王從道，李東暉

(南京鋼鐵股份有限公司研究院，南京210035)

硫易切削鋼SUM23HS中硫化物形態(tài)控制

王從道，李東暉

(南京鋼鐵股份有限公司研究院，南京210035)

通過(guò)加熱對(duì)比試驗(yàn)，研究加熱工藝對(duì)硫易切削鋼SUM23HS中硫化物形態(tài)的影響，借助光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)以及電子微探針?lè)治鰞x(EPMA)對(duì)加熱方坯硫化物形貌、分布狀況進(jìn)行分析，通過(guò)ANSYS仿真軟件對(duì)方坯厚度方向的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，獲取方坯厚度方向溫度場(chǎng)分布。結(jié)果表明，2種加熱工藝試驗(yàn)中，采用工藝二(均熱溫度1 230℃，均熱時(shí)間80 min，在爐總時(shí)間3 h)條件加熱的SUM23HS鋼硫化物形態(tài)更接近“紡錘狀”。采用2種加熱工藝生產(chǎn)SUM23HS鋼盤條，盤條金相組織和客戶使用狀況顯示，工藝二的易切削鋼切削性能更優(yōu)。

硫易切削鋼；硫化物形態(tài)；切削性能

易切削鋼優(yōu)良的切削加工性能主要通過(guò)往鋼中單獨(dú)或復(fù)合加入易切削元素(S、P、Pb、Se、Te、Bi、Zr、Re等)來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)鋼中所含易切削元素，可分為硫易切削鋼、鉛易切削鋼以及復(fù)合易切削鋼[1-2]。其中硫易切削鋼生產(chǎn)量占80%以上，生產(chǎn)硫易切削鋼的主要技術(shù)難點(diǎn)在于控制MnS在鋼中的分布形態(tài)及C、Si、Mn、P、S的成分比例，而是Mn、S比例和加熱溫度對(duì)提高硫易切削鋼的加工切削性能非常重要[3]。

南鋼生產(chǎn)的SUM23HS鋼是一種低碳高硫類易切削鋼，具有良好的切削性和斷屑性，廣泛應(yīng)用于精密軸類零件中。由于SUM23HS鋼硫含量高，易與基體Fe結(jié)合產(chǎn)生低熔點(diǎn)FeS，而FeS與Fe易形成一種共晶體，熔點(diǎn)在990℃左右，此鋼出爐軋制時(shí)若溫度控制不當(dāng)，就會(huì)產(chǎn)生FeS-Fe型共晶體，該共晶體易引發(fā)鋼出現(xiàn)熱脆現(xiàn)象[4]。文獻(xiàn)[5]認(rèn)為，加熱溫度升高，可促使硫易切削鋼中FeS向MnS轉(zhuǎn)變，對(duì)硫化物形態(tài)有一定影響。文獻(xiàn)[6]指出“紡錘狀”的硫化物形態(tài)有利于提高硫易切削鋼SUM23HS的切削性能。文獻(xiàn)[7-8]通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)加熱工藝參數(shù)，研究了高硫易切削鋼的硫化物形態(tài)轉(zhuǎn)變狀況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著加熱溫度的提高，硫化物長(zhǎng)寬比減小，更趨近于紡錘狀，后續(xù)切削性能也更優(yōu)良。

基于上述文獻(xiàn)報(bào)道可以看出，加熱工藝尤其是加熱溫度對(duì)硫易切削鋼的硫化物形態(tài)影響較大，從而影響最終切削性能。所以筆者針對(duì)SUM23HS鋼設(shè)計(jì)對(duì)比加熱試驗(yàn)，采用多種電鏡手段對(duì)SUM23HS鋼夾雜物組織形態(tài)進(jìn)行觀察，分析加熱工藝參數(shù)對(duì)鋼中硫化物形態(tài)的影響。通過(guò)優(yōu)化加熱工藝參數(shù)促使鋼中FeS轉(zhuǎn)變充分，同時(shí)使MnS向紡錘狀形態(tài)轉(zhuǎn)變，以期提高產(chǎn)品可切削性能。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鋼SUM23HS為連鑄小方坯(150 mm×150 mm)，主要化學(xué)成分：w(C)≤0.10%，w(Si)≤0.10%，w(S)= 0.20～0.50，w(Mn)=0.70～2.00，w(P)≤0.1，w(O)=0.005 0～0.015 0，其余為Fe。由此可看出，Mn與S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比大于3.0。

