不同碳含量對(duì)鑄態(tài)鋼中硫化錳夾雜物的影響

興 超，伏存田

(1. 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 冶金化工系，河南 濟(jì)源 459000；2. 江西冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院 冶金工程學(xué)院，江西 新余 338015)

鋼中的非金屬夾雜物對(duì)鋼材的性能有很大的影響，而MnS夾雜是鋼中常見的塑性非金屬夾雜物。由于存在MnS對(duì)鋼進(jìn)行熱加工時(shí)不易產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象，鋼材不易開裂。鋼在凝固的過程中，MnS富集在晶界，成為應(yīng)力集中源，促進(jìn)晶界滑移，產(chǎn)生裂紋，故硫化物嚴(yán)重影響鋼的塑性。而MnS的尺寸、形狀和分布對(duì)鋼材的性能有較大影響，所以硫化錳的析出規(guī)律,才能讓硫化錳的形態(tài)得到很好的控制。

熱處理過程中保溫時(shí)間、加熱溫度和冷卻速度都會(huì)對(duì)鋼中硫化錳夾雜物的尺寸大小和數(shù)量產(chǎn)生不同程度的影響[1-5]，但硫化錳夾雜物的分布沒有太大的變化，其分布很大程度上受凝固過程所影響，在凝固結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了溶質(zhì)元素分布的不均勻性，而這個(gè)不均勻性是受到鋼中合金元素所影響。本文研究了不同碳含量對(duì)鑄態(tài)鋼組織中硫化錳夾雜物形態(tài)的轉(zhuǎn)變規(guī)律，旨在為冶煉工藝參數(shù)制定提供一定指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

主要設(shè)備：金相顯微鏡、掃描電鏡和能譜分析儀、硅鉬棒箱式電阻爐(公稱容量為6 kg)、拋光機(jī)、線切割機(jī)、砂輪機(jī)、原位分析儀、坩堝(Φ35 mm×80 mm)。

以工業(yè)純鐵粉為原料，裝入氧化鋁坩堝里，放置在硅鉬棒箱式電阻爐中熔化。待原料熔化后向鐵液里加入配置好的保護(hù)渣料，在爐溫1 600 ℃時(shí)保溫20 min，待爐渣和鐵液完全熔化后，依次將已配好的合金料硫化亞鐵、錳粉、石墨粉加入到裝鐵液的坩堝里，并攪拌使合金料均勻化，保溫30 min，等鋼液元素盡可能均勻，取出，空冷。將澆注好的鑄態(tài)鋼樣從中心段切開，將切開的一部分鋼樣切面磨平拋光，檢測(cè)元素成分；另一部分鋼樣的切面磨平拋光，以金相顯微鏡觀察硫化錳夾雜物的形態(tài)、分布和尺寸。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同碳含量對(duì)鑄態(tài)鋼組織中硫化錳夾雜物分布的影響

取4個(gè)氧化鋁坩堝，編號(hào)1#～4#，分別在其中加入150 g還原鐵粉，渣料和合金料的配加量見表1。1#～4#鋼樣中硫化錳夾雜物的微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 渣料和合金料的配加量 %

(a) 光學(xué)顯微鏡照片(未腐蝕)

(b) 掃描電鏡照片(深腐蝕)

從圖1可以看出，1#試樣(0.2%C-1.5%Mn-0.05%S)中硫化錳夾雜物的形態(tài)大多以球狀和短粗狀存在，并且夾雜物成分組成中有鐵元素存在，說明硫化錳夾雜物里有鐵元素固溶。2#試樣(0.45%C-1.5%Mn-0.05%S)中硫化錳夾雜物的形態(tài)大多以大球狀和顆粒狀存在，并且夾雜物成分組成都是硫和錳，沒有鐵元素固溶。3#試樣(0.70%C-1.5%Mn-0.05%S)中硫化錳夾雜物的形態(tài)大多以不規(guī)則形和細(xì)長(zhǎng)條形存在，并且夾雜物成分組成有鐵元素，說明硫化錳夾雜物里有鐵元素固溶。4#試樣(1.0%C-1.5%Mn-0.05%S)中硫化錳夾雜物的形態(tài)大多為片狀和細(xì)長(zhǎng)條形存在，并且夾雜物成分組成有鐵元素，說明硫化錳夾雜物里有鐵元素固溶。

試樣經(jīng)過加入原料熔化冷卻后，將鑄態(tài)樣沿中間線用切割機(jī)切開，打磨拋光后，在OM和SEM下觀察相圖。硫化錳夾雜物形態(tài)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。Sims等[6]針對(duì)MnS夾雜物的形貌進(jìn)行了深入的研究，把鑄態(tài)鋼組織中MnS的形態(tài)分為3類：球形(第I類)、微小條狀(第II類)、多面體形(第Ⅲ類)。第Ⅰ類硫化錳夾雜物普遍會(huì)在沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼中找到，此類夾雜物在加熱加工時(shí)不容易延展形變，在鋼材中常以紡錘狀和橢球形態(tài)存在，切削性很好。第Ⅱ類硫化錳夾雜物通常會(huì)在鎮(zhèn)靜鋼中發(fā)現(xiàn)，此類夾雜物在加工時(shí)很容易產(chǎn)生形變，切削性能和力學(xué)性能都比較差。由表2可知，試樣中硫化錳夾雜物大多為第Ⅰ類和第Ⅲ類形態(tài)，分布也不均勻。

