Y12Cr18Ni9 易切削鋼鑄態(tài)組織及力學(xué)性能研究

王英虎 ，鄭淮北 ，方 軼，劉庭耀 ，王利偉，姚 斌

（1.成都先進(jìn)金屬材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院股份有限公司,四川 成都 610300；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；3.攀鋼集團(tuán)江油長城特殊鋼有限公司,四川 江油 621704）

0 引言

易切削鋼是指通過在鋼中添加一定數(shù)量的一種或一種以上的S、P、Pb、Ca、Se、Te、Ti 及Ce 元素，以提高切削性能的合金鋼[1]。根據(jù)所添加的易切削元素不同進(jìn)行分類，可以將易切削鋼分為含硫易切削鋼、含鉛易切削鋼、含碲易切削鋼、含鈦易切削鋼及復(fù)合易切削鋼等[2]。含硫易切削鋼是問世時(shí)間最早，迄今為止用量最大并且用途最廣的一種易切削鋼，占世界和我國易切削鋼總產(chǎn)量的比例達(dá)到了70%和90%[3]。Y12Cr18Ni9 是一種高S 奧氏體易切削鋼，具有良好的塑性、韌性、抗腐蝕性及切削性能，在航空航天、石油、化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4?5]。鋼中硫化物的形態(tài)呈紡錘形時(shí)，對切削性能最為有利，長寬比超過4∶1 的細(xì)長條狀硫化錳不但破壞基體的連續(xù)性，還會(huì)造成切削屑粘結(jié)，降低工件的表面質(zhì)量，如何有效調(diào)控硫化物的形貌及分布狀態(tài)成為提高易切削鋼質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)[6?11]。目前，通過試驗(yàn)對易切削鋼的組織及性能研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)較多[12?13]，但借助熱力學(xué)軟件來輔助研究的文獻(xiàn)較少。現(xiàn)如今以相變熱力學(xué)為基礎(chǔ)的熱力學(xué)模擬軟件（如FactSage、Thermo-Calc、Pandat、JMatPro 等）逐漸得到冶金與材料領(lǐng)域?qū)W者的認(rèn)可與重視[14?15]。FactSage 軟件是一款根據(jù)“平衡相各組元化學(xué)勢相等”和“Gibbs 最小值”原則計(jì)算相圖、相變和相平衡的功能強(qiáng)大的軟件，可以對材料的成分、熱加工參數(shù)等進(jìn)行設(shè)計(jì)并預(yù)測組織的形成規(guī)律。筆者利用FactSage 軟件對Y12Cr18Ni9 易切削鋼的多元相圖進(jìn)行計(jì)算和分析，以明確該體系的組織演變規(guī)律，并通過試驗(yàn)對FactSage 軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，分析了Y12Cr18Ni9 易切削鋼的鑄態(tài)組織及力學(xué)性能，為其生產(chǎn)提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)鋼采用VIM-150 真空感應(yīng)爐冶煉，容量為150 kg，裝料前將所需的合金料在200 ℃烘烤3 h，并用砂輪打磨去掉表面氧化皮，每爐配料125 kg。將高純鐵、鉻鐵、鎳板隨爐裝填，裝料盡量緊密，避免搭橋，將石墨、金屬硅、金屬錳、磷鐵、硫鐵、鉬鐵置于真空感應(yīng)爐的單獨(dú)料倉中。當(dāng)熔煉室的真空度≤1 Pa 時(shí)，啟動(dòng)真空感應(yīng)爐開始加熱合金料，加熱升溫的工藝步驟如下：30%功率，持續(xù)20 min；50%功 率，持 續(xù)20 min；70%功 率，持 續(xù)20 min；90%功率，直到隨爐料全部熔清。待爐料熔清后，繼續(xù)升溫到1 600 ℃后將送電功率適當(dāng)降低，使鋼液的溫度保持在1 500～1 550 ℃并持續(xù)25 min 進(jìn)行精煉。在精煉期，始終保持熔煉室的真空度≤1 Pa。精煉結(jié)束后充氬氣到20 000 Pa，然后依次加入石墨、硅鐵、錳鐵、磷鐵、鉬鐵及硫鐵。合金加入后進(jìn)行大功率電磁攪拌，電磁攪拌持續(xù)時(shí)間為2 min，然后靜置2 min。出鋼澆注溫度為1 540℃，澆鑄時(shí)間為3 min，澆注到?200 mm×400 mm 金屬模中，鋼液在爐內(nèi)凝固并冷卻至室溫后得到?200 mm 的Y12Cr18Ni9 易切削鋼鑄錠。使用ELTRACS800 型紅外碳硫儀測定其C 和S 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，使用ONH-2000 型氧氮?dú)浞治鰞x測定其O、N 和H 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，使用IRIS Intrepid II XSP型ICP 光譜儀測得Al 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，使用OBLF QSN750 型光譜儀測得其他元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，得到化學(xué)成分如表1 所示。

