1215MS鋼棒材中硫化物對比分析

張盼盼 胡紹暉 艾克南 張志明 李成良 沈 平 付建勛

(1.上海大學先進凝固技術中心，上海 200444； 2.廣東韶鋼松山股份有限公司特鋼制造部，廣東 韶關 512123)

1215MS鋼屬于高硫易切削鋼，具有強度高、環(huán)保及切削性能好等優(yōu)點，廣泛應用于汽車、精密儀器等行業(yè)。鋼中硫化物的形態(tài)、尺寸、數量及分布是影響鋼的切削性能的重要因素。通常，鋼中MnS塑性較好，在軋制過程中易沿軋制方向變形。由于各鋼廠硫化物控制水平不同，鋼中MnS可呈球狀、橢球狀或紡錘狀，軋制過程中變形量較大的硫化物可呈長條狀、棒狀等。

一般，軋態(tài)易切鋼中呈球狀、紡錘狀的MnS對鋼的切削性能最有益[1]，該MnS在軋制過程中被軋成兩端尖角，導致應力集中，切削時碎屑更易斷裂，在加工過程中能夠避免發(fā)生車床卷刀等現象[2]；另外，分布均勻彌散且尺寸較大的MnS有利于縮短切削材料裂紋的相互聯結路程，脆化切屑，進而改善鋼的切削性，提高刀具壽命[3]。MnS與鋼基體的理化性能相差較大，軋材中長條狀MnS將導致鋼性能的各向異性[4- 5]，使鋼的切削性能降低[6]。當鋼的變形量大時，部分長條狀MnS可碎斷成串鏈狀，從而降低鋼的各向異性。但碎斷后的MnS尺寸較小，分布不均勻，鋼的切削性能不如含均勻分布MnS的鋼。因此，大尺寸的球狀、橢球狀或紡錘狀MnS數量多且均勻分布能顯著提高鋼的可切削性。

由于各鋼廠夾雜物控制水平不同，產品質量存在一定差距。用戶反映，4家鋼廠(A、B、C、D)提供的1215MS鋼棒材中，A廠的切削性能最好，C廠的較差。為探究原因，本文借助非水溶液電解腐蝕技術，通過金相顯微鏡、掃描電鏡等方法，分析了1215MS鋼棒材中夾雜物的二維、三維形貌及分布特征，統(tǒng)計了夾雜物的數量和尺寸；并根據德國標準對夾雜物進行評級；最后探討了夾雜物賦存狀態(tài)對鋼切削性能的影響，以期為高品質易切削鋼的開發(fā)提供參考。

1 試驗材料及方法

4家鋼廠1215MS鋼的生產工藝流程均為：轉爐冶煉→LF爐精煉→連鑄→熱軋。其中，A、B兩廠鑄坯斷面尺寸為160 mm×160 mm，棒材φ12 mm；C廠鑄坯斷面尺寸為150 mm×150 mm，棒材φ12 mm；D廠鑄坯斷面尺寸為260 mm×220 mm，二次開坯斷面尺寸為140 mm×140 mm，棒材φ13 mm。1215MS鋼棒材如圖1所示。采用電感耦合等離子體光譜儀(ICP- OES)對1215MS鋼的化學成分進行分析，結果如表1所示。

圖1 1215MS鋼棒材Fig.1 1215MS steel bars

表1 1215MS鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical compositions of 1215MS steels (mass fraction) %

由表1可知，4家鋼廠生產的1215MS鋼均屬于低碳高硫鋼，w[S]為0.317%～0.381%。為了避免S含量過高引起鋼的熱脆，并控制鋼中硫化物類型，應保證鋼中具有一定錳硫比[7- 8]，4種鋼中w[Mn]/w[S]為3.340～3.826，其中B廠的鋼中錳硫比最大，w[P]也最低。鋼中Si常作為脫氧元素，但含量較高時易產生硬質硅酸鹽夾雜物，因此低Si含量有利于改善鋼的可切削性，B廠的鋼中w[Si]最低，為0.006%。1215MS是環(huán)保易切削鋼，鋼中鉛應為殘余元素。

