硫易切削鋼中夾雜物形態(tài)的影響因素

王桂林，劉麗霞，彭 軍

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014000；2.內(nèi)蒙古先進陶瓷與器件重點實驗室，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

0 引言

易切削鋼是為了提高切削質(zhì)量、降低加工成本而研發(fā)的一種鋼材。它通過添加含Ca、S、P、Pb、RE 等易切削元素來顯著提高其切削性能[1,2]，這對于當(dāng)前高速化、自動化和精密化的切削加工過程非常重要。易切削鋼在不同的切削應(yīng)用中表現(xiàn)出了高效、精準(zhǔn)和經(jīng)濟的特點，并且在機械加工中應(yīng)用廣泛。因此，易切削鋼的研究和應(yīng)用具有重要的理論和實踐意義。隨著切割技術(shù)向高速、自動化和精密化方向發(fā)展，對金屬材料的易切削性提出了更高的要求。易切削鋼是一種特殊的鋼材，多用在自動切割機床上加工。易切削鋼的主要優(yōu)點有：加工產(chǎn)品表面粗糙度低，容易斷屑，耗能小，刀具受力小，壽命長[3-5]。硫系易削切鋼是目前易切削鋼中全球最多、產(chǎn)量最大的一種，約占全球的70%，我國的90%，具有很大的開發(fā)前景。

1 硫易切削鋼中的夾雜物

鋼中以MnS 為主的夾雜物是硫易切削鋼中的主要夾雜物，MnS 的分布、形態(tài)和尺寸，對鋼的切削性能和機械性能有重要影響。在鋼材中，MnS夾雜物是應(yīng)力集中源，該物質(zhì)會破壞鋼基體的連續(xù)性，從而提升材料的斷屑性能。此外，MnS 還具有潤滑作用，可有效降低刀具的磨損[6]。

在軋制過程中，MnS 會沿軋制方向拉長，從而在一定程度上降低鋼材的力學(xué)性能。值得注意的是，對鋼材的切削性能最為有利的硫化物的長寬比小于3。鏈狀和長條狀硫化物與之相反，會導(dǎo)致鋼材的各向異性，從而不利于切削性能的改善[7]。

研究發(fā)現(xiàn)，球狀或紡錘狀的硫化物可抵抗變形力，又不影響切削性能，想要獲得球狀或紡錘狀的硫化物，可以向易切削鋼中加入Te、Ca、Zr、Re、Ti 等元素，降低鋼中S 含量過高的缺點，保證鋼材的機械性能。

2 硫易切削鋼中硫化物夾雜的種類

在上世紀(jì)30 至40 年代，國外學(xué)者Sims 最早提出了硫化物的分類標(biāo)準(zhǔn)。按照鋼中硫化物分布特征和形貌，Sims 將硫化物分為三類[8,9]，并且這種分類方法在后來得到了深入研究后的擴展，但核心分類方法并沒有發(fā)生改變，因此Sims 的分類方法一直沿用至今。

第Ⅰ類硫化物主要是指尺寸較大的，大約為10 μm 的球形分布硫化物。這些硫化物通常以單相或與鋼中氧化物復(fù)合而形成硫氧化合物，多分布于氧含量較高的鋼中，如圖1a 所示。

圖1 硫化物分類

第Ⅱ類硫化物則以共晶的形式分布于晶粒邊界處。這類硫化物的尺寸較小，通常呈現(xiàn)棒狀或鏈狀分布，多存在于沒有過剩鋁的鋁脫氧鋼中，如圖1b 所示。

第Ⅲ類硫化物分布較不規(guī)則，主要是塊狀的，并且通常為單相夾雜物。這些硫化物在過鋁脫氧鋼中最為常見，如圖1c 所示。

在這三類硫化物中，第Ⅰ類和第Ⅲ類硫化物是單一形式存在的，不會對鋼的機械性能造成不利影響。第Ⅱ類硫化物由于相互連接、割裂和鋼材的隔離基體，對鋼材的性能產(chǎn)生有害影響。因此，在生產(chǎn)過程中，需要獲得球狀或橢球形的第Ⅰ類或第Ⅲ類復(fù)合夾雜物，這些夾雜物在軋制過程中保持形狀不變，且不易發(fā)生變形。這不僅可以改善鋼材的切削性能，而且不會對鋼材的力學(xué)性能造成任何不良影響[10]。

