D0I:10.13374/i.issnl00113.2009.12.020 第31卷第12期 北京科技大学学报 Vol.31 No.12 2009年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2009 低碳高硫含锡锑复合易切削钢 陈列)涂生)陈伟庆) 李联生)陆巧彤) 王庆贤) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1000832)青岛钢铁公司技术中心，青岛266043 摘要对复合添加少量S和Sb或Sn和Bi的低碳高硫易切削钢做了切削和高温热塑性实验.结果表明：试样在长时间的 高速切削条件下刀具后刀面磨损很小，其易切削性能明显优于SAE1215钢.含Sn和Sb的钢样在750~950℃温度范围内塑 性较差，在1050~1300℃范围内具有良好的塑性.扫描电镜及能谱分析表明：钢中Sn和Sb元素在晶界、MS夹杂物内及 MS边界处均存在；大部分的Bi元素附着在MnS夹杂物上，一部分弥散分布在钢的基体中；钢中MnS夹杂主要呈球状和纺 锤状. 关键词易切削钢：切削性能：高温拉伸性能：微观结构 分类号TG142.4:TF741.322 Compound low carbon and high sulfur free-cutting steel with Sn and Sb CHEN Lie,TU Sheng),CHEN Wei-qing).LI Lian-sheng).LU Qioo-tong2).WANG Qing-xian2) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing Beijing 100083.China 2)Technology Center.Qingdao Iron &Steel Co.Lid..Qingdao 266043.China ABSTRACT Cutting tests and high-temperature thermo-ductility experiment were carried out on low-carbon and high-sulfur free- cutting steel with low contents of tin and antimony or bismuth.The results show that the wear at the tool flank face for machining of experimental steel is very small after long'time and high"speed machining tests.The machinability of the new steel is significantly bet- ter than that of SAE1215.The thermoductility of the steel with Sn and Sb is poor within the range from 750 to 950C but good from 1050 to 1300C.It is also showed by SEM and EDS that tin and antimony exist at grain boundaries in the steel.and in or around MnS inclusions.Most of bismuth element are attached to MnS inclusions,some are scattered in the steel matrix.The shapes of MnS inclusions are mainly spherical and spindle. KEY WORDS free cutting steel:machinability:high-temperature tensile properties:microstructure 目前，易切削钢的市场需求量大，尤其是自动机 到Pb的一半，且铋易切削钢在切屑处理性及材料 用易切削钢，每年需要大量进口，自动机用易切削 可锻性方面均优于铅易切削钢一可. 钢化学成分的主要特点是低碳、低硅和高硫，应用广 有关研究发现，易切削钢中的锡含量过高可能 泛的典型钢种是SAE1215.