（材料学专业论文）易切削钢30mnvs的硫化物形态控制工艺研究.pdf

摘要 摘要 随着汽车工业的飞速发展，汽车用高性能特殊钢的需求量日益增长。易切削非调质钢具 有优异的切削加工性能，被广泛应用于汽车工业中，主要用于制造曲轴、连杆等零部件。本 文以易切削非调质钢3 0 m n v s 为对象，系统地研究了合金成分对铸态组织中硫化物形貌及 分布的影响，利用热模拟实验对不同类型硫化物的变形规律进行了研究，并且分析了工序、 过热度、电磁搅拌等生产工艺参数对硫化物形态的影响。通过正交试验综合分析了炼钢、连 铸、轧制主要工艺参数对硫化物形态的影响规律，期望能够对实际生产中硫化物控制提供理 论参考。 通过实验室中的成分微调实验研究了合金成分对硫化物的影响。实验结果表明钢液中的 氧含量对铸态组织中硫化物形貌影响较为显著。氧含量较高时，易生成分布均匀的球状复合 硫化物。c a 处理对氧化物有强烈的变质作用，促进硫化物以氧化物为核心析出，形成复合 结构的硫化物。同时，随着c a 含量的增加，复合硫化物中氧化物核心的类型呈现多样化， 复合氧化物核心的变化规律为c a s 3 - c a 3 s c 3 a 6 s 2 c a 9 s 4 c 租3 s 2 。热模拟实验结果表明，含 有不同氧化物核心的复合硫化物的变形规律有所不同，含有c a s 3 和c 4 a 3 s 2 核心的复合硫化 物在9 5 0 、1 1 0 0 下抗热变形的能力较好。通过c a o a i s iso 体系的热力学计算表明，较 高的钙含量及较低的铝含量有助于复合氧化物核心的形成。 对生产工艺参数的研究结果表明，l f 和v d 工序的调整对硫化物的形貌分布影响并不 明显。但是，随着电磁搅拌电流强度的增加、冷却速度的增大及过热度的减小，铸态组织中 硫化物由杆状向球状及块状转变，偏聚情况减轻，分布状态得到改善。同时，晶内铁素体含 量随之增加，优化了组织结构。电磁搅拌电流强度为2 5 0 a ，开轧温度控制在1 0 2 0 左右时， 轧材中硫化物呈短杆状，且分布十分均匀。根据正交试验结果确定最终优化方案：c a j s ： 0 0 2 5 5 8 0 0 3 6 3 6 、a v s ：0 3 0 3 9 - 4 ) 3 7 6 9 、过热度：1 3 - 3 0 、开轧温度：1 0 0 6 1 0 2 5 。 关键词：易切削钢、硫化物、c a 处理、过热度、热模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er e q u i r e m e n to fa u t o m o b i l es t e e li si n c r e a s i n gg r e a t l yw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f a u t o m o t i v e i n d u s t r y f r e e - c u r i n gn o n q u e n c h e da n dt e m p e r e ds t e e l h a se x c e l l e n t c u r i n g p e r f o r m a n c ea n dm a i n l yu s e df o rt h em a n u f a c t u r eo fc a l - p a r t ss u c ha sc r a n k s h a f ta n dc o n n e c t i n g r o d s i nt h i sp a p e r ，f r e e - c u r i n gn o n - q u e n c h e da n dt e m p e r e ds t e e l 一3 0 m n v si si n v e s t i g a t e d t h e n t h ei n f l u e n c eo fa l l o yc o m p o s i t i o na n dp r o d u c t i o n p r o c e s sp a r a m e t e r s s u c ha sp r o d u c t i o n p r o c e d u r e 、f l u c t u a t i o no fs u p e r h e a ta n de l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gp a r a m e t e r so nt h em o r p h o l o g y a n dd i s t r i b u t i o no fs u l f i d ei nt h ec a s ti ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d t h ed e f o r m a t i o nl a wo fd i f f e r e n t k i n d so fs u l f i d ei sa l s or e s e a r c h e dt h r o u g ht h e r m o s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s f i n a l l y , t h ei n f l u e n c e o ft h em a i np a r a m e t e r si nt h ep r o c e s so fs t e e l m a k i n g ，c a s t i n ga n dr o l l i n go nt h em o r p