粉末冶金烧结钢的切削性能

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1999.06.016 第21卷第6期 北京科技大学学报 Vol.21 No.6 1999年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1999 粉末冶金烧结钢的切削性能 韩蕴秋 程国全 赵景华 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要通过对5种粉末(3种进口粉和2种国产粉)冶金烧结钢的车削试验，对数据分析研 究，发现铁粉中的硫、锰能有效地提高烧结钢的切削性能.并对此作了机理分析， 关键词削加工性：粉末治金：烧结钢：铁粉 分类号TG501,1 国际上对烧结钢的切削性能的研究始于本 1试验情况 世纪中叶.前苏联和欧美、日等国家都先后开展 1.1试验内容 了此项工作.在我国目前尚未见到关于铁基粉 选择采用相同粉末冶金工艺的5种铁粉的 末烧结钢的切削性能系统研究的报道，为了提 烧结钢作为试件进行车削试验，其中3种为进 高国产铁粉烧结钢的切削加工性，应对其进行 口粉（日本产300M,600MS,瑞典SC-100.26),2种 研究.在此背景下，选择了5种铁粉(3种进口粉 为国产粉（上海粉，鞍山粉），测出不同切削条件 和2种国产粉)的烧结钢，作为研究对象，并通 下各种试件的切削力，用数理统计方法进行数 过对试验结果的分析研究，找出影响铁粉切削 据处理：用扫描电镜观测各种试件的金相组织， 加工性的因素，并在诸多因素中采用切削力及 1.2试验情况 刀具耐用度作为切削加工性能的标志方法凹.本 (1)试件材料的化学成分及烧结后的性能见 文仅对切削力主要影响因素及机理进行分析. 表1， 表1试件材料的化学成分及烧结后的性能 铁粉名 规格 w,% 烧结后性能 0 P S Mn Si p/g.cm MPaA/J·m2HRB 鞍山粉 雾化粉0.00110.390.0160.0120.13 6.36.4 300-340 45000 54 300M 雾化粉0.0010.130.0130.0120.18 0.02 6.40-6.50 400 69000 46 600MS 雾化粉0.0010.120.0150.3180.21 0.01 6.40-6.50 400 100000 48 SC100.26还原粉<0.010 0.120.012<0.01 6.40-6.50 300-350 45000 46 上海粉还原粉0.0180.830.0100.0340.30 0.11 6.20-6.40 300-320 4000050 (2)切试条件. 最大限度地降低试验误差的前提下尽可能地降 ①主要设备：无级调速CA-6140车床，光电 低试验工作量，并能回归出因素与指标间的经 计数器，WJL-1型微处理机测力仪，金相显微镜， 验公式，选用“正交实验法”进行试验设计. 工具磨床， ②月具材料：W18Cr4V 2试验数据及其处理 ③小其角度：%=15°，=8，k=75°，k:=15°， 根据试验数据回归出其切削力计算公式， a'。=6°，，=0°.④冷却润滑条件：干切. 同时对回归方程和回归系数进行显著性的检验 (3)试验方法， (F检验)四.表2为鞍山粉的原始数据以及回归 影响切削力的试验因素有多个，为了能在 方程和回归系数的显著性检验情况. 1999-05-27收稿韩蕴秋女，54岁，副教授

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 即 粉末冶金烧结钢 的切 削性能 韩蕴秋 程 国全 赵景华 北京科技大学机械工程学院 ， 北京 摘 要 通过对 种粉末 种进 口 粉和 种 国产粉 冶金烧结钢 的车削试验 ， 对数据分析研 究 ， 发现铁粉 中的硫 、 锰 能有效地提高烧结钢 的切 削性能 并对此作了机理 分析 关键词 削加工 性 粉末冶金 烧 结钢 铁粉 分类号 国际上对烧 结钢 的切 削性能 的研 究始于 本 世纪 中叶 前 苏联和 欧美 、 日等 国家都先后 开 展 了此项工 作 在我 国 目前 尚未见到关于 铁基粉 末烧 结钢 的切 削性 能系统研 究 的报道 为 了提 高 国产铁粉烧 结钢 的切 削加 工 性 ， 应对 其进行 研 究 在此 