根據(jù)Ito 等人的研究[11]，硫化物可以被分為四種形貌。第一種形貌是球形或紡錘形，第二種形貌是扇形或鏈條狀，第三種形貌是多面體形，而第四種形貌則是不規(guī)則形狀。硫化物是硫系易切削鋼中最基本的夾雜物之一，它對鋼材的力學(xué)性能和切削性能具有非常重要的作用。因此，對硫化物的形貌和存在狀態(tài)的研究對于提高鋼材的品質(zhì)和性能至關(guān)重要。

3 硫易切削鋼中夾雜物形態(tài)的影響因素

在硫易切削鋼的生產(chǎn)過程中，其硫化物的形成受到多種因素的影響。這些因素包括鋼的化學(xué)成分、工藝條件等，其對硫化物的形成會產(chǎn)生極大的影響。下面將對這些因素進行詳細探討，以便更好地理解硫化物形成的影響因素。

3.1 鋼中氧含量對硫化物形態(tài)的影響

氧含量是影響鋼中硫化物形態(tài)最重要的因素之一，氧在鋼中以氧化物的形式存在，溶解度極小。當(dāng)鋼中含有錳元素時氧會與之結(jié)合形成氧化錳，改變了硫化錳的析出方式。

早期Smis 等人通過研究闡明了鋁脫氧與硫化物形態(tài)之間的關(guān)系，對各種脫氧元素的性能進行了對比。研究結(jié)果顯示，使用硅作為脫氧劑時，會生成Ⅰ型硫化物。而當(dāng)鋼中加入鋁的含量從0.005%～0.150%時，硫化物的形態(tài)會從Ⅰ型變?yōu)棰蛐?，甚至最終形成Ⅲ型硫化物。由于脫氧劑的脫氧能力不同導(dǎo)致鋼中的氧含量不同，進而導(dǎo)致硫化錳的析出方式有所不同，最終反映在鋼材中的硫化物形態(tài)也存在著差別。這些發(fā)現(xiàn)有助于深入了解硫化物的形態(tài)控制機制，為鋼鐵生產(chǎn)提供了重要的理論依據(jù)。

在Sims 研究的基礎(chǔ)上，有學(xué)者認為，鋼中組成夾雜物元素（S、Mn、O）的活度，影響硫化物的形態(tài)；當(dāng)鋼中氧活度較高的情況下，鋼中存在大量的細小氧化物夾雜利于第Ⅰ類硫化物形核長大；隨著硫、錳活度的升高和氧活度的降低，硫化物從第Ⅰ類逐漸向第Ⅲ類轉(zhuǎn)變[12]。

夏云進等學(xué)者[13]就鋼中氧含量對硫化物形態(tài)可能產(chǎn)生的影響進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，隨著鋼中氧含量的增加，MnS 的形貌逐漸從Ⅱ類向Ⅰ類轉(zhuǎn)變。他們通過研究Fe-Mn-S 和Fe-Mn-S-O 體系的相圖，闡明了氧含量對硫化物形態(tài)的影響。當(dāng)氧含量高達220×10-4%時，會在凝固初期形成大量的MnO 系夾雜物。這些夾雜物會促進MnS 夾雜物的形成方式從共晶轉(zhuǎn)變?yōu)槠В纬傻冖耦怣nS 夾雜物。當(dāng)氧含量在100×10-4%以下時，凝固初始階段形成的MnO 系夾雜物較少，大部分MnS夾雜物會在凝固末期析出，形成第Ⅱ類MnS 夾雜物。

段飛虎及其團隊[14]展開了一系列研究，以探究氧含量對于含硫易切削鋼中的硫化物及切削性能的影響。根據(jù)他們的研究結(jié)果，適度提高鋼中氧含量有助于提高切削性能。這是因為高氧含量有助于產(chǎn)生大量紡錘形復(fù)合夾雜物，使切削性能得到改善。此外，當(dāng)鋼中w[T.O]＞120×10-4%時，會出現(xiàn)第Ⅰ類硫化物；當(dāng)w[T.O]在（80～120）×10-4%范圍內(nèi)時，會呈現(xiàn)第Ⅱ類硫化物，而w [T.O]＜80×10-4%時則變?yōu)榈冖箢惲蚧铩?/p>

