易切削鋼夾雜物及微觀組織研究

周小利

隨著汽車、機(jī)械制造等工業(yè)發(fā)展，我國(guó)易切削鋼的需求量極大，而生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量急待提高。機(jī)加工成本是制造業(yè)中零部件制造成本的主要部分，有時(shí)甚至超過(guò)零部件制造成本的40%。因此，人們極希望通過(guò)提高鋼材的機(jī)加工性能來(lái)降低加工成本。日本、德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家對(duì)易切削鋼的開(kāi)發(fā)較早、且也比較成熟；臺(tái)灣中鋼集團(tuán)生產(chǎn)的Y15 易切削鋼也是相當(dāng)成熟，特別是其中的夾雜物分布、形態(tài)的控制是相當(dāng)完善。本文對(duì)湘鋼易切削鋼系列不同規(guī)格的夾雜物分布和微觀組織進(jìn)行全面的分析，找到影響易切削鋼夾雜物分布的影響因素，對(duì)后續(xù)生產(chǎn)改善提供理論支撐。

1 試驗(yàn)方法

湘潭鋼鐵有限公司采用轉(zhuǎn)爐→LF 精煉→連鑄→連軋的工藝流程生產(chǎn)的易切削鋼。試驗(yàn)中對(duì)不同牌號(hào)、不同規(guī)格的易切削鋼進(jìn)行取樣、制樣，利用金相顯微鏡Imager.D1m 觀察夾雜物形態(tài)，同時(shí)利用掃描電子顯微鏡分析夾雜物的成分，用3%的硝酸酒精侵蝕組織，利用金相顯微鏡Imager.D1m 觀察顯微組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 XY45 易切削鋼夾雜物及微觀組織

2.1.1 φ45mmXY45 鋼夾雜物及微觀組織

對(duì)45mm XY45 易切削鋼的夾雜物分布及微觀組織。φ45mm易切削鋼中的夾雜物沿軋制方向呈粗大的長(zhǎng)條狀分布，內(nèi)部的因子并不聚集，外呈現(xiàn)出不規(guī)律的狀態(tài)。夾雜物的大小差異較大，分布均勻性較差。夾雜物在軋制過(guò)程中有破碎細(xì)化現(xiàn)象，可以看到明顯的破碎痕跡，但是碎裂的位置并不規(guī)律，處于極度情況，在整體的構(gòu)造中，可以觀測(cè)到夾雜物的分化狀態(tài)是良好的，由于外力因素的影響，導(dǎo)致部分的夾雜物之前存在一些其他元素。這與夾雜物在變形過(guò)程中變形能力與基體金屬差異大有直接關(guān)系。由于夾雜物變形能力差，軋制過(guò)程中在剪切應(yīng)力作用下，夾雜物發(fā)生變形，甚至破碎。φ45mmXY45 易切削鋼組織為鐵素體和沿軋制方向呈帶狀分布的珠光體組織。晶粒尺寸比鑄坯的晶粒細(xì)小，平均晶粒約為15μm ～20μm。

2.1.2 φ27mm XY45 鋼夾雜物及微觀組織

在上述基礎(chǔ)之上，對(duì)φ27mmXY45 鋼的夾雜物分布及微觀組織二次分析。夾雜物多為細(xì)小短條狀或紡錘形，細(xì)小夾雜物的比例增加。通過(guò)實(shí)驗(yàn)展示可以觀測(cè)到，部分夾雜物周圍處于卷曲狀態(tài)，主要是因?yàn)閵A雜物受到溫度或者外力的影響，變化過(guò)程中常常處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，并且一定程度上受到了硫化物的催動(dòng)。測(cè)定時(shí)各爐次鑄坯中依次取邊部、1/4 處和中心處的200 倍的夾雜物，這樣獲取的樣本相對(duì)較為均勻，且測(cè)定出來(lái)的結(jié)果也會(huì)更加準(zhǔn)確一些。通過(guò)環(huán)境或者測(cè)定溫度的轉(zhuǎn)換，拍攝物質(zhì)的圍微觀變化過(guò)程，對(duì)金相照片作出觀測(cè)。1144 鋼中夾雜物尺寸大小不一，且由邊緣部位逐漸向著中心區(qū)域放大，夾雜物的形貌也慢慢呈現(xiàn)出不規(guī)則的塊狀以及團(tuán)簇狀，與上述首次測(cè)定的狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)夾雜物的分布情況變得更加密集。這與溫度的變化以及夾雜物狀態(tài)更改存在直接聯(lián)系。根據(jù)分析后變化反應(yīng)情況，在采用Mg 處理工藝之后，可以換觀察到測(cè)定結(jié)束后的夾雜物邊緣部位逐漸成為橢球形，利用儀器從宏觀上看，此時(shí)的夾雜物存在一部分的沿晶特點(diǎn)，雖然并不明顯，但是分布相對(duì)較為均勻，表明此時(shí)的夾雜物內(nèi)部的元素處于變動(dòng)的狀態(tài)。另外，集中分布的夾雜物經(jīng)過(guò)軋制后得到了充分的破碎，其尺寸明顯減小。其基體組織晶粒細(xì)小，珠光體的分布較均勻，粗大連續(xù)的帶狀珠光體較少。

