1215易切削鋼中硫化物夾雜行為研究

馬艷杰

摘要：某鋼廠采用轉(zhuǎn)爐→LF精煉→連鑄的工藝流程生產(chǎn)1215易切削鋼，選取LF進站、喂S線前、喂S線后、LF出站、中間包、鑄坯1流、鑄坯4流7個工序進行取樣并編號分析試樣中全氧、氮含量及顯微夾雜物形貌成分。結(jié)果顯示：轉(zhuǎn)爐以較高[O]含量出鋼，在LF中加入鋁粒微調(diào)氧含量，能增加氧化物夾雜含量，與硫化物夾雜形成復雜化合物，其形狀多為球形或紡錘形，均勻分布在鋼液中;在LF中加入適量S線，有助于硫化物生成，改善鋼材切削性能。

Abstract： A steel mill used the process of BOF→LF refining →continuous casting to produce 1215 free-cutting steel. The content of oxygen and nitrogen and micro inclusions each working procedure in steel were systematically comprehensive researched. Research shows： the converter has higher [O] content in the steel， and then join in aluminium particles to fine tuning the [O] content， which will improve the content of oxide inclusion， then the oxide inclusions and sulfide inclusion can form complex compounds， and its shape is mostly spherical or spindle-shaped and is evenly distributed in the molten steel. Moreover， if joining in sulphur adequacy， it contributes to the formation of sulphide and finally improves the cutting performance of steel.

關(guān)鍵詞：易切削鋼;硫化物;夾雜物

Key words： free-cutting steel;sulfide;inclusion

中圖分類號：TG260 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）07-0195-02

0 引言

易切削鋼是指通過向鋼中加入適量一種或幾種能夠改善可切削性的化學元素（如S、Pb、Se、Te、Bi、Ca、Ti等），從而獲得具有良好切削加工性能的鋼種[1]。易切削鋼在切削加工過程中硫化物夾雜受熱變形拉長，破壞基體連續(xù)性，并在切削時能覆蓋在前刀面上，防止刀具與切屑粘著，減輕刀具與切屑間外摩擦，降低刀具磨損，使車屑易斷裂，避免車床卷刀等現(xiàn)象發(fā)生[2-3];同時，加工刀具受力及能耗降低，刀具壽命增長[4]，降低加工成本。因此，易切削鋼在汽車、儀表、自動化機械等領(lǐng)域的零件加工上，使用越來越廣泛。

按照添加化學元素不同，易切削鋼可以分為硫易切削鋼、鉛易切削鋼、鈣易切削鋼、復合易切削鋼[5]等。某鋼廠采用轉(zhuǎn)爐→LF精煉→連鑄的工藝流程生產(chǎn)1215硫系易切削鋼。硫系易切削鋼鋼中添加的硫元素，通過控制氧含量、調(diào)節(jié)錳硫比、進行脫氧處理、添加稀土元素等方式，控制含硫夾雜物生成及形態(tài)，增加鑄坯組織中第Ⅰ、Ⅲ類球形及紡錘形夾雜，減少第Ⅱ類鏈狀夾雜，進而改善鋼材加工性能。

1 硫化物形成機理

煉鋼過程中，在脫硫上其主要作用的是發(fā)生在鋼-渣界面的爐渣脫硫。熔渣離子理論提出的脫硫反應已得到公認[6]：

根據(jù)公式（1）可知，硫的分配系數(shù)與鋼中[O]含量呈反比，與爐渣堿度呈正比，因此，提高爐渣堿度、降低鋼中[O]含量有利于脫硫反應進行。

硫系易切削鋼希望增加鋼中含硫夾雜物，來改善鋼材切削性能，必須要提高鋼液中的硫含量，降低硫的分配系數(shù)。為此，在實際冶煉中，要嚴格控制碳含量，提高氧含量;出鋼過程加入錳鐵，形成硫化錳夾雜;在LF精煉過程中，要控制爐渣堿度，防止脫硫，采用鋁粒微調(diào)氧含量，去除夾雜物同時，能保證能生成一定氧化物夾雜，氧化物夾雜為核心，硫化物夾雜包圍在氧化物外層，能形成復雜化合物，降低鋼中非金屬夾雜物塑性。

2 試驗條件及取樣方案

選取1215易切削鋼為實驗鋼種，以轉(zhuǎn)爐→LF精煉→連鑄的工藝流程進行生產(chǎn)。其主要成分如表1所示。

在現(xiàn)場生產(chǎn)中隨機選取S1、S2、S3、S4四個爐次作為研究對象;取LF進站、喂S線前、喂S線后、LF出站、中間包、鑄坯1流、鑄坯4流7個工序。除S4爐次LF進站未取得，一共27塊試樣。

