BN型易切削钢的冶炼工艺及其切削加工性

D0:10.13374/.issn1001-053x.2013.07.015 第35卷第7期 北京科技大学学报 Vol.35 No.7 2013年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2013 BN型易切削钢的冶炼工艺及其切削加工性 王毓男1,2)☒，包燕平2)，王敏2)，张乐辰2) 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:wangyunanl23@yeah.net 摘要对BN型易切削钢的治炼工艺与切削加工性进行了研究.通过实验室热态实验得到不同B、N元素含量的试样， 利用理论计算研究试样中主要夹杂物的析出规律，然后对BN夹杂物的形貌、尺寸及组成进行分析，最后对试样进行力 学性能测试及切削实验.结果发现在钢中添加B、N元素能够明显改善钢的切削性能，且不影响钢的力学性能 关键词易切削钢：炼钢：切削加工性：氮化硼：夹杂物 分类号TF741.7 Smelting process and machinability of BN-type free cutting steel WANG Yu-nan1,2)凶，BA0Yan-pimg2）,WANG Min2),ZHANG Le-chen2) 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:wangyunan123@yeah.net ABSTRACT This article studied the smelting process and machinability of BN-type free cutting steel.Samples with different B and N contents were prepared by cold crucible induction melting.The precipitation of main inclusions in sample was investigated by theoretical calculation.After that,the morphology,size and composition of BN type inclusions were analyzed.The mechanical test and machining test of the samples were carried out.It is found that adding B and N elements into steel can improve the machinability of the steel,but do not affect the mechanical properties. KEY WORDS free cutting steel;steelmaking:machinability:boron nitride;inclusions 易切削性是钢材非常重要的加工性能，机加工 的力学性能（特别是横向冲击韧性）显著降低，表面 成本有时会超过零部件制造总成本的40%，因此废品率和热脆性增大，热加工性能差同.铅系易切 人们极希望通过提高钢材的机加工性能来降低加工 削钢在治炼、加工、使用乃至回收利用各环节都存 成本②.同时，易切削钢也是非常重要的特殊钢 在不同程度的重金属污染问题6，尽管各钢厂也采 品种，广泛应用于汽车工业和机械切削加工行业. 取了一定的措施来解决铅中毒问题，但仍难满足越 在汽车用钢中，易切削钢的用量占用钢总量的第三 来越严格的环境污染标准.欧美日等发达国家已经 位，我国2011年汽车产量为1841.89万辆，位居 立法规定，从2006年开始严格控制铅系易切削钢 全球第一，易切削钢市场巨大，因此研究易切削钢 的使用领域7-).目前的易切削钢在改善钢的切削 和钢的切削性能具有非常重要的意义. 性能的同时恶化了钢的内部质量、污染了环境，因 目前国内外主要是通过在钢中添加易切削元 此研究新型、环境友好型的易切削钢迫在眉睫 素S和Pb等改善钢材的切削性能，硫系易切削 为了解决目前易切削钢的切削性能和钢内部 钢和铅系易切削钢是广泛使用的易切削钢种，其中 质量，以及与保护环境之间的矛盾，本文对一种新 硫系易切削钢占世界和我国易切削钢总产量的比例 型的环保型易切削钢—BN型易切削钢进行了探 分别为70%和90%4.硫系易切削钢中硫含量偏高， 索性研究，通过弥散分布在钢中的BN粒子改善钢 冶炼时会严重污染空气：而且高的硫含量会导致钢 的切削性能.BN(氮化硼)被称为白色石墨，具有和 收稿日期：2012-07-05

第 35 卷 第 7 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 7 2013 年 7 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul. 2013 BN 型易切削钢的冶炼工艺及其切削加工性 王毓男1,2) ，包燕平2)，王 敏2)，张乐辰2) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: wangyunan123@yeah.net 摘 要 对 BN 型易切削钢的冶炼工艺与切削加工性进行了研究. 通过实验室热态实验得到不同 B、N 元素含量的试样， 利用理论计算研究试样中主要夹杂物的析出规律，然后对 BN 夹杂物的形貌、尺寸及组成进行分析，最后对试样进行力 学性能测试及切削实验. 