易切削鋼夾雜物及微觀組織研究

周小利

隨著汽車、機械制造等工業發展，我國易切削鋼的需求量極大，而生產能力和產品質量急待提高。機加工成本是制造業中零部件制造成本的主要部分，有時甚至超過零部件制造成本的40%。因此，人們極希望通過提高鋼材的機加工性能來降低加工成本。日本、德國、美國等國家對易切削鋼的開發較早、且也比較成熟；臺灣中鋼集團生產的Y15 易切削鋼也是相當成熟，特別是其中的夾雜物分布、形態的控制是相當完善。本文對湘鋼易切削鋼系列不同規格的夾雜物分布和微觀組織進行全面的分析，找到影響易切削鋼夾雜物分布的影響因素，對后續生產改善提供理論支撐。

1 試驗方法

湘潭鋼鐵有限公司采用轉爐→LF 精煉→連鑄→連軋的工藝流程生產的易切削鋼。試驗中對不同牌號、不同規格的易切削鋼進行取樣、制樣，利用金相顯微鏡Imager.D1m 觀察夾雜物形態，同時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 試驗結果

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條狀分布，內部的因子并不聚集，外呈現出不規律的狀態。夾雜物的大小差異較大，分布均勻性較差。夾雜物在軋制過程中有破碎細化現象，可以看到明顯的破碎痕跡，但是碎裂的位置并不規律，處于極度情況，在整體的構造中，可以觀測到夾雜物的分化狀態是良好的，由于外力因素的影響，導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程中變形能力與基體金屬差異大有直接關系。由于夾雜物變形能力差，軋制過程中在剪切應力作用下，夾雜物發生變形，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

在上述基礎之上，對φ27mmXY45 鋼的夾雜物分布及微觀組織二次分析。夾雜物多為細小短條狀或紡錘形，細小夾雜物的比例增加。通過實驗展示可以觀測到，部分夾雜物周圍處于卷曲狀態，主要是因為夾雜物受到溫度或者外力的影響，變化過程中常常處于不穩定的狀態，并且一定程度上受到了硫化物的催動。測定時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較為均勻，且測定出來的結果也會更加準確一些。通過環境或者測定溫度的轉換，拍攝物質的圍微觀變化過程，對金相照片作出觀測。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域放大，夾雜物的形貌也慢慢呈現出不規則的塊狀以及團簇狀，與上述首次測定的狀態進行對比，可以發現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更改存在直接聯系。根據分析后變化反應情況，在采用Mg 處理工藝之后，可以換觀察到測定結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，此時的夾雜物存在一部分的沿晶特點，雖然并不明顯，但是分布相對較為均勻，表明此時的夾雜物內部的元素處于變動的狀態。另外，集中分布的夾雜物經過軋制后得到了充分的破碎，其尺寸明顯減小。其基體組織晶粒細小，珠光體的分布較均勻，粗大連續的帶狀珠光體較少。

2.2 XY40 鋼微觀組織

從實驗展示所示的夾雜物分布來看，各爐次易切削鋼間的夾雜物數量和分布的差異較大。經過飛納掃描電鏡可以觀測到此時的1144 易切削鋼鑄坯邊部以及1/4 處和中心處夾雜物處出現了一定的物質過渡，夾雜物的狀態逐漸從定向集中轉為簇狀分布，并且在晶界的交界處出現過渡的偏移帶，后期的硫化錳夾雜物在交界處基本是以點狀散落分布，此時的夾雜物的變化是由于測定溫度的轉變造成的，多產生共晶反應。隨后，在晶粒間的殘余測定液體之中，利用檢測儀器可以的差值，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，逐漸出現了搭橋析出的狀況，將夾雜物與組織互為混合，在爐次鋼的影響下，夾雜物逐漸發生了三維形態變化，此時的偏聚效果的延伸范圍會更加廣闊一些，且三維形態變化的狀態也會位置較長的時間。電流腐刻促使夾雜物所延長的三維形態