1.2 試驗(yàn)方案

利用步進(jìn)式加熱爐對(duì)方坯進(jìn)行加熱試驗(yàn)，加熱過(guò)程分兩個(gè)階段，分別為加熱I區(qū)和加熱II區(qū)，具體加熱工藝參數(shù)如表1。待方坯加熱溫度達(dá)到目標(biāo)值出爐，在除鱗處切割取樣，方坯長(zhǎng)度為200 mm，切割時(shí)間5～6 min，再回爐升溫，正常軋制。

表1 易切削鋼加熱工藝參數(shù)Tab.1 Heating process parameters of free cutting steel

沿方坯切割平面的對(duì)角線方向取樣，位置分別標(biāo)記為表面、1/4及中心，如圖1。采用光學(xué)顯微鏡(Optical Microscope，OM)、掃描電子顯微鏡(Scanning Electronic Microscopy，SEM)以及電子微探針?lè)治鰞x(Electron Probe Micro-Analyzer，EPMA)進(jìn)行組織觀察，另外觀察最終盤條樣組織。

采用軟件ANSYS對(duì)方坯厚度方向溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，模擬加熱過(guò)程中整個(gè)厚度方向的溫度分布狀況，得出方坯實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的偏差程度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 OM組織分析

圖2為鑄態(tài)方坯未加熱組織，夾雜物中黑色物質(zhì)為氧化物(由后面SEM與EPMA確定為MnO)。由文獻(xiàn)[9-10]可知，高溫相MnO在澆注過(guò)程中形成彌散的質(zhì)點(diǎn)，這些質(zhì)點(diǎn)作為低溫硫化物生長(zhǎng)的核心。MnO的含量與分布對(duì)MnS的形態(tài)與數(shù)量有影響，這也是SUM23HS鋼氧含量過(guò)高的機(jī)理所在。

圖1 取樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling

圖2 鑄態(tài)未加熱組織Fig.2 Microstructure of as-cast without heating

圖3，4為2種加熱工藝條件下沿方坯對(duì)角線所取試樣的硫化物狀態(tài)。由圖3，4可知：2種工藝下硫化物的形態(tài)、分布相似；工藝二的硫化物生長(zhǎng)核心MnO略少于工藝一，說(shuō)明工藝二硫化物轉(zhuǎn)變更充分。由文獻(xiàn)[11]可知，硫易切削鋼中，氧化物及硫化物高溫析出時(shí)，主要是Mn、Fe原子的擴(kuò)散，Mn會(huì)向核心擴(kuò)散并逐漸長(zhǎng)大，F(xiàn)e向外擴(kuò)散。溫度升高，MnS較FeS更易形成，所以高溫有利于硫易切削鋼硫化物中硫化錳的轉(zhuǎn)變。

圖3 工藝一條件下加熱的方坯夾雜物Fig.3 Billet inclusion of process 1 with heating

圖4 工藝二條件下加熱的方坯夾雜物Fig.4 Billet inclusion of process 2 with heating

2.2 SEM組織觀察

為了解硫化物形貌以及主要元素S、Mn、O、Fe的相對(duì)含量，選擇鑄態(tài)未加熱、工藝一與工藝二條件下的3種坯料，利用金相試樣繼續(xù)進(jìn)行掃描電鏡與成分能譜分析，結(jié)果如圖5。

圖5 SEM形貌及能譜分析(原子數(shù)分?jǐn)?shù)/%)Fig.5 Morphology and energy spectrum analysis by SEM(atomic number fraction/%)

由圖5的SEM形貌可知，未加熱條件下，黑色物質(zhì)明顯大于加熱態(tài)的，經(jīng)能譜分析黑色物質(zhì)主要為MnO或其復(fù)雜錳鐵氧化物，而加熱態(tài)黑色氧化物明顯降低。由此可知，加熱會(huì)促使硫化物的形成。由能譜分析可知高溫加熱的Mn、S含量要高于低溫加熱的，且溫度越高，硫化物轉(zhuǎn)變?cè)匠浞帧?/p>

2.3 EPMA組織觀察

為進(jìn)一步觀察坯料夾雜物相形貌、主要元素的分布狀況。利用電子探針(EPMA)對(duì)鑄坯進(jìn)行觀察與分析，主要進(jìn)行面掃描、夾雜物形貌觀察以及物相形貌鑒別。圖6為夾雜物形貌以及元素分布，圖7為FeS與MnO的形貌。

