分享：铸态和锻造态钛-硫易切削钢中硫化物形态及 力学性能对比

王英虎1,2,宋令玺1,2

 (1.攀钢集团研究院有限公司,攀枝花617000;2.海洋装备用金属材料及其应用国家重点试验室,鞍山114009) 

摘 要:熔炼了2种钛含量(质量分数分别为0.09%,0.21%)的钛-硫易切削钢,并在1200℃进 行锻造,对比研究了铸态和锻造态试验钢组织中硫化物形貌、尺寸、数量以及试验钢的力学性能。 结果表明:在铸态试验钢中,硫化锰大多为近似短棒状和球状,沿晶界呈链状或网状分布,锻造后硫 化锰沿着锻造方向伸长,统计得到的长宽比增大,单位面积内数量减少;钛含量的提高使单位面积 内硫化锰数量增多;铸态试验钢拉伸断口主要特征为解理台阶与河流状花样,断裂方式为脆性断 裂,锻后的拉伸断口为解理和韧窝混合型形貌,断裂方式为韧性断裂;锻造态试验钢的拉伸性能和 冲击韧性与铸态相比均有明显改善,锻造有助于提高钛-硫易切削钢的力学性能。

 关键词:锻造;钛-硫易切削钢;硫化物形貌;力学性能 中图分类号:TG142.7 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)02-0037-06

0 引 言

 随着机械加工向高速化、自动化和精密化方向 的发展,机加工成本在零部件制造成本中的占比越 来越高,达到零部件制造成本的40%~60%。研究 人员希望通过提高钢材的切削性能来降低加工成 本[1-2]。易切削钢是指通过添加一定含量的一种或 一种以上的硫、磷、铅、钙、硒、碲、钛等易切削元素而 获得良好切削性能的一类合金钢[3]。根据所含易切 削元素的不同,可以将易切削钢分为硫系易切削钢、 铅系易切削钢、钛系易切削钢和复合易切削钢等[4]。 钛-硫易切削钢中的硫主要以硫化锰的形式存在,硫 37 王英虎,等:铸态和锻造态钛-硫易切削钢中硫化物形态及力学性能对比 化锰可割裂基体的连续性,使切削过程中的应力得 以释放,从而降低刀具的磨损;同时钛、硫易切削元 素在高速切削时还会在刀具表面形成一层 Belag覆 膜,可使刀具寿命延长 3~9 倍[5-6]。钛-硫 易 切 削 钢的淬透性、耐磨性与易加工性都优于基础钢,但 其疲劳性能 略 低 于 基 础 钢,并 且 在 热 加 工 变 形 后 容易形成长条状硫化锰,引起钢材的各向异性,降 低其 综 合 性 能[7-10]。 易 切 削 钢 中 硫 化 锰 有 3 类[11-13]:球形硫 化 锰,由 偏 晶 反 应 形 成;短 棒 或 树 枝状硫 化 锰,由 共 晶 反 应 形 成;不 规 则 形 状 硫 化 锰,由伪共晶反应生成。合理控制钛-硫易切削钢 中硫化锰的形貌、尺寸和数量,对提高钢材的综合 性能有着十 分 重 要 的 意 义[14]。李 艳 梅 等[15]研 究 发现,硫化锰在轧制过程中伸长成大尺寸长条状, 使得钢材 呈 各 向 异 性,横 向 性 能 明 显 降 低。娄 德 春等[16]通过模拟轧制方法研究了轧制温度对硫化 锰夹杂物相 对 塑 性 的 影 响,发 现 硫 化 锰 的 相 对 塑 性在变形温度900℃时最高,在变形温度1000℃ 时最低,通过 控 制 轧 制 温 度 改 善 了 硫 化 锰 对 钢 材 力学性能 的 影 响。目 前,有 关 轧 制 对 易 切 削 钢 中 硫化锰形态 和 该 钢 力 学 性 能 影 响 的 研 究 较 多,而 有关锻造 影 响 的 研 究 较 少。为 此,作 者 对 比 研 究 了锻造对钛-硫易切削钢中硫化锰形貌、尺寸、数量 及易切削钢力学性能的影响,拟为制定钛-硫易切 削钢的锻造工艺提供参考。