為比較軋向及橫向截面硫化物形態(tài)的差異，在棒材中心分別取尺寸12 mm×17 mm ×4 mm的軋向金相試樣和φ12 mm(D廠的為φ13 mm)×10 mm的橫向金相試樣。磨拋去除試樣表面劃痕后，用無水乙醇沖洗，然后快速吹干；采用光學顯微鏡觀察硫化物的形態(tài)、尺寸及分布。

采用非水溶液電解腐蝕法[9]萃取鋼中夾雜物，并用掃描電鏡觀察夾雜物的三維形貌。先將金相試樣置于非水電解液中，然后放入DC- 3006型低溫恒溫(-1～1 ℃)槽中進行0.2 A恒電流電解試驗，腐蝕時間20 min。

硫化物的平均大小(等效直徑)是決定材料切削性能的主要因素。分別選取4家鋼廠1215MS鋼的20張200倍金相照片進行統(tǒng)計，利用Image- Pro Plus圖像處理軟件對視場中夾雜物進行定量分析。

2 結果與分析

2.1 硫化物形貌

2.1.1 二維形貌

4家鋼廠1215MS鋼棒材典型軋向和橫向形貌分別如圖2和圖3所示。

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圖2 1215MS鋼棒材軋向顯微組織Fig.2 Microstructures of 1215MS steel bars in rolling direction

圖3 1215MS鋼棒材橫向顯微組織Fig.3 Microstructures of 1215MS steel bars in transverse direction

硫化物夾雜塑性較好，隨基體組織的變形而伸長，呈長條狀或棒狀。部分硫化物會因軋制變形量過大而斷裂成短小的鏈狀。通常硫化物尺寸大且均勻，形態(tài)為球形或紡錘形時，應力集中效應明顯，在切削加工過程中，切屑易斷，鋼的切削性能優(yōu)異[10]。由圖2可見，A、B廠棒材中硫化物均勻彌散分布，C、D廠硫化物分布不均勻。A廠大尺寸硫化物的數量最多且形態(tài)優(yōu)良；B廠鋼中硫化物大小更均勻、形態(tài)良好；C廠硫化物為斷續(xù)鏈狀，雖避免了長條狀硫化物導致的鋼的各向異性，但大多呈細小不均勻分布；D廠硫化物多呈長條狀，部分為斷續(xù)鏈狀。

由圖3可知，A、B廠棒材橫截面硫化物尺寸相對較大；C廠硫化物細小且不均勻分布，大尺寸硫化物數量較少；D廠鋼中粗大硫化物的數量較C廠稍多，但分布不均勻。

綜合橫向和軋向組織的金相分析表明，A、B廠棒材中硫化物尺寸較大、分布均勻、形態(tài)良好，A廠的最優(yōu)。C、D廠硫化物尺寸、分布、形態(tài)等均控制不良。

2.1.2 三維形貌

4家鋼廠1215MS鋼棒材軋向三維形貌如圖4所示。鋼中MnS形態(tài)主要有紡錘狀、棒狀和長條狀。A廠鋼中MnS有棒狀和紡錘狀，尺寸較大；B廠鋼中MnS尺寸略小，主要呈紡錘狀和桿狀；C廠鋼中MnS為斷續(xù)鏈狀，尺寸細小彌散；D廠鋼材經過二次開坯，部分MnS由于變形量較大而斷裂，呈不均勻分布的鏈狀、長條狀和紡錘狀。

圖4 1215MS鋼棒材軋向三維形貌Fig.4 Three- dimensional morphologies of 1215MS steel bars in rolling direction

