氧含量對(duì)易切削鋼中硫化物形態(tài)及高溫力學(xué)性能的影響

王英虎 宋令璽

(1.成都先進(jìn)金屬材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，四川 成都 610000; 2.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114009)

加入S、Pb、Se、Te、Bi、Zr、Re等元素可改善鋼的切削性能[1]。含硫易切削鋼問世最早，目前應(yīng)用最為廣泛，其產(chǎn)量約占世界和我國易切削鋼總產(chǎn)量的70%和90%以上[2- 3]。硫化物是含硫易切削鋼中主要夾雜物，其形態(tài)、分布和尺寸對(duì)鋼的切削性能和力學(xué)性能影響很大[4- 7]。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)氧含量能顯著影響易切削鋼中硫化物的形態(tài)：氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.02%的鋼中主要為第Ⅰ類硫化物，呈球狀、無規(guī)則分布，為單相或兩相，常存在于非鋁脫氧的鋼中，可顯著提高鋼的切削性能；氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.004%～0.010%的鋼中易形成第Ⅱ類硫化物，呈短棒狀，沿晶界鏈狀或網(wǎng)狀分布，常存在于用少量鋁脫氧的鋼中；氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.004%的鋼中易形成第Ⅲ類硫化物，呈塊狀，無規(guī)則分布，常存在于鋁含量高的鋼中。鋼中往往同時(shí)存在上述3種類型的硫化物，即既有球狀、塊狀，也有短棒狀，第Ⅱ和第Ⅲ類硫化物對(duì)鋼的切削性能有不利影響[8- 11]。硫化物中的氧還會(huì)與其他元素形成(Mn、Fe)(S、O)復(fù)合夾雜物，這種夾雜物塑性較差，在熱變形加工過程中不易變形，保持紡錘形或球形，有利于改善切削性能[12]。然而， 氧含量過高也會(huì)影響易切削鋼鑄坯的表面質(zhì)量，產(chǎn)生皮下氣泡，鑄坯中心產(chǎn)生嚴(yán)重的成分偏析。鋼水的氧含量過高還會(huì)在連鑄時(shí)發(fā)生水口堵塞，并且硬質(zhì)氧化物夾雜過多還會(huì)磨損刀具，影響產(chǎn)品質(zhì)量[13]。通過控制鋼的氧含量可調(diào)整硫化物的尺寸、數(shù)量和形態(tài)[14]。本文研究了氧含量對(duì)易切削鋼中硫化物的形態(tài)、長- 寬比、尺寸、最大弦長和數(shù)量，以及鋼的高溫力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用兩種易切削鋼采用150 kg VIM- 150真空感應(yīng)爐冶煉，編為1號(hào)和2號(hào)，氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.006%和0.011%，鑄錠尺寸為φ200 mm×350 mm。采用ELTRA CS800型紅外碳硫儀和ONH- 2000型氧氮?dú)浞治鰞x測定鋼中碳、硫、氧、氮、氫含量，采用OBLF QSN750型光譜儀測定其他元素的含量，結(jié)果如表1所示。采用Zeiss光學(xué)顯微鏡、JEOL JSM- 7001F型掃描電子顯微鏡及配套EDS能譜儀、ASPEX掃描電子顯微鏡/能譜儀(SEM- EDS)觀察并統(tǒng)計(jì)鋼中硫化物的形貌、成分和特征參數(shù)(長- 寬比、尺寸、最大弦長和數(shù)量)。在Gleeble- 3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，應(yīng)變速率為0.01 s-1，溫度范圍為850～1 250 ℃(間隔50 ℃)。圖1為高溫拉伸試驗(yàn)過程示意圖。

表1 研究用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the investigated steels(mass fraction) %

