王英虎

(1. 成都先進金屬材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院股份有限公司, 四川 成都 610000;2. 海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室, 遼寧 鞍山 114009;3. 北京科技大學(xué) 國家材料服役安全科學(xué)中心, 北京 100083)

易切削鋼是指通過在鋼中添加一定數(shù)量的一種或一種以上的硫、鉛、磷、硒、鈣、碲、鈰、鈦等元素,以提高切削性能的合金鋼[1]。根據(jù)鋼中所添加易切削元素不同進行分類,可將易切削鋼分為含硫易切削鋼、含鉛易切削鋼、含碲易切削鋼、含鈦易切削鋼及復(fù)合易切削鋼等[2]。含硫易切削鋼是問世時間最早,迄今為止用量最大且用途最廣的易切削鋼,占世界和我國易切削鋼總產(chǎn)量的比例分別達到70%和90%以上[3]。Y12Cr18Ni9鋼是一種在我國廣泛使用的300系奧氏體易切削鋼,鋼中含有較高的Mn、S元素,具有良好的切削性能,并且具備較好的塑韌性及抗腐蝕性,廣泛應(yīng)用在機械、儀器、汽車零部件等領(lǐng)域[4]。硫化物是Y12Cr18Ni9易切削鋼中主要的易切削相,硫化物的長寬比、數(shù)量、形態(tài)及分布狀態(tài)對鋼材的性能有顯著的影響,硫含量是影響硫化物析出行為的重要因素[5-6]。李夢龍等[7-8]利用真空感應(yīng)爐冶煉了不同S含量(0.025%～0.065%)的易切削非調(diào)質(zhì)鋼,研究了硫含量對中碳非調(diào)質(zhì)鋼中硫化物及組織的影響,結(jié)果表明,隨著S含量增加,硫化物的數(shù)量和面積分數(shù)增加,群聚分布現(xiàn)象更加明顯。張雨蕾等[9]開展了硫含量對重軌鋼中非金屬夾雜物的影響研究,研究表明,夾雜物尺寸隨硫含量的升高而增大,硫含量為(70～140)×10-6的鋼液凝固過程液相中能單獨析出MnS,且硫含量越高,MnS析出越早,含量越多。目前國內(nèi)外關(guān)于硫含量對硫化物形貌、尺寸和分布的影響以及對鋼材力學(xué)性能的研究工作較少,導(dǎo)致國內(nèi)易切削鋼廠家對于鋼中硫化物的控制水平較差,影響鋼材的切削性能和力學(xué)性能。因此,本文研究了硫含量對Y12Cr18Ni9易切削鋼中硫化物及力學(xué)性能的影響,以期為Y12Cr18Ni9易切削鋼的生產(chǎn)提供理論數(shù)據(jù)支持。

1 試驗材料與方法

試驗鋼采用VIM-150真空感應(yīng)爐冶煉,裝料前先將合金料在250 ℃烘烤3 h,然后用砂輪打磨去掉表面氧化皮,每爐配料125 kg。將高純鐵、鉻鐵、鎳板隨爐裝填,裝料盡量緊密,避免搭橋,將石墨、金屬硅、金屬錳、磷鐵、硫鐵、鉬鐵置于真空感應(yīng)爐的單獨料倉中。當熔煉室的真空度≤1 Pa時,啟動真空感應(yīng)爐,加熱直至爐料全部熔清。待爐料熔清后,繼續(xù)升溫到1600 ℃后將送電功率適當降低,使鋼液溫度保持在1500～1550 ℃,精煉25 min,精煉期始終保持真空度≤1 Pa。精煉結(jié)束后充氬氣到20 kPa,然后依次加入石墨、硅鐵、錳鐵、磷鐵、鉬鐵及硫鐵。合金料全部加入后進行大功率電磁攪拌,電磁攪拌時間為2 min,攪拌結(jié)束靜置3 min后澆鑄,鋼液在爐內(nèi)凝固并冷卻至室溫后得到φ200 mm×400 mm鑄錠。使用ELTRA CS800型紅外碳硫儀測定其C、S元素的質(zhì)量分數(shù),使用ONH-2000型氧氮氫分析儀測定其O、N和H元素的質(zhì)量分數(shù),使用OBLF QSN750型光譜儀測得其他主要元素的質(zhì)量分數(shù),得到試驗鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù),%)