h o l o g yo f s u l f i d ei sa l s os t u d i e d t h r o u g hc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fo r t h o g o n a lt e s t , w ea r el o o k i n gf o r w a r d t op r o v i d i n gat h e o r e t i c a lr e f e r e n c eo nt h ec o n t r o lt e c h n i q u eo fs u l f i d e t h ee f f e c to fa l l o ye l e m e n t so ns u l f i d ef o r m a t i o nw a ss t u d i e di nl a b o r a t o r y t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a to x y g e nc o n t e n to x y g e nc o n t e n th a sp l a y e dam a j o rr o l ei nc o n t r o l l i n gs u l f i d e m o r p h o l o g ya n dd i s t r i b u t i o ni n t h ec a s t w h e no x y g e nc o n t e n ti s h i g h ，i ti sp r e f e rt of o r m s p h e r i c a lc o m p l e xs u l f i d ea n dd i s t r i b u t ee v e n l y c at r e a t m e n ti s b e n e f i tf o rt h ef o r m a t i o no f c o m p l e xs u l f i d ew h i c hn o r m a l l yh a sa no x i d ec o r e a tt h es a m et i m e ，t h et y p e so fo x i d ec o r ea r e d i v e r s i f i e da st h ec o n t e n to fc ai nt h ee a s ti n c r e a s i n g t h ec h a n g i n gr u l eo fc o m p l e xo x i d ec o r e si s c a s 3 - c a 3 s - c 3 a 6 s 2 - c 6 a 9 5 4 一c 4 a 3 s 2 t h e r m o - s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t si n d i c a t e t h a t c o m p l e x s u l f i d e sw i t hd i f f e r e n tc o r e sa r ed e f o r m e di nad i f f e r e n tm a n n e ra n dt h ec o m p l e xs u l f i d e sw i t h c a s 3a n dc 4 3 s 2o x i d ec o r e sh a v eb e t t e rc a p a c i t yo fd e f o r m a t i o nr e s i s t a n c ei nt h e9 5 0 a n d 1 1 0 0 r e s u l t so f t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o no f c a - a ! - s - os y s t e ms h o wt h a ti ti sb e n e f i tf o rt h e f o r m a t i o no fc o m p l e xs u l f i d ei nt h ec a s tw i t hh i g hc ac o n t e n ta n dl o wa lc o n t e n t t h es t u d yo np r o d u c t i o np r o c e s sp a r a m e t e r ss h o w st h a tt h ea d j u s t m e n to fl fa n dv d p r o c e s s c a n ti m p r o v et h em o r p h o l o g ya n dd i s t r i b u t i o no fs u l f i d e so b v i o u s l y h o w e v e r , w h e nt h e e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gp a r a m e t e r sa n dc o o l i n gr a t ei n c r e a s eb u tt h ef l u c t u a t i o no fs u p e r h e a t r e d u c e st h em o r p h o l o g yo fs u l f i d ei nt h ec a s tc h a n g e sf r o mr o d - l i k et os p h e r i c a