硫易切削钢中夹杂物形态的影响因素

王桂林，刘丽霞，彭 军

（1.内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古 包头 014000；2.内蒙古先进陶瓷与器件重点实验室，内蒙古 包头 014000）

0 引言

易切削钢是为了提高切削质量、降低加工成本而研发的一种钢材。它通过添加含Ca、S、P、Pb、RE 等易切削元素来显著提高其切削性能[1,2]，这对于当前高速化、自动化和精密化的切削加工过程非常重要。易切削钢在不同的切削应用中表现出了高效、精准和经济的特点，并且在机械加工中应用广泛。因此，易切削钢的研究和应用具有重要的理论和实践意义。随着切割技术向高速、自动化和精密化方向发展，对金属材料的易切削性提出了更高的要求。易切削钢是一种特殊的钢材，多用在自动切割机床上加工。易切削钢的主要优点有：加工产品表面粗糙度低，容易断屑，耗能小，刀具受力小，寿命长[3-5]。硫系易削切钢是目前易切削钢中全球最多、产量最大的一种，约占全球的70%，我国的90%，具有很大的开发前景。

1 硫易切削钢中的夹杂物

钢中以MnS 为主的夹杂物是硫易切削钢中的主要夹杂物，MnS 的分布、形态和尺寸，对钢的切削性能和机械性能有重要影响。在钢材中，MnS夹杂物是应力集中源，该物质会破坏钢基体的连续性，从而提升材料的断屑性能。此外，MnS 还具有润滑作用，可有效降低刀具的磨损[6]。

在轧制过程中，MnS 会沿轧制方向拉长，从而在一定程度上降低钢材的力学性能。值得注意的是，对钢材的切削性能最为有利的硫化物的长宽比小于3。链状和长条状硫化物与之相反，会导致钢材的各向异性，从而不利于切削性能的改善[7]。

研究发现，球状或纺锤状的硫化物可抵抗变形力，又不影响切削性能，想要获得球状或纺锤状的硫化物，可以向易切削钢中加入Te、Ca、Zr、Re、Ti 等元素，降低钢中S 含量过高的缺点，保证钢材的机械性能。

2 硫易切削钢中硫化物夹杂的种类

在上世纪30 至40 年代，国外学者Sims 最早提出了硫化物的分类标准。按照钢中硫化物分布特征和形貌，Sims 将硫化物分为三类[8,9]，并且这种分类方法在后来得到了深入研究后的扩展，但核心分类方法并没有发生改变，因此Sims 的分类方法一直沿用至今。

第Ⅰ类硫化物主要是指尺寸较大的，大约为10 μm 的球形分布硫化物。这些硫化物通常以单相或与钢中氧化物复合而形成硫氧化合物，多分布于氧含量较高的钢中，如图1a 所示。

图1 硫化物分类

第Ⅱ类硫化物则以共晶的形式分布于晶粒边界处。这类硫化物的尺寸较小，通常呈现棒状或链状分布，多存在于没有过剩铝的铝脱氧钢中，如图1b 所示。

第Ⅲ类硫化物分布较不规则，主要是块状的，并且通常为单相夹杂物。这些硫化物在过铝脱氧钢中最为常见，如图1c 所示。

在这三类硫化物中，第Ⅰ类和第Ⅲ类硫化物是单一形式存在的，不会对钢的机械性能造成不利影响。第Ⅱ类硫化物由于相互连接、割裂和钢材的隔离基体，对钢材的性能产生有害影响。因此，在生产过程中，需要获得球状或椭球形的第Ⅰ类或第Ⅲ类复合夹杂物，这些夹杂物在轧制过程中保持形状不变，且不易发生变形。这不仅可以改善钢材的切削性能，而且不会对钢材的力学性能造成任何不良影响[10]。

根据Ito 等人的研究[11]，硫化物可以被分为四种形貌。第一种形貌是球形或纺锤形，第二种形貌是扇形或链条状，第三种形貌是多面体形，而第四种形貌则是不规则形状。硫化物是硫系易切削钢中最基本的夹杂物之一，它对钢材的力学性能和切削性能具有非常重要的作用。因此，对硫化物的形貌和存在状态的研究对于提高钢材的品质和性能至关重要。

3 硫易切削钢中夹杂物形态的影响因素

在硫易切削钢的生产过程中，其硫化物的形成受到多种因素的影响。这些因素包括钢的化学成分、工艺条件等，其对硫化物的形成会产生极大的影响。下面将对这些因素进行详细探讨，以便更好地理解硫化物形成的影响因素。

