笔尖球座体用无铅易切削钢的组织性能分析*

田 超

（山东钢铁股份有限公司，山东 济南250101）

1 前 言

圆珠笔尖球座体的制造须经历车削、钻孔等机械加工过程，其原材料为易切削钢丝，易切削相的种类、形态、尺寸、数量和分布等对钢的机械加工性能有深刻影响。易切削相主要以通过向钢中添加S元素而获得的硫化物夹杂为主，此外还有低熔点元素（如Pb、Sn、Te、Bi 等）。机械加工过程中，易切削相对材料基体连续性的破坏作用以及局部应力集中效应会起到良好的断屑效果，同时刀具与材料接触位置形成局部高温，而低熔点元素发生熔融，又起到润滑刀具降低刀具磨损的作用。一般认为，硫化物尺寸大有助于改善切削性能，材料中氧含量的控制对硫化物易切削相尺寸至关重要。研究表明［1-4］，随着易切削钢氧含量的增加，其硫化物的平均直径和面积分数增大、数量减少、长宽比减小。钢冶金的脱氧过程会产生氧化物类夹杂，其中的Al2O3、Mg-Al 尖晶石、CaO 类非金属夹杂物属于高硬、不易变形的刚性夹杂。刚性夹杂损害材料的韧性，并且在材料机械加工过程中与切削刀具接触会加速刃面磨损而降低刀具寿命，故应控制冶金过程产生的氧化物夹杂种类。

中国年产圆珠笔400 多亿支，为世界制笔大国，但长期以来核心技术和材料高度依赖进口，包括加工圆珠笔尖球座体所使用的易切削钢。按照是否添加Pb 元素，易切削钢可分为铅易切削钢和无铅易切削钢，铅易切削钢发展较早，但铅元素有毒使含铅钢的制造、加工、再利用过程均存在危害人体和污染环境的风险。长期以来，人们对健康和环保要求不断提高，使无铅易切削钢的研发呼声越来越高，产生了很多实用技术与产品［5-8］。近年来，国内对圆珠笔尖球座体用铅易切削不锈钢已有研究，如日本下村SF20T，文献同时报道了国产圆珠笔尖用铅易切削不锈钢研究成果，但罕见圆珠笔尖球座体用无铅易切削不锈钢的研究报道。本文通过对规格为Φ2.3 mm 的无铅易切削钢拉拔线材的成分、微观组织、易切削相和物理性能等方面进行综合分析，为圆珠笔尖球座体用无铅易切削钢研究提供材料设计与冶金过程精确控制依据。

2 试验材料与方法

经试验测定，国外圆珠笔尖球座体用无铅易切削不锈钢的化学成分如表1所示。其中S元素的添加量为0.32%，为主要的易切削相形成元素，此外低熔点元素主要为Bi和Te，Pb含量＜0.005%。

表1 国外无铅易切削不锈钢的化学成分（质量分数） %

将线材沿着横向和纵向磨抛制成金相样，根据需要分别进行腐蚀处理或不腐蚀，使用光学显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）及能谱进行微观组织和易切削相观察，并对易切削相进行定量统计；使用拉伸试验机按国标进行拉伸性能测试，使用显微硬度仪测定显微硬度（HV 0.05）；截取一小段线材并对横截面进行电解抛光，使用EBSD 进行拉拔退火织构分析。

3 试验结果与讨论

3.1 材料微观组织

对线材的横、纵截面研磨抛光，并用FeCl3/CuCl2水溶液腐蚀，使用光学显微镜观察金相组织，如图1所示。试验材料化学成分C含量低，Cr含量超过20%，可判断该材料基体完全为铁素体。经测算，试验材料铁素体的平均晶粒尺寸≈3.5 μm；光镜下可见横截面基体上分布着灰黑色颗粒状易切削相（图1箭头所指）。

对于材料中的易切削相，选取了未经腐蚀的抛光横、纵截面，使用FEI Quanta 650扫描电镜进行了易切削相形态观察，使用EDAX能谱对易切削相进行了成分分析，结果如图2～4 所示。能谱分析表明：易切削相种类为MnS、低熔点元素、硅酸盐类夹杂物，其中低熔点元素主要成分为Bi 或Bi 与微量Te 的混合，硅酸盐类夹杂物的成分特征为Si、O 含量较高。形态上，MnS 较为粗大，在纵截面上延线材轴向呈点链状分布，尺寸粗大；低熔点元素在衬度像中呈高亮，尺寸较小，主要依附于MnS，部分独立分布的较大颗粒亦分布于MnS点链的延长线上，并延轴向有一定程度的拉伸；硅酸盐类夹杂物在横截面和纵截面上均呈点状，颗粒细小且独立分布。