结果发现在钢中添加 B、N 元素能够明显改善钢的切削性能，且不影响钢的力学性能. 关键词 易切削钢；炼钢；切削加工性；氮化硼；夹杂物 分类号 TF741.7 Smelting process and machinability of BN-type free cutting steel WANG Yu-nan 1,2) , BAO Yan-ping 2), WANG Min 2), ZHANG Le-chen 2) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China Corresponding author, E-mail: wangyunan123@yeah.net ABSTRACT This article studied the smelting process and machinability of BN-type free cutting steel. Samples with different B and N contents were prepared by cold crucible induction melting. The precipitation of main inclusions in sample was investigated by theoretical calculation. After that, the morphology, size and composition of BN type inclusions were analyzed. The mechanical test and machining test of the samples were carried out. It is found that adding B and N elements into steel can improve the machinability of the steel, but do not affect the mechanical properties. KEY WORDS free cutting steel; steelmaking; machinability; boron nitride; inclusions 易切削性是钢材非常重要的加工性能，机加工 成本有时会超过零部件制造总成本的 40%[1]，因此 人们极希望通过提高钢材的机加工性能来降低加工 成本 [2] . 同时，易切削钢也是非常重要的特殊钢 品种，广泛应用于汽车工业和机械切削加工行业. 在汽车用钢中，易切削钢的用量占用钢总量的第三 位[3]，我国 2011 年汽车产量为 1841.89 万辆，位居 全球第一，易切削钢市场巨大，因此研究易切削钢 和钢的切削性能具有非常重要的意义. 目前国内外主要是通过在钢中添加易切削元 素 S 和 Pb 等改善钢材的切削性能，硫系易切削 钢和铅系易切削钢是广泛使用的易切削钢种，其中 硫系易切削钢占世界和我国易切削钢总产量的比例 分别为 70%和 90%[4] . 硫系易切削钢中硫含量偏高， 冶炼时会严重污染空气；而且高的硫含量会导致钢 的力学性能 (特别是横向冲击韧性) 显著降低，表面 废品率和热脆性增大，热加工性能差[5] . 铅系易切 削钢在冶炼、加工、使用乃至回收利用各环节都存 在不同程度的重金属污染问题[6]，尽管各钢厂也采 取了一定的措施来解决铅中毒问题，但仍难满足越 来越严格的环境污染标准. 欧美日等发达国家已经 立法规定，从 2006 年开始严格控制铅系易切削钢 的使用领域[7−9] . 目前的易切削钢在改善钢的切削 性能的同时恶化了钢的内部质量、污染了环境，因 此研究新型、环境友好型的易切削钢迫在眉睫. 为了解决目前易切削钢的切削性能和钢内部 质量，以及与保护环境之间的矛盾，本文对一种新 型的环保型易切削钢 ——BN 型易切削钢进行了探 索性研究，通过弥散分布在钢中的 BN 粒子改善钢 的切削性能. BN(氮化硼) 被称为白色石墨，具有和 收稿日期：2012–07–05 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.015

·870 北京科技大学学报 第35卷 石墨一样的六方晶体结构，其摩擦因数为020.3， 铁，1mi血后取圆饼样，然后出钢，钢水浇注到中170 略高于石墨的摩擦因数(0.050.19)，与云母、滑石 mm的钢模中.将钢锭在马弗炉中升温至1150℃， 粉、硅酸盐、脂肪酸等统称为白色固体润滑剂0， 保温一段时间后，将其锻成中80mm的圆锭，最后 具有在钢中起到润滑作用、改善钢的切削性能的可 在空气中冷却至室温备用.对圆锭进行线切割，取 能.同时BN粒子在加入钢中的过程中不但不污染 出金相试样.将金相试样打磨、抛光后用扫描电镜 环境，在钢中还可以起到改善钢的力学性能的作用. 结合能谱仪(zeiss ultra55)观察夹杂物的成分与形 因此如果采用BN作为钢中易切削粒子，就可以解 貌.同时，采用FactSage热力学软件计算热力学平 决传统易切削钢中改善切削性能和恶化钢的力学性 衡状态下不同B和N含量时，钢中夹杂物的析出 能，以及污染环境之间的矛盾.20世纪90年代，就 过程，分析各种夹杂物大量析出的温度及在钢中的 有关于使用BN润滑效果的研究川，在钢中添加 析出顺序，为实验提供理论基础及验证 BN来提高其可削性，但其切削效果并不稳定，未 1.2力学性能测试 取得预期效果，然而在实验中却发现在工具与被切 力学性能试样测试段中6mm×35mm,两端夹 削材料间产生了以AN为主要成分的非氧化物系 持部分为M12的螺柱，试样总长80mm.利用洛氏 保护膜.