在易切削钢中添加入 引起热脆性及表面质量等问题，锑在元素周期表上 铅，可极大地改善易切削性能，然而，由于生产含铅 与锡相邻，且与锡一样，具有熔点低，在钢中溶解度 易切削钢时环境污染问题突出，其生产和应用受到 小的特点，本文提出在降低易切削钢中锡含量的同 了很大限制，目前易切削钢的生产和研究工作朝着 时添加少量锑或铋，在低碳高硫易切削钢SAE1215 无铅的方向发展，国内外研究比较多的无铅易切削 成分基础上复合加入Sn和Sb或Sn和Bi,以改善 钢主要有加锡和加铋的两种钢.据文献报道，含锡 此类钢种的易切削性能，因此，研究了低碳高硫含 易切削钢可以大大延长刀具的使用寿命，工件的表 锡锑复合易切削钢的易切削性能，并与SAE1215钢 面光洁度明显优于基础钢].神户公司对以代 的易切削性能进行对比，同时研究了实验钢的高温 铅的易切削钢进行了系统研究，发现B;的加入量不 塑性以便为该钢种的轧制提供依据 收稿日期：2009-03-16 作者简介：陈列(1968-)，男，博士研究生；陈伟庆(1951一)，男，教授，博士生导师，E-mail:chenweiqing@mctall.ustb-c-cm
低碳高硫含锡锑复合易切削钢 陈 列1） 涂 生1） 陈伟庆1） 李联生1） 陆巧彤2） 王庆贤2） 1） 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 2） 青岛钢铁公司技术中心青岛266043 摘 要 对复合添加少量 Sn 和 Sb 或 Sn 和 Bi 的低碳高硫易切削钢做了切削和高温热塑性实验．结果表明：试样在长时间的 高速切削条件下刀具后刀面磨损很小其易切削性能明显优于 SAE1215钢．含 Sn 和 Sb 的钢样在750～950℃温度范围内塑 性较差在1050～1300℃范围内具有良好的塑性．扫描电镜及能谱分析表明：钢中 Sn 和 Sb 元素在晶界、MnS 夹杂物内及 MnS 边界处均存在；大部分的 Bi 元素附着在 MnS 夹杂物上一部分弥散分布在钢的基体中；钢中 MnS 夹杂主要呈球状和纺 锤状． 关键词 易切削钢；切削性能；高温拉伸性能；微观结构 分类号 TG142∙4；TF741∙322 Compound low carbon and high sulfur free-cutting steel with Sn and Sb CHEN Lie 1）TU Sheng 1）CHEN We-i qing 1）LI Lian-sheng 1）LU Qiao-tong 2）W A NG Qing-xian 2） 1） School of Metallurgical and Ecological EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Technology CenterQingdao Iron ＆ Steel Co．Ltd．Qingdao266043China ABSTRACT Cutting tests and high-temperature thermo-ductility experiment were carried out on low-carbon and high-sulfur freecutting steel with low contents of tin and antimony or bismuth．T he results show that the wear at the tool flank face for machining of experimental steel is very small after long-time and high-speed machining tests．T he machinability of the new steel is significantly better than that of SAE1215．T he thermo-ductility of the steel with Sn and Sb is poor within the range from 750to 950℃ but good from 1050to1300℃．It is also showed by SEM and EDS that tin and antimony exist at grain boundaries in the steeland in or around MnS inclusions．Most of bismuth element are attached to MnS inclusionssome are scattered in the steel matrix．