 1 试样制备与试验方法

 使用 VIM-150型真空感应炉冶炼1 # 和2 # 两 种不同 钛 含 量、尺 寸 均 为?200 mm×350 mm 的 钛-硫易切削钢铸 锭。试 验 原 料 为 工 业 纯 铁、S-Fe 合金、Mn-Fe合 金、Si-Fe合 金、Cr-Fe合 金、Ti-Fe 合金、镍板及 Mo-Fe合金。采用冷装料法,将烘干 除锈的工业纯铁加入炉内,在真空度为25Pa下使 炉料熔化,精炼5min后充入氩气,然后按照镍板、 Cr-Fe合金、Si-Fe合 金、Mo-Fe合 金、Mn-Fe合 金、 Ti-Fe合金、S-Fe合 金 的 顺 序 加 入 中 间 合 金,待 中 间合金全部熔化并保温5 min后浇铸到金属模具 中,在 炉 内 凝 固 并 冷 却 至 室 温。 利 用 ELTRA CS800型红外碳硫仪测定碳、硫元素质量分数,用 ONH-2000型氧氮氢分析仪测定氧、氮、氢元素质 量分数,用 OBLFQSN750型光谱仪测定其他主要 元素的质量分数,得到试验钢的化学成分,见表1。 表1 2种试验钢的化学成分 质量分数 Table1 Chemicalcompositionoftwoteststeels massfraction % 序号 C Mn Si Ni Cr S P H N O Mo Al Ti Fe 1 # 0.09 1.17 0.33 0.01 13.5 0.36 0.009 0.0001 0.012 0.008 0.01 0.008 0.09 余 2 # 0.11 1.16 0.35 0.01 13.6 0.32 0.008 0.0001 0.010 0.007 0.01 0.013 0.21 余 切 去 冒 口 及 尾 部,得 到 尺 寸 为 ?200 mm× 200mm 的铸锭,在马弗炉中进行预热,预热温度为 1200 ℃,保温时间为60 min。加热保温结束后取 出铸锭,在锻造设备上锻成规格?120mm 的棒材; 回炉 加 热,加 热 温 度 为 1200 ℃,加 热 时 间 为 30min,取出后锻成规格?60mm 的棒材,空冷至室 温后得到钛-硫易切削钢棒。 分别在易切削钢棒和铸锭上线切割出尺寸为 10mm×10mm×10mm 的金相试样,用砂纸磨制 并抛光后,在 CARLZEISSAxioImagerA1mm 型 光学显微镜(OM)和JEOLJSM-7001F型扫描电镜 (SEM)上观察硫化锰形貌,用 SEM 附带的能谱仪 (EDS)分 析 典 型 硫 化 物 的 成 分。 使 用 Aspex explorerVP型扫描电镜-能谱仪系统对硫化锰的长 宽比、平均长度和单位面积数量进行统计,每个试样 统计分析的面积都为4.9mm 2。硫化锰长宽比为统 计得到的穿过硫化锰质心的16条弦线中最长弦线 的长度除以垂直于最长弦线的弦线宽度得到的比 值;硫化锰平均长度为统计得到的穿过硫化锰质心 的16 条 弦 线 的 平 均 长 度。 按 照 GB/T 228.1- 2010,采用标距部分尺寸为?5mm×25mm 的棒状 试样在 MTSLandmark370型电液伺服万能试验 机上进行室温拉伸试验,拉伸速度为1mm·min -1, 每组做3次平行试验;采用JEOLJSM-7001型扫描 电镜 观 察 拉 伸 断 口 形 貌。采 用 尺 寸 为 10 mm× 10mm×55 mm 的 标 准 夏 比 V 型 缺 口 试 样,在 MTSZCJ20000NDT 型落锤式冲击试验机上进行 室温夏比冲击试验,每组做3次平行试验。