2.2 XY40 鋼微觀組織

從實(shí)驗(yàn)展示所示的夾雜物分布來(lái)看，各爐次易切削鋼間的夾雜物數(shù)量和分布的差異較大。經(jīng)過(guò)飛納掃描電鏡可以觀測(cè)到此時(shí)的1144 易切削鋼鑄坯邊部以及1/4 處和中心處夾雜物處出現(xiàn)了一定的物質(zhì)過(guò)渡，夾雜物的狀態(tài)逐漸從定向集中轉(zhuǎn)為簇狀分布，并且在晶界的交界處出現(xiàn)過(guò)渡的偏移帶，后期的硫化錳夾雜物在交界處基本是以點(diǎn)狀散落分布，此時(shí)的夾雜物的變化是由于測(cè)定溫度的轉(zhuǎn)變?cè)斐傻模喈a(chǎn)生共晶反應(yīng)。隨后，在晶粒間的殘余測(cè)定液體之中，利用檢測(cè)儀器可以的差值，這部分夾雜物中存在較多的硫鋼元素，出于富集區(qū)域，而硫化錳與高溫鐵素體相互融合，在加上各種金屬鋼元素的催動(dòng)，逐漸出現(xiàn)了搭橋析出的狀況，將夾雜物與組織互為混合，在爐次鋼的影響下，夾雜物逐漸發(fā)生了三維形態(tài)變化，此時(shí)的偏聚效果的延伸范圍會(huì)更加廣闊一些，且三維形態(tài)變化的狀態(tài)也會(huì)位置較長(zhǎng)的時(shí)間。電流腐刻促使夾雜物所延長(zhǎng)的三維形態(tài)

逐漸暴露出來(lái)，根據(jù)拍攝的變化圖像，獲取到典型圖片，可以觀測(cè)到鋼的夾雜物主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)狀態(tài)，分別是第Ⅰ類為球狀、第Ⅱ類為樹(shù)枝狀或桿狀以及Ⅲ類為角狀。每一種狀態(tài)均是在高溫的的作用之下發(fā)生變化的，并且層層遞進(jìn)，向外分化鋼元素枝晶。經(jīng)過(guò)觀測(cè)，鋼夾雜物Ⅱ類、Ⅲ類的分布狀態(tài)十分均勻，而Ⅰ類狀態(tài)在經(jīng)過(guò)Mg 處理之后，發(fā)生了定向的轉(zhuǎn)變，分布逐漸呈現(xiàn)出聚集的情況，表明Mg 處理產(chǎn)生了顯著的變質(zhì)作用。隨后，針對(duì)細(xì)小的短條狀，也有粗大的長(zhǎng)條狀，可以整理出鋼雜志物的變化規(guī)律，針對(duì)于變化的順序，測(cè)定出其內(nèi)部微觀組織的運(yùn)動(dòng)路徑。但是，總體來(lái)看，與同尺寸規(guī)格的XY45 易切削鋼相比，XY40 中的夾雜物數(shù)量略多。這主要是因?yàn)樵谇懈畹倪^(guò)程中，XY40 型號(hào)鋼材料受到溫度的影響范圍相對(duì)較大，外部的雜質(zhì)極有可能存在催動(dòng)的作用，造成XY40 型號(hào)鋼材在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中發(fā)生動(dòng)態(tài)變質(zhì)，同時(shí)，由于C 含量略低，XY40 鋼中連續(xù)粗大的珠光體數(shù)量減少，鐵素體數(shù)量較XY45 鋼多，鐵素體的晶粒略大，尺寸約為15μm。XY40 鋼中夾雜物數(shù)量較多，粗大珠光體數(shù)量減少與其成分中的Mn、S 含量高，而C 含量較低有關(guān)。