使用Phenom Partical X臺式掃描電鏡對硫化物形貌進行觀察,并用掃描電鏡的夾雜物自動分析系統(tǒng)對硫化物的長寬比、尺寸、面積等信息進行統(tǒng)計分析。采用Thermo-Calc 2020b軟件對試驗鋼的相變及析出行為進行計算,計算過程使用了Thermo-Calc 2020b軟件中專門用于計算鋼鐵材料的TCFE10: Steel/Fe-Alloys v10.1鐵基數(shù)據(jù)庫,試驗鋼成分以質(zhì)量分數(shù)輸入,壓力設(shè)置為101.325 kPa,在平衡條件下對數(shù)據(jù)庫中存在的相不加任何條件限制。按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫拉伸試驗方法》,采用直徑為φ5 mm的棒狀試樣在MTS Landmark 370電液伺服萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗,拉伸速率為0.016 mm/s。采用JEOL JSM-7900F場發(fā)射掃描電鏡進行EBSD檢測分析,掃描步長為1 μm,并用AZtecCrystal 2.1軟件對EBSD數(shù)據(jù)進行分析處理。采用JEOL JXA-iHP200F電子探針儀對硫化物的成分進行分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 硫化物析出熱力學(xué)計算與分析

凝固相變與析出路徑是研究鋼鐵合金組織轉(zhuǎn)變和分析凝固組織的重要依據(jù)[10]。通過ThermoCalc 2020b熱力學(xué)軟件計算試驗鋼由高溫液相冷卻至500 ℃的平衡相圖,計算結(jié)果如圖1所示。由圖1(a)可以看出,1號鋼在500～1600 ℃溫度范圍內(nèi),平衡相主要有L(液相)、MnS、δ、γ、M23C6、σ與α。1號鋼平衡凝固相變路徑為L→L+MnS→L+MnS+δ→L+δ+MnS+γ→δ+MnS+γ→MnS+γ→MnS+M23C6+γ→MnS+M23C6+γ+σ→MnS+M23C6+γ+σ+α。由圖1(b)可以看出,隨著S含量增加,MnS平衡相的析出量明顯增加,析出溫度由1517.3 ℃增加到1627.3 ℃。由此可知,改變Y12Cr18Ni9易切削鋼中的S元素含量可以調(diào)控MnS平衡相的析出含量與析出溫度。

圖1 1號鋼各平衡相含量(a)及1號、2號鋼液凝固過程中MnS析出量(b)Fig.1 Equilibrium phase contents of the No.1 steel(a) and precipitation amount of MnS during solidification of the No.1 and No.2(b) steels