屠興壙等人[15]研究了氧含量對硫系易切削鋼Y1215 中硫化物的影響，結(jié)果表明：隨著氧含量增加，鋼中硫化物夾雜分布和尺寸無明顯區(qū)別，復(fù)合夾雜物數(shù)量增多。在軋制?8.0 mm 的盤條中，T[O]為0.0074%時，硫化物變形明顯，部分硫化物由于拉伸變形嚴(yán)重而碎裂，硫化物的長寬比為23.2；T[O]為0.0145%時，盤條中硫化物主要以紡錘形為主，沿軋制方向變形小，硫化物的長寬比為3.4。為獲得第Ⅰ類球形或紡錘形的硫化物，冶煉時Y1215 鋼中的T[O]可控制在0.0095%～0.0145%。

王英虎等人[16]對氧含量對易切削鋼中硫化物形態(tài)的影響進行了研究。研究結(jié)果表明：在氧的質(zhì)量分數(shù)為60×10-4%的鋼中，硫化物呈鏈狀和網(wǎng)狀分布，屬于第Ⅱ類硫化物。而在氧的質(zhì)量分數(shù)為110×10-4%的鋼中，硫化物形態(tài)近似球形或紡錘形彌散分布，屬于第Ⅰ類硫化物。隨著鋼中氧含量的增加，硫化物逐漸從第Ⅱ類轉(zhuǎn)變成第Ⅰ類，單位面積的硫化物數(shù)量減少，尺寸增大，長寬比減小，這些實驗結(jié)果揭示出氧含量對于易切削鋼中硫化物形態(tài)的顯著影響。

仇兵利等研究人員[17]對易切削不銹鋼的氧含量對硫化物形態(tài)的影響進行了深入探究。研究結(jié)果表明，隨著鋼中氧含量的增加，復(fù)合夾雜物的數(shù)量增多，第Ⅰ類硫化物比例增加，同時也使得硫化物的尺寸和面積比例隨之上升。此外，硫化物的數(shù)量減少，進一步表明了氧含量對硫化物形態(tài)的影響。在鍛造過程中，氧含量210×10-4%的鋼樣中復(fù)合硫化物沿鍛造方向變形小，平均長寬比小于3，鋼中硫化物均勻分布呈球形或紡錘形。

鋼中同時存在球狀、塊狀、短棒狀的硫化物，第Ⅱ類硫化物會對鋼的切削性能產(chǎn)生有害影響[18]。硫系易切削鋼是一種高含氧量的鋼材，鋼中氧的含量對硫化物的尺寸、類型、形態(tài)和分布狀況產(chǎn)生了重要影響，進而影響了鋼材的切削性能。因此，為了控制硫化物的形成，可以采用適當(dāng)提高鋼中氧含量的方法，從而顯著提升鋼材的切削性能。

3.2 稀土對硫化物形態(tài)的影響

針對易切削鋼中的夾雜物問題，通過向鋼中加入稀土元素來實現(xiàn)鋼的夾雜物改質(zhì)效果。同時，對含硫的鋼液也可以加入稀土元素，實現(xiàn)凈化鋼液和控制鋼中夾雜物的效果，進而改善鋼的塑性和韌性，提高硫易切削鋼的力學(xué)性能。稀土元素可以用于變性硫化物夾雜，但是需要保證鋼中的氧含量較低。熱力學(xué)計算發(fā)現(xiàn)，加入稀土元素后，先生成稀土氧化物，然后生成稀土氧硫化物，最后生成稀土硫化物。當(dāng)鋼中氧含量較低時，含RE 的夾雜物從RES 轉(zhuǎn)變?yōu)镽E3S4，再轉(zhuǎn)變?yōu)镽E2S3[19]。稀土硫化物不易變形，提高了硫化物的抗變形能力，保持了球狀形態(tài)，進而改善了鋼的切削性能。這些研究成果對于提高鋼材的質(zhì)量和性能具有重要的實際意義。

Li 等學(xué)者[20]將稀土鈰引入2Cr13 不銹鋼中，并運用熱力學(xué)計算法進行分析，發(fā)現(xiàn)其中的MnS夾雜物和Al2O3可被轉(zhuǎn)化為鈰的氧硫化物和氧化物。轉(zhuǎn)化之后的夾雜物不僅難以形變，而且其尺寸更為微小，上述熱力學(xué)計算的結(jié)果也在實驗中得到驗證。

楊曉紅及其研究團隊[21]對稀土變質(zhì)鋼中夾雜的行為進行了深入研究。在高潔凈度的鋁脫氧鋼中，稀土元素可以起到使Al2O3和MnS 夾雜變質(zhì)的作用，進而形成鋁酸稀土夾雜和氧硫稀土夾雜。這項研究為稀土元素在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用提供了有力的支持，有望推動鋼鐵行業(yè)向更高質(zhì)量、更可靠的方向發(fā)展。

