鑄態(tài)和鍛造態(tài)鈦-硫易切削鋼中硫化物形態(tài)及力學(xué)性能對(duì)比

王英虎，宋令璽

(1.攀鋼集團(tuán)研究院有限公司，攀枝花 617000；2.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，鞍山 114009)

0 引 言

隨著機(jī)械加工向高速化、自動(dòng)化和精密化方向的發(fā)展，機(jī)加工成本在零部件制造成本中的占比越來(lái)越高，達(dá)到零部件制造成本的40%60%。研究人員希望通過(guò)提高鋼材的切削性能來(lái)降低加工成本[1-2]。易切削鋼是指通過(guò)添加一定含量的一種或一種以上的硫、磷、鉛、鈣、硒、碲、鈦等易切削元素而獲得良好切削性能的一類(lèi)合金鋼[3]。根據(jù)所含易切削元素的不同，可以將易切削鋼分為硫系易切削鋼、鉛系易切削鋼、鈦系易切削鋼和復(fù)合易切削鋼等[4]。鈦-硫易切削鋼中的硫主要以硫化錳的形式存在，硫化錳可割裂基體的連續(xù)性，使切削過(guò)程中的應(yīng)力得以釋放，從而降低刀具的磨損；同時(shí)鈦、硫易切削元素在高速切削時(shí)還會(huì)在刀具表面形成一層Belag覆膜，可使刀具壽命延長(zhǎng)3～9倍[5-6]。鈦-硫易切削鋼的淬透性、耐磨性與易加工性都優(yōu)于基礎(chǔ)鋼，但其疲勞性能略低于基礎(chǔ)鋼，并且在熱加工變形后容易形成長(zhǎng)條狀硫化錳，引起鋼材的各向異性，降低其綜合性能[7-10]。易切削鋼中硫化錳有3類(lèi)[11-13]：球形硫化錳，由偏晶反應(yīng)形成；短棒或樹(shù)枝狀硫化錳，由共晶反應(yīng)形成；不規(guī)則形狀硫化錳，由偽共晶反應(yīng)生成。合理控制鈦-硫易切削鋼中硫化錳的形貌、尺寸和數(shù)量，對(duì)提高鋼材的綜合性能有著十分重要的意義[14]。李艷梅等[15]研究發(fā)現(xiàn)，硫化錳在軋制過(guò)程中伸長(zhǎng)成大尺寸長(zhǎng)條狀，使得鋼材呈各向異性，橫向性能明顯降低。婁德春等[16]通過(guò)模擬軋制方法研究了軋制溫度對(duì)硫化錳夾雜物相對(duì)塑性的影響，發(fā)現(xiàn)硫化錳的相對(duì)塑性在變形溫度900 ℃時(shí)最高，在變形溫度1 000 ℃時(shí)最低，通過(guò)控制軋制溫度改善了硫化錳對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響。目前，有關(guān)軋制對(duì)易切削鋼中硫化錳形態(tài)和該鋼力學(xué)性能影響的研究較多，而有關(guān)鍛造影響的研究較少。為此，作者對(duì)比研究了鍛造對(duì)鈦-硫易切削鋼中硫化錳形貌、尺寸、數(shù)量及易切削鋼力學(xué)性能的影響，擬為制定鈦-硫易切削鋼的鍛造工藝提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

使用VIM-150型真空感應(yīng)爐冶煉1#和2#兩種不同鈦含量、尺寸均為φ200 mm×350 mm的鈦-硫易切削鋼鑄錠。試驗(yàn)原料為工業(yè)純鐵、S-Fe合金、Mn-Fe合金、Si-Fe合金、Cr-Fe合金、Ti-Fe合金、鎳板及Mo-Fe合金。采用冷裝料法，將烘干除銹的工業(yè)純鐵加入爐內(nèi)，在真空度為25 Pa下使?fàn)t料熔化，精煉5 min后充入氬氣，然后按照鎳板、Cr-Fe合金、Si-Fe合金、Mo-Fe合金、Mn-Fe合金、Ti-Fe合金、S-Fe合金的順序加入中間合金，待中間合金全部熔化并保溫5 min后澆鑄到金屬模具中，在爐內(nèi)凝固并冷卻至室溫。利用ELTRA CS800型紅外碳硫儀測(cè)定碳、硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用ONH-2000型氧氮?dú)浞治鰞x測(cè)定氧、氮、氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用OBLF QSN750型光譜儀測(cè)定其他主要元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，得到試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分，見(jiàn)表1。