2.2 硫含量對硫化物形態(tài)的影響

圖2為試驗鋼中硫化物的微觀形貌圖。由圖2可以看出,試驗鋼主要由奧氏體、鐵素體與硫化物三相組成?；w中的硫化物呈球形、橢球形、紡錘形或短棒狀,呈鏈狀分布在晶界或呈團簇狀聚集分布在晶粒的三叉交匯處,該類形態(tài)的硫化物一般被認為是共晶反應(yīng)生成的。在冶煉過程中液相向固相發(fā)生凝固反應(yīng)時,晶粒間殘余液相中硫元素偏析會導(dǎo)致硫元素富集,使得硫化物與高溫鐵素體互相搭橋析出,形成了這種硫化物簇狀分布的形態(tài)[11]。在20世紀80年代,Ito等[12-13]對低碳鋼中的硫化物形貌進行了分類,第Ⅰ類:球形復(fù)合夾雜物,無規(guī)則分布,由亞穩(wěn)態(tài)偏晶反應(yīng)生成;第Ⅱ類:呈長棒狀或扇形,沿晶界呈鏈狀或網(wǎng)狀分布,由穩(wěn)定的共晶反應(yīng)生成;第Ⅲ類:多面體形,塊狀,無規(guī)則分布,由非穩(wěn)態(tài)共晶(偽共晶)反應(yīng)生成。Takada等[14]研究了硫含量對硫化物形態(tài)的影響,結(jié)果表明,當S含量為0.004%和0.01%時,形成第Ⅰ類硫化物,而當S含量為0.05%時會形成大量第Ⅱ類硫化物,并且隨著硫含量增加,第Ⅲ類硫化物的數(shù)量也會增多。由圖2可以明顯看出,試驗鋼中的硫化物符合第Ⅱ類硫化物的形貌與分布特征,并且含有第Ⅲ類硫化物。隨著硫含量增加,簇狀硫化物的數(shù)量也隨之增加,這與Takada等的研究結(jié)果相同。

圖2 1號(a)和2號(b)鋼中硫化物的微觀形貌Fig.2 Micrographs of sulfides in the No.1(a) and No.2(b) steels

圖3是1號鋼中典型硫化物的元素分布圖。由圖3可以看出,試驗鋼中簇狀分布的硫化物中主要是S與Mn元素富集,說明這些硫化物為單獨析出的MnS。有研究發(fā)現(xiàn),易切削鋼中的第Ⅰ類球形MnS和第Ⅲ類塊狀的MnS更有利于切削性能的增加,而簇狀分布的第Ⅱ類硫化物MnS在軋制、鍛造后容易變成細長條狀,長寬比大,不利于鋼的切削性能并且對材料的橫向力學(xué)性能有很大的影響[15-16]。因此如何在Y12Cr18Ni9易切削鋼中避免生成簇狀第Ⅱ類MnS是提高材料切削性能的關(guān)鍵。

圖3 1號鋼中典型硫化物二次電子圖像(a)及元素分布(b～f)(a)二次電子圖像;(b)Fe;(c)Ni;(d)Cr;(e)S;(f)Mn Fig.3 Secondary electron image(a) and element distribution(b-f) of typical sulfide in the No.1 steel(a) secondary electron image; (b) Fe; (c) Ni; (d) Cr; (e) S; (f) Mn

圖4為ThermoClac軟件計算出的1號鋼中硫化物平衡元素組成。由圖4可以看出,MnS中主要由S、Mn、Cr與Fe元素組成,這與圖3電子探針檢測的結(jié)果是一致的。MnS中的S含量隨著溫度降低急劇增加,然后逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài);Mn含量隨溫度降低先急劇增加,然后增加速率變緩;Cr含量隨溫度降低呈現(xiàn)先增加后逐漸降低的趨勢;MnS中的Fe元素很少,隨溫度幾乎沒有變化。

圖4 1號鋼中硫化物元素組成Fig.4 Element components of sulfide in the No.1 steel

圖5是試驗鋼的EBSD圖。由圖5(a,c)可知,試驗鋼中奧氏體晶粒取向主要分布在<001>,δ鐵素體的晶粒取向主要分布在<101>和<111>。δ鐵素體主要分布在晶界處,Y12Cr18Ni9易切削鋼中δ鐵素體的存在主要是其化學(xué)成分決定的,鋼中C、Ni、N、Mn元素有利于奧氏體生成,而Cr、Mo、Si元素有利于鐵素體生成,高溫δ鐵素體的析出主要是這兩類元素博弈的結(jié)果。

圖5 1號鋼(a,b)和2號鋼(c,d)的EBSD分析(a,c)IPF圖;(b,d)相分布圖Fig.5 EBSD analysis of the No.1(a,b) and No.2(c,d) steels(a,c) IPF diagram; (b,d) phase distribution diagram

