机械工程用易切削微合金高强冷拉棒材

1机械工程用易切削微合金高强冷拉棒材L,BACKER,P.CHARLIERSOCIETEDESACIERSFINSDEL’EST57301HAGONDANGE(FRANCE)引言埃斯科金属公司属下的S.A.F.E已经开始生产多种类的机械工程用的微合金棒材，即METASAFE钢。根据化学成分和相应的组织，METASAFE钢的抗拉强度范围从750MPa到2000MPa（110到290ksi）。这些研究成果是专门针对准备投入使用的棒材产品。我们的目标是使交付的棒材具有成品所要求的机械特性，并能够省略调质，变形矫正和磨削这些工艺过程。在这些产品中，大多数抗拉强度为900到1050MPa（130到150Ksi），在产品目录中称为METASAFE1000。为了使产品具有良好的易加工性，尽管他们有良好的耐磨性，其S含量仍要保持在0.07%左右，Pb含量保持在0.25%左右。第一步，SAFE精心研制了碳含量为0.45%并进行微合金化的METASAFE钢U1000（2），其抗拉强度大约为1000MPa。碳含量从METASAFEU1000中的0.45%降低到METASAFEE1000中的0.2%，其目的是通过增加铁素体的百分比，得到具有更理想切削性能的显微组织。如图1所示。图.1METASAFEU1000和METASAFEE1000的显微组织首先，我们将研究碳含量为0.2%的微合金钢冷成型后的状况以及切削加工后的结果。第二，我们将会对METASAFEE1000中，小直径棒材（23mm）以及普通直径棒材（58mmm）产品的主要研究结果进行统计分析。第三，我们将会讨论工业条件下的切削加工。2含碳量为0.2％的微合金钢的冷成形能力这些棒材是由炉号为A，含碳量为0.2％的微合金钢轧制而成，表1给出了化学成分；在轧制状态下它们的抗拉强度大约为800MPa（如表2所示）。他们冷成形后的性能和具有基本相同的Mn和C含量，但未添加弥散析出元素（炉次B，表1）的棒材进行了比较。这些棒材的抗拉强度也达到了800MPa，但是这要采用传统的调质工艺而获得。表1－用于冷成形能力测试的实验钢化学分析（％）；：2OM6型；：没有弥散元素2OM6型CSiMnSAlNbV炉次A:微合金化钢0.2100.3301.8500.0340.0380.0720.060炉次B:比照钢0.1800.1751.8000.0350.031--表2－对炉A（轧态）以及炉B所得38mm直径棒材进行拉伸测试所得的机械性能UTS(MPa)TSA(%)Z(%)应变硬化指数轧制状态（炉A）78753019540.12调质（炉B）77763318510.8对于这两种钢材，我们进行了不同的冷成形测试；从测试中所得到的韧性标准来看，两种钢是很相近的。例如，表3中给出了，对无缺口试样（D=10mm；L=5mm）以及缺口试样（TU2类别：D=10mm；2mm深2mm半径的缺口）进行拉伸测试所得的断面收缩值，对无缺口圆柱体（D=20mm；H=30mm）以及缺口圆柱体（缺口深度和半径为1mm）进行抗压测试所得的临界压缩率。表3－实验室试验评估的塑性标准值（试验）轴向拉伸断面收缩率（％）轴向拉伸切口试样断面收缩率（％）轴向抗压临界压缩率（％）轴向抗压切口试样临界压缩率（％）A炉轧态54265236B炉调质态51255033反过来说，如果这两种钢的塑性标准相当的话，这就表明轧制状态下的微合金钢的应变硬化指数是明显高于调质钢的。（如表2所示）为了完善这些结论，首先安排的测试是比较A炉和B炉所得的棒材进行冷拉伸性能。第一步工序是使直径减少2mm，接下来是减少1mm。为了完善拉伸和切削测试，每次拉制后都得到一个试样。从棒材中心轴区域取得拉伸测试试样，并通过MATHON测试其切削性能，得到切削性能指数D350（mm）。图2给出了两种钢拉伸后抗拉强度的变化：微合金钢的加工硬化比调质钢更为明显。对3两种钢来说，MATHON切削性能指数呈现出完全不同的变化（如图2所示）：－对2OM6型调质钢来说，第一步工序后其加工性能有明显地下降（－10％左右），接下来的工序伴随一个缓慢的减少。这就似乎和金属的硬度直接联系起来。－对2OM6型微合金钢来说，尽管金属硬度增加，但其切削性能指数根本不随拉伸率变化；我们也可以看到当拉伸率在20%到50%之间，切削性能指数有5%到10％的改善。图2随拉伸率变化抗拉强度和切削性能指数的变化曲线可以看出，在一个相对低的冷拉伸变形率下，由于高应变硬化指数，2OM6轧态微合金钢的拉伸强度可以提高到1000MPa，并且切削性能没有降低，这与通过调质得到的具有相同抗拉强度级别的钢不同。METASAFEE1000钢的改进通过S含量的增加（0.06到0.08%）以及Pb的添加（0.15到0.3%），2OM6等级微合金钢（炉次A）的加工性能得以改善。炉次C和D是符合这个新等级的钢，将其轧制成小直径（23mm-0.9”）和普通直径（58mm-2.3”）的棒材。表4给出其成分分析，其性能与METASAFEU1000中具有相同直径的棒材进行对比（见表4的分析）。表4－METASAFEE1000钢C炉和D炉以及METASAFEU1000钢中参考炉的成分分析CSiMnSAlVNbPbMetasafeE1000C炉次0.2200.1901.3100.0780.0320.0800.0850.150MetasafeE1000D炉次0.2300.2301.4100.0650.0430.1590.0660.180MetasafeU10000.450.2001.4500.0700.0350.1100.0350.2004由炉次C和D所制的棒材具有相同的铁素体－珠光体微观组织，这和由炉A所轧制的钢相同（如图1所示）。这些轧态棒材的抗拉强度达到了预期的800MPa（如表5所示）。