圖6 EPMA面掃描Fig.6 Mapping of EPMA

圖7 EPMA形貌相Fig.7 Morphology of EPMA

由圖6可知Mn、O元素分布在夾雜物的中心處，Mn、S主要圍繞夾雜物中心分布，最外延的為S、Fe元素。由圖7可以進(jìn)一步了解FeS、MnO兩相的分布狀態(tài)，MnO為黑色質(zhì)點(diǎn)，包裹MnO的為外延生長(zhǎng)的FeS，由此推斷這種復(fù)合夾雜物形成的模式是硫化物以氧化物為核心而外延形成的。由文獻(xiàn)[11]可知：硫化物的轉(zhuǎn)變是以高溫氧化物為核心，S與氧化物中的O發(fā)生置換而生成硫化物；且Mn向內(nèi)擴(kuò)散，F(xiàn)e向外擴(kuò)散，在夾雜物內(nèi)外分別生成MnS與FeS，且MnS的生長(zhǎng)較FeS具有優(yōu)先性。

2.4 仿真計(jì)算

依據(jù)工藝一與工藝二設(shè)定的加熱工藝參數(shù)，利用仿真軟件ANSYS對(duì)方坯加熱過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算。參考文獻(xiàn)[12]中加熱爐加熱模擬計(jì)算模型的建立方法，確定本次模擬計(jì)算條件為：將加熱爐視為一個(gè)三維空間，鋼板模型為三維體，且為對(duì)稱體；換熱方式主要為輻射傳熱，并考慮對(duì)流換熱；鋼坯與輥道接觸傳熱不計(jì)；忽略鋼坯表面氧化對(duì)傳熱的影響；鋼板入爐初始溫度為30℃，初始時(shí)間為0 s，爐內(nèi)運(yùn)行速度視為勻速。圖8，9為2種加熱工藝條件下方坯出爐前厚度方向的溫度場(chǎng)分布和加熱曲線。

由圖8，9可知：工藝一條件下均熱段溫差在10℃以內(nèi)，最高溫度值低于設(shè)定溫度約25℃；工藝二條件下均熱段溫差在10℃以內(nèi)，最高溫度值低于設(shè)定溫度約10℃。這是因?yàn)榧訜釥t整體上可視作三維空間，爐子通過(guò)燒嘴供熱，形成不同等勢(shì)面溫度場(chǎng)，爐子熱電偶靠近熱源供給處，測(cè)得的溫度要高于方坯實(shí)際加熱溫度。由此可知：通過(guò)仿真計(jì)算可了解方坯實(shí)際溫度以及厚度方向溫度場(chǎng)，為加熱工藝參數(shù)分析提供依據(jù)；工藝二條件下方坯實(shí)際溫度較工藝一的更接近設(shè)定溫度，較長(zhǎng)的保溫時(shí)間設(shè)定既有利于溫度達(dá)標(biāo)，同時(shí)轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)條件充分；工藝二條件下方坯厚度方向溫差小，其硫化物形態(tài)轉(zhuǎn)變相對(duì)均勻，有利于改善硫易切削鋼的加工切削性能。

圖8 工藝一條件下方坯溫度場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果Fig.8 Simulation calculation results of temperature field of square billet under process 1

圖9 工藝二條件下方坯溫度場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果Fig.9 Simulation calculation results of temperature field of square billet under process 2

綜上分析認(rèn)為，SUM23HS鋼中硫和氧含量較高，實(shí)際生產(chǎn)中鋼中全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在150×10-6，鋼中存在大量紡錘狀(多與氧化物結(jié)合)和條狀的硫化錳夾雜物。這類夾雜物在切削時(shí)起潤(rùn)滑作用，可降低切削阻力，從而提高切削性能及車刀壽命。SUM23HS鋼中夾雜物的特點(diǎn)是純硫化錳夾雜物為條狀，長(zhǎng)徑比較大；而氧化物復(fù)合的夾雜物為紡錘狀，長(zhǎng)徑比較小。硫化錳包裹脆性的Si/Mn/O復(fù)合夾雜物限制了MnS的伸長(zhǎng)，致使MnS更易變?yōu)榧忓N形，降低了MnS的長(zhǎng)徑比，改善了鋼的切削性能[13-14]。