近年来Tanaka等12-17对采用BN改善钢 硬度试验测试试样硬度 材的易切削性能进行了探索，研究了不同B、N含 1.3切削实验 量下钢材的切削性能：但从文献看，未对生产工艺、 将中80mm的锻坯车削成中50mm×300mm的 钢中夹杂物及力学性能等进行研究.目前，国内还 圆棒，然后在CA6140A型普通车床上进行切削实 未见到对BN型易切削钢进行开发研究的报道.因 验.车刀选用YT-15硬质合金刀具，将锻坯车削 此，本文以未添加S的YF40MnV钢为基础钢，研 成φ22mm×300mm的圆棒.切削实验参数：背吃 究了BN粒子对钢材的切削和力学性能的影响. 刀量ap=0.2mm,进给量f=0.1mmr-1，切削速 度v=800rmin-1,干式切削.刀具几何角度：前角 1 实验方法 =15°，后角a=5°，主偏角=45°，刃倾角入=2°， 1.1冶炼实验 刀尖圆弧半径r=0.5mm.采用XTZ-E型读数显微 实验采用700kg非真空感应炉进行配料冶 镜观察并测量后刀面的磨损情况 炼YF4OMnV-BN钢，实验中以BN替代S起 到易切削作用.实验材料为Q345钢、硼铁、氯 2实验结果及讨论 化锰铁、钒铁和硅钙合金.实验采用“Q345钢 2.1冶炼实验结果 +合金”的治炼方法.实验开始时加入6O0kg 冶炼实验得到的BN试样(BNI~BN3)和对比 的Q345钢，其主要化学成分（质量分数，%） 试样(YF40MnV-4)的成分以及YF4OMnV国家标 为：C,0.18:Si,0.33:Mn:0.07:P:0.024:S:0.012. 准成分如表1所示.BN试样中S元素含量低于 升温到1600℃，恒温10min,钢液熔清后，加入 GB/T15712一1995国标，其降低值采用B和N元 碳化稻壳覆盖液面保温，减少氧化.通过加入氨化 素替代，以起到易切削作用：对比试样(YF40MnV- 锰铁和钒铁配制合金钢成分，加入硅钙合金脱氧， 4)中S含量与BN试样相近，但B和N元素含量 之后取圆饼样（测定成分），待成分合适后，加入硼 较低，用作对比. 表1BN试样、YF40MnV对比试样及国家标准试样(GB/T15712一1995)化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of BN sample,contrast and national standard (GB/T15712-1995)of YF40MnV samples 试样号 Si Mn P Al Als Cr Cu O Sn B N BN1 0.41 0.39 1.48 0.027 0.012 0.0310.0270.120.050.00400.0040.0250.0310 0.089 BN2 0.43 0.47 1.46 0.024 0.011 0.0390.0330.110.040.00590.0040.0170.02700.087 BN3 0.43 0.33 1.52 0.025 0.012 0.0270.0250.110.050.00230.0040.0350.03190.090 YF40MnV-4 0.40 0.33 1.42 0.024 0.013 0.0310.0250.120.050.00850.005-0.00760.096 GB/T15712-19950.370.440.300.601.001.50≤0.0350.0350.075 nnnnnnnn0.060.13 注：“一”代表未加入，n代表未规定 2.2理论计算结果及讨论 下，试样BN1~BN3中各主要夹杂物的析出温度 为了研究理想条件下，各种夹杂物在BN钢 及最终析出量（假设钢液为100g),结果如图1 中的析出规律，利用FactSage计算出理想条件 所示，试样中BN夹杂物的析出量及析出温度在

· 870 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 石墨一样的六方晶体结构，其摩擦因数为 0.2∼0.3， 略高于石墨的摩擦因数 (0.05∼0.19)，与云母、滑石 粉、硅酸盐、脂肪酸等统称为白色固体润滑剂[10]， 具有在钢中起到润滑作用、改善钢的切削性能的可 能. 同时 BN 粒子在加入钢中的过程中不但不污染 环境，在钢中还可以起到改善钢的力学性能的作用. 因此如果采用 BN 作为钢中易切削粒子，就可以解 决传统易切削钢中改善切削性能和恶化钢的力学性 能，以及污染环境之间的矛盾. 20 世纪 90 年代，就 有关于使用 BN 润滑效果的研究[11]，在钢中添加 BN 来提高其可削性，但其切削效果并不稳定，未 取得预期效果，然而在实验中却发现在工具与被切 削材料间产生了以 AlN 为主要成分的非氧化物系 保护膜. 近年来 Tanaka 等[12−17] 对采用 BN 改善钢 材的易切削性能进行了探索，研究了不同 B、N 含 量下钢材的切削性能；但从文献看，未对生产工艺、 钢中夹杂物及力学性能等进行研究. 目前，国内还 未见到对 BN 型易切削钢进行开发研究的报道. 因 此，本文以未添加 S 的 YF40MnV 钢为基础钢，研 究了 BN 粒子对钢材的切削和力学性能的影响. 1 实验方法 1.1 冶炼实验 实验采用 700 kg 非真空感应炉进行配料冶 炼 YF40MnV-BN 钢， 实验中以 BN 替代 S 起 到易切削作用. 实验材料为 Q345 钢、硼铁、氮 化锰铁、 钒铁和硅钙合金. 实验采用 “Q345 钢 + 合金” 的冶炼方法. 实验开始时加入 600 kg 的 Q345 钢， 其主要化学成分 (质量分数， %) 为：C，0.18；Si，0.33；Mn：0.07；P：0.024；S：0.012. 