 2 试验结果与讨论

 2.1 硫化锰形貌与分布特征 

由图1可以看出,1 # 和2 # 铸态试验钢中的硫化 锰多为短棒状和球状,在晶界呈链状或网状分布。链 状及网状硫化物是在凝固过程中枝晶间液相中富集 38 王英虎,等:铸态和锻造态钛-硫易切削钢中硫化物形态及力学性能对比 的锰、硫元素析出,并沿晶界聚集形成的;这类硫化物 容易发生变形,形成长条状,破坏基体的连续性[17]。 由图2可以看出,1 # 和2 # 铸造态试验钢中的 硫化锰沿着锻造方向发生变形,并且相邻2个或3 个硫化锰明显被锻压合并成了1个硫化锰。硫化锰 合并会导致试验钢单位面积内硫化锰数量的减少。 图1 铸态试验钢中硫化锰的 OM 形貌 Fig 1 OMimagesofmanganesesulfideinas-castteststeels a 1 # teststeeland b 2 # teststeel 图2 锻造态试验钢中硫化锰的SEM 形貌 Fig 2 SEMimagesofmanganesesulfideinforgedteststeels a 1 # teststeeland b 2 # teststeel 图3 1 # 铸态试验钢中典型硫化锰的SEM 形貌及元素面分布 Fig 3 SEM micrograph a andelementmapping b-f oftypicalmanganesesulfidein1 # as-castteststeel 研究[13]发现,钛、镁、铝等元素可在易切削钢中 生成作为硫化锰形核核心的氧化物,促进硫化锰形 核。由图3可以看出:夹杂物1的中心为硫化锰,其 边缘富集钛元素,因此夹杂物1为含钛的复合硫化 物,含钛夹杂物的析出可促进硫化锰的形核;三角形 夹杂物2中碳、氮元素富集。采用 EDS检测得到夹 39 王英虎,等:铸态和锻造态钛-硫易切削钢中硫化物形态及力学性能对比 杂物 2 的 化 学 成 分 (质 量 分 数 )为 22.47% N, 73.75%Ti,1.02%Cr,2.76%Fe;据此推断此夹杂物 为氮化钛。钛-硫易切削钢中的钛元素一部分作为 硫化锰形核的核心析出,与硫化锰一起形成含钛的 复合硫化物,另一部分与氮元素形成氮化钛夹杂物。

 2.2 硫化锰长宽比、平均长度和数量 

由图4可以看出:1 # 和2 # 铸态试验钢中长宽 比R 不大于3的硫化锰占比最大,分别为60.7%和 63.6%;1 # 和2 # 锻造态试验钢中长宽比不大于3的 硫化锰 占 比 与 铸 态 下 的 相 比 明 显 减 少,分 别 为 16.3%和14.0%;1 # 锻造态试验钢中,长宽比在(5, 10]区间的硫化锰占比最高,为29.9%,而2 # 锻造态 试验钢中长宽比在(10,30]区间的硫化锰占比最高, 为37.1%;锻造态试验钢中长宽比不大于5的硫化 锰占比小于铸态钢中的,长宽比大于5的硫化锰占 比则高于铸态钢中的,这说明一部分近似球形或纺 锤形的长宽比较小的硫化锰在锻造变形过程中变成 了长条状。 图4 铸态和锻态试验钢中硫化锰的长宽比分布 Fig 4 Length-widthratiodistributionofmanganesesulfideinas-castandforgedteststeels a 1 # teststeeland b 2 # teststeel 图5 铸态和锻造态试验钢中硫化锰的平均长度分布 Fig 5 Averagelengthdistributionofmanganesesulfideinas-castandforgedteststeels a 1 # teststeeland b 2 # teststeel 由图5可以看出:1 # 和2 # 铸态和锻造态试验钢 中平均长度L 不大于3μm 的硫化锰占比均最高,铸 态钢中的占比分别为74.6%和82.4%,锻造态钢中的 分别为82.6%和87.7%;与铸态相比,高温锻造后平 均长度不大于3μm 的硫化锰占比略有增加,而平均 长度大于3μm 的硫化锰占比减少,这说明高温锻造 降低了硫化锰夹杂物的尺寸,推测是大尺寸硫化锰发 生破碎和溶解导致的。对于含硫易切削钢来说,粗大 的硫化物有利于切削性能,而高度弥散且尺寸较小的 硫化物会导致切削性能变差。 1 # 和2 # 铸 态 试 验 钢 中 硫 化 锰 的 数 量 分 别 为 1833个和 1976 个,锻态钢中分 别 为 1236 个 和 1770个。锻造变形后试验钢中单位面积内硫化锰 的数量减少,是因为在锻造温度1200 ℃下,一些细 小的硫化锰发生了溶解及合并导致的[5,18]。无论是 铸态还是锻造态,2 # 试验钢中单位面积内硫化锰数 量多于1 # 试验钢中的,这是因为钛含量的增加使得 硫化锰形核核心增多,硫化锰形核更加容易。 