2.2 夾雜物統(tǒng)計

1215MS鋼棒材中單位面積夾雜物數量(NA)、夾雜物平均等效直徑(dA)及平均面積如表2所示。夾雜物平均等效直徑分布如圖5所示。

從表2可以看出，A、B、D廠1215MS鋼棒材中夾雜物平均面積及平均等效直徑都相差不大，其中A廠的較大，C廠的較??；C廠夾雜物密度最大，達984個/mm2，A廠的最小僅721個/mm2。

表2 1215MS鋼棒材中硫化物數量及尺寸Table 2 Number and size of sulfides in 1215MS steel bars

由圖5可見，夾雜物尺寸主要為0～3 μm；A、B廠棒材中夾雜物尺寸分布特征相似，但B廠尺寸小于3 μm的夾雜物比例高于A廠，尺寸為3～9 μm的低于A廠；C廠夾雜物的平均等效直徑為0～3 μm的比例約78%，即大部分夾雜物尺寸細小；D廠夾雜物尺寸大于C廠，但較A、B廠的小。

圖5 1215MS鋼棒材中夾雜物等效直徑分布Fig.5 Equivalent diameter distributions of inclusions in 1215MS steel bars

2.3 硫化物評級

德國標準DIN 50602—1985(簡稱：德標)是衡量高硫易切削鋼中硫化物級別的專業(yè)標準，具有廣泛的應用及用戶認可度，該標準分級類別為12級。分別選擇4家鋼廠1215MS鋼棒材縱截面的100倍典型視場金相照片進行評定，如圖6所示。

圖6 典型硫化物德標評級Fig.6 Germany standard ratings of typical sulfides

根據德標評級圖譜對夾雜物進行評定，A廠1215MS鋼棒材的硫化物評級為1- 2級，硫化物控制效果最好，B廠硫化物評級為2- 1級，C、D廠硫化物評級為3- 1級。但是由于D廠鑄坯經過二次開坯，夾雜物控制效果稍好于C廠。

3 夾雜物賦存狀態(tài)對鋼切削性能的影響

鋼中夾雜物的賦存狀態(tài)是影響其切削性能的重要因素，切削性能的衡量標準主要有切削力、斷屑性、刀具壽命等。1215MS易切削鋼中易切削相主要是MnS，其周圍有大量位錯塞積形成應力場，在切削加工過程中，切削力易使MnS夾雜周圍應力集中處萌生微裂紋，相鄰夾雜物之間產生的細紋進一步擴展成裂紋而碎斷。因此與基體相比，MnS的存在使切削區(qū)的鋼具有較低的剪切強度。有研究[11]表明：夾雜物的單位面積area與其在鋼中的應力集中強度因子KI存在一定關系：

(1)

式中σ為施加的外力?？梢娫谇邢髁σ欢ǖ那闆r下，夾雜物面積越大，產生的應力集中越大，越有利于切削。將表2中夾雜物平均面積代入式(1)，計算得到A、B、C、D廠棒材中夾雜物應力集中強度因子分別為2.73σ、2.71σ、2.48σ、2.65σ，可見A廠夾雜物的KI最大，應力集中最大，斷屑性最佳。

Shibata等[12]利用Eshelby理論計算了夾雜物內部及周圍的內應力，發(fā)現其形態(tài)越接近球狀，造成性能的各向異性越小，應力集中越明顯，鋼的切削性能越好。Yan等[13]為定量描述鋼中夾雜物的各向異性，提出了MnS夾雜物的各向異性指數計算公式：

η=(SL/H+SL/W+SW/H)/3

(2)

式中SL/H、SL/W、SW/H分別為L/H(長/高)、L/W(長/寬)、W/H(寬/高)的標準偏差。假設垂直于軋制方向的夾雜物截面為圓形，則SW/H=0；假設平行于軋制方向L-H截面和L-W截面上夾雜物長寬比一致，且觀察面是夾雜物的最大截面，則SL/W=SL/H。式(2)可簡化成一個軋制方向的長寬比，如式(3)所示，并根據統(tǒng)計數據計算了A、B、C、D廠1215MS鋼棒材中夾雜物長寬比的標準差，分別為2.27、2.60、1.99、2.86，再根據式(3)得出夾雜物各向異性指數，結果如圖7所示。