T he shapes of MnS inclusions are mainly spherical and spindle． KEY WORDS free cutting steel；machinability；high-temperature tensile properties；microstructure 收稿日期：2009-03-16 作者简介：陈 列（1968—）男博士研究生；陈伟庆（1951—）男教授博士生导师E-mail：chenweiqing＠metall．ustb．edu．cn 目前易切削钢的市场需求量大尤其是自动机 用易切削钢每年需要大量进口．自动机用易切削 钢化学成分的主要特点是低碳、低硅和高硫应用广 泛的典型钢种是 SAE1215．在易切削钢中添加入 铅可极大地改善易切削性能．然而由于生产含铅 易切削钢时环境污染问题突出其生产和应用受到 了很大限制．目前易切削钢的生产和研究工作朝着 无铅的方向发展．国内外研究比较多的无铅易切削 钢主要有加锡和加铋的两种钢．据文献报道含锡 易切削钢可以大大延长刀具的使用寿命工件的表 面光洁度明显优于基础钢［1—5］．神户公司对以铋代 铅的易切削钢进行了系统研究发现 Bi 的加入量不 到 Pb 的一半且铋易切削钢在切屑处理性及材料 可锻性方面均优于铅易切削钢［6—7］． 有关研究发现易切削钢中的锡含量过高可能 引起热脆性及表面质量等问题．锑在元素周期表上 与锡相邻且与锡一样具有熔点低在钢中溶解度 小的特点．本文提出在降低易切削钢中锡含量的同 时添加少量锑或铋在低碳高硫易切削钢 SAE1215 成分基础上复合加入 Sn 和 Sb 或 Sn 和 Bi以改善 此类钢种的易切削性能．因此研究了低碳高硫含 锡锑复合易切削钢的易切削性能并与 SAE1215钢 的易切削性能进行对比同时研究了实验钢的高温 塑性以便为该钢种的轧制提供依据． 第31卷 第12期 2009年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．12 Dec．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．12．020
第12期 陈列等：低碳高硫含锡锑复合易切削钢 ,1561 高温热塑性实验：高温热塑性实验是在Gleeble 1 实验方法 1500热模拟试验机上进行的.试样为10mm× 冶炼及热加工：冶炼实验在50kg真空感应炉 120mm的等径圆棒，实验方案如图1所示，先将试 中进行，用工业纯铁作为原料，熔清后先用硅钙合 样以10℃s的速度升温到峰值温度(1300℃)，保 金脱氧，然后配加碳、锰、硫化亚铁、磷铁、锡锑或锡 温5min后以3℃s1的速度降到实验温度，保温 铋进行合金化，在钢液成分和温度调整好后立即出 30s后进行拉伸，试样拉断后淬火至室温。拉伸时 钢，浇注成钢锭.将钢锭在1200℃锻成95~ 的变形速率为1×10-2s-1. 100mm的圆棒，终锻温度不低于950℃，最后空冷 至室温用于切削实验， 1300℃ 5 min 切削实验：评价一种材料的易切削性能，在工业 3℃·s 0.01s4 上主要使用的指标是刀具寿命，即在一定切削条件 实验温度 30$ W 下切削该材料时刀面（一般用后刀面）磨损到规定程 10℃·s 淬火 度时所用的切削时间，采用硬质合金钢刀具切削 时，一般规定其后刀面磨损宽度Vb到达0.3mm所 用的切削时间为其刀具寿命 时间s 切削实验在北京理工大学先进加工与微小型制 造实验室的无级调速C6140车床上进行，采用 图1高温拉伸实验的热历程曲线 Fig.I Warming curve of high temperature tensile tests YT14硬质合金机夹式可转位外圆车刀，其主要几 何参数如表1所示.在干切削条件下，进给量f= 2实验结果及分析 0.2mmr1,切削深度ap=1mm,切削速度v均为 2.1冶炼实验结果 230mmin-1. 所炼三炉实验钢的化学成分如表2所示，其 表1实验刀具YT14的主要几何参数 中，1和2*含有0.06%0.08%的Sn和Sb,3*含 Table 1 Major geometric parameters of experimental tool YT14 有0.055%的Sn和少量的Bi.由于Bi的沸点低 后角， 前角， 刃倾角， 主偏角， 副偏角， (1560℃)，加入较困难，3#钢的Bi收得率较低， &/( Y/° /( k/( ( 2.2切削实验结果 6 10 -3 75 15 图2给出了三炉易切削钢的切削实验结果，同 表2实验钢样的化学成分（质量分数） Table 2 Composition of experimental steels % 试样号 C Si Mn Sn Sb Bi 0 1# 0.094 0.093 0.92 0.068 0.30 0.068 0.067 0.0137 2# 0.100 0.076 1.10 0.082 0.36 0.082 0.086 0.0070 3# 0.120 0.059 1.00 0.060 0.30 0.055 0.0046 0.0039 SAE1215 0.080 0.012 1.31 0.076 0.33 0.0130 时给出了某钢厂治炼的SAE1215钢的刀具磨损曲 0.3mm,达到刀具寿命，对比可知，实验钢与 线以进行对比.