切削不銹鋼的化學成分（質量分數） %

將線材沿著橫向和縱向磨拋制成金相樣，根據需要分別進行腐蝕處理或不腐蝕，使用光學顯微鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）及能譜進行微觀組織和易切削相觀察，并對易切削相進行定量統計；使用拉伸試驗機按國標進行拉伸性能測試，使用顯微硬度儀測定顯微硬度（HV 0.05）；截取一小段線材并對橫截面進行電解拋光，使用EBSD 進行拉拔退火織構分析。

3 試驗結果與討論

3.1 材料微觀組織

對線材的橫、縱截面研磨拋光，并用FeCl3/CuCl2水溶液腐蝕，使用光學顯微鏡觀察金相組織，如圖1所示。試驗材料化學成分C含量低，Cr含量超過20%，可判斷該材料基體完全為鐵素體。經測算，試驗材料鐵素體的平均晶粒尺寸≈3.5 μm；光鏡下可見橫截面基體上分布著灰黑色顆粒狀易切削相（圖1箭頭所指）。

對于材料中的易切削相，選取了未經腐蝕的拋光橫、縱截面，使用FEI Quanta 650掃描電鏡進行了易切削相形態觀察，使用EDAX能譜對易切削相進行了成分分析，結果如圖2～4 所示。能譜分析表明：易切削相種類為MnS、低熔點元素、硅酸鹽類夾雜物，其中低熔點元素主要成分為Bi 或Bi 與微量Te 的混合，硅酸鹽類夾雜物的成分特征為Si、O 含量較高。形態上，MnS 較為粗大，在縱截面上延線材軸向呈點鏈狀分布，尺寸粗大；低熔點元素在襯度像中呈高亮，尺寸較小，主要依附于MnS，部分獨立分布的較大顆粒亦分布于MnS點鏈的延長線上，并延軸向有一定程度的拉伸；硅酸鹽類夾雜物在橫截面和縱截面上均呈點狀，顆粒細小且獨立分布。

圖1 經FeCl3/CuCl2水溶液腐蝕后的材料微觀組織金相

圖2 易切削相的SEM背散射電子像圖

圖3 試驗材料橫截面易切削相形態及成分

圖4 試驗材料縱截面易切削相形態及成分

3.2 易切削相的尺寸和分布

對易切削相的尺寸和分布進行了定量統計分析，使用Zeiss 40MAT 數字金相顯微鏡于200 倍下在試樣不同位置隨機選擇了4個拋光橫截面視場，每個視場實際面積均為0.1 mm2，使用圖像分析軟件Image-Pro Plus對每個視場進行易切削相統計分析。各個視場中可識別的易切削相總面積分別約為1 470、1 459、1 458、1 409 μm2；各個視場中可識別的易切削相個數分別約為224、198、157、208 個。此外，又使用掃描電鏡在1 000 倍下對試樣橫截面進行了易切削相統計分析。結果如表2所示。

由于SEM識別率更高，將金相顯微鏡下不能識別出的更小顆粒加入了統計結果，故單位面積易切削相個數相比于光鏡視場略高，但對總面積影響不大。綜上所述，橫截面易切削相面積占比穩定在14.5%，單位面積（1 mm2）可見易切削相個數約為2 000 個左右。

表2 試驗材料易切削相統計分析結果

3.3 物理性能與拉拔織構

試驗材料的力學性能：規定塑性延伸強度Rp0.2為790 MPa，抗拉強度Rm為830 MPa，伸長率A50為4.5%。延直徑方向將線材剖開，將其縱截面研磨拋光后測試試驗材料的顯微硬度（HV0.05），打點時避開夾雜物，每個區域測試5個點，點間距＞1 mm，結果如表3所示。

表3 試驗材料顯微硬度（HV0.05）

鋼絲橫截面EBSD技術分析獲得織構如圖5所示，從極圖來看，樣品中為典型的體心立方晶體結構拉拔退火織構特征，即晶粒的<110>晶向平行于拉拔方向的絲織構，因為經歷退火，織構強度相比拉拔態會有所減弱。從{110}和{111}極圖看，該織構比較均勻，反映出拉拔前組織均勻且拉拔過程中鋼絲半徑方向較均勻變形，工藝過程中潤滑良好。

圖5 鋼絲橫截面的織構

在拉拔生產工藝過程中，當拉拔模具內表面潤滑良好，線材表面金屬流動性好內應力小，故表現出較芯部低的硬度，如圖6 所示，降低硬度有利于減輕表面車削加工負荷。

圖6 鋼絲顯微硬度的徑向分布

3.4 冶金過程分析

文獻［6-8］對國內制造的圓珠筆尖用含鉛易切削不銹鋼線材的易切削相平均尺寸均進行了統計，匯總結果如表4 所示。本研究中試驗材料氧含量為0.014%，材料的橫截面易切削相平均面積達到7.0 μm2，按等積圓計直徑約為3 μm，與國內制造的含鉛易切削不銹鋼相比，易切削相尺寸明顯較大。

表4 含鉛易切削不銹鋼易切削相尺寸

通過試驗結果對冶金過程進行分析，提供精確控制依據。大尺寸硫化物與低熔點元素復合夾雜物為本文無鉛易切削不銹鋼的主要易切削相，MnS、MnS+Bi 以及MnS+Bi+Te 為三種主要復合形式。MnS 對材料基體連續性的破壞作用以及局部應力集中效應起良好的斷屑效果，而Bi、Te 元素則起潤滑刀具作用。為了實現更好的切削性，應在冶煉過程中嚴格控制氧含量，以調整硫化物尺寸確保獲得大的易切削相；同時，為了延長刀具的使用壽命，除控制氧含量外須同時控制脫氧工藝：避免使用Al、Ca 脫氧，控制Al2O3、Mg-Al 尖晶石、CaO 類剛性夾雜的出現。本試驗材料中出現的小顆粒硅酸鹽類夾雜物屬于延展性高的塑性夾雜，相對于剛性夾雜對刀具壽命影響小；未發現含Al、Ca、Mg 元素的脫氧產物。

4 結 論

4.1 國外圓珠筆尖球座體用無鉛易切削不銹鋼的組織為鐵素體，基體上分布易切削相，及小顆粒硅酸鹽類夾雜，MnS、MnS+Bi、MnS+Bi+Te為易切削相的三種主要復合形式。當氧含量為0.014%，橫截面視場中易切削相面積平均占比為14.5%，單位面積（1 mm2）可見個數約2 000 個，單個相平均面積達7.0 μm2，明顯大于國產鋼。

4.2 國外圓珠筆尖球座體用無鉛易切削不銹鋼的屈服強度790 MPa，抗拉強度830 MPa，延伸率4.5%，平均顯微硬度（HV0.05）為267～280，拉拔生產工藝過程潤滑良好時，線材表面金屬流動性好內應力小，表層硬度較芯部低。

4.3 為了獲得更好的切削性，應在冶煉過程中嚴格控制氧含量，以調整硫化物尺寸確保獲得大的易切削相，同時為了延長刀具的使用壽命，除控制氧含量外，須同時控制脫氧工藝，避免使用Al、Ca脫氧。