碲對(duì)Y1Cr13 易切削不銹鋼中硫化物改質(zhì)的工業(yè)研究

吳良平，付正剛，周茂華，王建強(qiáng)，謝劍波，付建勛, *

（1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院先進(jìn)凝固技術(shù)中心,省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200444；2.攀鋼集團(tuán)四川長城特殊鋼有限責(zé)任公司,四川 江油 621000）

0 引言

不銹鋼具有耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，因此其消費(fèi)量每年都在不斷增加[1]。Y1Cr13 又稱416 不銹鋼，是一種硫含量較高的易切削不銹鋼，主要用于電機(jī)、電氣元件的生產(chǎn)[2-3]，由于鋼中含有大量的硫化物，而這些硫化物具有良好的變形能力，在軋制過程中沿軋制方向延展成長條狀，過細(xì)的硫化物降低了切屑的斷屑性，并惡化鋼材的橫向性能[4-7]，還容易導(dǎo)致軋制過程劈頭開裂的發(fā)生。因此，有必要對(duì)硫化物的形態(tài)進(jìn)行調(diào)控，將硫化物形貌向橢球狀方向調(diào)控。

目前，向鋼中添加碲元素對(duì)硫化物進(jìn)行改質(zhì)處理被認(rèn)為是控制硫化物形態(tài)的有效途徑。Katoh等[8]研究了鋼中碲含量對(duì)軋制后硫化物長寬比的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Te/S 值通常小于0.2%時(shí)，鋼中的所有碲均有效地作用于MnS 的球化。張碩等[9]研究發(fā)現(xiàn)向鋼中添加一定含量的碲元素，會(huì)在MnS 硫化物的表面形成碲、錳、鐵的復(fù)合相。李杰等[10]研究發(fā)現(xiàn)303Cu 不銹鋼中加入碲，可以減少小尺寸夾雜物的數(shù)量，增多大尺寸夾雜物的數(shù)量，增大夾雜物平均等效直徑和平均面積，夾雜物和基體的硬度均先增大后減小。Zheng 等[11]通過在1 600 ℃下向鋼液中加入不同量的碲，研究了碲對(duì)硫化物形成的影響，發(fā)現(xiàn)凝固期間和凝固后分別形成了粗晶和細(xì)晶硫化物，這兩種類型都顯示出鏈狀模式。Shen 等[12]研究了碲在易切削鋼中的應(yīng)用，對(duì)Te 對(duì)MnS 硫化物的改性規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)和闡述，結(jié)果表明，當(dāng)鋼中加入少量的Te，可以顯著降低鋼中硫化物的長寬比，提高球化率。Wu 等[13]研究了Te 對(duì)MnS 硬度的影響，結(jié)果表明，Te 的添加可以提高M(jìn)nS 的硬度，因此添加Te 后的MnS 在軋制過程中更不易變形，依然可以保持良好的形態(tài)，有利于提高軋材的成材率。Xie 等[14]研究了Te 對(duì)Y1Cr17 不銹鋼中含碲固溶體形態(tài)和成分特征的影響，結(jié)果表明，Te 使夾雜物沿晶界分布且尺寸增大，降低了固溶體中Nb 和Fe的含量，提高了Cr 的含量，對(duì)含Te 固溶體中S 的含量有很大的影響。但目前碲改質(zhì)處理缺乏大規(guī)模工業(yè)試驗(yàn)的相關(guān)報(bào)道。

由于某鋼廠生產(chǎn)的Y1Cr13 不銹鋼中硫化物形態(tài)控制水平較低，導(dǎo)致了軋材劈頭開裂、切削性能差等問題。因此，筆者通過向Y1Cr13 不銹鋼生產(chǎn)工藝中添加碲開展工業(yè)試驗(yàn)研究，以改質(zhì)鋼中硫化物夾雜的形態(tài)，并進(jìn)一步提升鋼的切削性能。借助金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡，Image-Pro Plus 圖像分析軟件等手段分析了鋼中夾雜物的形態(tài)和分布，并研究了碲對(duì)Y1Cr13 不銹鋼改質(zhì)的效果，以及開展了切削試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