表1 2種試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

切去冒口及尾部，得到尺寸為φ200 mm×200 mm的鑄錠，在馬弗爐中進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為1 200 ℃，保溫時(shí)間為60 min。加熱保溫結(jié)束后取出鑄錠，在鍛造設(shè)備上鍛成規(guī)格φ120 mm的棒材；回爐加熱，加熱溫度為1 200 ℃，加熱時(shí)間為30 min，取出后鍛成規(guī)格φ60 mm的棒材，空冷至室溫后得到鈦-硫易切削鋼棒。

分別在易切削鋼棒和鑄錠上線(xiàn)切割出尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣，用砂紙磨制并拋光后，在CARL ZEISS Axio Imager A 1mm型光學(xué)顯微鏡(OM)和JEOL JSM-7001F型掃描電鏡(SEM)上觀察硫化錳形貌，用SEM附帶的能譜儀(EDS)分析典型硫化物的成分。使用Aspex explorerVP型掃描電鏡-能譜儀系統(tǒng)對(duì)硫化錳的長(zhǎng)寬比、平均長(zhǎng)度和單位面積數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每個(gè)試樣統(tǒng)計(jì)分析的面積都為4.9 mm2。硫化錳長(zhǎng)寬比為統(tǒng)計(jì)得到的穿過(guò)硫化錳質(zhì)心的16條弦線(xiàn)中最長(zhǎng)弦線(xiàn)的長(zhǎng)度除以垂直于最長(zhǎng)弦線(xiàn)的弦線(xiàn)寬度得到的比值;硫化錳平均長(zhǎng)度為統(tǒng)計(jì)得到的穿過(guò)硫化錳質(zhì)心的16條弦線(xiàn)的平均長(zhǎng)度。按照GB/T 228.1-2010，采用標(biāo)距部分尺寸為φ5 mm×25 mm的棒狀試樣在MTS Landmark 370型電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為1 mm·min-1，每組做3次平行試驗(yàn)；采用JEOL JSM-7001型掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌。采用尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的標(biāo)準(zhǔn)夏比V型缺口試樣，在MTS ZCJ20000NDT型落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫夏比沖擊試驗(yàn)，每組做3次平行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 硫化錳形貌與分布特征

由圖1可以看出，1#和2#鑄態(tài)試驗(yàn)鋼中的硫化錳多為短棒狀和球狀，在晶界呈鏈狀或網(wǎng)狀分布。鏈狀及網(wǎng)狀硫化物是在凝固過(guò)程中枝晶間液相中富集的錳、硫元素析出，并沿晶界聚集形成的；這類(lèi)硫化物容易發(fā)生變形，形成長(zhǎng)條狀，破壞基體的連續(xù)性[17]。

由圖2可以看出，1#和2#鑄造態(tài)試驗(yàn)鋼中的硫化錳沿著鍛造方向發(fā)生變形，并且相鄰2個(gè)或3個(gè)硫化錳明顯被鍛壓合并成了1個(gè)硫化錳。硫化錳合并會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)鋼單位面積內(nèi)硫化錳數(shù)量的減少。

圖1 鑄態(tài)試驗(yàn)鋼中硫化錳的OM形貌

圖2 鍛造態(tài)試驗(yàn)鋼中硫化錳的SEM形貌

圖3 1#鑄態(tài)試驗(yàn)鋼中典型硫化錳的SEM形貌及元素面分布

研究[13]發(fā)現(xiàn)，鈦、鎂、鋁等元素可在易切削鋼中生成作為硫化錳形核核心的氧化物，促進(jìn)硫化錳形核。由圖3可以看出：夾雜物1的中心為硫化錳，其邊緣富集鈦元素，因此夾雜物1為含鈦的復(fù)合硫化物，含鈦夾雜物的析出可促進(jìn)硫化錳的形核；三角形夾雜物2中碳、氮元素富集。采用EDS檢測(cè)得到夾雜物2的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為22.47%N，73.75%Ti，1.02%Cr，2.76%Fe；據(jù)此推斷此夾雜物為氮化鈦。鈦-硫易切削鋼中的鈦元素一部分作為硫化錳形核的核心析出，與硫化錳一起形成含鈦的復(fù)合硫化物，另一部分與氮元素形成氮化鈦夾雜物。