表1 Y12Cr18Ni9 易切削鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of the Y12Cr18Ni9 free-cutting steel %

采用FactSage 8.0 熱力學(xué)軟件對試驗(yàn)鋼的相變過程及析出行為進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程使用了FactSage 8.0 軟件中的Equilib 與Phase Diagram 模塊[16]，采用專門用于計(jì)算鋼鐵材料相圖的FSstel 數(shù)據(jù)庫，成分以單位克（g）進(jìn)行輸入，壓力設(shè)置為1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.325 kPa），在平衡條件下對數(shù)據(jù)庫中存在的相不加任何條件限制，通過對計(jì)算結(jié)果的分析得到了Y12Cr18Ni9 易切削鋼的平衡相變路徑。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫拉伸試驗(yàn)方法》，采用直徑為?5 mm 的棒狀試樣在MTS Landmark 370 電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為0.016 mm/s。采用MTS 落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫夏比沖擊試驗(yàn)，采用標(biāo)準(zhǔn)夏比V 型缺口試樣，試樣規(guī)格為10 mm×10 mm×50 mm，中部加工有45°深為2 mm 的V 型缺口，沖擊試樣的缺口背朝擺錘方向，擺錘能量為300 J，采用3 個(gè)平行試樣，取其平均值作為最終結(jié)果。使用Phenom Partical X 臺(tái)式掃描電鏡對硫化物形貌進(jìn)行觀察并用電鏡附帶的能譜儀分析硫化物的元素組成，使用掃描電鏡的夾雜物自動(dòng)分析系統(tǒng)對夾雜物的長寬比、尺寸及最大弦長進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，掃描面積為8.99 mm2。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 FactSage 熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果

通過FactSage8.0 熱力學(xué)軟件計(jì)算Y12Cr18Ni9易切削鋼 Fe-16.24Cr-1.83Mn-7.79Ni-0.198Mo-0.035C-0.175S-0.273Si 多元系由1 500 ℃高溫液相冷卻至500 ℃的平衡相圖，計(jì)算結(jié)果如圖1 所示。由圖1(a)可以看出，在500 ～1 500 ℃范圍內(nèi)，Y12Cr18Ni9 易切削鋼中的平衡相主要有Liquid、MnS、δFerrite、Austenite、M23C6、Ferrite 與Sigma。由圖1(b)可以看出，Y12Cr18Ni9 易切削鋼在1 點(diǎn)1 451 ℃發(fā)生液固相變：Liquid→δFerrite，生成了高溫δ 鐵素體，1 451 ℃也是Y12Cr18Ni9 易切削鋼的液相線溫度。在2 點(diǎn)1 424 ℃發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：δFerrite→Austenite。在3 點(diǎn)1 417 ℃有MnS 開始析出。在4 點(diǎn)1 400 ℃液相完全消失，1 400 ℃也是Y12Cr18Ni9 易切削鋼的固相線溫度。在5 點(diǎn)1 277 ℃時(shí)，高溫δ 鐵素體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在6 點(diǎn)904 ℃時(shí)，M23C6相開始析出。在7 點(diǎn)751 ℃時(shí)，F(xiàn)errite 相開始析出。在8 點(diǎn)550 ℃時(shí)，有Sigma相生成。δFerrite、Austenite、M23C6、Ferrite 與Sigma相的生成溫度幾乎不受S 含量的影響。