Yue 等人[22]在研究中發(fā)現(xiàn)，利用添加稀土的方法處理10PCuRE 耐候鋼可以獲得顯著改善硫化物性質(zhì)的效果。通過實驗，他們發(fā)現(xiàn)即使加入極少量的稀土，也能夠?qū)A雜物變性為球狀的稀土硫化物和氧硫化物，且這些硫化物尺寸均小于2 μm，并分散于材料中。此外，稀土含量在0.0065%～0.016%范圍內(nèi)的添加效果最佳，這說明稀土處理在改善材料的性能方面具有極大的潛力，并具有實際應(yīng)用價值。

范磊等人[23]研究了稀土對高硫易切削鋼中夾雜物的影響，研究表明，當(dāng)Ce 含量為100×10-4%時，鋼中的主要夾雜物為MnS 和CeAlO3，CeAlO3作為形核核心，MnS 在表面析出，形成復(fù)合夾雜物，復(fù)合夾雜物占比約3.01%；當(dāng)Ce 含量為500×10-4%時，鋼中的主要夾雜物類型為MnS、CeAlO3和Ce2S3，MnS 與Ce2S3互相包裹形成復(fù)合夾雜物，復(fù)合夾雜物占比約5.11%。當(dāng)Ce 含量由100×10-4%增大至500×10-4%時，鋼中第Ⅱ類硫化物數(shù)量明顯減少，尺寸減小。

3.3 錳、硫元素對硫化物形態(tài)的影響

根據(jù)熱力學(xué)計算結(jié)果[24，25]，發(fā)現(xiàn)隨著鋼中硫含量增加，MnS 析出溫度升高。為了深入研究硫含量對MnS 夾雜物析出的影響，M.Wakoh 及其團隊[26]在w（Mn）=1%的鋼中進行了試驗。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)w（Mn）＜0.002%時，幾乎沒有MnS 夾雜物析出。隨著w（Mn）的增加，MnS 夾雜物的數(shù)量也會逐漸增加。其中，當(dāng)0.002%＜w（Mn）＜0.008%時，MnS 夾雜物有單獨析出和復(fù)合析出兩種方式。而復(fù)合夾雜物析出率則與硫含量成正比，也就是說，硫含量越高，聚集程度越大。當(dāng)w（Mn）＞0.008%時，MnS 夾雜物幾乎會在所有氧化物上析出。

一般鋼中Mn 含量和S 含量的比值決定鋼中硫化物的成分。Mn 與Fe 相比，對S 親和力較大，向鋼中加入Mn 時優(yōu)先形成MnS。研究發(fā)現(xiàn)硫化物的成分隨鋼中Mn/S 變化，隨著Mn/S 增加，F(xiàn)eS含量變少。在富硫鐵液中MnS 可形成球狀、枝晶和不規(guī)則形態(tài)[27]，在貧硫鐵液中偏晶反應(yīng)形成球狀MnS 夾雜物，共晶反應(yīng)形成棒狀MnS。

保持鋼中S 含量不變，增加或減少Mn 含量，都可以影響MnS 的析出。根據(jù)圖2 的數(shù)據(jù)顯示[28]，不同成分的鋼材具有不同的最佳Mn/S。隨著鋼中Mn/S 的增加，鋼材中硫化物紡錘率增大。這一現(xiàn)象表明，通過控制Mn/S，可以有效調(diào)節(jié)鋼材中的夾雜物含量，進而改善其切削性能。如果鋼中有多余的S 存在，會生成FeS、Fe-FeS 共晶體、FeS-MnS 夾雜物共晶體或FeS-FeO 共晶體。因此，鋼中錳含量必須足夠高，把硫化物從共晶體形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镸nS 或（Mn、Fe）S，消除熱脆影響。Mn 含量過高會對切削性能產(chǎn)生不利影響，所以硫系易切削鋼中Mn/S 一般為3.0～5.0[29]。