该SAE1215钢试样的化学成分如 SAE1215钢在主要化学成分相近的情况下，由于添 表2所示. 加了少量Sn、Sb和Bi元素而使实验钢的易切削性 由图2可知，实验钢1、2#和3#试样的刀具磨 能显著优于SAE1215钢. 损曲线都比较规则，刀具磨损比较均匀，在长时间的 2.3高温拉伸实验 高速切削条件下，刀具磨损量很小，后刀面磨损宽度 实验钢1试样的热塑性曲线及抗拉强度曲线 Vb在0.11~0.13mm之间. 如图3所示.可以看出，在1050~1300℃的范围内 与实验钢相比，SAE1215钢试样在相同的切削 钢材具有良好的塑性，断面收缩率9大于80%.在 速度下，切削21min时的后刀面磨损宽度Vb为 1000℃以上，随温度升高，断面收缩率增加，说明该
1 实验方法 冶炼及热加工：冶炼实验在50kg 真空感应炉 中进行．用工业纯铁作为原料熔清后先用硅钙合 金脱氧然后配加碳、锰、硫化亚铁、磷铁、锡锑或锡 铋进行合金化．在钢液成分和温度调整好后立即出 钢浇注 成 钢 锭．将 钢 锭 在 1200℃ 锻 成●95～ 100mm的圆棒终锻温度不低于950℃最后空冷 至室温用于切削实验． 切削实验：评价一种材料的易切削性能在工业 上主要使用的指标是刀具寿命即在一定切削条件 下切削该材料时刀面（一般用后刀面）磨损到规定程 度时所用的切削时间．采用硬质合金钢刀具切削 时一般规定其后刀面磨损宽度 V b 到达0∙3mm 所 用的切削时间为其刀具寿命． 切削实验在北京理工大学先进加工与微小型制 造实验室的无级调速 C6140 车床上进行采用 YT14硬质合金机夹式可转位外圆车刀其主要几 何参数如表1所示．在干切削条件下进给量 f ＝ 0∙2mm·r —1切削深度 ap＝1mm切削速度 v 均为 230m·min —1． 表1 实验刀具 YT14的主要几何参数 Table1 Major geometric parameters of experimental tool YT14 后角 αo／（°） 前角 γo／（°） 刃倾角 λs／（°） 主偏角 κr／（°） 副偏角 κ′r／（°） 6 10 —3 75 15 高温热塑性实验：高温热塑性实验是在 Gleeble 1500热模拟试验机上进行的．试样为●10mm× 120mm的等径圆棒．实验方案如图1所示先将试 样以10℃·s —1的速度升温到峰值温度（1300℃）保 温5min 后以3℃·s —1的速度降到实验温度保温 30s 后进行拉伸试样拉断后淬火至室温．拉伸时 的变形速率为1×10—2s —1． 图1 高温拉伸实验的热历程曲线 Fig．1 Warming curve of high-temperature tensile tests 2 实验结果及分析 2∙1 冶炼实验结果 所炼三炉实验钢的化学成分如表2所示．其 中1＃和2＃含有0∙06％～0∙08％的 Sn 和 Sb3＃含 有0∙055％的 Sn 和少量的 Bi．由于 Bi 的沸点低 （1560℃）加入较困难3＃钢的 Bi 收得率较低． 2∙2 切削实验结果 图2给出了三炉易切削钢的切削实验结果同 表2 实验钢样的化学成分（质量分数） Table2 Composition of experimental steels ％ 试样号 C Si Mn P S Sn Sb Bi O 1＃ 0∙094 0∙093 0∙92 0∙068 0∙30 0∙068 0∙067 — 0∙0137 2＃ 0∙100 0∙076 1∙10 0∙082 0∙36 0∙082 0∙086 — 0∙0070 3＃ 0∙120 0∙059 1∙00 0∙060 0∙30 0∙055 — 0∙0046 0∙0039 SAE1215 0∙080 0∙012 1∙31 0∙076 0∙33 — — — 0∙0130 时给出了某钢厂冶炼的 SAE1215钢的刀具磨损曲 线以进行对比．该 SAE1215钢试样的化学成分如 表2所示． 由图2可知实验钢1＃、2＃和3＃试样的刀具磨 损曲线都比较规则刀具磨损比较均匀在长时间的 高速切削条件下刀具磨损量很小后刀面磨损宽度 V b 在0∙11～0∙13mm 之间． 与实验钢相比SAE1215钢试样在相同的切削 速度下切削21min 时的后刀面磨损宽度 V b 为 0∙3mm达 到 刀 具 寿 命．对 比 可 知实 验 钢 与 SAE1215钢在主要化学成分相近的情况下由于添 加了少量 Sn、Sb 和 Bi 元素而使实验钢的易切削性 能显著优于 SAE1215钢． 2∙3 高温拉伸实验 实验钢1＃试样的热塑性曲线及抗拉强度曲线 如图3所示．可以看出在1050～1300℃的范围内 钢材具有良好的塑性断面收缩率 φ大于80％．在 1000℃以上随温度升高断面收缩率增加说明该 第12期 陈 列等： 低碳高硫含锡锑复合易切削钢 ·1561·