背景下 ， 选择 了 种铁粉 种进 口 粉 和 种 国产粉 的烧 结钢 ， 作 为研 究对象 ， 并通 过对试验 结 果 的分 析研 究 ， 找 出影 响铁粉切 削 加 工 性 的 因 素 ， 并在诸 多 因素 中采用切 削力及 刀 具 耐用 度 作 为切 削加 工 性 能 的标志 方法 〔 本 文 仅 对 切 削力 主 要 影 响 因 素 及机理 进行 分 析 试验情况 试验内容 选择采用相 同粉末冶金工 艺 的 种铁粉 的 烧 结钢 作为试件进 行车削试验 ， 其 中 种 为进 口 粉 旧 本产 ， ， 瑞典 一 ， 种 为国产粉 上海粉 ， 鞍 山粉 ， 测 出不 同切 削条件 下 各 种试 件的切 削力 ， 用数理 统计方法进行数 据处理 用扫描 电镜观测各种试件 的金相组织 试验情况 试件材料 的化学成 分及烧结后 的性能见 表 表 试件材料的化学成分及烧结后的性能 铁粉名 规格 ， 烧结后性能 鞍 山粉 上海粉 雾化粉 雾化粉 雾化粉 还原粉 还原粉 · 一 一 仇 · 一 ‘， 切 试条件 ① 主 要 设备 无级 调 速 一 车床 ， 光 电 计 数器 ， 一 型微处理机测 力仪 ， 金相 显微镜 ， 工 具 磨 床 ② 具 材料 ③ 刀 具 角度 协 ， 。 ， ， ’ ， 飞二 ， 凡 ④ 冷 却 润 滑 条件 干 切 试 验 方 法 影 响切 削力 的试验 因 素有 多个 ， 为 了能在 最大 限度地 降低试验误差 的前提下尽可 能地降 低 试验 工 作量 ， 并能回 归 出 因素与指标 间 的经 验 公 式 ， 选用 “ 正 交 实验法 ” 进行试验设计 试验数据及其处理 根 据 试验 数 据 回 归 出其切 削力计算 公 式 ， 同时对 回归方程和 回归系数进行显著性 的检验 检验 〔 表 为鞍 山粉 的原始 数据 以及 回 归 方程和 回归系数 的显 著性检验情况 一 一 收稿 韩蕴秋 女 ， 岁 ，副教授 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1999．06．016

Vol.21 No.6 韩蕴秋等：粉末冶金烧结钢的切削性能 ·569 表2被山粉的试验原始数据及其回归公式 和烧结工艺的影响，然而在比较它们的化学成 试验号v/m-min f/mm.r,lmm F/N 分时会发现：600MS中锰和硫的含量都很高， 1 20 0.10 0.5 205 分别达0.318%和021%，它是在铁粉制备过程 2 20 0.15 0.9 588 中合金熔炼时在铁水中加入锰粉和硫粉所致， 3 9 023 1.5 1030 当在铁水中加入锰粉和硫粉时，绝大部分 4 26 0.10 0.9 642 化合成疏化锰(MS),少量硫在脱氧后形成二 26 0.15 1.5 669 氧化硫(SO)挥发，同时亦有少量的硫成为游离 6 26 0.23 0.5 496 态硫.在雾化过程中硫化锰和一部分游离态硫 34 0.10 1.5 830 溶入铁粉颗粒中，而大部分硫则溶入铁晶界起 8 34 0.15 0.5 373 到脆化作用P.MS是一种脆性的、有润滑作用 9 34 0.23 0.9 786 一实验所得切刷万公式： 的金属夹杂物，它的的强度远低于铁颗粒，如 F=432.785xv21×知m×dG1m 图2所示，由于它的存在，相当于在铁颗粒内有 回归系数显蓍性检验值： 孔隙存在，破杯了铁基体的连续性，使铁颗粒的 F1)-18.8252F2)-9.47991F3)=8.64812 有效面积减小而降低了它的强度，从而使切削 回归方程显蓄性检验值，F=101491 力减小， 对5种铁粉材料的回归方程及回归系数均 进行显著性检验，检验结果满足要求，说明试验 数据有效.再将5种铁粉材料实测的切削力数 据汇总于表3. 表3切削力实验数据 N 试验号陵山粉300M600MSSC-100.26上海粉 1 205205122 225 214 588495 270 650 580 10301017 575 1250 1235 642 359 235 480 426 5 669 847 375 920 940 6 496 519 254 540 505 图IMns在铁颗粒中的分布(600MS) 7 830 758 320 730 670 此外试验是在干切削状态下进行，切削温 8 373 337 158 350 350w 度可达600-700℃，硫在铁品界处造成了强烈的 9 786882 345 1050 803 “热脆”，使铁品界极易开裂而使切削易于进行. 