逐漸暴露出來，根據拍攝的變化圖像，獲取到典型圖片，可以觀測到鋼的夾雜物主要表現為以下幾個狀態，分別是第Ⅰ類為球狀、第Ⅱ類為樹枝狀或桿狀以及Ⅲ類為角狀。每一種狀態均是在高溫的的作用之下發生變化的，并且層層遞進，向外分化鋼元素枝晶。經過觀測，鋼夾雜物Ⅱ類、Ⅲ類的分布狀態十分均勻，而Ⅰ類狀態在經過Mg 處理之后，發生了定向的轉變，分布逐漸呈現出聚集的情況，表明Mg 處理產生了顯著的變質作用。隨后，針對細小的短條狀，也有粗大的長條狀，可以整理出鋼雜志物的變化規律，針對于變化的順序，測定出其內部微觀組織的運動路徑。但是，總體來看，與同尺寸規格的XY45 易切削鋼相比，XY40 中的夾雜物數量略多。這主要是因為在切割的過程中，XY40 型號鋼材料受到溫度的影響范圍相對較大，外部的雜質極有可能存在催動的作用，造成XY40 型號鋼材在轉換的過程中發生動態變質，同時，由于C 含量略低，XY40 鋼中連續粗大的珠光體數量減少，鐵素體數量較XY45 鋼多，鐵素體的晶粒略大，尺寸約為15μm。XY40 鋼中夾雜物數量較多，粗大珠光體數量減少與其成分中的Mn、S 含量高，而C 含量較低有關。

2.3 XY1215 鋼夾雜物及微觀組織

與XY45 相比，XY1215 鋼中的夾雜物數量較多，與XY40 鋼中的夾雜物數量相當。這與鋼中夾雜物尺寸的變化存在之間的聯系。1144 易切削鋼鑄坯中夾雜物尺寸一般是固定的，會依據應用的環境及初始態的硫化物變質情況進行制定，以此來從源頭保證控制效果。經過鋼中夾雜物的統計分析。鋼夾雜物的邊部與1/4 處、中心處出現的微觀變動在不同范圍區間內的側重點明顯是存在差異的，定位到雜物面積至善，在不同的分布區間之中，分化鑄坯邊部出現的晶體夾雜物，同時，確保分布的區間在5.5～6.35 之間。隨后，觀測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，區間需要延長至5μm 以上，確保鋼夾雜物的變動延伸。但是需要注意的是，鋼夾雜物在變動的過程中，從觀測中看出，鑄坯中硫化物對其的催化范圍其實并不大，雖然內部的金屬元素發生了定向的聚合反應，凡是在過渡帶以上，聚合的速度并不快，所以呈現出的過渡帶寬度并不高。經過Mg 處理后，鋼中邊部夾雜物的平均面積也有所提升，過渡的面積發生對應變化，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中珠光體的數量明顯較少，呈非連續的線狀分布，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現，湘鋼易切削鋼中的夾雜物主要為淺灰色長條狀，也有少量深色顆粒狀夾雜物存在。經過測定儀器的進一步分析檢測，可以獲取到相關的數據信息。鋼夾雜物的內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，這一類的物質對于夾雜物的變動會產生極為嚴重的影響。同樣鋼中檢測出大量的硫化錳夾雜物，夾雜物整體呈現出環形及寬條狀，夾雜物中間呈現深黑色的物質為鐵基體，自身的鋼中硫含量是也是相對較高的，一般生成與凹形的鋼夾雜物之中，當鋼材的自身的溫度提升時，其內部的硫含量會隨之下降，反之 ，當鋼材的自身的溫度降低升時，其內部的硫含量會隨之增加。采用傳統的單向提取方式以及Mg 處理工藝方法設定針對性較強的夾雜物統計模式，進過Mg 處理后，此時的鋼夾雜物中的物質逐漸從單純MnS 夾雜轉變為復合夾雜物，自身的結構也發生了對應的變化，主要表現在內部因子的變化與重組，主要包括AlO-MnS 復合硫化物、Mg-Al-Ca-Si-O-MnS 復合硫化物以及Mg-Al-O-MnS 單質氧化物等物質，每一種物質的消除與重組均會對鋼夾雜物產生不同的影響，致使外貌以及內部的微觀組織出現轉換。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，在測定的 過程中，夾雜物的轉換速度不一，造成與外部元素融合的速度也并不相同，Mn 元素會先產生變化，內部的因素、元素也會抓逐漸發生分、重組。促使物質外部的顏色發生變化，呈現出較深色。隨后，在特定的環境之下，S元素也慢慢到達變化的節點，發生定向的融合 與運動，此時，夾雜物中的一部分Mn 元素已經發生變化，而另一部由于外力的作用影響還保持原狀態，Mn 元素與發生變動的S 元素融合，形成了另一種多分子的化合物，這種物質可以在特定的溫度環境之下，快速改變鋼的切削性能和疲勞性能，提升正義的堅硬度。接下來，針對于物質與夾雜物的融合變動情況，物質所呈現出的狀態，作出進一步的分析與研究。