,1562 北京科技大学学报 第31卷 0.4 140 100 ■一抗拉强度 0.3 924 120 一0一斯面收缩率 90 0.2 1215 100 80 0.1 80 70 63 60 60 10 20 0 40 50 切削时间，min 40 40 20 8009001000110012001300 图2切削速度v=230mmin时实验钢及SAE1215钢的刀具 00 温度℃ 磨损曲线 Fig.2 Tool wear curves of experimental steels and SAE1215 at 图3实验钢1云的热塑性曲线和热强度曲线 230mmin- Fig.3 Curves of strength and reduction in area to temperature for 钢种适合高温轧制，当温度小于1000℃时，试样的 experimental steel 1 9开始下降，温度达到825℃时，试样的9降到最低 3钢中S,Sb和Bi的存在形式及典型夹杂物 点40.5%.当温度降到700℃时9回升到72.4%. 试样在750~950℃温度范围内的塑性显著降低，因 以上切削实验结果表明，实验钢中添加了少量 此该钢种的终轧温度不应低于950℃. Sn、Sb和Bi元素可使其易切削性能显著提高，为了 随着温度升高，试样所承受的抗拉强度()呈 从机理上给予解释，对钢中Sn、Sb和Bi的存在形式 降低趋势.在700~800℃时，抗拉强度急剧下降， 及典型夹杂物进行了进一步的研究，使用扫描电镜 在800~850℃抗拉强度略有回升，随即在850~ 和能谱分析仪检测钢中的Sn、Sb和Bi,结果如图4 1300℃又不断下降. 和表3所示 b 图4扫描电镜下观察到的钢中Bi,Sn和Sb.(a)钢中的Bi;(b)钢中晶界处的Sn,Sh;(c)钢中MnmS上的SnSb Fig.4 Bi.Sn and Sb in the steels under SEM:(a)Bi in the steel:(b)Sn and Sb at grain boundaries in the steel:(c)Sn and Sb in MnS inclusions 表3图4中各点的能谱分析成分（质量分数） Table 3 Spectrum analysis of all points in Fig.4 % 图序号 位置 Mn Fe Sn Sb Bi Al a 8.06 26.52 6.07 58.50 0.84 图4(a) b 一 41.85 58.15 8.72 0.58 90.10 0.37 0.23 图4(b) d 11.03 88.25 一 0.51 0.21 13.34 86.35 0.32 一 61.22 37.17 0.720.89 图4(c) 2.66 94.37 2.24 0.560.17 h 5.80 89.73 4.03 0.330.12 由图4(a)、表3可知，Bi在钢中以单质形式存 切削时易切削钢中的B可起到润滑刀具作用，从而 在，且大部分附着在MnS夹杂物上，一部分弥散分 减少了刀具磨损，文献[1]报道，Bi在钢中的作用同 布在钢的基体中，Bi的熔点很低为271℃，在高速 Pb相似，切削时能提高金属的脆断性，且具有比Pb
图2 切削速度 v＝230m·min —1时实验钢及 SAE1215钢的刀具 磨损曲线 Fig．2 Tool wear curves of experimental steels and SAE1215at v＝ 230m·min —1 钢种适合高温轧制．当温度小于1000℃时试样的 φ开始下降温度达到825℃时试样的 φ降到最低 点40∙5％．当温度降到700℃时 φ回升到72∙4％． 试样在750～950℃温度范围内的塑性显著降低因 此该钢种的终轧温度不应低于950℃． 随着温度升高试样所承受的抗拉强度（σb）呈 降低趋势．在700～800℃时抗拉强度急剧下降 在800～850℃抗拉强度略有回升随即在850～ 1300℃又不断下降． 图3 实验钢1＃的热塑性曲线和热强度曲线 Fig．