图1 经FeCl3/CuCl2水溶液腐蚀后的材料微观组织金相

图2 易切削相的SEM背散射电子像图

图3 试验材料横截面易切削相形态及成分

图4 试验材料纵截面易切削相形态及成分

3.2 易切削相的尺寸和分布

对易切削相的尺寸和分布进行了定量统计分析，使用Zeiss 40MAT 数字金相显微镜于200 倍下在试样不同位置随机选择了4个抛光横截面视场，每个视场实际面积均为0.1 mm2，使用图像分析软件Image-Pro Plus对每个视场进行易切削相统计分析。各个视场中可识别的易切削相总面积分别约为1 470、1 459、1 458、1 409 μm2；各个视场中可识别的易切削相个数分别约为224、198、157、208 个。此外，又使用扫描电镜在1 000 倍下对试样横截面进行了易切削相统计分析。结果如表2所示。

由于SEM识别率更高，将金相显微镜下不能识别出的更小颗粒加入了统计结果，故单位面积易切削相个数相比于光镜视场略高，但对总面积影响不大。综上所述，横截面易切削相面积占比稳定在14.5%，单位面积（1 mm2）可见易切削相个数约为2 000 个左右。

表2 试验材料易切削相统计分析结果

3.3 物理性能与拉拔织构

试验材料的力学性能：规定塑性延伸强度Rp0.2为790 MPa，抗拉强度Rm为830 MPa，伸长率A50为4.5%。延直径方向将线材剖开，将其纵截面研磨抛光后测试试验材料的显微硬度（HV0.05），打点时避开夹杂物，每个区域测试5个点，点间距＞1 mm，结果如表3所示。

表3 试验材料显微硬度（HV0.05）

钢丝横截面EBSD技术分析获得织构如图5所示，从极图来看，样品中为典型的体心立方晶体结构拉拔退火织构特征，即晶粒的<110>晶向平行于拉拔方向的丝织构，因为经历退火，织构强度相比拉拔态会有所减弱。从{110}和{111}极图看，该织构比较均匀，反映出拉拔前组织均匀且拉拔过程中钢丝半径方向较均匀变形，工艺过程中润滑良好。

图5 钢丝横截面的织构

在拉拔生产工艺过程中，当拉拔模具内表面润滑良好，线材表面金属流动性好内应力小，故表现出较芯部低的硬度，如图6 所示，降低硬度有利于减轻表面车削加工负荷。

图6 钢丝显微硬度的径向分布

3.4 冶金过程分析

文献［6-8］对国内制造的圆珠笔尖用含铅易切削不锈钢线材的易切削相平均尺寸均进行了统计，汇总结果如表4 所示。本研究中试验材料氧含量为0.014%，材料的横截面易切削相平均面积达到7.0 μm2，按等积圆计直径约为3 μm，与国内制造的含铅易切削不锈钢相比，易切削相尺寸明显较大。

表4 含铅易切削不锈钢易切削相尺寸

通过试验结果对冶金过程进行分析，提供精确控制依据。大尺寸硫化物与低熔点元素复合夹杂物为本文无铅易切削不锈钢的主要易切削相，MnS、MnS+Bi 以及MnS+Bi+Te 为三种主要复合形式。MnS 对材料基体连续性的破坏作用以及局部应力集中效应起良好的断屑效果，而Bi、Te 元素则起润滑刀具作用。为了实现更好的切削性，应在冶炼过程中严格控制氧含量，以调整硫化物尺寸确保获得大的易切削相；同时，为了延长刀具的使用寿命，除控制氧含量外须同时控制脱氧工艺：避免使用Al、Ca 脱氧，控制Al2O3、Mg-Al 尖晶石、CaO 类刚性夹杂的出现。本试验材料中出现的小颗粒硅酸盐类夹杂物属于延展性高的塑性夹杂，相对于刚性夹杂对刀具寿命影响小；未发现含Al、Ca、Mg 元素的脱氧产物。

4 结 论

4.1 国外圆珠笔尖球座体用无铅易切削不锈钢的组织为铁素体，基体上分布易切削相，及小颗粒硅酸盐类夹杂，MnS、MnS+Bi、MnS+Bi+Te为易切削相的三种主要复合形式。当氧含量为0.014%，横截面视场中易切削相面积平均占比为14.5%，单位面积（1 mm2）可见个数约2 000 个，单个相平均面积达7.0 μm2，明显大于国产钢。

4.2 国外圆珠笔尖球座体用无铅易切削不锈钢的屈服强度790 MPa，抗拉强度830 MPa，延伸率4.5%，平均显微硬度（HV0.05）为267～280，拉拔生产工艺过程润滑良好时，线材表面金属流动性好内应力小，表层硬度较芯部低。

4.3 为了获得更好的切削性，应在冶炼过程中严格控制氧含量，以调整硫化物尺寸确保获得大的易切削相，同时为了延长刀具的使用寿命，除控制氧含量外，须同时控制脱氧工艺，避免使用Al、Ca脱氧。