圖6是1號鋼中δ鐵素體的元素分布圖。試驗鋼的凝固過程是非平衡狀態(tài),鋼中的元素會有局部濃度差異,尤其是在晶界處,Cr元素聚集便會促使δ鐵素體的產(chǎn)生。由圖6(c)可以看出,晶界處Cr元素含量高于周圍的基體,而從圖6(d)可以看出,Ni元素含量低于周圍的基體,因此Cr元素在晶界處偏析是促使δ鐵素體生成的主要原因。圖7是Thermo-Clac軟件計算出的1號鋼中δ鐵素體平衡元素組成,由圖7可以看出δ鐵素體主要由Fe、Cr、Ni、Mn、Si、Mo、C與S元素組成,其中Fe、Cr元素含量較高,這與圖6電子探針的結(jié)果是一致的。在平衡凝固過程中δ鐵素體中的元素含量均呈先升高后降低的趨勢,這與δ鐵素體析出又轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體有關(guān),但在非平衡凝固過程中由于元素在晶界處產(chǎn)生偏析,導(dǎo)致δ鐵素體存在于室溫組織中。

圖6 1號鋼中δ鐵素體的元素分布(a)二次電子圖像;(b)Fe;(c)Cr;(d)Ni;(e)Mn;(f)Si Fig.6 Element distribution of δ ferrite in the No.1 steel(a) secondary electron image;(b) Fe;(c) Cr;(d) Ni;(e) Mn;(f) Si

圖7 1號鋼中δ鐵素體元素組成Fig.7 Element components of δ ferrite in the No.1 steel

圖8為不同尺寸范圍硫化物數(shù)量密度,其中,尺寸L為Phenom Partical X掃描電鏡-能譜儀統(tǒng)計出的穿過硫化物質(zhì)心的16條弦線的平均長度。由圖8可以看出,1號與2號鋼中1 mm2內(nèi)尺寸L≤3 μm的硫化物數(shù)量最多,分別為1750個與2436.2個;隨著硫含量增加,單位面積內(nèi)2號鋼中各個尺寸的硫化物數(shù)量均比1號鋼增加,但L≤3 μm的硫化物增加量最多,由此可見,Y12Cr18Ni9易切削鋼中硫含量增加更有利于小尺寸硫化物析出。

圖8 試驗鋼不同尺寸范圍硫化物數(shù)量密度Fig.8 Number density of sulfides in different size ranges of the tested steels

圖9為硫含量對硫化物長寬比的影響,其中,長寬比X為穿過硫化物質(zhì)心的16條弦線中最長弦線的長度與垂直于最長弦線的弦線長度的比值。由圖9可以看出,1號與2號鋼中1 mm2內(nèi)長寬比X≤3 μm的硫化物數(shù)量最多,分別為2054.4個與2763.9個;隨著硫含量增加,長寬比X≤3 μm的硫化物數(shù)量增幅最多。當X的值為1時,硫化物的形態(tài)可視為球形或橢球形,由此可見,Y12Cr18Ni9易切削鋼中硫含量增加更加有利于球形或橢球形硫化物的析出。

圖9 試驗鋼的硫含量對硫化物長寬比的影響Fig.9 Effect of sulfur content of the tested steels on length to width ratio of sulfide

圖10為硫含量對硫化物數(shù)量及硫化物平均面積的影響。由圖10可以看出,隨著硫含量增加,單位面積內(nèi)的硫化物析出數(shù)量增加,由每1 mm2中的硫化物2169.5個增加為3135.9個,而且硫化物的平均面積也由4.12 μm2增加至4.54 μm2。由此可見,硫含量增加有效促進了Y12Cr18Ni9易切削鋼中硫化物的析出。

圖10 試驗鋼的硫含量對硫化物數(shù)量及硫化物平均面積的影響Fig.10 Effect of sulfur content of the tested steels on the number and average area of sulfide