升温到 1600 ℃，恒温 10 min，钢液熔清后，加入 碳化稻壳覆盖液面保温，减少氧化. 通过加入氮化 锰铁和钒铁配制合金钢成分，加入硅钙合金脱氧， 之后取圆饼样 (测定成分)，待成分合适后，加入硼 铁，1 min 后取圆饼样，然后出钢，钢水浇注到 φ170 mm 的钢模中. 将钢锭在马弗炉中升温至 1150 ℃， 保温一段时间后，将其锻成 φ80 mm 的圆锭，最后 在空气中冷却至室温备用. 对圆锭进行线切割，取 出金相试样. 将金相试样打磨、抛光后用扫描电镜 结合能谱仪 (zeiss ultra55) 观察夹杂物的成分与形 貌. 同时，采用 FactSage 热力学软件计算热力学平 衡状态下不同 B 和 N 含量时，钢中夹杂物的析出 过程，分析各种夹杂物大量析出的温度及在钢中的 析出顺序，为实验提供理论基础及验证. 1.2 力学性能测试 力学性能试样测试段 φ6 mm×35 mm，两端夹 持部分为 M12 的螺柱，试样总长 80 mm. 利用洛氏 硬度试验测试试样硬度. 1.3 切削实验 将 φ80 mm 的锻坯车削成 φ50 mm×300 mm 的 圆棒，然后在 CA6140A 型普通车床上进行切削实 验. 车刀选用 YT-15 硬质合金刀具，将锻坯车削 成 φ22 mm×300 mm 的圆棒. 切削实验参数：背吃 刀量 αp=0.2 mm，进给量 f=0.1 mm·r −1，切削速 度 υ=800 r·min−1，干式切削. 刀具几何角度：前角 γ=15◦，后角 α=5◦，主偏角 κ=45◦，刃倾角 λ=2◦， 刀尖圆弧半径 r=0.5 mm. 采用 XTZ-E 型读数显微 镜观察并测量后刀面的磨损情况. 2 实验结果及讨论 2.1 冶炼实验结果 冶炼实验得到的 BN 试样 (BN1∼BN3) 和对比 试样 (YF40MnV-4) 的成分以及 YF40MnV 国家标 准成分如表 1 所示. BN 试样中 S 元素含量低于 GB/T15712—1995 国标，其降低值采用 B 和 N 元 素替代，以起到易切削作用；对比试样 (YF40MnV- 4) 中 S 含量与 BN 试样相近，但 B 和 N 元素含量 较低，用作对比. 表 1 BN 试样、YF40MnV 对比试样及国家标准试样 (GB/T15712—1995) 化学成分 (质量分数) Table 1 Chemical composition of BN sample, contrast and national standard (GB/T15712—1995) of YF40MnV samples % 试样号 C Si Mn P S Al Als Cr Cu O Sn B N V BN1 0.41 0.39 1.48 0.027 0.012 0.031 0.027 0.12 0.05 0.0040 0.004 0.025 0.0310 0.089 BN2 0.43 0.47 1.46 0.024 0.011 0.039 0.033 0.11 0.04 0.0059 0.004 0.017 0.0270 0.087 BN3 0.43 0.33 1.52 0.025 0.012 0.027 0.025 0.11 0.05 0.0023 0.004 0.035 0.0319 0.090 YF40MnV-4 0.40 0.33 1.42 0.024 0.013 0.031 0.025 0.12 0.05 0.0085 0.005 — 0.0076 0.096 GB/T15712—1995 0.37∼0.44 0.30∼0.60 1.00∼1.50 6 0.035 0.035∼0.075 n n n n n n n n 0.06∼0.13 注：“—” 代表未加入，n 代表未规定. 2.2 理论计算结果及讨论 为了研究理想条件下，各种夹杂物在 BN 钢 中的析出规律， 利用 FactSage 计算出理想条件 下，试样 BN1∼BN3 中各主要夹杂物的析出温度 及最终析出量 (假设钢液为 100 g)， 结果如图 1 所示，试样中 BN 夹杂物的析出量及析出温度在

第7期 王毓男等：BN型易切削钢的冶炼工艺及其切削加工性 871· 表2中列出.通过图1及表2可以看出，在试 析出量决定于B和N反应的限制性元素含量，随 样BNI~BN3成分条件下，主要夹杂物的析出次序 着限制性元素含量的增大而增大.FactSage软件计 为Al2O3>BN>MnS>AIN.其中Al2O3在液相中析 算得出不同BN试样中BN夹杂物的最终析出量均 出，BN、MS和AIN在凝固过程中析出.由于Al 小于0.1g(假设钢液为100g),即其质量分数小于 与N反应顺序在B元素之后，AN析出被B元素 0.1%,与硫系易切削钢中MnS含量相比较小，以切 抑制，故试样中AI含量不影响BN的析出，前人 削性能为主的硫及硫复合易切削钢中硫的质量分数 研究8-1也证实了这一点.BN夹杂物的开始析 一般在0.20%0.40%之间，最高可达0.6%，以力学 出温度是由钢中B和N含量决定的，随着钢中B 性能为主、切削性能为辅的易切削钢中硫的质量分 和N含量的增大而升高.在不同B和N含量范围 数0.04%0.07%及0.08%0.13%之间问.BN夹杂物 内，试样中BN大量析出的温度在1390~1440℃范 尺寸相对MnS夹杂物较小，因此在较小的质量分 围内，因此若要通过热处理实验影响BN夹杂物的 数条件下，其在钢中分布的弥散度不低于MS夹 析出，其温度宜选择在此范围内.BN夹杂物的最终 杂物，添加在钢中其易切削性能得以保证 (a) (b) 0.06 BN(s) 0.06 0 0.04 0.04 BN(s) MnS(s) MnS(s) 0.02 0.02 ALO(s) ALO(s) AIN(S 0.00 0.00 8001000 120014001600 18002000 800100012001400160018002000 温度/℃ 温度/℃ 0.06 BN(s) (c) 00.04 MnS(s) ALOa(s) 0.00L 8001000 12001400160018002000 温度/℃ 图1试样主要夹杂物析出温度和最终析出量.