制笔行业的圆珠笔头结构复杂、精度高，一般均在全自动生产设备上进行加工，其生产特点是工序多、切削速度快、装配和加工尺寸精度高，因此圆珠笔头材料除了要满足耐磨、耐蚀要求外，还要有优异的切削性能[1]。目前此类材料几乎全部依靠进口，如日本下村特殊精工的SF20T[2-3]、日本大同特钢的DSR6F超易切削不锈钢等[4]。太钢采用向不锈钢中添加改善切削性能的硫（S）、铅（Pb）和碲（Te）元素合金化的方法，开发了一种以MnS夹杂为主，Pb、Te复合强化切削性能的中高铬易切削不锈钢TBPS。
球形或纺锤形硫化物比线条型更有利于提高材料的切削性能[5]。本文研究了易切削不锈钢TBPS中MnS夹杂相对基体的变形规律，通过合理制定热轧工艺、减少硫化物夹杂的相对延展以提高切削性能。
1 实验材料与方法
实验材料通过1t真空感应炉+电渣重熔工艺制备而成，锭型为Φ350mm、500kg，成分及实物见表1和图1（a）。在电渣锭横截面1/2R处取样，机加工成规格为Φ10mm×15mm的热压缩试样。热压缩模拟试验在Gleeble3880热模拟机上进行。试验过程为：以10℃/s的速率升温1250℃保持2min，在以5℃/s的速率降温到900，1000，1100，1200℃，保温2min后以℃/s变形速率压缩变形量为10%，30%，50%，70%。实验结束后，立即对试样进行淬火以保留高温组织。
表1 实验钢TBPS的分析成分/%
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C
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Si
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Mn
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P
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S
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Cr
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Mo
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Pb
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Te
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0.02
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0.75
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1.50
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0.008
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0.21
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19.70
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1.10
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0.11
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0.008
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图1 TBPS钢电渣锭（a）和锭中MnS夹杂形貌（b）
2 试验结果及讨论
从图1（b）可以看出，TBPS钢在变形前（电渣锭），MnS夹杂呈椭球形，尺寸较大，平均直径约为5μm，长-短径比约为1.657。经不同温度和变形量的热压缩后，MnS会发生部分回溶，尺寸略有减小（图2）。当压缩变形10%时，MnS变形程度很小，基本保留了铸态时的球形或椭球形特征，如图2（a1，b1，c1，d1）所示。随着变形量的增加，MnS夹杂延展变形也逐渐增加，特别是当变形量50%以上时，MnS夹杂发生了明显延展变形，大部分呈纺锤形，个别甚至呈长条型形状，如图2（a3，b3，c3，d3）和图2（a4，b4，c4，d4）。
图2 TBPS电渣锭经10%（a1，b1，c1，d1），30%（a2，b2，c2，d2），50%（a3，b3，c3，d3）和70%（a4，b4，c4，d4）热压缩后的MnS形貌
（0.1s-1）：（a1，a2，a3，a4）900℃；（b1，b2，b3，b4）1000℃；（c1，c2，c3，c4）1100℃；（d1，d2，d3，d4）1200℃
用量化指标来表征MnS夹杂和基体之间的变形差异，以及变形温度、变形量对其产生怎样的影响对控制热轧过程中MnS延展变形具有重要意义。
MnS夹杂和基体之间的变形差异可以用夹杂物相对塑性指数γ（也称相对变λ形指数）来表征[6]，即
γ=εi/εs （1）
式中：εi-MnS夹杂应变量；εs试样基体等效应变量。显然相对塑性指数γ（也称相对变形指数）越小，MnS夹杂（相对）越不容易变形。
εi=In（λ1/λ0）
式中：λ0、λ1-MnS夹杂变形前、后的长-短径比，λ0=1.657。
εs=3/2Inh=3/2In（h0/h1）
式中：h0、h1-基体变形前、后的厚度。
利用图像分析软件Image-groplus对TBPS热压缩样以及铸坯中共3682个MnS夹杂形态进行统计，将MnS夹杂长-短径比平均值和基本变形量相关数据代入上述公式，计算出各种压缩试验变形条件下MnS夹杂相对变形指数，结果见表2和图3。
表2 TBPS钢中MnS夹杂平均长-短径比（）和相对变形指数（γ）
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温度/℃
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ε=10%
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ε=30%
|
ε=50%
|
ε=70%
|
|
γ
|
γ
|
γ
|
γ
|
|
900
|
1.7880
|
0.4813
|
2.0205
|
0.3707
|
2.2664
|
0.3012
|
2.5878
|
0.2468
|
|
1000
|
1.8153
|
0.5774
|
1.9074
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0.2631
|
2.1625
|
0.2561
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2.3299
|
0.1887
|
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1100
|
1.8243
|
0.6085
|
1.9089
|
0.2645
|
2.1433
|
0.2475
|
2.4830
|
0.2240
|
|
1200
|
1.7016
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0.1680
|
1.8269
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0.1824
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2.0005
|
0.1812
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2.2880
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0.1787
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图3 变形量和温度对TBPS钢中MnS夹杂相对塑性指数的影响
试验结果可以看出，随着变形温度升高，MnS夹杂的相对变形指数γ基本呈减小趋势，特别是变形温度升高至1200℃时，MnS夹杂的相对变形指数γ达到最小。说明在高的变形温度下MnS相对的金属基体更不容易变形。这可能是由于金属化合物MnS和铁素体型金属固溶体基体属于不同的晶体结构体系，后者变形抗力随着温度升高而下降的速度要比前者快而造成的[7]。
当变形温度较低，在900℃，变形量越大，MnS相对变形指数γ越小；当变形温度较高，在1000，1100℃和10%小变形时，MnS相对变形指数γ较大，当变形温度为1200℃时，变形量对MnS相对变形指数 γ几乎没有影响。
在变形过程中，金属基体和夹杂物界面之间会产生摩擦力。随着变形量的增加，摩擦力变大，MnS就会在摩擦力的作用下沿着变形方向产生延展变形。另一方面，随着二者界面的增加，越来越多的金属基体倾向于绕过夹杂物流动变形，从而在一定程度上削弱了夹杂物的变形，结果表现为随着变形量增加，MnS夹杂物的相对指数减小。但当温度升高至1200℃，可能是MnS夹杂的变形抗力显著降低，二者界面间的稍许摩擦力就会使MnS夹杂产生延展变形指数γ几乎不受变形量的影响。
3 结论
（1）易切削不锈钢TBPS经热压缩模拟轧制变形后，MnS夹杂发生延展变形后，MnS夹杂发生延展变形。
（2）变形量对MnS夹杂相对变形指数γ具有显著影响。900~1100℃时，随着变形量的增加，MnS夹杂的相对变形指数γ变小；但当温度升高至1200℃后，MnS夹杂的相对变形指数γ与变形量的关系不大。
（3）随着变形温度升高，MnS夹杂的相对变形指数γ基本呈减小趋势，特别是当变形温度升高至1200℃时，MnS夹杂的相对变形指数γ达到最小。
（4）从降低MnS延展变形以获得良好地切削性能的角度考虑，以切削不锈钢TBPS宜采用高的变形温度和大的道次变形量进行热变形。
摘选自《特殊钢》2016年第2期
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