3 Curves of strength and reduction in area to temperature for experimental steel1＃ 3 钢中Sn、Sb 和Bi 的存在形式及典型夹杂物 以上切削实验结果表明实验钢中添加了少量 Sn、Sb 和 Bi 元素可使其易切削性能显著提高．为了 从机理上给予解释对钢中 Sn、Sb 和 Bi 的存在形式 及典型夹杂物进行了进一步的研究．使用扫描电镜 和能谱分析仪检测钢中的 Sn、Sb 和 Bi结果如图4 和表3所示． 图4 扫描电镜下观察到的钢中 Bi、Sn 和 Sb．（a） 钢中的 Bi；（b） 钢中晶界处的 Sn、Sb；（c） 钢中 MnS 上的 Sn、Sb Fig．4 BiSn and Sb in the steels under SEM：（a） Bi in the steel；（b） Sn and Sb at grain boundaries in the steel；（c） Sn and Sb in MnS inclusions 表3 图4中各点的能谱分析成分（质量分数） Table3 Spectrum analysis of all points in Fig．4 ％ 图序号 位置 C Mn Fe S Sn Sb Bi Al 图4（a） a — 8∙06 26∙52 6∙07 — — 58∙50 0∙84 b — — 41∙85 — — — 58∙15 — c 8∙72 0∙58 90∙10 — 0∙37 0∙23 — — 图4（b） d 11∙03 — 88∙25 — 0∙51 0∙21 — — e 13∙34 — 86∙35 — — 0∙32 — — f — 61∙22 — 37∙17 0∙72 0∙89 — — 图4（c） g — 2∙66 94∙37 2∙24 0∙56 0∙17 — — h — 5∙80 89∙73 4∙03 0∙33 0∙12 — — 由图4（a）、表3可知Bi 在钢中以单质形式存 在且大部分附着在 MnS 夹杂物上一部分弥散分 布在钢的基体中．Bi 的熔点很低为271℃在高速 切削时易切削钢中的 Bi 可起到润滑刀具作用从而 减少了刀具磨损．文献［1］报道Bi 在钢中的作用同 Pb 相似切削时能提高金属的脆断性且具有比 Pb ·1562· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第12期 陈列等：低碳高硫含锡锑复合易切削钢 ,1563 更高的润湿性 MnS边界的SnSb合金通过润滑和脆化作用来改 将腐蚀后显示出晶界的金相试样在扫描电镜下 善切削性能，从而显著降低刀具磨损 观察并进行能谱分析，结果表明：在晶界处和Ms 实验钢1、2*和3产试样中的典型夹杂物如 夹杂物内以及MnS边界均有Sn、Sb存在（见 图5所示，由能谱分析可知，钢中主要夹杂物是 图4(b),4(c)·Sn和Sb在钢中的溶解度小，易富 MS.通过显微镜观察发现，实验钢的硫化锰夹杂 集在晶界处.Sb的熔点为630℃，Sn的熔点只有 主要呈球状和纺锤状，只有少量的粗条状.MnS的 232℃，SnSb合金的熔点在232~630℃之间]，在 形态对切削性能有较大的影响町，粗条状的硫化物 切削过程中富集在晶界处和MnS夹杂物内以及 比细条状的硫化物对切削有利，形状呈球状或纺锤 (a) 10 um 10um 10m 图5三炉实验钢中的典型硫化锰夹杂物.(a)1-:(b)2(c)3÷ Fig.5 Typical inclusions in three experimental steels:(a)1:(b)2;(c)3 状的硫化物对切削性能更有利10. 北京科技大学学报，2003,25(4)：312) [3]Li L S,Zhu R.Guo HJ.et al.A study on smelting and proper- 4结论 ties of tin-bearing free-cutting steel.Spec Steel.2004.25(6):10 (李联生，朱荣，郭汉杰，等。含锡易切削钢的治炼和性能研 (1)在低碳高硫易切削钢SAE1215成分基础 究.特殊钢，2004,25(6)：10) 上复合添加少量Sn和Sb或Sn和Bi,可显著提高 [4]Li L S,Zhu R,Sun Y H.et al.Form and distribution of inclu- 钢的易切削性能，实验钢样在长时间的高速切削条 sions and tin in freecutting steel.I Univ Sci Technol Beijing. 件下，刀具磨损量很小，其易切削性能明显优于 2004,26(5):470 (李联生，朱荣，孙彦辉，等。