2.2 硫化錳長(zhǎng)寬比、平均長(zhǎng)度和數(shù)量

由圖4可以看出：1#和2#鑄態(tài)試驗(yàn)鋼中長(zhǎng)寬比R不大于3的硫化錳占比最大，分別為60.7%和63.6%；1#和2#鍛造態(tài)試驗(yàn)鋼中長(zhǎng)寬比不大于3的硫化錳占比與鑄態(tài)下的相比明顯減少，分別為16.3%和14.0%；1#鍛造態(tài)試驗(yàn)鋼中，長(zhǎng)寬比在(5，10]區(qū)間的硫化錳占比最高，為29.9%，而2#鍛造態(tài)試驗(yàn)鋼中長(zhǎng)寬比在(10,30]區(qū)間的硫化錳占比最高，為37.1%；鍛造態(tài)試驗(yàn)鋼中長(zhǎng)寬比不大于5的硫化錳占比小于鑄態(tài)鋼中的，長(zhǎng)寬比大于5的硫化錳占比則高于鑄態(tài)鋼中的，這說(shuō)明一部分近似球形或紡錘形的長(zhǎng)寬比較小的硫化錳在鍛造變形過(guò)程中變成了長(zhǎng)條狀。

圖4 鑄態(tài)和鍛態(tài)試驗(yàn)鋼中硫化錳的長(zhǎng)寬比分布

圖5 鑄態(tài)和鍛造態(tài)試驗(yàn)鋼中硫化錳的平均長(zhǎng)度分布

由圖5可以看出：1#和2#鑄態(tài)和鍛造態(tài)試驗(yàn)鋼中平均長(zhǎng)度L不大于3 μm的硫化錳占比均最高，鑄態(tài)鋼中的占比分別為74.6%和82.4%，鍛造態(tài)鋼中的分別為82.6%和87.7%；與鑄態(tài)相比，高溫鍛造后平均長(zhǎng)度不大于3 μm的硫化錳占比略有增加，而平均長(zhǎng)度大于3 μm的硫化錳占比減少，這說(shuō)明高溫鍛造降低了硫化錳夾雜物的尺寸，推測(cè)是大尺寸硫化錳發(fā)生破碎和溶解導(dǎo)致的。對(duì)于含硫易切削鋼來(lái)說(shuō)，粗大的硫化物有利于切削性能，而高度彌散且尺寸較小的硫化物會(huì)導(dǎo)致切削性能變差。

1#和2#鑄態(tài)試驗(yàn)鋼中硫化錳的數(shù)量分別為1 833個(gè)和1 976個(gè)，鍛態(tài)鋼中分別為1 236個(gè)和1 770個(gè)。鍛造變形后試驗(yàn)鋼中單位面積內(nèi)硫化錳的數(shù)量減少，是因?yàn)樵阱懺鞙囟? 200 ℃下，一些細(xì)小的硫化錳發(fā)生了溶解及合并導(dǎo)致的[5,18]。無(wú)論是鑄態(tài)還是鍛造態(tài)，2#試驗(yàn)鋼中單位面積內(nèi)硫化錳數(shù)量多于1#試驗(yàn)鋼中的，這是因?yàn)殁伜康脑黾邮沟昧蚧i形核核心增多，硫化錳形核更加容易。