lo rd r o p l e t - s h a p e d a n dt h ed i s t r i b u t i o no fs u l f i d ei m p r o v e sw e l l ，a l s ot h ec o n d i t i o no fs e g r e g a t i o nr e d u c e d a tt h e s a m et i m e ，t h ec o n t e n to fi n t r a g r a n u l a rf e r r i t ea l s oi n c r e a s e sa n do p t i m i z e st h eo r g a n i z a t i o n a l s t r u c t u r e m e nt h ee l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gp a r a m e t e ri s2 5 0 aa n dt h eo p e n i n gr o l l i n g t e m p e r a t u r ei sa b o u t10 2 0 。c ，t h es u l f i d e si nr o l l e dp r o d u c t sa r es h o r tr o d s h a p e d , a n dd i s t r i b u t e s e v e n l y t h er e s u l t so fi n t e g r a t e dp r o c e s sp a r a m e t e r so r t h o g o n a lt e s ta l s oc o n f i r mt h a tt h e i n f l u e n c el a wo f p r o d u c t i o np r o c e s sp a r a m e t e r so nt h em o r p h o l o g ya n dd i s t r i b u t i o no fs u l f i d ei s c o r r e c t , a n dt h ef i n a lo p t i m i z a t i o np r o g r a mi sc a s ：0 0 2 5 5 8 4 ) 0 3 6 3 6 、a i s ：o 3 0 3 9 4 ) 3 7 6 9 、 f l u c t u a t i o no f s u p e r h e a t ：1 3 3 0 、o p e n i n gr o l l i n gt e m p e r a t u r e ：1 0 0 6 1 0 2 5 c k e y w o r d ：f r e e - c u t t i n gs t e e l ，s u l f i d e ，c a l c i u mt r e a t m e n t , f l u c t u a t i o no fs u p e r h e a t , t h e r m a ls i m u l a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：匠陋日期：鱼习嶂 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：姬导师签名： 日期： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早 三百下匕 近代钢铁工业发展至今已有两百多年的历史。在经历了2 0 世纪5 0 - 7 0 年代迅猛发展， 8 0 年代受全球经济影响出现低迷阶段之后，显得更为成熟，目前稳步增长i l l 。钢铁工业已经 成为了一个国家的支柱型产业，是衡量国家经济发展水平的重要指标。但是，钢铁的产量已 不再是衡量钢铁产业技术水平的标准，人们更多的关注技术的高效性、产品的高性能。因此， 越来越多的新理论、新技术被引入到钢铁工业，极大的推动了钢铁业的发展t 2 - 3 1 。 汽车工业是钢铁产业的最大的用户之一，汽车工业的发展对钢铁产业也提出了更高的要 求。其中，易切削非调质钢被用于制造曲轴、连杆等零部件，在汽车中的使用量日益增大， 是汽车用钢的典型代表。因此，对易切削非调质钢进行研究，提高产品质量，降低生产成本， 具有巨大的经济及社会意义。 1 2 易切削非调质钢的概况 1 2 1 易切削性 易切削性能是衡量材料、零件加工难易程度的一个性能指标。易切削性能不同于材料的 其它性能如强度等，它不是材料的一个单一性质，表征的是材料多方面综合的一个特性。 易切削性能可以通过很多方面来评价，比如加工刀具的寿命，寿命越长，材料的切削性 能越好；加工速度、生产率，加工速度越快，生产率越高，相应切削性能也好。易切削性能 还可以通过切削过程的断屑状况，切削后材料的表面状况来评价，断屑容易，切削加工后表 面光洁度高则材料的切削性能好。 新型刀具和切削设备的应用，使得切削加工速度大幅提高，而工业发展对机加工件的表 面粗糙度和尺寸精度的要求更加严格，从而要求易切削钢具有良好的切削性能。由于材料热 加工性能、焊接性能、成型性、塑性、韧性的降低主要是由于硫化物夹杂的存在。这些性能 的优化需要低的硫含量，但是当硫含量较低时，机加工过程中，大量的刃口在工具尖端形成 的同时工具3 1 作表面将会发生变形焊接。工具的表面的完整性受到破坏，其寿命严重缩短， 从而降低了生产效率，提高了工业成本。典型的易切削钢含有0 3 的s 和至少1 的m n ， 以保证高的易切削性能。所以，易切削钢需要在保证最大的塑性、韧性的同时，追求更为优 越的易切削性能和低的生产成本。 