在所取試樣上加工出Ф5×（12～15mm）的圓柱，用砂紙打磨處理試樣表面氧化層，剪成合適尺寸，放入TCH-600型氧氮儀進行氧氮分析。再將從所取片樣和鑄坯樣上經(jīng)線切割加工成10×10×10mm的試樣，利用500倍奧地利Mef-3萬能金相顯微鏡對制備好的試樣進行視場觀察，最后通過S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡和能譜分析對顯微夾雜物的形貌進行觀察及分析鋼中夾雜物的成分，將所得結(jié)果整理分析。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 鋼中氧含量的變化endprint

鋼中非金屬夾雜物大部分是氧化物夾雜，在一定程度上，全氧含量能反應鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量，因此，鋼中全氧含量也是評定鋼液潔凈度的重要指標[7]。

各工序中試樣的氧含量如圖1所示。

鋼液進入LF精煉渣時，平均[O]含量達到154ppm，以較高的[O]含量進入LF工序，LF底吹氬氣攪拌，加速鋼-渣間化學反應，爐內(nèi)還原氣氛，脫除一部分鋼中[O]，導致平均[O]含量有一定程度降低;在LF精煉過程中，加入S線，提高鋼液中的硫含量，進一步形成硫化物夾雜;加入鋁粒后，形成Al2O3夾雜，以Al2O3夾雜為核心，鋼液中的MnS夾雜包圍在氧化物外層，形成復雜化合物，鋼液中復雜化合物增加，[O]含量有所回升;澆注過程中，中間包內(nèi)夾雜物進一步上浮排出，[O]含量減低，中間包有很好的保護澆注，二次氧化吸氧量少;鑄坯中平均[O]含量達到83ppm，相對其他鋼種，[O]含量較高，更容易形成硫化物夾雜。

3.2 鑄坯顯微夾雜物形貌與成分的變化

將試樣打磨后拋光后在500倍金相顯微鏡下進行觀察并統(tǒng)計各個位置處的顯微夾雜物的數(shù)量和尺寸分布。從金相實驗可以看出，夾雜物在LF進站、喂S線前、喂S線后、LF出站、中間包到形成鑄坯的過程中，直徑是不斷增大的：LF進站時的夾雜物直徑大約在10μm以下，鑄坯中，夾雜物直徑大部分在10～40μm。（圖2）

通過掃描電鏡及能譜分析，各工序中顯微夾雜物形貌如圖3所示。夾雜物在LF進站、喂硫線前，以氧化物夾雜為主，喂S線后，MnS夾雜含量增加，夾雜物呈圓形、橢圓形;鑄坯中顯微夾雜物以球形或紡錘形夾雜為主，主要類型是MnS夾雜，中心有微量的氧化物，多數(shù)呈圓形，均勻分布，屬于第Ⅰ類硫化物夾雜，能較好的改善鑄坯切削性能。

4 結(jié)論

①LF精煉爐內(nèi)真空還原性氣氛，底吹氬氣攪拌，能脫除一定鋼中[O]含量，而氧化物夾雜與硫化物夾雜能形成復雜化合物，改善易切削鋼性能，因此，轉(zhuǎn)爐冶煉過程要在合理范圍內(nèi)盡量降低鋼液中碳含量，提高鋼中[O]含量。

②LF精煉過程中，添加一定量S線，增加鋼液中硫含量，有助于硫化物的生成;加入鋁粒，生成Al2O3夾雜，以此為核心，促進復雜化合物生長，夾雜物尺寸增加。

③鋼中硫化物夾雜物主要以球形或紡錘形第Ⅰ、Ⅲ類硫化物夾雜為主，是有主要改善鑄坯易切削性能的夾雜物，冶煉過程加入硫線、鋁?？刂茒A雜物形貌效果明顯;中間包結(jié)晶器保護澆注、防止二次氧化操作水平較高。

④實際生產(chǎn)中，用提高鋼液中的硫含量，提高鋼液中氧含量，增加鋁粒促進氧化物夾雜生成，來控制硫化物夾雜生成形態(tài)的方法是有效可行的。

參考文獻：

[1]劉永栓.易切削鋼[M].沈陽：東北工學院出版社，1990：2-3.

[2]夏云進.含硫易切削非調(diào)質(zhì)鋼中硫化物形成機理與控制研究[D].博士學位論文：北京科技大學，2011.

[3]段飛虎.鋼中氧含量對硫化物夾雜種類和形態(tài)的影響[J].鋼鐵研究，2016，44（4）：20-22.

[4]王金龍，喬愛云，章行剛.含硫易切削鋼切削性機理與硫化物控制簡述[J].包鋼科技，2015，41（1）：30-32，67.

[5]靳曉勤.特殊含硫鋼夾雜物的生成與控制研究[D].碩士學位論文：遼寧科技大學，2014.

[6]陳家祥.鋼鐵冶金學（煉鋼部分）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009：115.

[7]MCPHERSON M N A， CLEAN M A. Non-Metallic Inclusion in Continuously Cast Steel [M]. USA： ISS，1995.endprint