2.3 鍛造對(duì)鈦-硫易切削鋼力學(xué)性能的影響

由圖6可以看出，無(wú)論是鑄態(tài)還是鍛造態(tài)，1#和2#試驗(yàn)鋼均發(fā)生連續(xù)屈服變形，拉伸過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)明顯屈服平臺(tái)。由表2可以看出：1#和2#試驗(yàn)鋼鍛后的拉伸性能和沖擊韌性均優(yōu)于鑄態(tài)鋼，這是由于鍛造變形可減少組織缺陷，提高材料的致密性能，消除部分偏析，使成分變得更加均勻[19]。無(wú)論是鑄態(tài)還是鍛造態(tài)，2#試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度均高于1#試驗(yàn)鋼的。這是由于2#試驗(yàn)鋼中的鈦含量較高，鈦元素與氮、碳具有極強(qiáng)的親和力并且與硫的親和力比與鐵的強(qiáng)，能夠固定硫元素并形成碳化鈦或氮化鈦，碳/氮化鈦在鋼中具有明顯的細(xì)晶強(qiáng)化效果。此外，2#試驗(yàn)鋼中尺寸不大于3 μm的硫化錳數(shù)量比1#試驗(yàn)鋼中的多，更加細(xì)小的硫化錳夾雜物對(duì)力學(xué)性能的影響較小。因此，2#試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度高于1#試驗(yàn)鋼的。

圖6 2種試驗(yàn)鋼的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

表2 2種試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

由圖7可以看出：1#和2#鑄態(tài)試驗(yàn)鋼拉伸斷口均出現(xiàn)河流狀花樣與解理臺(tái)階，斷裂方式為脆性解理斷裂，裂紋主要沿晶界擴(kuò)展。由于鑄態(tài)鋼中硫化錳在晶界附近呈鏈狀及網(wǎng)狀分布，在拉伸變形過(guò)程中承受載荷而產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)臨界值時(shí)便在硫化錳與基體間萌生裂紋，裂紋隨著拉伸應(yīng)力增大沿晶界擴(kuò)展。1#和2#鑄造態(tài)試驗(yàn)鋼的拉伸斷口呈現(xiàn)解理和韌窩混合型形貌，韌窩較淺。對(duì)比鑄態(tài)和鍛造態(tài)斷口形貌，鍛后試驗(yàn)鋼的塑韌性?xún)?yōu)于鑄態(tài)的。鋼中的硫化錳夾雜物相當(dāng)于顯微裂紋[20]，在拉伸載荷作用下顯微裂紋擴(kuò)展。鍛造變形使試驗(yàn)鋼中的硫化錳尺寸減小、單位面積內(nèi)的數(shù)量減少，這相當(dāng)于使鋼中顯微裂紋的尺寸減小、數(shù)量減少，因此鍛造態(tài)試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能優(yōu)于鑄態(tài)試驗(yàn)鋼的。

圖7 2種試驗(yàn)鋼拉伸斷口SEM形貌

3 結(jié) 論

(1) 鑄態(tài)鈦-硫易切削鋼中的硫化錳在晶界呈鏈狀或網(wǎng)狀分布，多為短棒狀和球狀；鍛造后硫化錳沿著鍛造方向伸長(zhǎng)；鋼中的鈦元素一部分與硫、錳元素一起形成含鈦的復(fù)合型硫化物，一部分與氮元素形成了氮化鈦夾雜物。

(2) 高溫鍛造使得鈦-硫易切削鋼中的硫化錳發(fā)生溶解、合并和變形，因此與鑄態(tài)鋼中的相比，硫化錳長(zhǎng)寬比增大，尺寸減小，單位面積內(nèi)數(shù)量減少；鈦含量的提高使硫化錳形核核心增多，單位面積內(nèi)硫化錳數(shù)量增多。

(3) 鑄態(tài)鈦-硫易切削鋼拉伸斷口的主要特征為解理臺(tái)階和河流狀花樣，斷裂方式為脆性斷裂；鍛造態(tài)拉伸斷口為解理和韌窩混合型形貌，斷裂方式為韌性斷裂。鍛造態(tài)鈦-硫易切削鋼的拉伸性能和沖擊韌性與鑄態(tài)相比均有明顯改善，鍛造有助于提高鈦-硫易切削鋼的力學(xué)性能。