3.1 钢中氧含量对硫化物形态的影响

氧含量是影响钢中硫化物形态最重要的因素之一，氧在钢中以氧化物的形式存在，溶解度极小。当钢中含有锰元素时氧会与之结合形成氧化锰，改变了硫化锰的析出方式。

早期Smis 等人通过研究阐明了铝脱氧与硫化物形态之间的关系，对各种脱氧元素的性能进行了对比。研究结果显示，使用硅作为脱氧剂时，会生成Ⅰ型硫化物。而当钢中加入铝的含量从0.005%～0.150%时，硫化物的形态会从Ⅰ型变为Ⅱ型，甚至最终形成Ⅲ型硫化物。由于脱氧剂的脱氧能力不同导致钢中的氧含量不同，进而导致硫化锰的析出方式有所不同，最终反映在钢材中的硫化物形态也存在着差别。这些发现有助于深入了解硫化物的形态控制机制，为钢铁生产提供了重要的理论依据。

在Sims 研究的基础上，有学者认为，钢中组成夹杂物元素（S、Mn、O）的活度，影响硫化物的形态；当钢中氧活度较高的情况下，钢中存在大量的细小氧化物夹杂利于第Ⅰ类硫化物形核长大；随着硫、锰活度的升高和氧活度的降低，硫化物从第Ⅰ类逐渐向第Ⅲ类转变[12]。

夏云进等学者[13]就钢中氧含量对硫化物形态可能产生的影响进行了研究。研究发现，随着钢中氧含量的增加，MnS 的形貌逐渐从Ⅱ类向Ⅰ类转变。他们通过研究Fe-Mn-S 和Fe-Mn-S-O 体系的相图，阐明了氧含量对硫化物形态的影响。当氧含量高达220×10-4%时，会在凝固初期形成大量的MnO 系夹杂物。这些夹杂物会促进MnS 夹杂物的形成方式从共晶转变为偏晶，形成第Ⅰ类MnS 夹杂物。当氧含量在100×10-4%以下时，凝固初始阶段形成的MnO 系夹杂物较少，大部分MnS夹杂物会在凝固末期析出，形成第Ⅱ类MnS 夹杂物。

段飞虎及其团队[14]展开了一系列研究，以探究氧含量对于含硫易切削钢中的硫化物及切削性能的影响。根据他们的研究结果，适度提高钢中氧含量有助于提高切削性能。这是因为高氧含量有助于产生大量纺锤形复合夹杂物，使切削性能得到改善。此外，当钢中w[T.O]＞120×10-4%时，会出现第Ⅰ类硫化物；当w[T.O]在（80～120）×10-4%范围内时，会呈现第Ⅱ类硫化物，而w [T.O]＜80×10-4%时则变为第Ⅲ类硫化物。

屠兴圹等人[15]研究了氧含量对硫系易切削钢Y1215 中硫化物的影响，结果表明：随着氧含量增加，钢中硫化物夹杂分布和尺寸无明显区别，复合夹杂物数量增多。在轧制ø8.0 mm 的盘条中，T[O]为0.0074%时，硫化物变形明显，部分硫化物由于拉伸变形严重而碎裂，硫化物的长宽比为23.2；T[O]为0.0145%时，盘条中硫化物主要以纺锤形为主，沿轧制方向变形小，硫化物的长宽比为3.4。为获得第Ⅰ类球形或纺锤形的硫化物，冶炼时Y1215 钢中的T[O]可控制在0.0095%～0.0145%。

王英虎等人[16]对氧含量对易切削钢中硫化物形态的影响进行了研究。研究结果表明：在氧的质量分数为60×10-4%的钢中，硫化物呈链状和网状分布，属于第Ⅱ类硫化物。而在氧的质量分数为110×10-4%的钢中，硫化物形态近似球形或纺锤形弥散分布，属于第Ⅰ类硫化物。随着钢中氧含量的增加，硫化物逐渐从第Ⅱ类转变成第Ⅰ类，单位面积的硫化物数量减少，尺寸增大，长宽比减小，这些实验结果揭示出氧含量对于易切削钢中硫化物形态的显著影响。

仇兵利等研究人员[17]对易切削不锈钢的氧含量对硫化物形态的影响进行了深入探究。研究结果表明，随着钢中氧含量的增加，复合夹杂物的数量增多，第Ⅰ类硫化物比例增加，同时也使得硫化物的尺寸和面积比例随之上升。此外，硫化物的数量减少，进一步表明了氧含量对硫化物形态的影响。在锻造过程中，氧含量210×10-4%的钢样中复合硫化物沿锻造方向变形小，平均长宽比小于3，钢中硫化物均匀分布呈球形或纺锤形。

