论文部分内容阅读
易切削钢是一类重要的特殊钢,被广泛应用于汽车工业,机械加工等领域。目前市场上的易切削钢主要是硫系和铅系易切削钢,这两种钢都含有对环境污染严重的易切削元素(S,Pb)。而且硫的使用造成钢材质量的下降。因此急需开发新型的高质量环境友好型易切削钢,提升钢材附加值,减少环境污染。本文利用热力学,动力学理论计算,结合实验室热态实验,真空感应炉实验,切削实验,机械性能测试实验及热塑性实验,同时借助一系列表征手段,对以下四个方面的内容进行了详细研究:钢中BN粒子形成机理研究;BN钢切削性能与机械性能研究;BN-S复合易切削钢夹杂物共存机理及复合易切削钢性能研究;BN易切削钢热塑性研究。钢中BN粒子形成机理研究表明:BN在钢液凝固末端1380℃～1430℃范围内大量快速析出。B,N在凝固前沿大量富集,局部浓度增加,达到临界浓度,BN匀质形核析出,钢液中存在成核点时,BN在其表面以异质形核的方式均匀析出,钢中的Al2O3,球形的MnS粒子可以作为BN的形核核心。基于扩散作用BN长大到2～3μm,后期以碰撞结合(自身碰撞或和其他粒子碰撞)的方式长大。根据实验结果和理论分析,提出了基于显微偏析和动力学的BN析出扩散长大模型,基于碰撞和凝聚作用的长大模型,模型计算结果与实际结果相符。BN钢切削性能与机械性能研究表明:BN可以改善钢的可加工性,控制BN粒子尺寸在2～4μm或12～14μm可达到优异·的切削加工性能改善效果。纳米探针压痕实验辅助揭示了BN改善钢的切削性能机理:BN破坏基体的连续性,充当钢基体内部缺口,引起应力集中以降低切削抗力;BN具有良好塑性变形能力,有助于刀具前面上的塑性流动,起到润滑作用;BN可以包裹钢中Al2O3,SiO2等超硬夹杂物质点,减轻了刀具磨损;BN易切削钢中含A1元素时,在刀具刀面上生成AlN覆盖膜,减轻刀具的扩散磨损。钢中的BN粒子对钢的强度等常温力学性能影响不大,但是对钢的冲击性能有所影响。BN-S复合易切削钢火杂物共存机理及复合从切削钢性能研究表明:BN与MnS析出温度区间相差不大,不会阻碍彼此的析出。BN+MnS复合易切削钢中,易切削粒子或单独存在或复合存在。复合存在时,BN,MnS相互碰撞或彼此包裹。BN可以显著改善钢的切削性,1000ppm S和115ppmB,240ppm N的复合切削效果,包括钻削和车削,皆优于2000ppm S的效果。BN+MnS复合易切削钢的屈服强度和抗拉强度高于MnS易切削钢,但是复合易切削钢的冲击性能却较MnS钢有所降低。BN易切削钢热塑性研究表明:BN易切削钢在实验温度700～1200℃范围内断面收缩率基本皆在60%以上,较C45对比钢有较大幅度的提高,BN易切削钢拉伸试样皆为韧性断裂,而C45对比钢主要为沿晶界脆性断裂。提出了BN易切削钢热塑性改善机制:由于B原子较小,可快速偏聚到晶界,抑制晶界滑移,从而提高热塑性;B优先偏聚于晶界,占据了原本作为TiN,(Fe,Mn)S等第二相形核核心的空位,抑制了第二相在晶界的析出;B偏聚于晶界,抑制了晶界铁素体的析出。热加工过程中冷速对BN易切削钢热塑性影响较大。20℃/s的冷速条件下,800～900℃温度范围内热塑性恶化严重。因此冷速的控制是实现BN易切削钢热塑性改善的关键。总之,通过对BN粒子的生长机理及BN新型易切削钢的系统性研究表明BN粒子作为易切削粒子生产BN系新型易切削钢可行,BN粒子对钢材切削性能改善作用明显,对钢材机械性能影响较小。因此,BN新型易切削钢潜在商业价值巨大,对提高钢材附加值,减少环境污染意义重大。