(a)BN1:(b)BN2:(c)BN3 Fig.1 Precipitation temperature and final precipitation amount of main inclusions in samples:(a)BN1;(b)BN2;(c)BN3 表2试样BN最终析出量及析出温度 DN=7.8×10-7exp(-79100/RT), (2) Table 2 Precipitation temperature and final precipitation DA=5.9×10-4exp(-241000/RT). (3) amount of BN type inclusions in samples BN夹杂物 式中：D为扩散系数，m2s-1:R为理想气体常 试样 最终析出量/mg 开始析出温度/℃ 数，Jmo-1K-1；T为热力学温度，K. BN1 54.9 1430 通过上式计算可得，在温度为1400℃条件 BN2 39.0 1420 BN3 56.7 1440 下，B、N和A1的扩散系数分别为2.83×10-8、2.65× 10-9和1.76×10-11m2.s-1.由此可知在1400℃ 从动力学角度分析，B、N和A1元素在钢中的 时，B元素在钢中的扩散系数比N元素高一个数量 扩散系数D可近似由以下三式表示20-21： 级，远远高于A1元素.因此在钢中B和N浓度差 DB=(2.0±0.8)×10-7exp2.7±0.10)×102/RT], 距不大的条件下，BN的成长是由B的扩散所决定 (1) 的.由于B元素扩散系数远远高于A1元素，在试

第 7 期 王毓男等：BN 型易切削钢的冶炼工艺及其切削加工性 871 ·· 表 2 中列出. 通过图 1 及表 2 可以看出， 在试 样 BN1∼BN3 成分条件下，主要夹杂物的析出次序 为 Al2O3>BN>MnS>AlN. 其中 Al2O3 在液相中析 出，BN、MnS 和 AlN 在凝固过程中析出. 由于 Al 与 N 反应顺序在 B 元素之后，AlN 析出被 B 元素 抑制，故试样中 Al 含量不影响 BN 的析出，前人 研究[18−19] 也证实了这一点. BN 夹杂物的开始析 出温度是由钢中 B 和 N 含量决定的，随着钢中 B 和 N 含量的增大而升高. 在不同 B 和 N 含量范围 内，试样中 BN 大量析出的温度在 1390∼1440 ℃范 围内，因此若要通过热处理实验影响 BN 夹杂物的 析出，其温度宜选择在此范围内. BN 夹杂物的最终 析出量决定于 B 和 N 反应的限制性元素含量，随 着限制性元素含量的增大而增大. FactSage 软件计 算得出不同 BN 试样中 BN 夹杂物的最终析出量均 小于 0.1 g (假设钢液为 100 g)，即其质量分数小于 0.1%，与硫系易切削钢中 MnS 含量相比较小，以切 削性能为主的硫及硫复合易切削钢中硫的质量分数 一般在 0.20%∼0.40%之间，最高可达 0.6%，以力学 性能为主、切削性能为辅的易切削钢中硫的质量分 数 0.04%∼0.07%及 0.08%∼0.13%之间[7]. BN 夹杂物 尺寸相对 MnS 夹杂物较小，因此在较小的质量分 数条件下，其在钢中分布的弥散度不低于 MnS 夹 杂物，添加在钢中其易切削性能得以保证. 图 1 试样主要夹杂物析出温度和最终析出量. (a) BN1; (b) BN2; (c) BN3 Fig.1 Precipitation temperature and final precipitation amount of main inclusions in samples: (a) BN1; (b) BN2; (c) BN3 表 2 试样 BN 最终析出量及析出温度 Table 2 Precipitation temperature and final precipitation amount of BN type inclusions in samples 试样 BN 夹杂物 最终析出量/mg 开始析出温度/℃ BN1 54.9 1430 BN2 39.0 1420 BN3 56.7 1440 从动力学角度分析，B、N 和 Al 元素在钢中的 扩散系数 D 可近似由以下三式表示[20−21]： DB = (2.0 ± 0.8) × 10−7 exp[−(2.7 ± 0.10) × 104 /RT], (1) DN = 7.8 × 10−7 exp(−79100/RT), (2) DAl = 5.9 × 10−4 exp(−241000/RT). (3) 式中：D 为扩散系数，m2 ·s −1；R 为理想气体常 数，J·mol−1 K−1；T 为热力学温度，K. 通过上式计算可得， 在温度为 1400 ℃条件 下，B、N 和 Al 的扩散系数分别为 2.83×10−8、2.65× 10−9 和 1.76×10−11 m2 ·s −1 . 由此可知在 1400 ℃ 时，B 元素在钢中的扩散系数比 N 元素高一个数量 级，远远高于 Al 元素. 因此在钢中 B 和 N 浓度差 距不大的条件下，BN 的成长是由 B 的扩散所决定 的. 由于 B 元素扩散系数远远高于 Al 元素，在试

