38MnVS6 非調(diào)質(zhì)鋼中硫化物碲改質(zhì)工業(yè)實(shí)踐

劉增平，李 杰，沈 偉，付建勛*

（1.承德建龍?zhí)厥怃撚邢薰?河北省半鋼水冶煉高潔凈高品質(zhì)特殊鋼重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 承德 067201；2.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院先進(jìn)凝固技術(shù)中心,省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200444）

0 引言

非調(diào)質(zhì)鋼早在70 年代初就由德國(guó)蒂森特鋼公司開(kāi)發(fā)成功[1]，因?yàn)榉钦{(diào)質(zhì)鋼不需經(jīng)過(guò)熱處理等工藝就能達(dá)到調(diào)質(zhì)鋼的性能要求，在生產(chǎn)制造過(guò)程中節(jié)約能耗并且能避免調(diào)質(zhì)工藝過(guò)程中出現(xiàn)缺陷問(wèn)題，所以廣受世界各國(guó)關(guān)注。汽車工業(yè)是鋼鐵產(chǎn)業(yè)最大的用戶之一，非調(diào)質(zhì)鋼開(kāi)發(fā)成功后廣泛應(yīng)用在汽車行業(yè)，非調(diào)質(zhì)鋼主要用于諸如汽車連桿、曲軸、轉(zhuǎn)向節(jié)軸、驅(qū)動(dòng)軸、前橋等零件和結(jié)構(gòu)件[2]。其中38MnVS6 非調(diào)質(zhì)鋼是應(yīng)用較早的一個(gè)鋼種，其主要用于汽車曲軸、轉(zhuǎn)向節(jié)等。鋼中C 含量在0.38%左右，顯微組織為鐵素體和珠光體；S 含量在0.05%～0.06%，S 與Mn 元素結(jié)合形成MnS 夾雜物，有助于提高鋼材的切削加工性能，所以38MnVS6 鋼屬于易切削非調(diào)質(zhì)鋼。鋼中MnS 夾雜物的塑性較好，硬度低于鋼基體，在軋制過(guò)程中受到軋制力后沿軋制方向伸長(zhǎng)，變成長(zhǎng)條狀[3]。長(zhǎng)條狀的硫化物導(dǎo)致鋼材橫向力學(xué)性能變差，并且在制造汽車曲軸時(shí)容易引起磁痕缺陷問(wèn)題。磁痕缺陷對(duì)汽車曲軸來(lái)說(shuō)是致命的缺陷，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，材料直接報(bào)廢。因此，減少鋼中長(zhǎng)條狀硫化物，避免磁痕缺陷是生產(chǎn)38MnVS6非調(diào)質(zhì)鋼過(guò)程中重要的一步。MnS 夾雜的控制手段有很多，通過(guò)改善冶煉及連鑄工藝、調(diào)整渣系、控制氧含量等方法均可以對(duì)硫化物的形態(tài)及分布起到一定作用[4]。除此之外，目前應(yīng)用最廣泛的方法是對(duì)硫化物進(jìn)行改質(zhì)處理。張浩等[5?6]研究了鎂對(duì)20MnCr5 齒輪鋼中夾雜物的改質(zhì)行為和規(guī)律，發(fā)現(xiàn)鎂處理后，鋼中夾雜物類型由以 Al2O3為核心，外圍包裹著 MnS 的復(fù)合夾雜轉(zhuǎn)變?yōu)橐?MgO·Al2O3為核心，外圍包裹著 MnS 的復(fù)合夾雜物,鎂的加入使20MnCr5 軋材中長(zhǎng)條狀的硫化物更加短小彌散，鋼液更加潔凈，夾雜物數(shù)量變少，尺寸也變小。Cao Chenwei 等[7]對(duì)比分析了Ca、Mg-Al 改性對(duì)S50C模具鋼中復(fù)合夾雜物的影響，發(fā)現(xiàn)鈣處理通過(guò)形成鋁酸鈣來(lái)防止大夾雜物的形成。鎂能提供更均勻的形核位點(diǎn)，并能形成更小的夾雜。黃宇等[8]研究了稀土Ce 元素對(duì)釬具鋼中鎂鋁尖晶石和硫化物的改質(zhì)過(guò)程和改質(zhì)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)稀土改質(zhì)和鎂改質(zhì)鋼中夾雜物效果顯著，成本也較低，但是在很多鋼中加入稀土或Mg 元素會(huì)在連鑄過(guò)程中發(fā)生水口蓄瘤，使連鑄無(wú)法進(jìn)行。碲改質(zhì)鋼中夾雜物也有明顯效果，并且沒(méi)有水口蓄瘤的風(fēng)險(xiǎn)。Wu Xiangyu[9]研究了碲對(duì)Y1Cr13 易切削不銹鋼中硫化物的改質(zhì)效果；李杰等[10]研究了碲對(duì)303Cu 不銹鋼中MnS 夾雜物形態(tài)的改質(zhì)，Shen Ping[11]研究了碲對(duì)38MnVS6 微合金鋼中MnS 夾雜物的改性；曹晨巍等[12]對(duì)比分析了硫系、碲系、鉛系易切削鋼的組織及硫化物，研究發(fā)現(xiàn)碲會(huì)提高鋼中硫化物的顯微硬度，提高硫化物在鋼材軋制過(guò)程中的抗變形能力，從而使鋼中大部分硫化物呈橢球形且分布均勻[13]。