2.3 XY1215 鋼夾雜物及微觀組織

與XY45 相比，XY1215 鋼中的夾雜物數(shù)量較多，與XY40 鋼中的夾雜物數(shù)量相當(dāng)。這與鋼中夾雜物尺寸的變化存在之間的聯(lián)系。1144 易切削鋼鑄坯中夾雜物尺寸一般是固定的，會(huì)依據(jù)應(yīng)用的環(huán)境及初始態(tài)的硫化物變質(zhì)情況進(jìn)行制定，以此來(lái)從源頭保證控制效果。經(jīng)過(guò)鋼中夾雜物的統(tǒng)計(jì)分析。鋼夾雜物的邊部與1/4 處、中心處出現(xiàn)的微觀變動(dòng)在不同范圍區(qū)間內(nèi)的側(cè)重點(diǎn)明顯是存在差異的，定位到雜物面積至善，在不同的分布區(qū)間之中，分化鑄坯邊部出現(xiàn)的晶體夾雜物，同時(shí)，確保分布的區(qū)間在5.5～6.35 之間。隨后，觀測(cè)鋼夾雜物的等效果直徑分布，一般在2.25～3.65 之間即為合理，同時(shí)，區(qū)間需要延長(zhǎng)至5μm 以上，確保鋼夾雜物的變動(dòng)延伸。但是需要注意的是，鋼夾雜物在變動(dòng)的過(guò)程中，從觀測(cè)中看出，鑄坯中硫化物對(duì)其的催化范圍其實(shí)并不大，雖然內(nèi)部的金屬元素發(fā)生了定向的聚合反應(yīng)，凡是在過(guò)渡帶以上，聚合的速度并不快，所以呈現(xiàn)出的過(guò)渡帶寬度并不高。經(jīng)過(guò)Mg 處理后，鋼中邊部夾雜物的平均面積也有所提升，過(guò)渡的面積發(fā)生對(duì)應(yīng)變化，等效直徑也隨之增加。且隨軋制變形量的增加，夾雜物的尺寸減小。與XY45、XY40 易切削鋼相比，XY1215中珠光體的數(shù)量明顯較少，呈非連續(xù)的線狀分布，而鐵素體晶粒尺寸較大，φ32mm 和φ20mm XY1215 的平均晶粒尺寸分別為30μm、20μm。