Y1Cr13 易切削不銹鋼的生產(chǎn)工藝為：40 t 電爐→AOD→LF→連鑄→軋制，在LF 精煉末期，向鋼中添加含碲包芯線進(jìn)行硫化物改質(zhì)。1#、2#、3#試樣為含碲易切削鋼盤條，碲含量為0.0110%，化學(xué)成分見表1，碲含量為北京鋼研納克國家鋼鐵材料測(cè)試中心檢測(cè)。相同工藝不含碲的盤條為原樣。圖1為工業(yè)試驗(yàn)喂線的現(xiàn)場(chǎng)照片及包芯線。

圖1 工業(yè)加碲試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)（a）和含碲包芯線（b）Fig.1 Industrial test pilot (a)and the Te-containing cored wire (b)

表1 試驗(yàn)鋼的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical compositions of the experimental steels %

1.2 硫化物測(cè)試及切削試驗(yàn)

原樣軋材的斷面尺寸為?16mm，1#樣為?16 mm、2#為?8 mm 和 3#樣 為?5.5 mm，按GB/T10561-2005《鋼中非金屬硫化物含量的測(cè)定》對(duì)試樣進(jìn)行取樣，對(duì)觀察面進(jìn)行打磨、拋光、烘干后，采用蔡司金相顯微鏡（OM）結(jié)合Image-Pro Plus 專業(yè)圖像分析軟件對(duì)硫化物進(jìn)行評(píng)級(jí)及統(tǒng)計(jì)，采用SEM 和EDS 對(duì)試樣中典型硫化物的形貌和成分進(jìn)行分析。

切削試驗(yàn)取四個(gè)試樣的盤條進(jìn)行測(cè)試，切削設(shè)備為C61320 型車床，其中61 代表臥式機(jī)床，320 為最大加工件回轉(zhuǎn)直徑，試驗(yàn)刀具為YW2 硬質(zhì)合金機(jī)夾式車刀。先將軋材車去外皮，然后在不同切削轉(zhuǎn)速參數(shù)下進(jìn)行車削試驗(yàn)，每次切削后收集切屑并對(duì)切削后的軋材表面粗糙度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)采用日本JIS94 標(biāo)準(zhǔn)。表面粗糙度測(cè)量原理為：檢測(cè)時(shí)金剛石仿形探頭在檢測(cè)表面上移動(dòng)，然后將探頭的移動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的波動(dòng)，通過放大器將試樣表面形貌記錄下來，最終形成表面粗糙度曲線圖和相應(yīng)的數(shù)值。本次檢測(cè)表面粗糙度探頭移動(dòng)速度為0.50 mm/s，每段移動(dòng)距離為0.8 mm，評(píng)定長度為4.0 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 碲對(duì)硫化物評(píng)級(jí)的影響

A 類硫化物評(píng)級(jí)是鋼中品質(zhì)的一個(gè)重要判斷指標(biāo)，分別對(duì)Y1Cr13 不銹鋼原樣及碲改質(zhì)的不同規(guī)格軋材中A 類硫化物進(jìn)行評(píng)級(jí)，具體分析碲對(duì)硫化物改質(zhì)的工業(yè)效果。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561-2005/ISO 4967:1998(E)，對(duì)軋材原樣和碲改質(zhì)后的軋材試樣中A 類硫化物分別選取20 個(gè)100 倍視場(chǎng)進(jìn)行國標(biāo)評(píng)級(jí)，且由于Y1Cr13 不銹鋼屬于高硫易切削不銹鋼，采用德國標(biāo)準(zhǔn)DIN 50602-1985 評(píng)級(jí)方式更為準(zhǔn)確。按GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物的測(cè)定》進(jìn)行制樣，在光學(xué)顯微鏡100×的放大倍數(shù)下拍照20張，選取最惡劣的一張金相照片與圖譜進(jìn)行比對(duì)，為了更好地與黑白圖譜標(biāo)準(zhǔn)比較，采用ImageJ 圖像處理軟件對(duì)金相照片進(jìn)行了黑白翻轉(zhuǎn)，得到各試樣的評(píng)級(jí)結(jié)果如圖2 所示，各樣品的綜合評(píng)級(jí)結(jié)果如表2所示。

圖2 最惡劣視場(chǎng)下金相照片及對(duì)應(yīng)圖譜Fig.2 Metallographic photos and corresponding maps under the worst viewing field

表2 Y1Cr13 不銹鋼原樣及碲改質(zhì)軋材A 類硫化物評(píng)級(jí)對(duì)比Table 2 Grade of type A inclusions in Y1Cr13 stainless steel and Te modified rolled bars

