Basic research on mechanism of BN inclusion in improving the machinability of steel

Abstract

Boron nitride-added eco-friendly free cutting steel has recently drawn more and more attention. But, the mechanisms explaining the role of BN inclusions improving the machinability of steels is not very clear. In this investigation, the material removal mechanism for cutting of BN inclusions in steels is explored, using a combination of theoretical analysis and a series of experiments. First, the actual shape of BN inclusions is observed and the amount and distribution of BN inclusions is quantitatively analyzed. Subsequently, the cutting performance of the steel is determined by cutting experimental tests. Moreover, the micro mechanical properties and the material removal mechanisms for cutting of BN inclusions are investigated by means of nanoindentation. The results revealed that the BN inclusions are hexagonal and are uniformly distributed, their average content is 23.2 per unit area and their volume fraction is 0.51% in the steel with 74 ppm B and 180 ppm N. It is shown that BN inclusions can improve the cutting performance of steel significantly, and a model describing the material removal mechanism for cutting of BN inclusions is proposed. BN inclusions act as stress concentration source, lubrication and wrappage of hard particles. RESUMEN:Investigación básica sobre los mecanismos que explican el papel de las inclusiones de BN en la mejora de la maquinabilidad de aceros. Los aceros de fácil mecanizado o corte libre con nitruro de boro agregado han despertado un gran interés. Sin embargo, aún no se han determinado los mecanismos que explican el papel de las inclusiones de BN en la mejora de la maquinabilidad de estos aceros. En este trabajo, se investigan los mecanismos de corte de las inclusiones BN en aceros mediante la combinación de un análisis teórico y una serie de experimentos. En primer lugar, se determina la morfología de las inclusiones BN y se analiza cuantitativamente la cantidad y distribución de las mismas. Posteriormente, el rendimiento de corte del acero se determina mediante ensayos de corte. Por otra parte, las propiedades mecánicas locales y los mecanismos de eliminación de material para el corte de inclusiones BN son investigados por medio de nanoindentación. Los resultados revelaron que las inclusiones son BN con forma hexagonal y se distribuyen de manera uniforme, su contenido promedio es de 23,2 por unidad de superficie y su fracción de volumen es 0,51% en el acero con un contenido de 74 ppm de B y 180 ppm N. Se demuestra que las inclusiones BN pueden mejorar el rendimiento de corte del acero de manera significativa, y se presenta un modelo que describe el mecanismo de corte de las inclusiones de BN. Finalmente, se comprueba que los BN actúan como fuente de concentración de tensiones, la lubricante y de conglomerante de partículas duras.

Influence of Boron and Nitrogen on the Machinability, Polishability and Wear of Martensitic Stainless Steels

“…The use of boron nitride (BN) also demonstrated enhanced machinability in austenitic stainless steels [9] and heat-treatable steels [10,11]. Chen et al showed the potential benefits of using both manganese sulfides (MnS) and boron nitride (BN) simultaneously to improve machinability [12].…”