2.4 易切削鋼中夾雜物的成分

在上述易切削鋼的夾雜物分析中可以發(fā)現(xiàn)，湘鋼易切削鋼中的夾雜物主要為淺灰色長(zhǎng)條狀，也有少量深色顆粒狀?yuàn)A雜物存在。經(jīng)過(guò)測(cè)定儀器的進(jìn)一步分析檢測(cè)，可以獲取到相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。鋼夾雜物的內(nèi)部多為深黑色的鎂鋁尖晶石，灰色部分的元素想地較為駁雜，大致為鎂鋁尖化物，硫化鈣晶石以及氧化硅變化物質(zhì)，這一類的物質(zhì)對(duì)于夾雜物的變動(dòng)會(huì)產(chǎn)生極為嚴(yán)重的影響。同樣鋼中檢測(cè)出大量的硫化錳夾雜物，夾雜物整體呈現(xiàn)出環(huán)形及寬條狀，夾雜物中間呈現(xiàn)深黑色的物質(zhì)為鐵基體，自身的鋼中硫含量是也是相對(duì)較高的，一般生成與凹形的鋼夾雜物之中，當(dāng)鋼材的自身的溫度提升時(shí)，其內(nèi)部的硫含量會(huì)隨之下降，反之 ，當(dāng)鋼材的自身的溫度降低升時(shí)，其內(nèi)部的硫含量會(huì)隨之增加。采用傳統(tǒng)的單向提取方式以及Mg 處理工藝方法設(shè)定針對(duì)性較強(qiáng)的夾雜物統(tǒng)計(jì)模式，進(jìn)過(guò)Mg 處理后，此時(shí)的鋼夾雜物中的物質(zhì)逐漸從單純MnS 夾雜轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合夾雜物，自身的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了對(duì)應(yīng)的變化，主要表現(xiàn)在內(nèi)部因子的變化與重組，主要包括AlO-MnS 復(fù)合硫化物、Mg-Al-Ca-Si-O-MnS 復(fù)合硫化物以及Mg-Al-O-MnS 單質(zhì)氧化物等物質(zhì)，每一種物質(zhì)的消除與重組均會(huì)對(duì)鋼夾雜物產(chǎn)生不同的影響，致使外貌以及內(nèi)部的微觀組織出現(xiàn)轉(zhuǎn)換。在夾雜物中Mn 和S 元素的含量明顯高于附近基體中的含量，兩種元素在鐵中的分布均比較均勻，而Mn 元素的含量更大。這樣的變化情況表明，在測(cè)定的 過(guò)程中，夾雜物的轉(zhuǎn)換速度不一，造成與外部元素融合的速度也并不相同，Mn 元素會(huì)先產(chǎn)生變化，內(nèi)部的因素、元素也會(huì)抓逐漸發(fā)生分、重組。促使物質(zhì)外部的顏色發(fā)生變化，呈現(xiàn)出較深色。隨后，在特定的環(huán)境之下，S元素也慢慢到達(dá)變化的節(jié)點(diǎn)，發(fā)生定向的融合 與運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，夾雜物中的一部分Mn 元素已經(jīng)發(fā)生變化，而另一部由于外力的作用影響還保持原狀態(tài)，Mn 元素與發(fā)生變動(dòng)的S 元素融合，形成了另一種多分子的化合物，這種物質(zhì)可以在特定的溫度環(huán)境之下，快速改變鋼的切削性能和疲勞性能，提升正義的堅(jiān)硬度。接下來(lái)，針對(duì)于物質(zhì)與夾雜物的融合變動(dòng)情況，物質(zhì)所呈現(xiàn)出的狀態(tài)，作出進(jìn)一步的分析與研究。

大塊夾雜物中的深色部分為C、S、Mn 的化合物，這一類物質(zhì)發(fā)生融合變化的速度相對(duì)較快，且存在異常化的概率，一旦出現(xiàn)外力的壓迫和催動(dòng)，內(nèi)部的元素集分子結(jié)構(gòu)便會(huì)快速作出分化，在特定的溫度環(huán)境之下，實(shí)現(xiàn)定向的重組、整合，形成新的化合物。但是需要注意的是，這一類化合物由于分解速度較快，所在保存時(shí)候，需要挑選特定的環(huán)境，并對(duì)存儲(chǔ)的溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，降低分解、異常化概率。且Mn 和S 的含量占70%以上，是鋼夾雜物中最為關(guān)鍵的一部分元素，日常的變化起到十分重要的影響。Mn、S 的原子百分比約為1：1，為MnS，而Fe 的含量低，F(xiàn)e 的主要作用是催動(dòng)鋼夾雜物中的化合物發(fā)生定向的分化，并保持物質(zhì)的結(jié)構(gòu)的均衡性，降低異?；陌l(fā)生概率。其實(shí)，F(xiàn)e 的分布一般是較為聚集的，呈現(xiàn)出簇狀，并常常與Mn 元素、S 元素發(fā)生融合，造成鋼夾雜物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，但是Fe 內(nèi)部的架構(gòu)是較為堅(jiān)硬的，不易被分解，在對(duì)鋼夾雜物進(jìn)行分析過(guò)程中，可以利用其分化其中的細(xì)小物質(zhì)，營(yíng)造穩(wěn)定、均衡的環(huán)境，避免各個(gè)元素異?；母怕?，降低整體的分解速度，并不會(huì)對(duì)自身造成較大的損害。大塊夾雜物中的淺色部分也為C、S、Mn、Fe 的化合物，Mn、S 的含量較深色部分少，而Fe 含量較高，這部分主要是以Mn 元素作為變動(dòng)的核心，利用Fe 將鋼夾雜物內(nèi)部不可溶的物質(zhì)消除，形成純鋼結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，可最大程度保證整體鋼物質(zhì)的硬度以及剛度，降低異?；陌l(fā)生頻率。而Fe 含量較高的區(qū)域，大部分為受到外力影響的區(qū)域。鋼夾雜物的外部壓力相對(duì)較大，環(huán)境及溫度的變動(dòng)也會(huì)更加頻繁一些，致使鋼夾雜物內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)換更為迅速，出現(xiàn)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)現(xiàn)象。所以，可以分析出以下結(jié)論：在大塊夾雜物邊部的深色析出物主要成分為C、O、Fe，而Mn 和S 的含量極少，可以忽略，但是Mn 和S 對(duì)于鋼夾雜物內(nèi)部因子及元素結(jié)構(gòu)的分化會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的影響。而遠(yuǎn)離大塊夾雜物的深色小粒狀相為Fe 和C 的化合物，這部分的因子變動(dòng)狀態(tài)較為頻繁，常常出現(xiàn)異常化或者轉(zhuǎn)置現(xiàn)象。其它元素的含量極少。由此可見(jiàn)，易切削鋼中的夾雜物為Fe、Mn、S、C 等元素組成的復(fù)雜化合物，而不是簡(jiǎn)單的MnS。