圖1 Y12Cr18Ni9 易切削鋼FactSage 軟件模擬平衡相圖Fig.1 Equilibrium phase diagram of Y12Cr18Ni9 free-cutting steel predicated by FactSage software

凝固相變與析出路徑是研究鋼鐵合金組織轉(zhuǎn)變和分析凝固組織的重要依據(jù)[17]。由圖2 可以看出，Y12Cr18Ni9 易切削鋼的平衡凝固和冷卻相變路徑為：Liquid→Liquid+δFerrite→Liquid+δFerrite+Austenite→Liquid+δFerrite+MnS+Austenite→δFerrite+MnS+Austenite→MnS+Austenite→MnS+M23C6+Aus tenite→MnS+M23C6+Austenite+Ferrite→MnS+M23C6+Sigma+Austenite+Ferrite。Y12Cr18Ni9 易切削鋼的平衡凝固和冷卻相變路徑圖是確定其冶金、鍛造、軋制及熱處理等工藝參數(shù)的重要參考依據(jù)。

圖2 Y12Cr18Ni9 易切削鋼的平衡凝固及冷卻相變路徑Fig.2 Phase transition path of the Y12Cr18Ni9 free-cutting steel during equilibrium solidification and cooling

2.2 Y12Cr18Ni9 易切削鋼組織及力學(xué)性能分析

圖3 為Y12Cr18Ni9 易切削鋼中部橫截面經(jīng)過熱酸腐蝕后的低倍組織，由表面細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)組成。鑄錠表面細(xì)晶區(qū)是由細(xì)小的等軸晶粒組成的，它的厚度與鋼液的澆鑄溫度有關(guān)，澆鑄溫度越高，表面細(xì)晶區(qū)越薄，Y12Cr18Ni9 易切削鋼的澆鑄溫度為1 540 ℃，表面細(xì)晶區(qū)的厚度大約為10 mm，表面細(xì)晶區(qū)所占面積為21.9%。柱狀晶區(qū)的形成是因?yàn)樵诒砻婕?xì)晶區(qū)形成的同時(shí)，金屬模型壁溫度迅速升高，冷卻速度變慢，固液界面上的過冷度減小，新晶粒的形成變得困難，只有一次軸垂直于金屬模型壁的晶粒才得以優(yōu)先長大，這便形成了柱狀晶，試驗(yàn)鋼柱狀晶區(qū)所占面積為65.9%。中心等軸晶粒的形成是因?yàn)殡S著柱狀晶的向前生長，液相中的成分過冷區(qū)越來越大，當(dāng)成分過冷區(qū)增大到液相能夠不均勻形核時(shí)，便在剩余液相中形成許多新晶核，并沿著各個(gè)方向均勻地生長而形成等軸晶[18]，試驗(yàn)鋼中心等軸晶區(qū)所占面積為12.2%。根據(jù)GB/T 1979-2001 結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評級圖對Y12Cr18Ni9 易切削鋼鑄錠芯部縮孔、縮松進(jìn)行評級，試驗(yàn)鋼的中心縮松等級為0.5 級，殘余縮孔等級為1 級，縮孔及縮松程度很小，表明材料的致密度很好，冶金質(zhì)量較高。

圖3 規(guī)格為?230 mm 的Y12Cr18Ni9 易切削鋼橫截面低倍組織Fig.3 Macrostructure of ?230 mm Y12Cr18Ni9 free-cutting steel on cross-section