表2 硫化錳夾雜物形態(tài)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 不同碳含量對(duì)鑄態(tài)鋼組織中硫化錳夾雜物尺寸的影響

隨機(jī)從同一試樣的金相照片中取出100張，對(duì)每張照片中硫化錳夾雜物使用Image Pro Plus進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，繪制出硫化錳夾雜物的平均長(zhǎng)度和寬度的柱狀圖。不同碳含量的試樣中硫化錳夾雜物尺寸如圖2所示。從圖2可以看出，隨著碳含量增加，硫化錳夾雜物的長(zhǎng)度和寬度先增加后減少。當(dāng)碳含量達(dá)到0.7%時(shí)，硫化錳夾雜物的長(zhǎng)度及寬度均為最大值，即3#試樣中硫化錳夾雜物的尺寸最大。

圖2 不同碳含量的試樣中硫化錳夾雜物的尺寸

2.3 不同碳含量對(duì)鑄態(tài)鋼組織中硫化錳夾雜物形態(tài)的影響

不同碳含量的試樣中硫化錳夾雜物的長(zhǎng)寬比如圖3所示。從圖3中可以看出，1#和2#試樣中夾雜物長(zhǎng)寬比值小于3的百分比在增加。這說明，當(dāng)碳含量為0.20%～0.45%時(shí)，夾雜物主要以球形和紡錘形的形態(tài)為主；對(duì)比2#和3#發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含碳量為0.45%～0.70%時(shí)，夾雜物以長(zhǎng)條形的形態(tài)為主；對(duì)比3#和4#發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含碳量為0.70%～1.0%時(shí)，夾雜物以球狀或紡錘形的形態(tài)為主。

圖3 不同碳含量的試樣中硫化錳夾雜物的長(zhǎng)寬比

2.4 不同碳含量對(duì)鑄態(tài)鋼組織中硫化錳夾雜物影響的機(jī)理

硫化錳的形成主要包含4種不同的反應(yīng)，第I類和第II類硫化錳形態(tài)屬于偏晶反應(yīng)，第III類和第IV類硫化錳形態(tài)屬于共晶反應(yīng)。不管是偏晶反應(yīng)還是共晶反應(yīng)，在相變過程中都會(huì)受到鋼中含碳量的影響。不含碳的Fe-Mn-S合金中只有偏晶反應(yīng)，所以形成第I類和第II類硫化物；而含碳量為0.2%的合金，由于冷卻很慢，硫化錳從液體中結(jié)晶的趨勢(shì)很小；隨著碳含量增加，結(jié)晶趨勢(shì)明顯；當(dāng)含碳量為1%時(shí)，完全成為結(jié)晶型，即只有第III類和第IV類硫化錳[7]。

在凝固過程中，鐵元素會(huì)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，而碳元素會(huì)影響這一轉(zhuǎn)變過程，進(jìn)而影響先析出相。隨著碳含量增加，δ鐵素體的先析出量越來越少，當(dāng)碳含量增加到0.6%時(shí)，先析出相則完全為γ奧氏體。一方面是由于γ奧氏體中硫的溶解度低，另一方面由于γ奧氏體作為先析出相，使得析出溫度升高，在凝固過程中發(fā)生枝晶偏析。硫元素的濃度增加，其在δ鐵素體中的溶解度大于在γ奧氏體中的溶解度，產(chǎn)生顯微偏析，進(jìn)而在凝固前沿析出[8-9]。

一般認(rèn)為，球狀硫化錳是在偏晶反應(yīng)相變時(shí)生成，而塊狀硫化錳是在共晶反應(yīng)相變時(shí)生成。碳含量的增加提高了硫的活度，并降低了鐵的熔點(diǎn)，促使穩(wěn)定的共晶反應(yīng)發(fā)生[10]。碳含量增加，會(huì)使氧含量降低，氧化物數(shù)量也會(huì)隨之減少，使得異質(zhì)形核的核心隨著減少，即覆蓋在氧化物上的硫化錳夾雜物也會(huì)減少。而從塊狀硫化錳的形態(tài)中可以看出，塊狀硫化錳在溶液中是以固態(tài)沉淀形式析出的。因?yàn)樘荚厥沽虻幕疃忍岣吡?，硫化錳夾雜物自發(fā)形核會(huì)更容易發(fā)生。當(dāng)其余成分不變時(shí)，隨著碳含量增加，MnS的初始析出溫度降低，加上鋼的深度脫氧，晶粒長(zhǎng)大時(shí)間也會(huì)隨著碳含量的增加而下降，夾雜物的相對(duì)面積逐漸減小[11-12]。使MnS在凝固末端以共晶第II類形式析出，而這種大量偏聚在晶界處的棒狀和鏈狀MnS會(huì)嚴(yán)重危害易切削非調(diào)質(zhì)鋼的切削及力學(xué)性能。

3 結(jié)論

硫化錳夾雜物大多為第Ⅰ類和第Ⅲ類形態(tài)，分布不均勻。隨著碳含量增加，硫化錳夾雜物的長(zhǎng)和寬呈先增加后減少的趨勢(shì)。3#試樣中硫化錳夾雜物的尺寸最大，當(dāng)碳含量在0.20%～0.45%時(shí)，夾雜物以球形和紡錘形的形態(tài)為主，當(dāng)含碳量在0.45%～0.70%時(shí)，夾雜物以長(zhǎng)條形形態(tài)為主，當(dāng)含碳量在0.70%～1.0%時(shí)，夾雜物以球狀或紡錘形形態(tài)為主。