,872 北京科技大学学报 第35卷 样中B元素优先与N元素结合析出BN粒子，严 所示为BN与A12O3复合夹杂物.由于Al2O3在液 重抑制AN的析出，本实验冶炼试样中未发现AN 相中析出，当BN在凝固过程中析出时常以A2O3 夹杂物.在实际生产中，微合金元素B可以在高温 为形核核心.图2(d)所示为BN、MnS与Al2O3复 奥氏体中优先与自由N结合形成粗大BN颗粒，且 合夹杂物.BN、MnS共同以Al2O3为形核核心.钢 当MnS存在时，晶内BN的析出优先于晶界，因此 中氧化物质点如A12O3、SiO2等对刀具起磨料磨损 BN常与MS复合析出22-23].本实验冶炼试样中 作用，将严重降低刀具寿命24，BN可以在A2O3 BN经常与Al2O3和MnS复合析出. 周围形成包表，在切削时避免刀具与A2O3硬质点 2.3钢中典型BN夹杂物形貌 直接接触，从而减轻超硬夹杂物质点的磨损，使钢 锻造处理前BNI~BN3试样中典型BN夹杂物 的可切削性得到改善. 形貌如图2所示.从图2可以看出，BN1~BN3试样 由于BN具有与石墨相似的六方结构，其硬度 中主要有单独BN夹杂物和与Al2O3、MnS等复合 与石墨相当.将试样锻造处理后，试样BN1~BN3 的BN夹杂物，试样中BN夹杂物尺寸大约为5~10 中BN夹杂物的形态发生了明显的变化，如图3所 um.锻造处理前试样中单独BN夹杂物一般为球 示.由图3(a)可以看到，由于BN夹杂物质地较软， 形，复合BN夹杂物形状多变，主要有球形，不规 经锻造后，变形行为严重，沿锻造方向变为长条状， 则多边形和块状.图2(a)所示为单独BN夹杂物，图 其尺寸为50100m.由图3(b)和3(d)可以看到， 2(b)所示为BN与MnS复合夹杂物.BN与MnS均 由于MS夹杂物塑性较好，经锻造后其形态也发 在凝固末端析出，其析出温度相差很小，因此两者 生变化.由图3(c)和(d)可以看到，A2O3夹杂物 复合析出时，不存在任意一方为形核核心.图2(c) 在热加工条件下不变形 (b] (d) nS 10m 10m 10m 10m 图2锻造处理前试样BN1~BN3中典型BN夹杂物形貌.(a)单独BN夹杂物：(b)与MnS复合的BN夹杂物：(c)与Al2O3复 合的BN夹杂物：(d)与Al2O3、MnS复合析出的BN夹杂物 Fig.2 Morphology of typical BN type inclusions in samples BN1,BN2 and BN3 before forging processing:(a)single BN type inclusions;(b)composite BN type inclusions(with MnS);(c)composite BN type inclusions(with Al2O3);(d)composite BN type inclusions (with Al2Og and MnS) a (b) (d) MnS BN BN BN A10 10m 10m 10μm 10m 图3锻造处理后试样BN1BN3中典型BN夹杂物形貌.(a)单独BN夹杂物：(b)与MnS复合的BN夹杂物：(c)与Al2Os复 合的BN夹杂物：(d)与Al2O3、MnS复合析出的BN夹杂物 Fig.3 Morphology of typical BN type inclusions in samples BN1,BN2 and BN3 after forging processing:(a)single BN type inclusions;(b)composite BN type inclusions(with MnS):(c)composite BN type inclusions(with Al2Os);(d)composite BN type inclusions (with Al203 and MnS) 2.4力学性能测试结果 2.5切削实验结果与分析 从BN1~BN3试样中选取BN2试样与对比试 在相同切削条件下（切削时间和长度相同）将 样(YF40MnV-4)的力学性能进行比较，结果如表3 实验钢切削后，测量刀具后刀面平均磨损宽度以及 所示.由表3可知，钢中添加BN后，对其力学性 观察实验材料的切屑形态来评价易切削钢的切削性 能没有损害. 能，采用四次平行实验并取其平均值.试样BN2和

· 872 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 样中 B 元素优先与 N 元素结合析出 BN 粒子，严 重抑制 AlN 的析出，本实验冶炼试样中未发现 AlN 夹杂物. 在实际生产中，微合金元素 B 可以在高温 奥氏体中优先与自由 N 结合形成粗大 BN 颗粒，且 当 MnS 存在时，晶内 BN 的析出优先于晶界，因此 BN 常与 MnS 复合析出[22−23] . 本实验冶炼试样中 BN 经常与 Al2O3 和 MnS 复合析出. 2.3 钢中典型 BN 夹杂物形貌 锻造处理前 BN1∼BN3 试样中典型 BN 夹杂物 形貌如图 2 所示. 从图 2 可以看出，BN1∼BN3 试样 中主要有单独 BN 夹杂物和与 Al2O3、MnS 等复合 的 BN 夹杂物，试样中 BN 夹杂物尺寸大约为 5∼10 µm. 锻造处理前试样中单独 BN 夹杂物一般为球 形，复合 BN 夹杂物形状多变，主要有球形，不规 则多边形和块状. 图 2(a) 所示为单独 BN 夹杂物，图 2(b) 所示为 BN 与 MnS 复合夹杂物. BN 与 MnS 均 在凝固末端析出，其析出温度相差很小，因此两者 复合析出时，不存在任意一方为形核核心. 