未改質(zhì)原樣中硫化物細(xì)系總長度在1 956～2 666 μm，粗系總長度在998～1 630 μm。按照國標(biāo)最惡劣視場(chǎng)作為評(píng)級(jí)的原則，未改質(zhì)原樣評(píng)級(jí)為細(xì)系5.5級(jí)，粗系4.5 級(jí)。工業(yè)試驗(yàn)進(jìn)行碲改質(zhì)后，1#樣軋材中硫化物細(xì)系總長度在570～824 μm，粗系總長度在814～1 581 μm，2#樣軋材中硫化物細(xì)系總長度在735～1 505 μm，粗系總長度在918～1 512 μm，3#樣軋材中硫化物細(xì)系總長度在534～1 125 μm，粗系總長度在476～854 μm。

對(duì)比未改質(zhì)原樣軋材和碲改質(zhì)工業(yè)試驗(yàn)后的軋材硫化物國標(biāo)和德標(biāo)評(píng)級(jí)，可以看出，適量碲的添加明顯改善了硫化物的形態(tài)，粗系和細(xì)系評(píng)級(jí)均降低，硫化物德標(biāo)評(píng)級(jí)由原來的3-1 級(jí)降低到2-2 級(jí)。

2.2 碲對(duì)硫化物形態(tài)的影響

利用金相顯微鏡觀察硫化物形貌并拍照記錄，在×100、×200 和×500 視場(chǎng)下對(duì)鋼中的硫化物進(jìn)行觀察和檢測(cè)，圖3 為未改質(zhì)的軋材原樣和不同直徑Te 改質(zhì)軋材中典型硫化物不同倍數(shù)視場(chǎng)下的金相照片。從圖3 中可以看出，在軋制狀態(tài)下，其中軋材原樣中硫化物多為細(xì)長條狀，1#樣、2#樣和3#樣為碲改質(zhì)后不同規(guī)格的軋材試樣，碲改質(zhì)后的同規(guī)格1#樣與未改質(zhì)的軋材原樣相比，硫化物多呈橢球狀或紡錘狀分布，長條狀硫化物大大減少，硫化物分布更加細(xì)小彌散和均勻，隨著軋材直徑的減小，軋制壓縮比增大，理論上硫化物變形量增大，但2#樣和3#樣中硫化物仍能保持良好的形態(tài)，說明碲改質(zhì)后的軋制過程中，硫化物的抗變形能力增強(qiáng)，硫化物的形態(tài)得到了很大改善。

圖3 不同倍數(shù)下四個(gè)軋材試樣中典型硫化物夾雜的金相照片F(xiàn)ig.3 Metallographic photos of typical sulfides in four rolled bars at different magnifications

利用IPP 6.0 軟件對(duì)各試樣中硫化物的尺寸、數(shù)量及長寬比等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3 及圖4 所示。分析圖表可知Te 改質(zhì)直徑為16 mm 軋材的硫化物的平均面積與等效直徑均大于未改質(zhì)直徑為16 mm 的軋材，表明Te 具有粗化MnS 的作用。未改質(zhì)原樣總長寬比為6.79，Te 改質(zhì)后的1#樣、2#樣和3#樣總長寬比分別為3.65、3.89 和3.31，說明Te改質(zhì)后硫化物總長寬比降低，并且Te 改質(zhì)后軋材中長寬比在1～3 的硫化物所占的比例與未改質(zhì)軋材相比也均有所提高，從圖4 可以看出碲改質(zhì)軋材中硫化物長寬比主要分布在3 以內(nèi)，長寬比小于3的硫化物所占比例分別為86.5%、80.3%和91.2%，形態(tài)趨于短粗條狀；相比而言，未改質(zhì)軋材中硫化物長寬比較大，其中硫化物長寬比分布在3 以內(nèi)的夾雜物占比為55.4%，長寬比大于3 的夾雜物占比為44.6%，較碲改質(zhì)軋材多，表明Te 改質(zhì)后軋材中球狀或橢球狀硫化物增加，有利于降低對(duì)鋼材橫向性能的影響。

表3 軋材硫化物統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of the inclusions in the rolled bars