筆者以承德建龍?zhí)厥怃撚邢薰疽睙挼暮谂c不含碲非調(diào)質(zhì)鋼為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)比分析了碲對(duì)非調(diào)質(zhì)鋼中硫化物的尺寸、形態(tài)及分布的影響，以改善因硫化物所引起的磁痕缺陷問(wèn)題，并對(duì)產(chǎn)品的力學(xué)性能進(jìn)行分析和檢測(cè)。

1 生產(chǎn)工藝及試驗(yàn)方法

1.1 生產(chǎn)工藝流程

承德建龍?zhí)厥怃撚邢薰痉钦{(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)工藝流程為：轉(zhuǎn)爐冶煉→LF 精煉→VD 精煉→連鑄→鑄坯坑冷→軋制→軋材緩冷→檢測(cè)→精整。

38MnVS6 非調(diào)質(zhì)鋼成品主要化學(xué)成分見(jiàn)表1，對(duì)比爐在VD 精煉末期喂入含碲包芯線進(jìn)行碲改質(zhì)處理，其他工藝與試驗(yàn)爐完全一致。連鑄工藝得到200 mm×200 mm 的方坯，再經(jīng)過(guò)連軋工藝得到直徑?60 mm 的棒材。

表1 38 MnVS6 非調(diào)質(zhì)鋼的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of the non-quenched and tempered 38MnVS6 steel %

1.2 試驗(yàn)方法

取對(duì)比爐和試驗(yàn)爐控溫軋制后的棒材產(chǎn)品，直徑58 mm（軋制后經(jīng)過(guò)扒皮處理），在棒材上取a、b兩個(gè)試樣，如圖1 所示。

圖1 棒材實(shí)物及取樣示意Fig.1 Bar materials and sampling diagram

試樣經(jīng)過(guò)磨拋機(jī)磨拋處理后，用金相顯微鏡（蔡司）對(duì)a 試樣進(jìn)行觀察并拍照，用Image Pro Plus 軟件統(tǒng)計(jì)分析a 試樣中硫化物的尺寸及分布情況，并根據(jù)國(guó)標(biāo)GBT10561-2005 進(jìn)行評(píng)級(jí)，用Image Pro Plus 軟件將寬度2～4 μm 的A 類夾雜物（硫化物）長(zhǎng)度相加為細(xì)系評(píng)級(jí)長(zhǎng)度，將寬度4～12 μm的A 類夾雜物的總長(zhǎng)定為粗系評(píng)級(jí)長(zhǎng)度，規(guī)定以最惡劣視場(chǎng)為最終評(píng)級(jí)結(jié)果；用非水溶液電解腐刻法對(duì)b 試樣進(jìn)行電解，具體電解過(guò)程參考文獻(xiàn)[14]。電解烘干后用掃描電鏡（Phenom-World）及能譜觀察分析夾雜物的三維形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化物評(píng)級(jí)與尺寸分布

圖2 為未改質(zhì)和改質(zhì)的38MnVS6 鋼的金相照片，圖3 為經(jīng)過(guò)黑白轉(zhuǎn)換后的圖片，根據(jù)國(guó)標(biāo)查表可得改質(zhì)前后38MnVS6 鋼中硫化物評(píng)級(jí)結(jié)果，如表2 所示?？梢钥闯?，改質(zhì)前鋼中硫化物評(píng)級(jí)結(jié)果為細(xì)系2.5 級(jí)，粗系3.0 級(jí)，評(píng)級(jí)結(jié)果不能滿足出廠要求，長(zhǎng)條狀硫化物偏多。改質(zhì)后鋼中硫化物評(píng)級(jí)結(jié)果為細(xì)系2.0 級(jí)，粗系1.5 級(jí)，大部分硫化物呈斷續(xù)狀分布，長(zhǎng)條狀硫化物明顯減少。采用圖4 法標(biāo)NF A-04-108 圖譜評(píng)級(jí)，可以得出未改質(zhì)鋼中硫化物評(píng)級(jí)為F 級(jí)，改質(zhì)后為C 級(jí)。改質(zhì)后鋼中硫化物分布更均勻，大部分為橢球形。

圖2 未改質(zhì)與改質(zhì)后38MnVS6 鋼金相照片F(xiàn)ig.2 Metallographic photos of the non-modified and modified 38MnVS6 steel

