基于反向工程方法的易切削笔尖钢关键工艺参数的探索

付文笙 沈 平 杨乾坤 张 东 杨树峰 付建勋

(1.省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室,上海 200444; 2.上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室,上海 200444; 3.上海大学材料科学与工程学院,上海 200444; 4.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083)

圆珠笔笔尖内径通常不到1 mm，为了引导油墨流畅下滑，圆珠笔笔尖内部有很多高低不平的台阶和5条引导墨水的导油槽，每个导油槽的加工精度都要求在0.001 mm，并且笔尖的开口厚度要小于0.1 mm，加工误差不能超过0.003 mm[1-3]。圆珠笔笔尖的基座与球珠、引导墨水的沟槽必须严格匹配，否则油墨下滑时就不均匀，导致笔画粗细不均。极高的加工精度和装配精度要求圆珠笔笔尖材料必须有非常好的切削加工性能[4]。早期，圆珠笔尖材料为含铅的黄铜、镍白铜，但由于这两种材料的抗腐蚀性能较差，目前已基本被淘汰，不锈钢已成为圆珠笔笔尖最常用的材料[5]。

不锈钢通常按基体组织分为铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢等。由于马氏体不锈钢较硬而奥氏体不锈钢加工硬化严重，所以圆珠笔笔尖均采用铁素体不锈钢[6-7]。开发易切削笔尖钢的基本任务是向铁素体不锈钢中添加大量的易切削元素(相)来改善切削性能，成为易切削铁素体不锈钢[8]。

目前国内在易切削钢生产实践方面已积累了一定经验，并能生产多种类型的易切削钢，但是在圆珠笔尖用易切削铁素体不锈钢的生产方面基本处于空白。我国拥有3 000多家制笔企业，虽然在笔尖钢的研发方面取得了一定的进展，但适用于自动制笔机的高端笔尖钢材料却高度依赖进口。

本文利用反向工程研究方法，对市售5种圆珠笔笔尖钢的基体成分、易切削相组成进行了检测分析，并通过试验室冶炼寻找易切削相的最佳配比，以探索生产圆珠笔尖用超易切削不锈钢的关键工艺参数。

1 笔尖钢的成分、易切削相解析

1.1 笔尖钢的化学成分

我国圆珠笔笔尖钢近90%从日本等国进口，日本的笔尖钢生产技术居世界前列。为此，选用了市场上具有代表性的3个日本品牌的4种圆珠笔笔芯和1个中国品牌的圆珠笔笔芯，类型包含油性笔和中性笔。5种圆珠笔笔芯的详细信息如表1所示。

表1 5种圆珠笔信息

将圆珠笔芯拆成笔尖和墨水管，将笔尖部分的滚珠去除后，用酒精清洗笔尖中的墨水，吹干后备用。圆珠笔尖经镶嵌、粗磨、精磨和抛光后，用电感耦合等离子体光谱仪(ICP)和碳硫分析仪测定化学成分，每种材料检测2组取平均值，5种笔尖钢的化学成分如表2所示。

表2 5种圆珠笔笔尖钢的化学成分(质量分数)

笔尖钢属于添加易切削相的铁素体不锈钢[7]，从表2可见所选5种圆珠笔笔尖钢均含有硫、铅、碲3种易切削元素，为含硫-铅-碲的易切削铁素体不锈钢。

硫是最常用的能改善钢的切削性能的元素，硫系易切削钢是易切削钢的主流，许多新型易切削钢也是以硫系为基础发展起来的。通常钢的易切削性能随着钢中硫含量的增多而提高，但硫含量过高会导致钢材热脆，恶化钢的力学性能。因此，易切削钢中硫的质量分数通常为0.08%～0.30%，最高可达0.4%。

成分检测显示，5种笔尖钢中硫的平均质量分数在0.35%以上，均为典型的高硫易切削钢。5种笔尖钢的平均Mn/S值为3.45，仅3号钢的Mn/S值低于3。较高的Mn/S值可保证硫元素以硫化锰夹杂物的形式存在于钢基体中，硫化锰能割断钢基体的连续性，切削时作为应力集中源，使切屑易于折断，形成小而短的卷曲状断屑，在切削热的作用下，高温软化的MnS能在刀具和加工面之间起润滑作用，减少刀具的磨损。