图 2(c) 所示为 BN 与 Al2O3 复合夹杂物. 由于 Al2O3 在液 相中析出，当 BN 在凝固过程中析出时常以 Al2O3 为形核核心. 图 2(d) 所示为 BN、MnS 与 Al2O3 复 合夹杂物. BN、MnS 共同以 Al2O3 为形核核心. 钢 中氧化物质点如 Al2O3、SiO2 等对刀具起磨料磨损 作用，将严重降低刀具寿命[24]，BN 可以在 Al2O3 周围形成包裹，在切削时避免刀具与 Al2O3 硬质点 直接接触，从而减轻超硬夹杂物质点的磨损，使钢 的可切削性得到改善. 由于 BN 具有与石墨相似的六方结构，其硬度 与石墨相当. 将试样锻造处理后，试样 BN1∼BN3 中 BN 夹杂物的形态发生了明显的变化，如图 3 所 示. 由图 3(a) 可以看到，由于 BN 夹杂物质地较软， 经锻造后，变形行为严重，沿锻造方向变为长条状， 其尺寸为 50∼100 µm. 由图 3(b) 和 3(d) 可以看到， 由于 MnS 夹杂物塑性较好，经锻造后其形态也发 生变化. 由图 3(c) 和 (d) 可以看到，Al2O3 夹杂物 在热加工条件下不变形. 图 2 锻造处理前试样 BN1∼BN3 中典型 BN 夹杂物形貌. (a) 单独 BN 夹杂物；(b) 与 MnS 复合的 BN 夹杂物；(c) 与 Al2O3 复 合的 BN 夹杂物；(d) 与 Al2O3、MnS 复合析出的 BN 夹杂物 Fig.2 Morphology of typical BN type inclusions in samples BN1, BN2 and BN3 before forging processing: (a) single BN type inclusions; (b) composite BN type inclusions (with MnS); (c) composite BN type inclusions (with Al2O3); (d) composite BN type inclusions (with Al2O3 and MnS) 图 3 锻造处理后试样 BN1∼BN3 中典型 BN 夹杂物形貌. (a) 单独 BN 夹杂物；(b) 与 MnS 复合的 BN 夹杂物；(c) 与 Al2O3 复 合的 BN 夹杂物；(d) 与 Al2O3、MnS 复合析出的 BN 夹杂物 Fig.3 Morphology of typical BN type inclusions in samples BN1, BN2 and BN3 after forging processing: (a) single BN type inclusions; (b) composite BN type inclusions (with MnS); (c) composite BN type inclusions (with Al2O3); (d) composite BN type inclusions (with Al2O3 and MnS) 2.4 力学性能测试结果 从 BN1∼BN3 试样中选取 BN2 试样与对比试 样 (YF40MnV-4) 的力学性能进行比较，结果如表 3 所示. 由表 3 可知，钢中添加 BN 后，对其力学性 能没有损害. 2.5 切削实验结果与分析 在相同切削条件下 (切削时间和长度相同) 将 实验钢切削后，测量刀具后刀面平均磨损宽度以及 观察实验材料的切屑形态来评价易切削钢的切削性 能，采用四次平行实验并取其平均值. 试样 BN2 和

第7期 王毓男等：BN型易切削钢的冶炼工艺及其切削加工性 ,873· YF4OMV-4切削后的刀具后刀面磨损宽度及其平件下，切削添加BN钢的刀具后刀面平均磨损宽度 均值如表4所示.由表4中数据可知，相同切削条 为0.035mm,远小于切削未添加BN钢的刀具，表 表3BN2试样与YF40MnV-4试样力学性能对比 Table 3 Comparison of mechanical properties between sample BN2 and sample YF40MnV-4 试样 抗拉强度，Rm/MPa 伸长率，A/% 断面收缩率，Z/% 洛氏硬度，HRC BN2 852 13.5 23.0 YF40MnV-4 821 9.0 13 21.5 明在钢中添加BN可以明显改善钢的切削性能.如 一定的治炼条件下，可以在A12O3等周围形成包 前所述，BN改善钢的切削性能的机理主要可以归 裹，将这些高熔点夹杂物包裹起来，在切削时避免 纳为如下几个方面：(1)润滑作用.由BN的摩擦 刀具与A12O3等硬质点直接接触，从而减轻超硬 因数及与石墨对比可知，BN添加在钢中可减轻刀 夹杂物质点的磨损，这样就可使钢的可切削性得到 具与切屑的外摩擦，降低刀具的磨损.（②）应力集 改善。 中源的作用.BN粒子与基体相比强度很低，质地 很软，因此可以近似地把BN粒子看成是裂缝或孔 表4切削试样后刀其后刀面磨损宽度及其平均值 洞.BN粒子破坏了基体的连续性，由于质软而起 Table 4 Flank wear widths of tools after cutting samples 着内部缺口作用，引起应力集中并改变BN粒子缺 and their average value 口前沿附近基体的应力状态，从而使切屑易断.(3) 试样 后刀面磨损宽度/mm 平均值/mm BN2 0.05,0.03.0.03,0.03 0.0350 覆盖膜的作用.切削BN型易切削钢时，在工具磨 YF40MnV-4 0.12,0.08,0.11,0.08 0.0975 损面生成附着以AN为主要成分的非氧化物系保 护膜一“Belag”.AlN同作为镀覆工具的被覆膜 图4是加工后的试样BN2易切削钢试样 所用的TC或氧化铝相比，是一种较柔软的氨化 和YF40MnV-4试样的切屑照片.