大塊夾雜物中的深色部分為C、S、Mn 的化合物，這一類物質發生融合變化的速度相對較快，且存在異常化的概率，一旦出現外力的壓迫和催動，內部的元素集分子結構便會快速作出分化，在特定的溫度環境之下，實現定向的重組、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，所在保存時候，需要挑選特定的環境，并對存儲的溫度進行嚴格控制，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，Fe 的主要作用是催動鋼夾雜物中的化合物發生定向的分化，并保持物質的結構的均衡性，降低異常化的發生概率。其實，Fe 的分布一般是較為聚集的，呈現出簇狀，并常常與Mn 元素、S 元素發生融合，造成鋼夾雜物內部的結構發生變化，但是Fe 內部的架構是較為堅硬的，不易被分解，在對鋼夾雜物進行分析過程中，可以利用其分化其中的細小物質，營造穩定、均衡的環境，避免各個元素異常化的概率，降低整體的分解速度，并不會對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 元素作為變動的核心，利用Fe 將鋼夾雜物內部不可溶的物質消除，形成純鋼結構的物質，可最大程度保證整體鋼物質的硬度以及剛度，降低異常化的發生頻率。而Fe 含量較高的區域，大部分為受到外力影響的區域。鋼夾雜物的外部壓力相對較大，環境及溫度的變動也會更加頻繁一些，致使鋼夾雜物內部分子的轉換更為迅速，出現動態轉現象。所以，可以分析出以下結論：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 對于鋼夾雜物內部因子及元素結構的分化會產生較強的影響。而遠離大塊夾雜物的深色小粒狀相為Fe 和C 的化合物，這部分的因子變動狀態較為頻繁，常常出現異常化或者轉置現象。其它元素的含量極少。由此可見，易切削鋼中的夾雜物為Fe、Mn、S、C 等元素組成的復雜化合物，而不是簡單的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現，各鋼種間的夾雜物數量差異明顯，可見成分對夾雜物的影響極大。為分析組分元素對夾雜物的數量的影響，對不同爐次的XY45 鋼進行了夾雜物分析。由于XY45 中的C 含量波動較小，因此，主要對S、Mn、等元素的影響規律進行了分析。

3.1 S 元素對夾雜物的影響

S 元素是易切削鋼中夾雜物的主要元素，分布狀態是較為均勻的，且對于內部其他元素的影響覆蓋范圍相對較為廣泛。元素S 對夾雜物的影響，在其他元素相當的情況下，S 含量高8（a）易切削鋼中夾雜物的數量略多，整體呈現出均衡的分布狀態，且在溫度、環境轉換的影響之下，極容易產生元素過度。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 的數量相對較多。

3.2 Mn元素對夾雜物的影響

在其他組分元素相當的情況下，Mn 元素對夾雜物的影響。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。這可能是因為二者的Mn 含量均超過了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硫化物夾雜的數量影響不大。

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

4 結論

（1）從以上各規格易切削鋼的夾雜物分布發現，隨著軋制變形程度的增加，粗大夾雜物相對減少，紡錘形和短條狀夾雜物數量相對增加。

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

（3）在其他元素相當的情況下，S 含量高易切削鋼中夾雜物的數量略多，而上限以上Mn 含量的變化對硫化物夾雜數量的影響不明顯。