2.3 锻造对钛-硫易切削钢力学性能的影响

 由图6可以看出,无论是铸态还是锻造态,1 # 和2 # 试验钢均发生连续屈服变形,拉伸过程中没有 出现明显屈服平台。由表2可以看出:1 # 和2 # 试 验钢锻后的拉伸性能和冲击韧性均优于铸态钢,这 是由于锻造变形可减少组织缺陷,提高材料的致密 40 王英虎,等:铸态和锻造态钛-硫易切削钢中硫化物形态及力学性能对比 性能,消除部分偏析,使成分变得更加均匀[19]。无 论是铸态还是锻造态,2 # 试验钢的强度均高于1 # 试验钢的。这是由于2 # 试验钢中的钛含量较高,钛 元素与氮、碳具有极强的亲和力并且与硫的亲和力 比与铁的强,能够固定硫元素并形成碳化钛或氮化 钛,碳/氮化钛在钢中具有明显的细晶强化效果。此 外,2 # 试验钢中尺寸不大于3μm 的硫化锰数量比 1 # 试验钢中的多,更加细小的硫化锰夹杂物对力学 性能的影响较小。因此,2 # 试验钢的强度高于1 # 试验钢的。 图6 2种试验钢的拉伸应力-应变曲线 Fig.6 Stress-straincurvesoftwoteststeelsduringtensile 表2 2种试验钢的力学性能 Table2 Mechanicalpropertiesoftwoteststeels 材料 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 断后伸长率/% 断面收缩率/% 冲击功/J 铸态 锻造态 铸态 锻造态 铸态 锻造态 铸态 锻造态 铸态 锻造态 1 # 试验钢 651.0 859.8 427.8 570.0 5.4 6.8 3.5 15.4 7.2 28.6 2 # 试验钢 716.9 888.7 533.8 602.9 3.2 11.6 1.1 22.2 6.1 17.7 由图7可以看出:1 # 和2 # 铸态试验钢拉伸断 口均出现河流状花样与解理台阶,断裂方式为脆性 解理断裂,裂纹主要沿晶界扩展。由于铸态钢中硫 化锰在晶界附近呈链状及网状分布,在拉伸变形过 程中承受载荷而产生应力集中,当应力超过临界值 时便在硫化锰与基体间萌生裂纹,裂纹随着拉伸应 力增大沿晶界扩展。1 # 和2 # 铸造态试验钢的拉伸 断口呈现解理和韧窝混合型形貌,韧窝较浅。对比 铸态和锻造态断口形貌,锻后试验钢的塑韧性优于 铸态的。钢中的硫化锰夹杂物相当于显微裂纹[20], 在拉伸载荷作用下显微裂纹扩展。锻造变形使试验 钢中的硫化锰尺寸减小、单位面积内的数量减少,这 相当于使钢中显微裂纹的尺寸减小、数量减少,因此 锻造态试验钢的力学性能优于铸态试验钢的。 图7 2种试验钢拉伸断口SEM 形貌 Fig 7 SEM micrographsshowingtensilefractureoftwoteststeels a 1 # teststeel as-cast b 1 # teststeel forging c 2 # teststeel as-castand d 2 # teststeel forging 41 王英虎,等:铸态和锻造态钛-硫易切削钢中硫化物形态及力学性能对比 

3 结 论 

(1)铸态钛-硫易切削钢中的硫化锰在晶界呈 链状或网状分布,多为短棒状和球状;锻造后硫化锰 沿着锻造方向伸长;钢中的钛元素一部分与硫、锰元 素一起形成含钛的复合型硫化物,一部分与氮元素 形成了氮化钛夹杂物。 (2)高温锻造使得钛-硫易切削钢中的硫化锰 发生溶解、合并和变形,因此与铸态钢中的相比,硫 化锰长宽比增大,尺寸减小,单位面积内数量减少; 钛含量的提高使硫化锰形核核心增多,单位面积内 硫化锰数量增多。 (3)铸态钛-硫易切削钢拉伸断口的主要特征 为解理台阶和河流状花样,断裂方式为脆性断裂;锻 造态拉伸断口为解理和韧窝混合型形貌,断裂方式 为韧性断裂。锻造态钛-硫易切削钢的拉伸性能和 冲击韧性与铸态相比均有明显改善,锻造有助于提 高钛-硫易切削钢的力学性能。

 来源：材料与测试网