易切削钢中夹杂物及锡的形态 SAE1215钢. 北京科技大学学报，2004,26(5)：470) (2)高温热塑性实验发现含Sn和Sb的实验钢 [5]Zhou P,Du X B,Li L S:et al.Study on inclusions in a tin-bear 在750~950℃温度范围内塑性较差，在1050~ ing free cutting steel.Res Iron Steel.2005(2):10 1300℃范围内具有良好的塑性，该钢种适合高温轧 (周平，杜显彬，李联生，等。含锡易切削钢夹杂物的研究钢 制，终轧温度不应低于950℃. 铁研究，2005(2)：10) (3)扫描电镜和能谱分析发现，Sn、Sb存在于 [6]Somekawa M,Kaiso M.Matsushima Y,et al.Free cutting steels without lead addition.Kobe Steel Eng Rep.2001,51(1):14 钢中的晶界处以及附着在MnS夹杂物内和MnS夹 [7]Wang X H.Xie B,Feng Z Y.Present status and development of 杂物边界，Bi在钢中以单质形式存在，且大部分附 research on free cutting steel at home and abroad.Spec Steel, 着在MnS夹杂物上，一部分弥散分布在钢的基体 2005,26(4):26 中，钢中的MnS夹杂主要呈球状和纺锤状 (王小红，谢兵，冯仲渝，国内外易切削钢的现状和研究进展。 特殊钢，2005,26(4)：26) 参考文献 [8]Zhao T C.Antimony.Beijing:Metallurgical Industry Press,1987 (赵天从.第.北京：冶金工业出版社，1987) [1]Zhang Y J.Zhu C.Wang L F,et al.Development of free cutting [9]Jiang L Z.Cui K.Hannu H.Effects of the composition.shape steel for machine structure without lead.Mater Rev.2005. factor and area fraction of sulfide inclusions on the machinability of 19(12).68 re-sulfurized free-machining steel.Mater Process Technol.1996 (张永军，朱辰，王立峰，等。机械结构用无铅易切削钢的发 (58):160 展.材料导报，2005,19(12)：68) [10]Xie W X.Hui R.Developing automobile free cutting steel [2]Li L S.Zhu R.Guo HJ,et al.Development of non-leaded free SAE1141 with continuous casting technology.Iron Steel, cutting steel by adding tin.J Univ Sci Technol Beijing,2003. 2004,39(12):29 25(4):312 (谢文新，惠荣.连铸工艺开发SAE1141汽车用易切削钢. (李联生，朱荣，郭汉杰，等.以锡代铅研制环保型易切削钢 钢铁，2004,39(12)：29)
更高的润湿性． 将腐蚀后显示出晶界的金相试样在扫描电镜下 观察并进行能谱分析．结果表明：在晶界处和 MnS 夹杂 物 内 以 及 MnS 边 界 均 有 Sn、Sb 存 在 （见 图4（b）4（c））．Sn 和 Sb 在钢中的溶解度小易富 集在晶界处．Sb 的熔点为630℃Sn 的熔点只有 232℃Sn—Sb 合金的熔点在232～630℃之间［8］在 切削过程中富集在晶界处和 MnS 夹杂物内以及 MnS 边界的 Sn—Sb 合金通过润滑和脆化作用来改 善切削性能从而显著降低刀具磨损． 实验钢1＃、2＃ 和3＃ 试样中的典型夹杂物如 图5所示．由能谱分析可知钢中主要夹杂物是 MnS．通过显微镜观察发现实验钢的硫化锰夹杂 主要呈球状和纺锤状只有少量的粗条状．MnS 的 形态对切削性能有较大的影响［9］粗条状的硫化物 比细条状的硫化物对切削有利形状呈球状或纺锤 图5 三炉实验钢中的典型硫化锰夹杂物．（a）1＃；（b）2＃；（c）3＃ Fig．5 Typical inclusions in three experimental steels：（a）1＃；（b）2＃；（c）3＃ 状的硫化物对切削性能更有利［10］． 