由图片可以看 物，它对防止扩散反应效果非常出色.同时，“Belag” 出，BN2易切削钢试样切屑主要为短小的C型屑， 也有减摩作用，降低切削力.（④）包裹作用.钢中 含有少量长紧螺卷屑，而YF40MnV-4试样切屑主 有些硬度很高的质点，特别是A12O3等对刀具起 要为长紧螺卷屑，说明切削BN2试样时刀具的断 磨料磨损作用，将严重降低刀具寿命.BN粒子在 屑性能较好 (b) 图4加工后试样BN2(a)及YF40MnV-4(b)的切屑照片 Fig.4 Photos of chips from BN2 (a)and YF40MnV-4(b)after processing 3结论 由B元素扩散所决定的.B元素与N结合析出顺 (1)理论计算表明，BN夹杂物的析出量及开始 序在A1元素之前，且B元素扩散系数远远高于A1 析出温度与试样中B和N元素的含量成正比.本 元素，故AN在钢中的析出严重被BN抑制. 文试样成分条件下A12O3最先析出，其次为BN和 (2)BN夹杂物在钢中常与MnS和Al2Og复合 MnS,AlN最后析出.试样中BN夹杂物在钢液凝 析出，与A1203复合析出时以Al2O3为核心，与 固过程中析出，其开始析出温度最高为1440℃.在 MnS复合析出时无核心.BN夹杂物经锻造易变形 钢中B和N浓度差距不大的条件下，BN的成长是 为长条状，MnS也易受热加工变形，Al2O3受热加

第 7 期 王毓男等：BN 型易切削钢的冶炼工艺及其切削加工性 873 ·· YF40MnV-4 切削后的刀具后刀面磨损宽度及其平 均值如表 4 所示. 由表 4 中数据可知，相同切削条 件下，切削添加 BN 钢的刀具后刀面平均磨损宽度 为 0.035 mm，远小于切削未添加 BN 钢的刀具，表 表 3 BN2 试样与 YF40MnV-4 试样力学性能对比 Table 3 Comparison of mechanical properties between sample BN2 and sample YF40MnV-4 试样 抗拉强度, Rm/MPa 伸长率, A/% 断面收缩率, Z/% 洛氏硬度, HRC BN2 852 13.5 2 23.0 YF40MnV-4 821 9.0 13 21.5 明在钢中添加 BN 可以明显改善钢的切削性能. 如 前所述，BN 改善钢的切削性能的机理主要可以归 纳为如下几个方面：(1) 润滑作用. 由 BN 的摩擦 因数及与石墨对比可知，BN 添加在钢中可减轻刀 具与切屑的外摩擦，降低刀具的磨损. (2) 应力集 中源的作用. BN 粒子与基体相比强度很低，质地 很软，因此可以近似地把 BN 粒子看成是裂缝或孔 洞. BN 粒子破坏了基体的连续性，由于质软而起 着内部缺口作用，引起应力集中并改变 BN 粒子缺 口前沿附近基体的应力状态，从而使切屑易断. (3) 覆盖膜的作用. 切削 BN 型易切削钢时，在工具磨 损面生成附着以 AlN 为主要成分的非氧化物系保 护膜 ——“Belag”. AlN 同作为镀覆工具的被覆膜 所用的 TiC 或氧化铝相比，是一种较柔软的氮化 物，它对防止扩散反应效果非常出色. 同时，“Belag” 也有减摩作用，降低切削力. (4) 包裹作用. 钢中 有些硬度很高的质点，特别是 Al2O3 等对刀具起 磨料磨损作用，将严重降低刀具寿命. BN 粒子在 一定的冶炼条件下，可以在 Al2O3 等周围形成包 裹，将这些高熔点夹杂物包裹起来，在切削时避免 刀具与 Al2O3 等硬质点直接接触，从而减轻超硬 夹杂物质点的磨损，这样就可使钢的可切削性得到 改善. 表 4 切削试样后刀具后刀面磨损宽度及其平均值 Table 4 Flank wear widths of tools after cutting samples and their average value 试样 后刀面磨损宽度/mm 平均值/mm BN2 0.05, 0.03, 0.03, 0.03 0.0350 YF40MnV-4 0.12, 0.08, 0.11, 0.08 0.0975 图 4 是加工后的试样 BN2 易切削钢试样 和 YF40MnV-4 试样的切屑照片. 由图片可以看 出，BN2 易切削钢试样切屑主要为短小的 C 型屑， 含有少量长紧螺卷屑，而 YF40MnV-4 试样切屑主 要为长紧螺卷屑，说明切削 BN2 试样时刀具的断 屑性能较好. 图 4 加工后试样 BN2 (a) 及 YF40MnV-4 (b) 的切屑照片 Fig.4 Photos of chips from BN2 (a) and YF40MnV-4 (b) after processing 3 结论 (1) 理论计算表明，BN 夹杂物的析出量及开始 析出温度与试样中 B 和 N 元素的含量成正比. 本 文试样成分条件下 Al2O3 最先析出，其次为 BN 和 MnS，AlN 最后析出. 试样中 BN 夹杂物在钢液凝 固过程中析出，其开始析出温度最高为 1440 ℃. 在 钢中 B 和 N 浓度差距不大的条件下，BN 的成长是 由 B 元素扩散所决定的. B 元素与 N 结合析出顺 序在 Al 元素之前，且 B 元素扩散系数远远高于 Al 元素，故 AlN 在钢中的析出严重被 BN 抑制. (2) BN 夹杂物在钢中常与 MnS 和 Al2O3 复合 析出，与 Al2O3 复合析出时以 Al2O3 为核心，与 MnS 复合析出时无核心. BN 夹杂物经锻造易变形 为长条状，MnS 也易受热加工变形，Al2O3 受热加