圖3 未改質(zhì)與改質(zhì)后38MnVS6 鋼的黑白照片F(xiàn)ig.3 Black and white photography of the non-modified and modified 38MnVS6 steel

圖4 法標(biāo)NF A-04-108 夾雜物評(píng)級(jí)圖譜[15]Fig.4 France NF A 04-108 sulfide evaluation map

表2 未改質(zhì)與改質(zhì)后38MnVS6 鋼中硫化物評(píng)級(jí)結(jié)果Table 2 Sulfide rating results in the non-modified and modified 38MnVS6 steel

每個(gè)試樣在光學(xué)顯微鏡200 倍視場(chǎng)下隨機(jī)拍20 張圖片，采用Image Pro Plus 軟件對(duì)鋼中硫化物的平均面積、等效直徑、長(zhǎng)寬比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，由統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知，未改質(zhì)和改質(zhì)后的鋼中硫化物等效直徑分布情況大致相同，都是大部分硫化物等效直徑小于2 μm，占比為65%，其中占比最多的是1～2 μm，鋼中幾乎沒(méi)有等效直徑大于10 μm 的硫化物。硫化物長(zhǎng)寬比的分布情況有所不同，未改質(zhì)鋼中硫化物的長(zhǎng)寬比大于6 的占比最大，為32%；而改質(zhì)過(guò)后，長(zhǎng)寬比大于6 的占比最小，為11%，3～6的占比最大，為36%。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，碲元素對(duì)38MnVS6 鋼中硫化物長(zhǎng)寬比有很大的改質(zhì)作用，可以將90%左右的硫化物長(zhǎng)寬比控制在6 以內(nèi)，50%以上控制在1～3。

汽車曲軸有較多變形量較大的部位，那些地方正是磁痕最容易產(chǎn)生的位置磁痕缺陷主要由長(zhǎng)條狀硫化物引起。經(jīng)過(guò)碲改質(zhì)過(guò)后，長(zhǎng)條狀硫化物轉(zhuǎn)變成斷續(xù)狀，可以有效解決38MnVS6 鋼加工成汽車曲軸后的磁痕問(wèn)題。

2.2 硫化物形貌

用掃描電鏡觀察未改質(zhì)和改質(zhì)后的38MnVS6鋼中的夾雜物，如圖5 所示。根據(jù)能譜分析可知，鋼中夾雜物主要為硫化物，也有少部分氧化鋁、氮化鈦夾雜和硫化物包裹氧化鋁的復(fù)合夾雜物。本次改質(zhì)試驗(yàn)加入碲含量較低，在鋼中未觀察到碲元素，根據(jù)Shen Ping 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在鋼中加入微量碲元素時(shí)，碲元素會(huì)固溶在硫化物內(nèi)部，只有碲添加量足夠多時(shí)才會(huì)在硫化物表面析出。碲元素固溶在硫化物中，會(huì)提高硫化物的顯微硬度，從而在軋制過(guò)程中提高硫化物抗變形的能力。

圖5 未改質(zhì)與改質(zhì)后38MnVS6 鋼SEM 照片F(xiàn)ig.5 SEM photos of the non-modified and modified 38MnVS6 steels

2.3 含碲非調(diào)質(zhì)鋼力學(xué)性能檢驗(yàn)及實(shí)踐

檢測(cè)改質(zhì)過(guò)后棒材的拉伸力學(xué)性能、沖擊性能和表面硬度，檢測(cè)結(jié)果如表3 所示。試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、縱向沖擊吸收功及表面硬度等均符合技術(shù)要求。碲的加入，在滿足非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)硬度和塑韌性的前提下，能夠改善其切削性能，并對(duì)硫化物的形態(tài)進(jìn)行調(diào)控，滿足了客戶對(duì)硫化物級(jí)別的要求。

表3 含碲38MnVS6 鋼非調(diào)質(zhì)力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of tellurium containing 38MnVS6 steels without quenching and tempering

3 結(jié)論

1）38MnVS6 非調(diào)質(zhì)鋼碲改質(zhì)過(guò)后鋼中硫化物評(píng)級(jí)從細(xì)系3.0 級(jí)，粗系2.0 級(jí)下降為細(xì)系2.0 級(jí)，粗系1.5 級(jí)；按法標(biāo)評(píng)級(jí)由F 級(jí)改質(zhì)為C 級(jí)。

2）碲改質(zhì)后38MnVS6 非調(diào)質(zhì)鋼中90%左右的硫化物長(zhǎng)寬比控制在6 以內(nèi)，50%以上控制在1～3。未改質(zhì)鋼中硫化物大多數(shù)為長(zhǎng)條狀，改質(zhì)過(guò)后以斷續(xù)狀和橢球狀為主。

3）碲改質(zhì)過(guò)后38MnVS6 非調(diào)質(zhì)鋼的力學(xué)性能指標(biāo)均符合技術(shù)要求。