4 结论 （1） 在低碳高硫易切削钢 SAE1215成分基础 上复合添加少量 Sn 和 Sb 或 Sn 和 Bi可显著提高 钢的易切削性能实验钢样在长时间的高速切削条 件下刀具磨损量很小其易切削性能明显优于 SAE1215钢． （2） 高温热塑性实验发现含 Sn 和 Sb 的实验钢 在750～950℃温度范围内塑性较差在1050～ 1300℃范围内具有良好的塑性该钢种适合高温轧 制终轧温度不应低于950℃． （3） 扫描电镜和能谱分析发现Sn、Sb 存在于 钢中的晶界处以及附着在 MnS 夹杂物内和 MnS 夹 杂物边界．Bi 在钢中以单质形式存在且大部分附 着在 MnS 夹杂物上一部分弥散分布在钢的基体 中．钢中的 MnS 夹杂主要呈球状和纺锤状． 参 考 文 献 ［1］ Zhang Y JZhu CWang L Fet al．Development of free cutting steel for machine structure without lead． Mater Rev2005 19（12）：68 （张永军朱辰王立峰等．机械结构用无铅易切削钢的发 展．材料导报200519（12）：68） ［2］ Li L SZhu RGuo H Jet al．Development of non-leaded freecutting steel by adding tin．J Univ Sci Technol Beijing2003 25（4）：312 （李联生朱荣郭汉杰等．以锡代铅研制环保型易切削钢． 北京科技大学学报200325（4）：312） ［3］ Li L SZhu RGuo H Jet al．A study on smelting and properties of tin-bearing free-cutting steel．Spec Steel200425（6）：10 （李联生朱荣郭汉杰等．含锡易切削钢的冶炼和性能研 究．特殊钢200425（6）：10） ［4］ Li L SZhu RSun Y Het al．Form and distribution of inclusions and tin in free-cutting steel．J Univ Sci Technol Beijing 200426（5）：470 （李联生朱荣孙彦辉等．易切削钢中夹杂物及锡的形态． 北京科技大学学报200426（5）：470） ［5］ Zhou PDu X BLi L Set al．Study on inclusions in a tin-bearing free cutting steel．Res Iron Steel2005（2）：10 （周平杜显彬李联生等．含锡易切削钢夹杂物的研究．钢 铁研究2005（2）：10） ［6］ Somekawa MKaiso MMatsushima Yet al．Free cutting steels without lead addition．Kobe Steel Eng Rep200151（1）：14 ［7］ Wang X HXie BFeng Z Y．Present status and development of research on free cutting steel at home and abroad．Spec Steel 200526（4）：26 （王小红谢兵冯仲渝．国内外易切削钢的现状和研究进展． 特殊钢200526（4）：26） ［8］ Zhao T C．Antimony．Beijing：Metallurgical Industry Press1987 （赵天从．锑．北京：冶金工业出版社1987） ［9］ Jiang L ZCui KHannu H．Effects of the compositionshape factor and area fraction of sulfide inclusions on the machinability of re-sulfurized free-machining steel．J Mater Process Technol1996 （58）：160 ［10］ Xie W XHui R．Developing automobile free cutting steel SAE1141 with continuous casting technology． Iron Steel 200439（12）：29 （谢文新惠荣．连铸工艺开发 SAE1141汽车用易切削钢． 钢铁200439（12）：29） 第12期 陈 列等： 低碳高硫含锡锑复合易切削钢 ·1563·