圖4 軋材硫化物長寬比Fig.4 Aspect ratio of inclusions in the rolled bars

利用掃描電子顯微鏡觀察硫化物形態(tài)，如圖5所示，未改質(zhì)原樣中硫化物為灰色硫化物，大多呈細(xì)長條形，尺寸在20～30 μm 左右，在Te 改質(zhì)后，軋材中硫化物主要為灰色硫化物和復(fù)合硫化物，灰色硫化物呈橢球形或紡錘形，尺寸在10～20 μm 左右，分布彌散，說明在軋制后，不同直徑軋材中的硫化物均能保持良好的形態(tài)，復(fù)合硫化物為白色物質(zhì)附著在灰色硫化物的兩端。

圖5 四個(gè)軋材試樣中典型硫化物夾雜掃描照片F(xiàn)ig.5 SEM images of typical sulfides in four samples

利用能譜對(duì)四個(gè)試樣中典型硫化物進(jìn)行分析，如圖6 所示。由圖6 可知，未改質(zhì)原樣為MnS 夾雜物，在Te 改質(zhì)后，MnS 周圍析出MnTe，形成MnSMnTe 復(fù)合夾雜物。

圖6 四個(gè)軋材試樣中典型硫化物能譜Fig.6 EDS analysis of the typical sulfides in four rolled bars

2.3 碲改質(zhì)對(duì)切削性能的影響

目前，評(píng)價(jià)切削性能的指標(biāo)主要包括：刀具切削壽命、刀具的斷屑性（切屑形貌）、表面光潔度。刀具的切削壽命往往需要長時(shí)間的切削才能測(cè)定，由于本試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，無法進(jìn)行長時(shí)間切削來測(cè)定刀具的切削壽命，故采用刀具的斷屑性和表面光潔度來評(píng)價(jià)碲改質(zhì)對(duì)切削性能的影響。

對(duì)未改質(zhì)原樣軋材和碲改質(zhì)軋材進(jìn)行切削，切削參數(shù)為：轉(zhuǎn)速依次為180、360 r/min 和560 r/min，切削深度ap＝1.0 mm，進(jìn)給量f＝0.10 mm/r，在切削過程中收集切屑，切屑形貌如圖7、8 所示。

圖7 未改質(zhì)原樣軋材不同轉(zhuǎn)速下的切屑形貌Fig.7 Chip morphologies of the rolled bars at different cutting speeds

圖8 碲改質(zhì)軋材不同轉(zhuǎn)速下的切屑形貌Fig.8 Chip morphologies of the Te-modified rolled bars at different cutting speeds

由圖7、8 可知，改質(zhì)前后C 型屑的比例都隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，且相同轉(zhuǎn)速下，碲改質(zhì)后能夠降低切屑長度，并增加了C 型屑的比例，切屑長度越長，說明鋼材在切削過程中排屑能力越差，由于切削時(shí)切屑熱量主要是由切屑帶走，所以切屑長度越短，說明鋼材越易切削，碲改質(zhì)后鋼材的切屑長度均較未改質(zhì)處理短，所以碲改質(zhì)處理能夠增加鋼材的切削加工性能。

為了對(duì)切屑進(jìn)行細(xì)致的分析，接下來對(duì)切屑進(jìn)行分類，從切屑形貌可以發(fā)現(xiàn)，切屑大致分為三類：長螺旋屑（＞2 圈）、短螺旋屑（≤2 圈）、C 型屑，如圖9 所示，其中長螺旋屑容易纏繞在刀具上，劃傷工件表面或損壞刀具，切削過程應(yīng)避免此類屑的形成。短螺旋屑也是一種相對(duì)較好的屑形，切屑的產(chǎn)生比較平穩(wěn)且易于清除，一般在精加工時(shí)要求形成該類屑形。C 型屑是一種非常好的切屑形狀，該類切屑容易排出，而且不會(huì)對(duì)工件表面產(chǎn)生影響。本次切削試驗(yàn)對(duì)軋材切削性能的評(píng)判主要以C 型屑為主。

圖9 切屑的類型Fig.9 Chip types

為了更準(zhǔn)確地分析切屑形態(tài)對(duì)切削性能的影響，對(duì)上述不同類型的切屑進(jìn)行分類后統(tǒng)計(jì)該類型屑所占的質(zhì)量百分比，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10 所示。從圖10 可以看出，碲改質(zhì)前后切屑的形狀主要為C型屑，轉(zhuǎn)速在180、360 r/min 和560 r/min下，未改質(zhì)原樣軋材切屑中C 型屑的比例依次為53%、59%、64%，碲改質(zhì)軋材切屑中C 型屑的比例依次為86%、90%、93%，在相同轉(zhuǎn)速下，碲改質(zhì)軋材的C 型屑比例均明顯增加，說明碲的添加可以提升工件的切削性能。