圖1 高溫拉伸試驗(yàn)過程Fig.1 High- temperature tensile test process

2 結(jié)果與討論

2.1 氧含量對(duì)硫化物形態(tài)和分布的影響

氧在鋼中溶解度很小，主要以氧化物形式存在或溶解于硫化物中以硫- 氧化物形態(tài)存在。鋼中需含有一定量的氧，溶解在硫化物中的氧對(duì)夾雜物的形核和形態(tài)有重要影響，含有適量的氧是確保獲得球狀硫化物的必要條件[15]。研究發(fā)現(xiàn)，第Ⅰ類硫化物是由分離偏晶反應(yīng)形成或從固相中析出的，第Ⅱ類硫化物是由偏晶或共晶反應(yīng)形成的，第Ⅲ類硫化物是由偽共晶反應(yīng)形成或從固相中析出的。氧含量從低到高變化可使硫化物的形態(tài)從第Ⅲ類轉(zhuǎn)變?yōu)榈冖蝾悾罱K形成第Ⅰ類硫化物[16]。圖2為試驗(yàn)鋼中硫化物的形態(tài)。從圖2(a)可以看出，1號(hào)鋼中的硫化物呈鏈狀和網(wǎng)狀分布，灰色，多為較小的近似球狀和短棒狀，屬于第Ⅱ類硫化物；圖2(b)表明，2號(hào)鋼中的硫化物分布比較均勻，與1號(hào)鋼中的硫化物相比尺寸較大，單位面積硫化物的數(shù)量較少，多呈較大的球形和紡錘形，屬于第Ⅰ類硫化物。隨著氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.006%增加至0.011%，硫化物形態(tài)逐漸從第Ⅱ類轉(zhuǎn)變?yōu)榈冖耦?，其形態(tài)和分布均得到了改善。

圖2 1號(hào)(a)和2號(hào)(b)鋼中硫化物的微觀形貌Fig.2 Micrographs of sulfides in the steels No.1 (a) and No.2 (b)

研究發(fā)現(xiàn)，易切削鋼中硫化物通常以高溫氧化物為形核核心[17]。從圖3中可以看出，2號(hào)鋼中硫化物呈近似球形，其主要成分為MnS、CaS和Al2O3，外圍深色部分為MnS、CaS，中心淺色部分為Al2O3。MnS和CaS通常以Al2O3為形核核心，包裹在Al2O3上析出。MnS、CaS和Al2O3的塑性較差，分布比較彌散，在熱變形加工過程中不易隨基體形變，使鋼具有較好的熱加工性能，同時(shí)減少Al2O3硬質(zhì)夾雜物對(duì)刀具的磨損，改善切削性能。

圖3 2號(hào)鋼中硫化物的掃描電鏡形貌(a)和EDS分析(b)Fig.3 SEM micrograph (a) and EDS analysis (b) of sulfides in the steel No.2

2.2 氧含量對(duì)硫化物特征參數(shù)的影響

研究發(fā)現(xiàn)，硫化物的形態(tài)對(duì)鋼的切削性能影響較大。長- 寬比≤3的硫化物對(duì)提高鋼的切削性能最為有利，而鏈狀和長條狀硫化物對(duì)切削性能不利，會(huì)導(dǎo)致鋼材的各向異性[18- 20]。圖4為氧含量對(duì)硫化物長- 寬比的影響，該長- 寬比為穿過硫化物質(zhì)心的16條最長弦線除以垂直于最長弦線的弦線長度的商。從圖4可以看出，1號(hào)鋼中長- 寬比≤3的硫化物比例最高為63.6%；2號(hào)鋼中長- 寬比≤3的硫化物比例最高為89.1%。2號(hào)鋼中長- 寬比≤3的硫化物比例遠(yuǎn)大于1號(hào)鋼，而長- 寬比>3的硫化物比例均小于1號(hào)鋼。可見，隨著氧含量的增加，鋼中長- 寬比≤3的硫化物比例增大，長- 寬比>3的硫化物比例減小，硫化物更接近球形或紡錘形。

圖4 氧含量對(duì)鋼中硫化物長- 寬比的影響Fig.4 Effect of oxygen content on length to width ratio of sulfide in the steels

圖5為鋼中氧含量對(duì)硫化物尺寸(穿過硫化物質(zhì)心的16條弦線的平均長度)的影響。由圖5可知，1號(hào)鋼中尺寸≤3 μm的硫化物比例最高為81.7%，2號(hào)鋼中5 μm<尺寸≤10 μm的硫化物比例最高為42.5%?？梢婋S著氧含量的增加，鋼中硫化物尺寸增大，這與圖1所示的結(jié)果一致。

圖5 氧含量對(duì)鋼中硫化物尺寸的影響Fig.5 Effect of oxygen content on size of sulfide in the steels

圖6為氧含量對(duì)鋼中硫化物最大弦長(穿過硫化物質(zhì)心的16條弦線中最長弦線的長度)的影響。由圖6可知，1號(hào)鋼中最大弦長≤5 μm的硫化物比例最高為72.2%，2號(hào)鋼中5 μm<最大弦長≤10 μm的硫化物比例最高為44.6%，即隨著氧含量的增加，鋼中硫化物的最大弦長增大。