圖4 為Y12Cr18Ni9 易切削鋼中典型硫化物電鏡形貌及Fe、S 與Mn 元素分布。由圖4 可以看出，Y12Cr18Ni9 易切削鋼中的硫化物主要呈球形、橢球形、紡錘形或短棒狀并以簇狀沿晶界分布，該類形態(tài)的硫化物一般被認(rèn)為是共晶反應(yīng)生成的。在冶煉過程中液相向固相發(fā)生凝固反應(yīng)時(shí)，晶粒間殘余液相中硫元素偏析會(huì)導(dǎo)致硫元素富集，使得硫化物與高溫鐵素體互相搭橋析出，形成了這種硫化物簇狀分布的形態(tài)[19]。在20 世紀(jì)80 年代，Ito 等[20?21]對低碳鋼中的硫化物形貌進(jìn)行了分類：第Ⅰ類：球形復(fù)合夾雜物，無規(guī)則分布，由亞穩(wěn)態(tài)偏晶反應(yīng)生成；第Ⅱ類：呈長棒狀或扇形，沿晶界呈鏈狀或網(wǎng)狀分布，由穩(wěn)定的共晶反應(yīng)生成；第Ⅲ類：多面體形，無規(guī)則分布，由非穩(wěn)態(tài)共晶（偽共晶）反應(yīng)生成。其中第Ⅱ與第Ⅲ類硫化物可通過熱加工的方式改善其形貌、尺寸與分布狀態(tài)[22?23]。Y12Cr18Ni9 易切削鋼中的硫化物符合第Ⅱ類硫化物的形貌與分布特征。

圖4 Y12Cr18Ni9 易切削鋼中典型硫化物SEM 形貌及元素分布Fig.4 The SEM micrograph(a) and element mapping(b～d) typical sulfides in the Y12Cr18Ni9 free-cutting steel

圖5 為Y12Cr18Ni9 易切削鋼中夾雜物長寬比（其中，長寬比為Phenom Partical X 臺(tái)式掃描電鏡-能譜儀統(tǒng)計(jì)出的穿過硫化物質(zhì)心的16 條弦線中的最長弦線的長度L與垂直于最長弦線的弦線長度W的比值，當(dāng)硫化物長寬比≤3 時(shí)可以將其稱為紡錘形）分布。由圖5 可以看出Y12Cr18Ni9 易切削鋼中L/W≤3 的硫化物所占比例最高，達(dá)到了94.75%，說明冶煉過程中有效控制了硫化物的形貌。

圖5 Y12Cr18Ni9 易切削鋼中硫化物長寬比分布Fig.5 Distribution of length-width ratio of sulfides in the Y12Cr18Ni9 free-cutting steel

圖6 為Y12Cr18Ni9 易切削鋼中硫化物尺寸與最大弦長（其中，硫化物尺寸為統(tǒng)計(jì)出的穿過硫化物質(zhì)心的16 條弦線的平均長度；最大弦長為統(tǒng)計(jì)出的穿過硫化物質(zhì)心的16 條弦線中最長弦線的長度）分布。由圖6 可以看出，尺寸≤3 μm 的硫化物所占比例最高為80.22%，隨著尺寸增大，硫化物所占比例逐漸減小。最大弦長≤3 μm 的硫化物所占比例最高為76.02%，隨著最大弦長增大，硫化物所占比例也逐漸減小。由此可知，Y12Cr18Ni9 易切削鋼中的硫化物主要以球形、橢圓形及紡錘形為主，硫化物的形貌有助于材料切削性能的提升。

圖6 Y12Cr18Ni9 易切削鋼中夾雜物尺寸與最大弦長分布Fig.6 Distribution of size and maximum chord length of sulfides in the Y12Cr18Ni9 free-cutting steel

圖7 為Y12Cr18Ni9 易切削鋼鑄態(tài)工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。應(yīng)力-應(yīng)變曲線最典型的特點(diǎn)是沒有明顯的屈服平臺(tái)，在拉伸的過程中呈連續(xù)屈服變形，材料的抗拉強(qiáng)度為597 MPa，屈服強(qiáng)度為233 MPa，斷后伸長率為17.7%，斷面收縮率為19.5%。

圖7 Y12Cr18Ni9 易切削鋼鑄態(tài)工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Engineering stress-strain curves of the as-cast Y12Cr18Ni9 free-cutting steel