铅是典型的易切削元素。室温下铅在钢中的溶解度极低，通常以微小单质金属颗粒分布于钢中。铅、硫复合加入钢中后，铅通常均匀分布或附着于硫化物的周围，能明显改善钢的切削性能。铅的熔点为328 ℃，在切削热的作用下很容易发生熔融，在刀具和加工表面间起润滑作用[8-9]。

铅为有毒元素，在1 600 ℃高温冶炼环境中添加铅会产生铅蒸气。铅蒸气密度大、易下沉，会危害工人健康，导致血铅中毒。并且，做为惰性元素的铅加入钢中后无法脱除，成为有害的残留元素，影响废钢的再次利用。采样的5种笔尖钢中铅的质量分数在0.11%～0.12%，相差不大。目前，欧盟已限制钢中铅的用量，故从环保的角度出发，不含铅的笔尖钢是未来发展的方向。

碲元素对钢切削性能的提升具有重要作用。碲的添加可使硫化物转变成球状、纺锤状，在切削时减小刀具上积屑瘤的尺寸，改善钢的切削性能。因此，碲的添加对笔尖钢中硫化物的形态调控及易切削性能的提升有明显的作用。碲元素用于低碳高速切削钢和高强度合金钢中后，钢的切削速度可达195 m/min，是普通钢材的4倍。采样的5种笔尖钢中碲的质量分数在0.013%～0.021%[10-11]。

1.2 笔尖钢中夹杂物

采用金相显微镜和带能谱的台式扫描电镜对笔尖钢纵剖面的夹杂物进行观察与分析。图1为5种笔尖钢中夹杂物的形貌。从图中可以观察到有大量的浅灰色夹杂物，能谱分析表明，这些夹杂物主要为MnS，呈断续、串链状分布，其连续分布的长度一般大于50 μm。MnS是易切削钢中最常见的易切削相，其塑性较好，通常为长条形，长宽比大于3。

采用带EDS的背散射扫描电镜在2 000倍下进一步观察，发现多数MnS夹杂物串链分布的间断处和两端有另一白色附着相，能谱分析表明该白色相为Pb；还有一部分Pb呈圆球形(椭圆形)独立存在于钢中，在电镜下呈白亮色，直径约1～5 μm。

另外，在少数MnS间断处还检测到了碲，以MnTe或PbTe的形式存在。由于钢中碲含量较少，绝大部分的碲固溶于钢基体中，5种钢中析出的碲化物数量均较少。碲化物通常包裹在硫化物的外围，对改善硫化物的形态，特别是提升椭球状的比例有重要作用[12]。开发不含铅的易切削笔尖钢，为保证其超易切削性能(切削性能优于含铅易切削钢)，必须提高碲含量，即Te/S值。

利用Image Pro Plus图像处理软件对5种笔尖钢中的夹杂物进行定量分析，结果表明：钢中第一类夹杂物(硫化物)的面积比分别为1.27%、1.47%、1.13%、1.08%、2.04%，平均等效直径分别为3.3、4.1、4.9、3.8、3.8 μm，夹杂物平均面积分别为11.52、21.77、28.75、19.81、17.97 μm2。比较可见，3号笔尖钢中硫化物形态控制较好，夹杂物的平均等效直径和平均面积均明显高于其他4种笔尖钢的，这对提高钢的切削性能有利。

2 提高笔尖钢中Te/S值的试验

2.1 高温熔炼试验

碲作为易切削元素在易切削钢中的作用不仅与碲的绝对添加量有关，更与Te/S值有重要关系[10]。含硫钢中碲与硫是竞争性析出关系，Te/S值决定了碲在钢中存在的形式及其对硫化物形态的调控能力[12-13]。无铅超易切削笔尖钢中由于缺少铅这一易切削关键元素，必须进一步提升碲的添加量，并寻找最佳的Te/S值。为此，基于高硫易切削钢进行碲对硫化物夹杂改质的试验，寻找最佳的Te/S值。

利用管式高温加热炉开展碲对硫化物改质的冶炼试验。试验过程如下：(1)将高硫钢试样切割成每块质量约500 g的小锭，对钢锭表面进行打磨以去除氧化皮；(2)将钢锭放入氧化铝坩埚，为了防止高温冶炼过程坩埚开裂，将氧化铝坩埚放入石墨坩埚，再将石墨坩埚放入高温电阻炉内，盖上炉盖；(3)加热升温，打开循环冷却水，并通入99.9%(体积分数)高纯氩气保护；(4)通电升温至1 600 ℃，恒温30 min，使钢样完全熔融；(5)将用高纯铁皮包裹的4N级(纯度99.99%)碲粉加入钢液，保温5 min后，采用钼棒搅拌钢液30 s，使成分均匀；(6)降温至1 100 ℃时关闭电源，随炉冷却至室温后取出钢样。