(3)

圖7 1215MS鋼棒材中夾雜物各向異性指數Fig.7 Anisotropy index of inclusions in 1215MS steel bars

A、B、D廠棒材中硫含量及夾雜物尺寸相當，A廠夾雜物各向異性指數最小為1.51，對切削性能最有利，D廠夾雜物各向異性指數最大。C廠夾雜物各向異性指數雖比A廠的小，但其夾雜物尺寸比A廠的小，且形態(tài)和分布均勻性不佳，因此其較小的各向異性指數不是影響切削性能的主要因素。

此外，刀具壽命T與夾雜物的密度無明顯相關性，而與有效尺寸夾雜物數Ne(等效直徑>8 μm)及均勻度H存在指數關系[14]：

T=αHβNeγ

(4)

式中α、β、γ是常數。有效夾雜物數量越多，均勻度越好，則刀具壽命越長。從鋼中夾雜物分布規(guī)律來看，A、B廠鋼中夾雜物均勻度都好于其他兩廠，且A廠鋼中有效大尺寸夾雜物數量比B廠多，A廠鋼的切削性能更好、刀具壽命更長。C廠鋼中有效大尺寸夾雜物數量少，分布也不均勻，因此鋼的切削性能和刀具壽命均不佳。

綜合比較4家鋼廠1215MS鋼棒材中夾雜物的統(tǒng)計結果，A廠夾雜物的平均等效直徑和平均面積最大，大多呈紡錘狀，尺寸、形態(tài)和分布控制最理想。C廠夾雜物尺寸小，分布不均勻，形態(tài)不佳，控制不良。

影響鋼中夾雜物的性質和尺寸分布的因素有很多，如化學成分，工藝參數等，通過合理的調控手段，可有效改善鋼的切削性能。S是鋼中主要的易切削元素，S含量較高時，能顯著增加MnS的數量，從而提高鋼的切削性能。當鋼在1 000～1 150 ℃軋制時，塑性低，此時夾雜物長寬比增值較低，趨于紡錘狀，降低鋼的各向異性，有利于切削性能的改善[15]。硫化物主要在鋼凝固的中后期析出，通過在連鑄過程中適當的緩冷工藝，有利于夾雜物尺寸的增大，提升應力集中強度。此外，還可以通過向鋼中添加易切削元素[3,16- 17]、熱處理[18]等手段調控夾雜物的形態(tài)、分布，以生產出切削性能良好的鋼材。

4 結論

(1)A、B廠1215MS鋼中MnS大多呈紡錘狀且分布均勻，C廠鋼中MnS大多呈細小、斷續(xù)的鏈狀且分布不均勻，形態(tài)及分布控制不良，D廠鋼中MnS主要為長條狀，部分為斷續(xù)的鏈狀，分布也不均勻。

(2)A、B廠鋼中MnS的平均面積和平均等效直徑較大，A廠的最大，分別為31.51 μm2、5.48 μm。C廠夾雜物平均面積僅21.3 μm2，平均等效直徑最小，且大小、分布不均勻。

(3)按德國標準，A、B、C、D廠夾雜物分別被評定為1- 2級、2- 1級、3- 1級、3- 1級。A廠夾雜物粗大，軋制后大多仍呈紡錘狀，分布均勻，控制效果佳;C廠長條形或斷續(xù)鏈狀夾雜物數量較多，尺寸細小且分布不均勻，控制不良。

(4)A廠鋼中夾雜物的應力集中強度因子KI最大，各向異性指數η較小，刀具壽命T最高，較好的夾雜物形態(tài)、尺寸和分布均有利于改善鋼的切削性能；C廠鋼中夾雜物的各向異性指數η最小，但其尺寸小、形態(tài)和分布較差，導致KI、T等指標不理想，鋼的切削性能不良。