3 實(shí)施效果

采取上述2種加熱工藝，批量生產(chǎn)硫易切削鋼SUM23HS盤條各10只。觀察最終盤條金相組織，并進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果分別如圖10及表2。

圖10 2種工藝下盤條的夾雜物形貌Fig.10 Inclusions morphology of wire rod under two kinds of process

圖10中，工藝一條件下的夾雜物細(xì)長(zhǎng)，而工藝二條件下的夾雜物相對(duì)短而粗。在整個(gè)視場(chǎng)中，工藝一中夾雜物長(zhǎng)寬比大于工藝二的，說(shuō)明工藝二的夾雜物形態(tài)更接近“紡錘狀”，這有利于改善SUM23HS鋼的切削性。也進(jìn)一步證明加熱溫度適當(dāng)提高可形成有利的硫化物形態(tài)，有益于改善SUM23HS盤條的后續(xù)加工切削性。

由表2可知，工藝一條件下盤條硬度從表面到中心呈下降趨勢(shì)，工藝二條件下整體硬度較均勻，兩者平均硬度相差不大。硬度差波動(dòng)小更有利于改善SUM23HS鋼的切削性能，表明在改善SUM23HS鋼的切削性能方面，工藝二的參數(shù)設(shè)定優(yōu)于工藝一。跟蹤客戶使用情況，SUM23HS鋼的切削性能部分參數(shù)如表3。由表3可看出，工藝二條件下SUM23HS鋼的切削性優(yōu)于工藝一。由此進(jìn)一步表明，工藝二條件下的盤條夾雜物形態(tài)更接近“紡錘狀”，SUM23HS鋼的切削性能更優(yōu)。

表2 盤條硬度測(cè)量值/HVTab.2 Hardness measurements of wire rod/HV

表3 切削性能參數(shù)Tab.3 Cutting performance parameters

4 結(jié) 論

1)SUM23HS硫易切削鋼夾雜物中黑色物質(zhì)為MnO，MnO質(zhì)點(diǎn)作為低溫硫化物生長(zhǎng)的核心，其含量與分布對(duì)MnS的形態(tài)與數(shù)量有影響。

2)由SEM、EPMA分析可知，SUM23HS硫易切削鋼中FeS是在夾雜物外延生長(zhǎng)的，而MnO是硫化物轉(zhuǎn)變的核心。

3)由模擬可知：相比較工藝一，工藝二的方坯實(shí)際溫度更接近設(shè)定溫度；方坯的厚度方向溫差小，硫化物形態(tài)轉(zhuǎn)變相對(duì)均勻。

4)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施以及客戶使用情況表明，相比較工藝一，工藝二條件下的SUM23HS鋼盤條夾雜物形態(tài)更接近“紡錘狀”，有利于改善SUM23HS鋼的切削性能，也即工藝二條件下SUM23HS鋼的切削性優(yōu)于工藝一。

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責(zé)任編輯：何莉

Control of Sulfide Morphology of Sulfur Free Cutting Steel SUM23HS

WANG Congdao,LI Donghui
(Research Institute,Nanjing Iron&Steel Co.Ltd.,Nanjing 210035,China)

The effect of heating process(process 1,2)on sulfide morphology in sulfur free cutting steel SUM23HS was studied by means of hiating contrast test.The morphology and distribution of the inclusions in heatedsquarebilletwereanalyzedwithopticalmicroscope(ON),scanningelectronicmicroscopy(SEM)andelectron probe micro-analyzer(EPMA).The temperature field of thick ness direction of square billet was simulated with ANSYS software,and the temperature field distribution in the thickness direction of the billet was obtained. Results show that for the two kinds of heating process employer in the test,sulfide morphology is closer to the spindle by using process two(heating temperature is 1 230℃ ,soaking time is 80 min,total time is 3 h). SUM23HS steel wire rod was produced with the two kinds of heating process,and the rod microstructure and customer status show that the cutting performance of sulfur free cutting steel of the process two is better.

sulfur free cutting steel;sulfide morphology;cutting performance

TG 142.1

：A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.04.003

1671-7872(2016)04-0316-06

2016-04-14

王從道(1982-)，男，安徽和縣人，工程師，主要研究方向?yàn)殇撹F熱處理。