圖6 氧含量對(duì)鋼中硫化物最大弦長的影響Fig.6 Effect of oxygen content on maximum chord length of sulfide in the steels

圖7為氧含量對(duì)鋼中單位面積硫化物數(shù)量的影響。由7圖可知，1號(hào)和2號(hào)鋼中單位面積的硫化物數(shù)量分別為1 522.2和373.5個(gè)，即隨著氧含量的增加，鋼中單位面積硫化物的數(shù)量減少。

圖7 氧含量對(duì)鋼中硫化物數(shù)量的影響Fig.7 Effect of oxygen content on amount of sulfides in the steels

2.3 氧含量對(duì)易切削鋼高溫力學(xué)性能的影響

硫化物的形態(tài)、尺寸、數(shù)量和分布對(duì)提高易切削鋼的高溫力學(xué)性能具有重要意義[21- 22]。圖8為鋼的高溫拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線?？梢钥闯觯?號(hào)和2號(hào)鋼的抗拉強(qiáng)度均隨溫度升高而降低。這是因?yàn)殡S著溫度的升高，動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化作用增強(qiáng)，材料的變形抗力降低。

圖8 1號(hào)(a)和2號(hào)(b)鋼的高溫拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線Fig.8 High temperature tensile stress- strain curves of the steels No.1(a) and No.2(b)

圖9為氧含量對(duì)鋼的高溫抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率的影響。從圖9(a)可知，在850～1 250 ℃，1號(hào)鋼的抗拉強(qiáng)度均高于2號(hào)鋼。這是因?yàn)榱蚧镌诶熳冃芜^程中直接承受載荷，產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過臨界值時(shí)，便在硫化物與基體間產(chǎn)生裂紋，并隨著拉伸應(yīng)力的增大而擴(kuò)展，直至材料斷裂。1號(hào)鋼的氧含量較低，硫化物尺寸較小，對(duì)基體的割裂作用較小，其抗拉強(qiáng)度高于2號(hào)鋼。由圖9(b)可以看出，在850～1 250 ℃，1號(hào)和2號(hào)鋼的斷面收縮率均隨溫度的升高而增大，但2號(hào)鋼在1 250 ℃時(shí)急劇降低；在該溫度范圍內(nèi)，1號(hào)鋼的斷面收縮率均高于2號(hào)鋼。在同樣溫度范圍內(nèi)，隨著氧含量的增加，鋼的抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率均降低?？梢姡鹾吭黾訒?huì)降低鋼的高溫力學(xué)性能。

圖9 氧含量對(duì)兩種鋼的高溫抗拉強(qiáng)度(a)和斷面收縮率(b)的影響Fig.9 Effect of oxygen content on tensile strength(a)and reduction of area(b) at high temperatures for the two steels

3 結(jié)論

(1)隨著氧含量的增加，易切削鋼中硫化物的形態(tài)從第Ⅱ類轉(zhuǎn)變?yōu)榈冖耦?，且不再沿晶界呈網(wǎng)狀或鏈狀分布，其形態(tài)和分布均得到了改善。

(2)1號(hào)鋼中長- 寬比≤3的硫化物比例為63.6%，尺寸≤3 μm的硫化物比例為81.7%，最大弦長≤5 μm的硫化物比例為72.2%；2號(hào)鋼中長寬比≤3的硫化物比例為89.1%，尺寸≤3 μm的硫化物比例為21.4%，最大弦長≤5 μm的硫化物比例為33.2%；1號(hào)和2號(hào)鋼中單位面積硫化物的數(shù)量分別為1 522.2和373.5個(gè)。隨著氧含量的增加，鋼中硫化物的長- 寬比減小，尺寸增大，最大弦長增大，單位面積數(shù)量減少，硫化物呈球形或紡錘形。

(3)在850～1 250 ℃拉伸時(shí)，隨著氧含量的增加，鋼的抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率均降低。1號(hào)鋼在1 250 ℃時(shí)的塑性最好，斷面收縮率最高為64.5%，抗拉強(qiáng)度為10 MPa；2號(hào)鋼在1 200 ℃時(shí)的塑性最好，斷面收縮率為59.7%，抗拉強(qiáng)度為7.2 MPa。