钢中同时存在球状、块状、短棒状的硫化物，第Ⅱ类硫化物会对钢的切削性能产生有害影响[18]。硫系易切削钢是一种高含氧量的钢材，钢中氧的含量对硫化物的尺寸、类型、形态和分布状况产生了重要影响，进而影响了钢材的切削性能。因此，为了控制硫化物的形成，可以采用适当提高钢中氧含量的方法，从而显著提升钢材的切削性能。

3.2 稀土对硫化物形态的影响

针对易切削钢中的夹杂物问题，通过向钢中加入稀土元素来实现钢的夹杂物改质效果。同时，对含硫的钢液也可以加入稀土元素，实现净化钢液和控制钢中夹杂物的效果，进而改善钢的塑性和韧性，提高硫易切削钢的力学性能。稀土元素可以用于变性硫化物夹杂，但是需要保证钢中的氧含量较低。热力学计算发现，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。当钢中氧含量较低时，含RE 的夹杂物从RES 转变为RE3S4，再转变为RE2S3[19]。稀土硫化物不易变形，提高了硫化物的抗变形能力，保持了球状形态，进而改善了钢的切削性能。这些研究成果对于提高钢材的质量和性能具有重要的实际意义。

Li 等学者[20]将稀土铈引入2Cr13 不锈钢中，并运用热力学计算法进行分析，发现其中的MnS夹杂物和Al2O3可被转化为铈的氧硫化物和氧化物。转化之后的夹杂物不仅难以形变，而且其尺寸更为微小，上述热力学计算的结果也在实验中得到验证。

杨晓红及其研究团队[21]对稀土变质钢中夹杂的行为进行了深入研究。在高洁净度的铝脱氧钢中，稀土元素可以起到使Al2O3和MnS 夹杂变质的作用，进而形成铝酸稀土夹杂和氧硫稀土夹杂。这项研究为稀土元素在钢铁工业中的应用提供了有力的支持，有望推动钢铁行业向更高质量、更可靠的方向发展。

Yue 等人[22]在研究中发现，利用添加稀土的方法处理10PCuRE 耐候钢可以获得显著改善硫化物性质的效果。通过实验，他们发现即使加入极少量的稀土，也能够将夹杂物变性为球状的稀土硫化物和氧硫化物，且这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%范围内的添加效果最佳，这说明稀土处理在改善材料的性能方面具有极大的潜力，并具有实际应用价值。

范磊等人[23]研究了稀土对高硫易切削钢中夹杂物的影响，研究表明，当Ce 含量为100×10-4%时，钢中的主要夹杂物为MnS 和CeAlO3，CeAlO3作为形核核心，MnS 在表面析出，形成复合夹杂物，复合夹杂物占比约3.01%；当Ce 含量为500×10-4%时，钢中的主要夹杂物类型为MnS、CeAlO3和Ce2S3，MnS 与Ce2S3互相包裹形成复合夹杂物，复合夹杂物占比约5.11%。当Ce 含量由100×10-4%增大至500×10-4%时，钢中第Ⅱ类硫化物数量明显减少，尺寸减小。

3.3 锰、硫元素对硫化物形态的影响

根据热力学计算结果[24，25]，发现随着钢中硫含量增加，MnS 析出温度升高。为了深入研究硫含量对MnS 夹杂物析出的影响，M.Wakoh 及其团队[26]在w（Mn）=1%的钢中进行了试验。研究发现，当w（Mn）＜0.002%时，几乎没有MnS 夹杂物析出。随着w（Mn）的增加，MnS 夹杂物的数量也会逐渐增加。其中，当0.002%＜w（Mn）＜0.008%时，MnS 夹杂物有单独析出和复合析出两种方式。而复合夹杂物析出率则与硫含量成正比，也就是说，硫含量越高，聚集程度越大。当w（Mn）＞0.008%时，MnS 夹杂物几乎会在所有氧化物上析出。

一般钢中Mn 含量和S 含量的比值决定钢中硫化物的成分。Mn 与Fe 相比，对S 亲和力较大，向钢中加入Mn 时优先形成MnS。研究发现硫化物的成分随钢中Mn/S 变化，随着Mn/S 增加，FeS含量变少。在富硫铁液中MnS 可形成球状、枝晶和不规则形态[27]，在贫硫铁液中偏晶反应形成球状MnS 夹杂物，共晶反应形成棒状MnS。

保持钢中S 含量不变，增加或减少Mn 含量，都可以影响MnS 的析出。根据图2 的数据显示[28]，不同成分的钢材具有不同的最佳Mn/S。随着钢中Mn/S 的增加，钢材中硫化物纺锤率增大。这一现象表明，通过控制Mn/S，可以有效调节钢材中的夹杂物含量，进而改善其切削性能。如果钢中有多余的S 存在，会生成FeS、Fe-FeS 共晶体、FeS-MnS 夹杂物共晶体或FeS-FeO 共晶体。因此，钢中锰含量必须足够高，把硫化物从共晶体形态转变为MnS 或（Mn、Fe）S，消除热脆影响。Mn 含量过高会对切削性能产生不利影响，所以硫系易切削钢中Mn/S 一般为3.0～5.0[29]。