圖2 硫化物紡錘率與Mn/S 的關(guān)系

李成良等人[30]研究了Mn/S 對1215MS 易切削鋼力學(xué)性能和切削性能的影響，結(jié)果表明：隨著Mn/S 的減小，鋼中硫化物的吉布斯自由能降低，尺寸和形核率增大；與高Mn/S 試樣相比，Mn/S 較低的試樣中MnS 夾雜物的數(shù)量更多，尺寸更大，其中細長的MnS 會導(dǎo)致鋼材力學(xué)性能的各向異性。此外，Mn/S 較低的試樣中，MnS 的長寬比較大，其強度也低于高Mn/S 試樣。相比之下，高Mn/S 試樣的斷裂方式為韌性斷裂，而低Mn/S 試樣為準(zhǔn)解理斷裂。此外，低Mn/S 試樣表現(xiàn)出更好的切削性能和表面光潔度?？傮w而言，錳硫比較低的試樣在細長MnS 夾雜物數(shù)量、夾雜物強度和斷裂方式等方面表現(xiàn)出不如高錳硫比試樣的特點，但具有更優(yōu)秀的切削性能和表面光潔度。

3.4 其他元素對硫化物形態(tài)的影響

除了包含O、S、Mn、RE 元素，其他元素都可以代替Mn 元素與S 元素結(jié)合。這些元素比Mn 元素更容易與S 元素形成化合物，如Ca、Zr 等。這種結(jié)合可以生成硬度更高的硫化物或復(fù)合硫化物，避免了高塑性純MnS 的變形所引起的長條狀夾雜物形成顯微裂紋的問題。這些元素的作用對于控制硫化錳的產(chǎn)生具有積極作用[31]。1500℃下此類元素與S 元素親和力強弱排序如下[32,33]：Ca＞Sr＞Ba＞La＞Ce＞Nd＞Th＞U＞Mg＞Zr＞Ti＞Mn＞F。

3.5 工藝條件對硫化物形態(tài)的影響

簡龍等人[34]在研究中發(fā)現(xiàn)，冷卻速度對鋼中硫化物的生成有顯著影響?？绽錀l件下會大量生成夾雜物，硫化物的尺寸也較小。當(dāng)冷卻速度較高時，硫化物會更加細小。在不同的鋼種中，較快的冷卻速度也會促進Ⅱ類共晶硫化物的生成，而Ⅰ類和Ⅲ類硫化物則需要較低的冷卻速度才能生成。

黃野等人[35]的試驗結(jié)果表明，在連鑄過程中，隨著冷卻速度的增加，MnS 夾雜物的形態(tài)會逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)變。橢圓形和短棒形的夾雜物會變成球形或橢圓形，而鏈條狀的MnS 夾雜物的生成密度則會明顯降低，長度也變短。

伏存田等人[36]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，在950～1100 ℃之間，隨著保溫時間延長，MnS 的形貌也會發(fā)生變化。長寬比＜3 或長寬比＞6 的夾雜物數(shù)量會減少，而保溫一段時間后，長條狀的夾雜物數(shù)量會增多，細小的MnS 也會不斷聚集長大。

王英虎[37]研究了鍛造工藝對易切削鋼中MnS的影響。試驗結(jié)果表明，鑄態(tài)試驗鋼中的MnS 夾雜物大多呈球形或紡錘形，少量夾雜物呈鏈狀沿晶界分布。而鍛態(tài)試驗鋼中的MnS 則會沿著鍛造方向延伸，長寬比增大，尺寸也會減小，單位面積內(nèi)夾雜物的數(shù)量增加。

陳俊東等人[38]研究了熱變形工藝對低硫易切削鋼中MnS 形態(tài)演變的影響，試驗結(jié)果顯示：當(dāng)變形溫度較低時，高溫大形變量有利于降低硫化物相對塑性，獲得長寬比較小的硫化物。MnS 的相對塑性隨著形變量的增加而提高，當(dāng)變形溫度大于1000 ℃時，鋼中硫化物呈橢圓形。

還有研究者們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MnS 被熱軋時，它們會發(fā)生變形，拉成長條狀。具體來說，Ⅰ類和Ⅲ類MnS 變?yōu)榧氶L的橢圓狀，而Ⅱ類MnS 則因其樹突特性而被旋轉(zhuǎn)成變形面。這一發(fā)現(xiàn)對于了解材料的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)非常重要，為進一步的研究提供了有益的思路和方向。

4 結(jié)語

硫易切削鋼是當(dāng)今易切削鋼中生產(chǎn)和使用最廣泛的鋼種，MnS 夾雜物是鋼中最主要的夾雜物，MnS 夾雜物的形態(tài)影響鋼的切削性能。研究表明第Ⅰ類球形或者紡錘形硫化物對鋼的切削性能最為有利，有許多手段可以控制鋼中形成第Ⅰ類硫化物，其中最有效的手段是控制鋼中氧含量添加稀土，還可以通過控制鋼中其他元素以及不同的工藝條件來控制鋼中夾雜物。