氧含量對易切削鋼中硫化物形態及高溫力學性能的影響

王英虎 宋令璽

(1.成都先進金屬材料產業技術研究院有限公司，四川 成都 610000; 2.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，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，目前應用最為廣泛，其產量約占世界和我國易切削鋼總產量的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、分布和尺寸對鋼的切削性能和力學性能影響很大[4- 7]。有關研究發現氧含量能顯著影響易切削鋼中硫化物的形態：氧的質量分數高于0.02%的鋼中主要為第Ⅰ類硫化物，呈球狀、無規則分布，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；氧的質量分數為0.004%～0.010%的鋼中易形成第Ⅱ類硫化物，呈短棒狀，沿晶界鏈狀或網狀分布，常存在于用少量鋁脫氧的鋼中；氧的質量分數低于0.004%的鋼中易形成第Ⅲ類硫化物，呈塊狀，無規則分布，常存在于鋁含量高的鋼中。鋼中往往同時存在上述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類硫化物對鋼的切削性能有不利影響[8- 11]。硫化物中的氧還會與其他元素形成(Mn、Fe)(S、O)復合夾雜物，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， 氧含量過高也會影響易切削鋼鑄坯的表面質量，產生皮下氣泡，鑄坯中心產生嚴重的成分偏析。鋼水的氧含量過高還會在連鑄時發生水口堵塞，并且硬質氧化物夾雜過多還會磨損刀具，影響產品質量[13]。通過控制鋼的氧含量可調整硫化物的尺寸、數量和形態[14]。本文研究了氧含量對易切削鋼中硫化物的形態、長- 寬比、尺寸、最大弦長和數量，以及鋼的高溫力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

試驗用兩種易切削鋼采用150 kg VIM- 150真空感應爐冶煉，編為1號和2號，氧的質量分數分別為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型氧氮氫分析儀測定鋼中碳、硫、氧、氮、氫含量，采用OBLF QSN750型光譜儀測定其他元素的含量，結果如表1所示。采用Zeiss光學顯微鏡、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)觀察并統計鋼中硫化物的形貌、成分和特征參數(長- 寬比、尺寸、最大弦長和數量)。在Gleeble- 3500熱模擬試驗機上進行高溫拉伸試驗，應變速率為0.01 s-1，溫度范圍為850～1 250 ℃(間隔50 ℃)。圖1為高溫拉伸試驗過程示意圖。

表1 研究用鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the investigated steels(mass fraction) %

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

2 結果與討論

2.1 氧含量對硫化物形態和分布的影響

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- 氧化物形態存在。鋼中需含有一定量的氧，溶解在硫化物中的氧對夾雜物的形核和形態有重要影響，含有適量的氧是確保獲得球狀硫化物的必要條件[15]。研究發現，第Ⅰ類硫化物是由分離偏晶反應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形成的，第Ⅲ類硫化物是由偽共晶反應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從第Ⅲ類轉變為第Ⅱ類，最終形成第Ⅰ類硫化物[16]。圖2為試驗鋼中硫化物的形態。從圖2(a)可以看出，1號鋼中的硫化物呈鏈狀和網狀分布，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號鋼中的硫化物分布比較均勻，與1號鋼中的硫化物相比尺寸較大，單位面積硫化物的數量較少，多呈較大的球形和紡錘形，屬于第Ⅰ類硫化物。隨著氧的質量分數從0.006%增加至0.011%，硫化物形態逐漸從第Ⅱ類轉變為第Ⅰ類，其形態和分布均得到了改善。

圖2 1號(a)和2號(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)

研究發現，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，同時減少Al2O3硬質夾雜物對刀具的磨損，改善切削性能。

圖3 2號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 氧含量對硫化物特征參數的影響

研究發現，硫化物的形態對鋼的切削性能影響較大。長- 寬比≤3的硫化物對提高鋼的切削性能最為有利，而鏈狀和長條狀硫化物對切削性能不利，會導致鋼材的各向異性[18- 20]。圖4為氧含量對硫化物長- 寬比的影響，該長- 寬比為穿過硫化物質心的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號鋼中長- 寬比≤3的硫化物比例最高為63.6%；2號鋼中長- 寬比≤3的硫化物比例最高為89.1%。2號鋼中長- 寬比≤3的硫化物比例遠大于1號鋼，而長- 寬比>3的硫化物比例均小于1號鋼。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為鋼中氧含量對硫化物尺寸(穿過硫化物質心的16條弦線的平均長度)的影響。由圖5可知，1號鋼中尺寸≤3 μm的硫化物比例最高為81.7%，2號鋼中5 μm<尺寸≤10 μm的硫化物比例最高為42.5%。可見隨著氧含量的增加，鋼中硫化物尺寸增大，這與圖1所示的結果一致。

圖5 氧含量對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為氧含量對鋼中硫化物最大弦長(穿過硫化物質心的16條弦線中最長弦線的長度)的影響。由圖6可知，1號鋼中最大弦長≤5 μm的硫化物比例最高為72.2%，2號鋼中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為氧含量對鋼中單位面積硫化物數量的影響。由7圖可知，1號和2號鋼中單位面積的硫化物數量分別為1 522.2和373.5個，即隨著氧含量的增加，鋼中單位面積硫化物的數量減少。

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

2.3 氧含量對易切削鋼高溫力學性能的影響

硫化物的形態、尺寸、數量和分布對提高易切削鋼的高溫力學性能具有重要意義[21- 22]。圖8為鋼的高溫拉伸應力- 應變曲線。可以看出，1號和2號鋼的抗拉強度均隨溫度升高而降低。這是因為隨著溫度的升高，動態回復和動態再結晶的軟化作用增強，材料的變形抗力降低。

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

圖9為氧含量對鋼的高溫抗拉強度和斷面收縮率的影響。從圖9(a)可知，在850～1 250 ℃，1號鋼的抗拉強度均高于2號鋼。這是因為硫化物在拉伸變形過程中直接承受載荷，產生應力集中，當應力超過臨界值時，便在硫化物與基體間產生裂紋，并隨著拉伸應力的增大而擴展，直至材料斷裂。1號鋼的氧含量較低，硫化物尺寸較小，對基體的割裂作用較小，其抗拉強度高于2號鋼。由圖9(b)可以看出，在850～1 250 ℃，1號和2號鋼的斷面收縮率均隨溫度的升高而增大，但2號鋼在1 250 ℃時急劇降低；在該溫度范圍內，1號鋼的斷面收縮率均高于2號鋼。在同樣溫度范圍內，隨著氧含量的增加，鋼的抗拉強度和斷面收縮率均降低。可見，氧含量增加會降低鋼的高溫力學性能。

圖9 氧含量對兩種鋼的高溫抗拉強度(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 結論

(1)隨著氧含量的增加，易切削鋼中硫化物的形態從第Ⅱ類轉變為第Ⅰ類，且不再沿晶界呈網狀或鏈狀分布，其形態和分布均得到了改善。

(2)1號鋼中長- 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號和2號鋼中單位面積硫化物的數量分別為1 522.2和373.5個。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，單位面積數量減少，硫化物呈球形或紡錘形。

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