3机理分析 因此在硫化锰和硫的共同作用下，使烧结钢的 切削力明显下降.根据粉末治金烧结体的连结 由表3可知：在相同的切削条件下，日本 特点，烧结后烧结体的整体强度上要取决于烧 600MS的切削力明显的小于其他4种铁粉，以 结颈部的强度而儿乎与铁粉颗粒无关，而烧结 切削力为标志，则其切削性能最好：2种国产粉 颈部的强度远远小于铁粉颗粒的强度（见图2）， 的切削力高低无明显的规律，因此有必要对日 可能存在/消失于颗粒界 本600MS进行研究，找出其切削力低的原因， Fe颗粒 由表1可知，600MS的强度和冲击韧性是5 一Fe晶粒 种材料中最高的，硬度为中等.根据一般规律， 其切削力应较其他4种大，而实验结果恰好相 Feh界 反，这说明材料的力学性能不是造成切削力低 下的原因，而是由其他因素造成的.如前所述， MnS 此5种材料的试件的成型和烧结工艺完全一样， 影响热处理的一些基本元素如碳等都很低，不 烧结颈部 会对切削力产生影响，因此完全可以排除成型 图2MnS,S在铁颗粒中的分布示意图

·570· 北京科技大学学报 199年第6期 6OOMS的烧结颈部很少有MnS存在P,因此 (见图3).3种材料在烧结后的组织均为铁素 MnS降低了铁颗粒的强度而对烧结颈部的强度 体+片状珠光体，但珠光体的含量略有不同.从 影响甚徽：硫在一般的工作温度下不会使钢产 图3金相组织的照片中可以看出：600MS组织 生“热脆”现象，因此，硫和蟹会降低切削力又不 为粗大的铁素体+粗大珠光体，而2种国产粉中 会降低烧结体的强度. 珠光体的含量较少且较细小，从切削性能的角 再对比600MS和2种国产粉的金相组织 度来看600MS的组织为最佳，这也是造成它切 削力小的原因之一， 图3600MS(m),鞍山粉(b),上海粉(c)的金相组织 (3)烧结后的金相组织以粗大铁素体+粗大 4结论 珠光体的切削性能为好， ()在铁粉的生产过程中加入适量的锰和硫 参考文献 可以有效地改善粉末冶金材料的切削性能，又 1陈门骤.金属切削原理，北京：机城工业出版社，1993 不会影响材料的力学性能，是一种值得推广改2潘维栋.数理统计方法.上海：上海教育出版杜，980 善其性能的方法 3蔡勇，十.晓明.赖和怡.MnS添加方式对Fe-Cu-C-MnS烧 (2)锰和硫2种元素缺一不可.如国产上海 结钢力学性能影响.北京科技大学学报，1995,17(5： 429 粉中锰的含量也很高，达03%，但因含疏量低， 4 MashiSJ,Smith DW.Properties of Powder Forged Steels 其切削性能并不好，原因是无法形成疏化锰，铁 Containing Admixed MnS.The Int J Powder Metallurgy, 颗粒晶界处也无游离态硫存在， 1992.28(3):279 Research of the Machinability of Sintered Steels Han Yungie,Cheng Guoguan,Zhao Jinghua Mechanical Engineering School.UST Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT The factors influencing on the machinability of sintered steels made of five kinds of powders with different contents were researched.The test has demonstrated that S and Mn in the ferrous powde can ef- fectively improve the machinability of sintered steels,and the mechanism also has investigated. KEY WORDS machinability;the orthogonal design;powder-metallurgy;sintered steel;iron powder