3 分析與討論

從以上XY45、XY40 和XY1215 易切削鋼的夾雜物和微觀組織分析發(fā)現(xiàn)，各鋼種間的夾雜物數(shù)量差異明顯，可見(jiàn)成分對(duì)夾雜物的影響極大。為分析組分元素對(duì)夾雜物的數(shù)量的影響，對(duì)不同爐次的XY45 鋼進(jìn)行了夾雜物分析。由于XY45 中的C 含量波動(dòng)較小，因此，主要對(duì)S、Mn、等元素的影響規(guī)律進(jìn)行了分析。

3.1 S 元素對(duì)夾雜物的影響

S 元素是易切削鋼中夾雜物的主要元素，分布狀態(tài)是較為均勻的，且對(duì)于內(nèi)部其他元素的影響覆蓋范圍相對(duì)較為廣泛。元素S 對(duì)夾雜物的影響，在其他元素相當(dāng)?shù)那闆r下，S 含量高8（a）易切削鋼中夾雜物的數(shù)量略多，整體呈現(xiàn)出均衡的分布狀態(tài)，且在溫度、環(huán)境轉(zhuǎn)換的影響之下，極容易產(chǎn)生元素過(guò)度。這是由于含S 易切削鋼中，S 的主要化合物為FeS 和MnS，為了控制妨礙熱加工性的FeS 的生成，Mn 的含量一般控制在Mn%=0.4%+2×S%，而S 元素的含量也需要占整體鋼夾雜物的89%以上。對(duì)于S 含量分別為0.214%（a）和0.166%的（b）兩種易切削鋼而言，0.85%和0.86%的Mn 含量均足以抑制FeS 的生成，因此，S 的含量高，MnS 的數(shù)量相對(duì)較多。

3.2 Mn元素對(duì)夾雜物的影響

在其他組分元素相當(dāng)?shù)那闆r下，Mn 元素對(duì)夾雜物的影響。盡管兩爐易切削鋼的Mn 元素成分偏差較大，但是夾雜物的變化不大。這可能是因?yàn)槎叩腗n 含量均超過(guò)了Mn%=0.4%+2×S%的上限[4]，剩余的Mn 固溶在基體中。因此，Mn 含量在上限以上的變化對(duì)硫化物夾雜的數(shù)量影響不大。

由上述分析可以看出，在Mn 的含量足夠的條件下，影響夾雜物數(shù)量的主要成分是S 含量，S 含量高，夾雜物的數(shù)量增加。

4 結(jié)論

（1）從以上各規(guī)格易切削鋼的夾雜物分布發(fā)現(xiàn)，隨著軋制變形程度的增加，粗大夾雜物相對(duì)減少，紡錘形和短條狀?yuàn)A雜物數(shù)量相對(duì)增加。

（2）易切削鋼中的夾雜物主要為MnS 與Fe、C 等組成的復(fù)雜化合物，夾雜物中深色部分含F(xiàn)e 含量低，淺色部分Fe 含量高。

（3）在其他元素相當(dāng)?shù)那闆r下，S 含量高易切削鋼中夾雜物的數(shù)量略多，而上限以上Mn 含量的變化對(duì)硫化物夾雜數(shù)量的影響不明顯。