一次拉制到20mm使小直径棒材的抗拉强度达到了920MPa。大直径的棒材需要两道次拉制，直径从58mm到49mm，抗拉强度可达到940MPa的（见表5）。棒材的硬度是相近的，如图3所示。表5－炉C和炉D所得圆棒材的性能（拉伸测试评估）58mm轧制49mm拉拔23mm轧制20mm拉拔抗拉强度/MPa735936744916屈服强度/MPa571910556812延伸率/%2010178图3METASAFEE1000中，49mm直径拉制棒材横向维氏硬度测量对这些棒材实行了两种类型的切削性能测试，得到在这两种主要加工方式下钢的状况信息，高速钢刀具（MATHON测试）（3），以及硬质合金刀具（平面车床测试根据与ISO3685相近的NFA03-655标准）。MATHON测试，是为小直径棒材或普通直径棒材提供加工硬化后其加工性能没有削弱的证据。测试数据列于表6，可看出比起METASAFEU1000，METASAFEE1000钢数据有17％的提高。表6－METASAFEU1000和E1000中棒材的切削性能MATHON指数（D350）D炉钢58mm直径棒材轧态D炉METASAFEE100049mm直径棒材拉制态METASAFEU100055mm直径棒材轧态D3506870605使用硬质合金刀具的平面车床测试－目前已经完成相关测试，测试是根据NFA03-655标准并使用了P30型号的硬质合金刀具。切口深度为1.5mm，进给率为0.2mm/rev。图4标绘出了D炉所制的轧态直径为58mm棒材以及相应的49mm拉制棒材的Taylor线，并与METASAFEU1000的Taylor线进行了比较。从冷拉指数V20来看，似乎其是低于轧态钢材（－8％）。然而，它仍是远远高于所提到的METASAFEU1000（＋29％）。图4用带硬质合金刀具的平面车床加工METASAFEE1000所得的Taylor线拉制之前（线1）和之后（线2）以及轧态的METASAFEU1000工业条件下METASAFEE1000的切削加工测试对C炉所得的20mm直径的METASAFEE1000棒材，Decolletage技术中心（5）精心进行了CT－DEC测试。这个测试是由单轴自动车床完成的。产品易切削性通过在规定时间内（6小时）反复加工所获得最大切削量所决定的。使用高速钢刀具的零件加工工序包括：平面车削加工、钻孔、切槽、截断。切削速度（m/min）6图5CT－DEC测试下加工的零件：1－平面车削加工，2－钻孔，3－切槽，4－截断表7给出了，对METASAFEE1000钢与METASAFEU1000钢零件的切削加工性能最佳状况的比较。前者产品切削数量（6小时内）增加了85％。表7METASAFEE1000与METASAFEU1000CT－DEC测试中特定零件制造的最佳情形车削套丝铣削切割6小时产量（零件数）切削速度(m/min)47284747METASAFEE1000拉拔送料速率(mm/转)0.070.250.090.08401切削速度(m/min)28172828MEASAFEU1000轧制送料速率(mm/转)0.120.150.120.05217碳含量为0.2%的轧态微合金钢的冷成形性能中有两个特性：一方面是它的高应变硬化指数，另一方面是它的加工性能没有被加工硬化恶化。这两种性能已被用于发展一种改善切削性能的新钢种：METASAFEE1000。实验室测试数据以及结合其他在工业条件下所做的试验，表明使用这种钢提高了加工的效率。目前新的研究方向是：在相同的冶金原理基础上（拉伸效应，微合金元素，Pb含量），发展碳含量大约为0.37％并且改善加工性能的钢。对零件进行浅层感应淬火，METASAFEE1000钢的碳含量通常是不足的，而新的研究也将进一步完善METASAFEE1000钢。参考文献(1)L.BACKER,P,CHARLIER,R.HECHELSKI,Micro-alloyedsteelforMechanicalEngineering:developanduseUNITEDNATIONSSEMINAR-TURIN(Italy)June28-July27(1982)(2)P.CHARLIER,L.BACKER，Machinabilityofanewfamilyofdispersoidsteelsformechanicalengineering–ProceedingsoftheInternationalsConferenceofInfluenceofMetallurgyontheMachinabilityofEngineeringMaterials-RosemontIllinois–13,15septembre1982(3)L．BACKER,R.ELHAIK,M.LUCIANI,AnacceleratedmachinabilitytestanditsapplicationinmechanicalengineeringMachinabilitytestingandutilizationofmachiningdataMaterialsMetalworkingTechnologySeriesAmericanSocietyforMetalsMetalsPark,Ohio44073(4)FRENCHSTANDARDSNFA03-655pulishedbyAFNOR－PARISLADEFENSE(5)R.BONHOMME“ComparativecuttingtestsonautomaticlatheperformedbytheCentreTechniqueduDecolletage”Journeesd’Etudessurl’usinabilitedesaciersspeciauxDecember13thand14th,1973－PARIS(北京科技大学缪成亮，尚成嘉译)