2.3 硫含量對試驗鋼力學(xué)性能的影響

圖11為試驗鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖11可以看出,1號鋼與2號鋼均發(fā)生連續(xù)屈服變形,拉伸過程中沒有出現(xiàn)明顯的屈服平臺。1號鋼的抗拉強度為578.6 MPa,2號鋼的抗拉強度為559.3 MPa,隨著硫含量增加,試驗鋼的抗拉強度降低。有研究發(fā)現(xiàn),鋼中的非金屬夾雜物對鋼的性能,尤其是塑性、韌性、疲勞強度及機械加工性能有著重要的影響,鋼中非金屬夾雜物會破壞基體的連續(xù)性,脆性夾雜物可視為裂紋,由于硫化錳與基體的性質(zhì)較為接近,其臨界夾雜物尺寸可以大于臨界裂紋尺寸[17]。2號鋼中簇狀硫化物較多,在拉伸過程中形成的裂紋源較多,致使其力學(xué)性能有所降低,由此可見,簇狀硫化物增加會給材料的力學(xué)性能帶來惡劣的影響。

圖11 試驗鋼的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.11 Tensile stress-strain curves of the tested steels

斷口是試樣在試驗過程中斷裂后形成的相匹配的表面,記錄了材料在載荷與環(huán)境作用下斷裂前的不可逆變形,以及裂紋萌生和擴展直至斷裂的全過程[18]。圖12為試驗鋼拉伸斷口掃描電鏡圖。由圖12(a,d)可以看出,宏觀斷口呈韌脆混合形貌,整個斷口比較平坦。由圖12(b,e)可以看出,斷口有一些細小的韌窩,韌窩底部存在硫化物,硫化物是材料在受力過程中韌窩形成的起源。Hosseini等[19]在原位觀察時發(fā)現(xiàn),拉伸載荷會使夾雜物和基體產(chǎn)生分離,而分離的難易程度與夾雜物的形貌有一定關(guān)系。由圖12(c,f)可以看出,準解理面有大量簇狀分布的硫化物,準解理面平行于硫化錳生長方向,裂紋沿硫化物生長方向擴展,促進了試樣斷裂。隨著硫含量增加,簇狀硫化物數(shù)量增加,拉伸斷口準解理面的面積增大,斷口逐漸向脆性斷口轉(zhuǎn)變,材料的力學(xué)性能下降。李夢龍等[20]通過激光共聚焦顯微鏡原位觀察也發(fā)現(xiàn)在拉伸過程中聚集的MnS會給裂紋提供大量擴展長大的機會,會對材料的橫向力學(xué)性能帶來更大危害。由此可見,簇狀硫化物數(shù)量的增加會使材料的力學(xué)性能降低。

圖12 試驗鋼拉伸斷口SEM圖(a～c)1號鋼;(d～f)2號鋼Fig.12 SEM images of tensile fracture of the tested steels(a-c) No.1 steel; (d-f) No.2 steel

3 結(jié)論

1) Y12Cr18Ni9易切削鋼的鑄態(tài)組織由奧氏體、鐵素體與硫化物3相組成。硫化物呈球形、橢球形、紡錘形或短棒狀,呈鏈狀分布在晶界或呈團簇狀聚集分布在三叉晶界處,屬于第Ⅱ類硫化物,隨著硫含量增加,簇狀硫化物的數(shù)量也隨之增加。

2) 隨著硫含量增加,試驗鋼中尺寸L≤3 μm的硫化物增加,長寬比X≤3 μm的硫化物數(shù)量增加,單位面積內(nèi)的硫化物析出數(shù)量增加,硫化物的平均面積也增加,由此可見。硫含量增加有效促進了Y12Cr18Ni9易切削鋼中硫化物的析出。

3) Y12Cr18Ni9易切削鋼的宏觀斷口呈韌脆混合形貌,斷口比較平坦,準解理面有大量簇狀分布的硫化物。隨著硫含量增加,簇狀硫化物增加,拉伸斷口準解理面面積增大,斷口逐漸向脆性斷口轉(zhuǎn)變,材料的力學(xué)性能下降。