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