含硫易切削钢中硫化锰夹杂物控制的国内外对比研究

2022-11-22伏存田

黑河学院学报 2022年9期

兴超伏存田

(1.济源职业技术学院材料工程学院，河南济源 459000；2.江西冶金职业技术学院，江西新余 338015)

近年来，随着国内汽车工业迅速发展，使得国内对易切削非调质钢的需求越来越大[1]。然而，目前国内厂家生产的易切削非调质钢的综合性能与国外的差距较大，很难满足用户的要求。为了深入认识我国易切削非调质钢与国外的主要差距，分别搜集德国生产的易切削非调质钢成品钢材C70S6，以及国产钢材45MnVS，通过金相显微镜观察与采用定量分析的方法对其成分、显微组织，以及夹杂物尺寸、形态、数量分别进行了详细分析[2]，以找出我国含硫易切削非调质钢与国外含硫易切削非调质钢的主要差距。

1 试样制备与实验内容

金相试样制备要经过：切样—磨光—抛光—腐蚀四个过程。本文通过线切割机直接将含硫钢试样切下适当大小的试验用样，规格为10mm×10mm×20mm。用不同型号砂纸进行磨光，分别采用400、600、800和1200目砂纸进行打磨，最后用金刚石研磨膏在抛光机上对实验试样进行抛光处理。抛光后将试样放入超声波清洗仪中用乙醇清洗，然后用吹风机将试样抛光面进行吹干。在实验室采用OLYMPUS-BX51M显微镜(OM)对试样抛光面进行观察，观察MnS夹杂物的形貌、尺寸和分布特征，并对MnS夹杂物的形貌进行拍照，每个实验试样以1000倍的视场，分别拍100张图片，然后采用软件统计分析MnS夹杂物的尺寸、体积分数、数量、分布和形态等。

2 国内外含硫易切削钢中硫化锰夹杂物控制对比

2.1 国内外含硫易切削非调质钢成分分析

国内外含硫易切削非调质钢的化学成分检测结果如表1所示。德国生产的C70S6取自汽车连杆，国产45MnVS取自轧材。

表1 国内外钢样的化学成分(wt / %)Tab.1 the chemical composition of domestic and foreign steel (wt /%)

2.2 国内不同压缩比时硫化锰形态对比

本文选取了两个不同压缩比的同种钢材，其压缩比分别为43和97。图1为轧制后压缩比不同的试样中灰色条状硫化锰夹杂物的形态变化。经过统计分析，总结出这两个压缩比不同试样中硫化锰夹杂物的类型和形态分布，如表2所示。从图1可以看出，轧制后压缩比为97的试样中灰色条状硫化锰夹杂物变形很明显，说明沿轧制方向硫化锰夹杂物伸长很明显，形成长条状。这是由于MnS夹杂物具有良好的变形能力，在轧制过程中沿轧制方向延展成为长条状，长条状MnS加剧了钢材各向异性，显著降低材料的横向性能，并且这种长条状MnS夹杂物在钢材使用过程中容易成为裂纹源，从而降低材料的使用寿命。因此，为了降低MnS夹杂物对钢力学性能的影响，通常希望将钢中MnS夹杂物控制为较小尺寸的球形或纺锤形(即长宽比L /W<3)为好，在热加工过程中这种夹杂物的变形量很小，不但不会降低钢材的横向力学性能，而且能提高钢材的易切削性能。

表2 国内不同压缩比的试样中硫化锰夹杂物统计Tab. 2 Statistics of the inclusions in the samples of different compression ratio in China

图1 轧制后压缩比不同的试样中硫化锰夹杂物的形态变化Fig. 1 morphological changes of the inclusions in different samples after rolling

2.3 国内外钢样中硫化锰夹杂物尺寸对比

从图2的A和B中可以看出，国外试样中硫化锰夹杂物的长度尺寸小于3µm的比国内的较多，宽度尺寸大体一样，而国内试样中硫化锰夹杂物长度大于6µm尺寸的夹杂物则比较多。从国内外钢材中硫化锰长宽比来看，如图2C所示，首先，国内外试样中单位面积上硫化锰夹杂物的数量差别不大，然而国外的硫含量明显高于国内，说明国内在冶炼和凝固过程中S的偏析较为严重，导致析出S多的区域生成细小硫化锰夹杂物增多。另外，细长形的夹杂物数量多，这可能是在轧制过程中，由于国内外轧制工艺参数的不同，导致在热轧中硫化锰夹杂物的变形程度不一样引起的。

图2 国内外轧材纵横向的硫化锰夹杂物的统计Fig. 2 Statistics of the transverse and longitudinal sulfide inclusions in domestic and abroad

通过国内外轧材中硫化锰夹杂物形态的比较，可以得出，总体上，国外轧材中硫化锰夹杂物相比较较少，尺寸较大，且细长条形的夹杂物少，大部分是短粗形的。而国内轧制不同压缩比的试样比较发现，轧后钢材中硫化锰夹杂物细长形的很多。由此说明国外在冶炼技术方面对夹杂物数量控制的好和在轧制工艺过程中有一套控制夹杂物的工艺制度。

2.4 国内外纵轴和横轴夹杂物形状对比

图3为国内外试样中纵横向灰色条状硫化锰夹杂物的形态，A1为国外纵向硫化锰夹杂物形态，A2为国外横向硫化锰夹杂物形态，B1为国内纵向硫化锰夹杂物形态，B2为国内横向硫化锰夹杂物形态，从图3可以看出，国外的试样中，纵向面大部分硫化锰夹杂物呈粗长条形，有些成纺锤形，横轴方向的夹杂物分布呈弥散性，并且长条状硫化物的平均长度较短、宽度较宽，形态趋于杆状或纺锤形。然而国内的纵轴方向大部分硫化锰夹杂物则是细长条形状，横轴方向的硫化物分布呈聚集型，夹杂物分布没有国外的均匀，形态趋于细长形。经过对国内外试样中硫化锰夹杂物对比，分析得到硫化锰夹杂物形态分布与其类型，如表3所示。

图3 国内外试样中纵横向硫化锰夹杂物的形态Fig. 3 Morphology of the aspect and aspect of the inclusions in the sample at home and abroad

表3 国内外试样中硫化锰夹杂物统计Table 3 Statistics of inclusions in the samples at home and abroad

2.5 国内外金相组织对比

图4中A'为国外试样金相组织、a1'为国内轧制压缩比43的试样组织、 a2'为国内轧制压缩比97的试样组织，国外的组织以索氏体为主，同时有少量的铁素体和渗碳体组织，这可能是其碳含量高(C含量为0.70%左右)的原因。图4a1'和a2'分别为国内轧制前后的试样金相组织图，可以看出，金相组织是粒状珠光体和少量渗碳体和铁素体，并且轧制后试样中铁素体较多，大晶粒的珠光体变为小晶粒的。分析国内外试样中金相组织情况，如表4所示，大部分灰色条状的硫化锰夹杂物分布在铁素体和晶界上，少量硫化物夹杂物在珠光体中，国外试样中看出大部分硫化锰夹杂物分布在晶界上。