圖10 未改質(zhì)原樣和碲改質(zhì)切屑的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.10 Statistical results of unmodified sample and the Te-modified chip

結(jié)合切屑形態(tài)和切屑統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，在切削速率為180、360 r/min 和560 r/min下，碲改質(zhì)后C 型屑的比例均較未改質(zhì)的高，所以碲的添加使軋材的切削性能得到了改善。

使用表面粗糙度測(cè)量儀對(duì)切削試樣的表面光潔度進(jìn)行測(cè)量。工件表面形貌的粗糙度為Ra、Ry、Rz，其中Ra為在測(cè)量長度L內(nèi)輪廓偏距絕對(duì)值的算術(shù)平均值，Ry為測(cè)量長度L內(nèi)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)之間的距離，Rz為在測(cè)量長度內(nèi)5 個(gè)最高點(diǎn)的平均值與5個(gè)最低點(diǎn)的平均值之和。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，本次試驗(yàn)選取Ra作為表面粗糙值的比較對(duì)象。對(duì)每個(gè)切削后的試樣表面測(cè)量三個(gè)點(diǎn)的表面粗糙度并求取平均值，不同轉(zhuǎn)速下表面粗糙度的值如表4 所示。

表4 切削鋼表面粗糙度統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of surface roughness of the machining steels

由表4 中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，工件表面粗糙度值均在560 r/min 時(shí)最大，在360 r/min 時(shí)最小。當(dāng)進(jìn)給量f＝0.1 mm/r、切削深度ap＝0.5 mm時(shí)，轉(zhuǎn)速在180、360 r/min 和560 r/min下，碲改質(zhì)后的軋材表面平均粗糙度Ra值均小于原樣軋材，說明碲改質(zhì)后的軋材在切削后軋材表面光潔度較好，原樣軋材表面光潔度不如碲改質(zhì)軋材。因此，在相同表面粗糙度的要求下，未改質(zhì)原樣軋材的加工效率不如碲改質(zhì)后的軋材，從而切削加工性能不如碲改質(zhì)后的軋材，說明Te 改質(zhì)之后的Y1Cr13 不銹鋼具有優(yōu)良的切削性能。

有研究表明，加入到鋼水中的Te 能迅速包圍在MnS 夾雜周圍，生成規(guī)則圓整的MnS＋MnTe 共生物，使硫化物形態(tài)改善并彌散均勻地分布于鋼中，破壞了金屬基體的連續(xù)性，使切屑易于碎斷，進(jìn)而使得鋼的切削加工性得到極大的改善[15]。

3 結(jié)論

1)碲改質(zhì)工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明：碲改質(zhì)后硫化物大小、數(shù)量、分布、形貌明顯優(yōu)化；硫化物評(píng)級(jí)由未改質(zhì)前的3-1 級(jí)下降到了2-2級(jí)，硫化物評(píng)級(jí)得到了顯著提升；未改質(zhì)軋材中的硫化物紡錘率為55.4%，總長寬比為6.79，碲改質(zhì)軋材中的硫化物紡錘率分別為86.5%，80.3%、91.2%，總長寬比分別為3.65、3.89 和3.31；說明碲改質(zhì)后的Y1Cr13 不銹鋼中硫化物紡錘率提高，硫化物形態(tài)得到改善。

2)切削試驗(yàn)中當(dāng)轉(zhuǎn)速在180、360 r/min 和560 r/min下，進(jìn)給量f=0.10mm/r，切削深度ap=1.0 mm時(shí)，未改質(zhì)原樣軋材切削所得C 型屑所占切屑質(zhì)量百分比分別為53%、59%、64%，切削后工件表面粗糙度Ra分別為3.407、2.112、4.186 μm；碲改質(zhì)軋材切削所得C 型屑所占切屑質(zhì)量百分比分別為86%、90%、93%，切削后工件表面粗糙度Ra分別為2.302、1.978、3.220 μm；說明碲改質(zhì)后的Y1Cr13 不銹鋼切削性能提高。