斷口是試樣在試驗(yàn)過程中斷裂后所形成的相匹配的表面，記錄了材料在載荷與環(huán)境作用下斷裂前的不可逆變形，以及裂紋萌生和擴(kuò)展直至斷裂的全過程[24]。圖8 為Y12Cr18Ni9 易切削鋼拉伸試樣掃描斷口形貌。由圖8(a)可以看出，拉伸試樣宏觀斷口只有很小的頸縮，斷口比較整齊平坦并垂直于拉伸載荷方向。由圖8(b)可以看出，拉伸試樣微觀斷口呈明顯的解理形貌，裂紋從簇狀硫化物處萌生并在足夠載荷的作用下快速失穩(wěn)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料的斷裂。由此可知，簇狀硫化物會(huì)促進(jìn)裂紋的產(chǎn)生并嚴(yán)重降低材料的力學(xué)性能。

圖8 Y12Cr18Ni9 易切削鋼拉伸試樣掃描斷口形貌Fig.8 Scanning fracture morphology of tensile specimen of the Y12Cr18Ni9 free-cutting steel

圖9 為Y12Cr18Ni9 易切削鋼沖擊試樣掃描斷口形貌。由圖9(a)可以看出，宏觀斷口主要為放射區(qū)，整個(gè)斷口比較平坦，為典型的脆性斷口。由圖9(b)可以看出，裂紋在簇狀硫化物處生核，并從該處呈圓形向四周擴(kuò)展并覆蓋到整個(gè)晶粒，形成一個(gè)小的解理面，這些小解理面一般被稱為準(zhǔn)解理面，簇狀硫化物是形成準(zhǔn)解理面的主要原因[25]。Y12Cr18Ni9易切削鋼鑄態(tài)試樣的沖擊功為21.8 J，沖擊韌性較差，沿晶界呈簇狀分布的硫化物是造成其塑性較差的一個(gè)重要因素。Y12Cr18Ni9 易切削鋼的力學(xué)性能還有較大的提升空間，可以通過鍛造、軋制及熱處理等手段改變硫化物的分布狀態(tài)，以提升材料的力學(xué)性能。

圖9 Y12Cr18Ni9 易切削鋼沖擊試樣掃描斷口形貌Fig.9 Scanning fracture morphology of impact specimen of the Y12Cr18Ni9 free-cutting steel

3 結(jié)論

1)在500～1 500 ℃范圍內(nèi)，使用FactSage 熱力學(xué)軟件計(jì)算出的Y12Cr18Ni9 易切削鋼中的平衡相主要有Liquid、MnS、δFerrite、Austenite、M23C6、Ferrite 與Sigma。平衡凝固和冷卻相變路徑為：Liquid→Liquid+δFerrite→Liquid+δFerrite+Austenite→Liquid+δFerrite+MnS+Austenite→δFerrite+Mn S+Austenite→MnS+Austenite→MnS+M23C6+Austenite→MnS+M23C6+Austenite+Ferrite→MnS+M23C6+Sigma+Austenite+Ferrite。

2) Y12Cr18Ni9 易切削鋼中的硫化物呈球形、橢球形、紡錘形或短棒狀并以簇狀沿晶界分布，屬于第Ⅱ類硫化物，長寬比≤3 的硫化物占比達(dá)到了94.75%，尺寸≤3 的硫化物所占比例為80.22%，最大弦長≤3 的硫化物所占比例為76.02%，硫化物的形態(tài)在冶煉過程中得到了較好的控制。

3)簇狀硫化物會(huì)影響Y12Cr18Ni9 易切削鋼的力學(xué)性能，簇狀硫化物會(huì)促進(jìn)裂紋的萌生，由拉伸及沖擊斷口可以看出，裂紋主要在硫化物處生核，并從該處呈圓形向四周擴(kuò)展并覆蓋到整個(gè)晶粒，形成一個(gè)小的準(zhǔn)解理面，簇狀硫化物是形成準(zhǔn)解理面的主要原因。