图2 硫化物纺锤率与Mn/S 的关系

李成良等人[30]研究了Mn/S 对1215MS 易切削钢力学性能和切削性能的影响，结果表明：随着Mn/S 的减小，钢中硫化物的吉布斯自由能降低，尺寸和形核率增大；与高Mn/S 试样相比，Mn/S 较低的试样中MnS 夹杂物的数量更多，尺寸更大，其中细长的MnS 会导致钢材力学性能的各向异性。此外，Mn/S 较低的试样中，MnS 的长宽比较大，其强度也低于高Mn/S 试样。相比之下，高Mn/S 试样的断裂方式为韧性断裂，而低Mn/S 试样为准解理断裂。此外，低Mn/S 试样表现出更好的切削性能和表面光洁度。总体而言，锰硫比较低的试样在细长MnS 夹杂物数量、夹杂物强度和断裂方式等方面表现出不如高锰硫比试样的特点，但具有更优秀的切削性能和表面光洁度。

3.4 其他元素对硫化物形态的影响

除了包含O、S、Mn、RE 元素，其他元素都可以代替Mn 元素与S 元素结合。这些元素比Mn 元素更容易与S 元素形成化合物，如Ca、Zr 等。这种结合可以生成硬度更高的硫化物或复合硫化物，避免了高塑性纯MnS 的变形所引起的长条状夹杂物形成显微裂纹的问题。这些元素的作用对于控制硫化锰的产生具有积极作用[31]。1500℃下此类元素与S 元素亲和力强弱排序如下[32,33]：Ca＞Sr＞Ba＞La＞Ce＞Nd＞Th＞U＞Mg＞Zr＞Ti＞Mn＞F。

3.5 工艺条件对硫化物形态的影响

简龙等人[34]在研究中发现，冷却速度对钢中硫化物的生成有显著影响。空冷条件下会大量生成夹杂物，硫化物的尺寸也较小。当冷却速度较高时，硫化物会更加细小。在不同的钢种中，较快的冷却速度也会促进Ⅱ类共晶硫化物的生成，而Ⅰ类和Ⅲ类硫化物则需要较低的冷却速度才能生成。

黄野等人[35]的试验结果表明，在连铸过程中，随着冷却速度的增加，MnS 夹杂物的形态会逐渐发生转变。椭圆形和短棒形的夹杂物会变成球形或椭圆形，而链条状的MnS 夹杂物的生成密度则会明显降低，长度也变短。

伏存田等人[36]通过试验研究发现，在950～1100 ℃之间，随着保温时间延长，MnS 的形貌也会发生变化。长宽比＜3 或长宽比＞6 的夹杂物数量会减少，而保温一段时间后，长条状的夹杂物数量会增多，细小的MnS 也会不断聚集长大。

王英虎[37]研究了锻造工艺对易切削钢中MnS的影响。试验结果表明，铸态试验钢中的MnS 夹杂物大多呈球形或纺锤形，少量夹杂物呈链状沿晶界分布。而锻态试验钢中的MnS 则会沿着锻造方向延伸，长宽比增大，尺寸也会减小，单位面积内夹杂物的数量增加。

陈俊东等人[38]研究了热变形工艺对低硫易切削钢中MnS 形态演变的影响，试验结果显示：当变形温度较低时，高温大形变量有利于降低硫化物相对塑性，获得长宽比较小的硫化物。MnS 的相对塑性随着形变量的增加而提高，当变形温度大于1000 ℃时，钢中硫化物呈椭圆形。

还有研究者们发现，当MnS 被热轧时，它们会发生变形，拉成长条状。具体来说，Ⅰ类和Ⅲ类MnS 变为细长的椭圆状，而Ⅱ类MnS 则因其树突特性而被旋转成变形面。这一发现对于了解材料的微观结构和性质非常重要，为进一步的研究提供了有益的思路和方向。

4 结语

硫易切削钢是当今易切削钢中生产和使用最广泛的钢种，MnS 夹杂物是钢中最主要的夹杂物，MnS 夹杂物的形态影响钢的切削性能。研究表明第Ⅰ类球形或者纺锤形硫化物对钢的切削性能最为有利，有许多手段可以控制钢中形成第Ⅰ类硫化物，其中最有效的手段是控制钢中氧含量添加稀土，还可以通过控制钢中其他元素以及不同的工艺条件来控制钢中夹杂物。