图1 5种笔尖钢中夹杂物的SEM形貌

设计4种碲加入量进行碲改质试验，碲的目标加入量及实测结果见表3。

表3 碲的目标加入量及实测结果

2.2 夹杂物二维形貌

在钢锭的中心位置截取尺寸10 mm×10 mm×12 mm的金相试样，经打磨、抛光后，在Zeiss光学显微镜下观察硫化物的形态和分布。利用Image Pro Plus图像处理软件对钢中的易切削相—A类夹杂物进行定量分析(夹杂物的数量、尺寸、类型和分布)。4种不同碲含量试样的金相照片如图2所示，夹杂物的面积分数、等效直径和长宽比如图3所示。

硫含量相同时，硫化物的等效半径越大，夹杂物缺口碎断效果越显著，相应地切削性能也越好。夹杂物的平均长宽比越小，说明越接近于椭球状。当长宽比为1时，即为球状夹杂物，此类硫化物造成钢板性能的各向异性最小，有利于改善钢的切削性能。碲的添加对含硫钢中夹杂物的等效直径(大小)和形态(长宽比)有重要影响。从图3中可以看出，随着Te含量(Te/S值)的增加，4种试样中夹杂物的等效直径分别为3.8、3.7、4.3、4.4 μm，夹杂物的平均长宽比分别为1.72、1.76、1.48、1.47。可见，当Te的实际添加量为625 μg/g(Te/S=0.25)时，硫化物的尺寸最小、形态最佳。

2.3 夹杂物三维形貌

为了进一步分析碲改质后夹杂物的形态，对试样进行深腐蚀后采用扫描电镜观察夹杂物的三维形貌，如图4所示。

图3 不同碲含量试样中硫化物夹杂的参数

Te在钢中最主要的作用是使硫化物改质，使硫化物的长宽比减小，纺锤率提高，变形塑性减小[14]。当钢中Te/S值在0.07～0.1时，Te在钢中为固溶状态向开始析出MnTe的过渡范围;当Te/S值超过0.1时，MnTe开始析出，MnTe将包裹MnS，形成MnTe-MnS的复合夹杂物[15-18]。

从图4可以发现，Te改质后钢中的MnS夹杂物(黑色)有树枝状和球状两类，由于MnTe的熔点低于MnS，在凝固降温过程中，MnTe的析出要晚于MnS，因此MnTe通常包裹在MnS的外围。1号试样的Te/S值为0.12，略大于析出MnTe的比值，因此，仅有少量的白色MnTe在MnS外围析出；随着碲加入量(Te/S值)的增加，MnS周围析出的MnTe逐渐增多，包裹型复合夹杂物的析出比例也逐渐增大，未改质树枝状MnS的比例则逐渐减小。由于MnTe表面张力的原因，MnTe包裹的MnS被有效改质成近球形夹杂物，使硫化物的长宽比减小，纺锤率提高。而钢中未被MnTe包裹的MnS夹杂主要以树枝状存在。当钢中Te的添加量大于625 μg/g，即Te/S≥0.25时，MnS夹杂物的改质效果不明显。进一步增加Te含量，未改质树枝状MnS的尺寸变化不明显，改质效果保持稳定，这与Katoh等的研究结果一致[19]。

因此，对于硫含量较高的圆珠笔尖钢来说，为了有效控制钢中夹杂物的形态和分布，提高钢材的切削性能，需同时控制易切削元素的含量和配比。

3 结论

(1)成分检测发现，市场上5种圆珠笔笔尖钢主要为含硫-铅-碲的易切削不锈钢，其成分相近，硫的平均质量分数在0.35%以上，平均Mn/S值为3.45，铅的质量分数为0.11%～0.12%，碲的质量分数为0.013%～0.021%。

(2)5种市售笔尖钢中夹杂物的金相统计结果为：夹杂物面积比分别为1.27%、1.47%、1.13%、1.08%、2.04%，平均等效直径分别为3.3、4.1、4.9、3.8、3.8 μm，3号钢中硫化物形态控制相对较好。

(3)高温熔炼试验的试样中Te/S=0.25，夹杂物形态控制较好，进一步提高Te/S值，硫化物改质效果不明显。