东南大学硕士学位论文 1 2 2 易切削钢的分类 为提高钢材的易切削性能主要是通过往钢中单独或复合加入易切削元素( s 、p 、p b 、s e 、 t e 、b i 、z r 、r e 等) 。根据含易切削元素的不同，可分为硫易切削钢、铅易切削钢、钙易切 削钢、钛易切削钢以及复合易切削钢f 7 1 。 ( 1 ) 硫易切削钢 硫易切肖u 钢占世界与我国易切削钢总产量的比例分别为7 0 和9 0 。硫易切削钢按硫 含量不同，可分为低硫钢、中硫钢和高硫钢：一般低硫钢的s 郢0 2 5 ，有的甚至s 1 0 0 p p m 左右时m n s 在固液两相区间形成，s 含量在1 0 0 p p m 以下时m n s 才有可能是从固态中析出的。这和很多实验观察到的结果都是比较符合的 sc o n t e n t ( p p m ) 图1 3m n s 起始析出温度的理论计算结果 硫系易切削钢中硫含量一般都比较高( 远大于1 0 0 p p m ) ，硫化物直接从钢液中形成。不 同条件下，形成的硫化物形貌差异较大。由于硫化物一经形成不会分解，不像碳化物能够利 用热处理方法使之溶解再析出从而加以控制，因此凝固状态下形成的硫化物形貌对最终成品 硫化物形貌的影响至关重要，硫化物形貌差异背后的硫化物形成机制格外受到研究者重视。 关于硫化物形成机制的研究历来存在较多的争论1 3 2 1 。如对于s i m s 分类中的第1 i 类 m n s ，f r e d r i k s s o n 和h i l l e r t 认为是偏晶反应形成的。d a h l 等人则认为是属于共晶反应的产 物，这一观点随后也得到了b i g e l o w 和f l e m i n g s 等人的发展。对于第1 i i 类m n s ，d a h l 等人 认为是先共晶生成的。f r e d r i k s s o n 和h i l l e r t 则提出了第1 i i 形成于退化共晶反应这一观点。 b i g e l o w 和f l e m i n g s 的工作认为在c 、s i 、s 含量较高时属于先共晶的方式形成，在这些元 素较低的时候，形成方式是离异共晶。 8 0 年代后随着相图资料的逐步丰富和完善，对于第1 i 类、第1 i i 类硫化物的形成机制才 基本形成共谢2 0 】【3 3 】【3 4 】，即第1 i 类、第1 i i 类硫化物都是共晶反应的产物，两者的差异只在于 后者是非稳态时的结果。但是对于第1 类一球状的硫化物，目前对其形成机制仍存在争议。 对于球状硫化物的形成机制一种解释为氧的影响。由于氧对于形成球状硫化物有促进作 用，一种看法即认为氧减低了钢液中硫化物的固溶度，使得硫化物能够从钢液中提早析出， 这时的温度较高，析出的硫化物为液态的。这种情况下氧一般都是以弱脱氧产物如m n o 等 在钢液中存在的，这些氧化物一般又都含有较高含量s 的固溶度，在温度降低时首先在氧 化物表面析出硫化物的晶核，钢液中析出的硫化物则在这些晶核上继续长大i ”】1 3 们。 球状硫化物形成机制的其它解释，比如k a t s u n a r io i k a w a 等人【2 0 】认为球状硫化物是亚 稳态偏晶反应的结果。k a ：t s u n a r io i k a w a 等人认为在f e m n s 系统中除稳态的共晶反应外， 还存在亚稳态的共晶反应l - - ) f e + m n s o i q ) ( 如图l - 4 ) 。共晶反应和偏晶反应的g i b b s 自由能 1 0 一o。一够13_母1毋al-c卜 第一章绪论 差异很小，当形成液态m n s 具有更小界面能时偏晶反应则有可能取代共晶反应，主导m n s 的形成。 b 厅、 卜lj b 霉孚冀：一 叁 嚣 1 f e 图1 _ 4f e m n s 伪二元相图 ( a ) 稳态和非稳态系统相图( b ) 温度为t l 伪二元系自由能示意图 m n s 由于塑性很好，热变形能力要远远优于基体f e 。即使在铸态组织中形成细小均匀 分布的m n s ，最终轧制后的成品钢材中m n s 往往延轧制方向被拉长呈现长条状。如何抑制 m n s 的变形能力，使得最终成品钢材中的硫化物形貌很好。目前主要从两个方面入手：( 1 ) 对m n s 进行固溶强化抑制m n s 的变形能力，( 2 ) 使m n s 在其它硬质核心如氧化物上形核。 国外对于这方面的研究一直都有报道，在理论上进行的比较深入。常用固溶m n s 的元 素是c a 、m g ，通过形成( c a ，m g ，m n ) s 复合硫化物来控制硫化物形状。m n s 能够易相形 核的氧化物有c a o 、a 1 2 0 3 、z r 0 2 、m g o 、m n o 、s i 0 2 等。大量的文献报道了m n s 、c a s 在 c a o a 1 2 0 3 上形核，h i r o k ig o t o 等人 3 7 1 对c a o - - s i 0 2 - - a 1 2 0 3 和c a o - - s i 0 2 氧化物上m n s 形核进行了深入的研究。s a n g - - c h a ep a r k 3 s 等人研究了a i 、m g 变化对m n s i 一- t i m g - - a i 脱氧钢中m g o - - m n o - - t i 0 2 1 r i 2 0 3 - - a 1 2 0 3 + m n s + 髓、i 复合夹杂物变化规律的影响。 h i r o k io h t a 等人【3 7 】研究了f e - - 1 0 m a s s n i 合金中脱氧产物z r 0 2 、a 1 2 0 3 、m g o 和m n o - - s i 0 2 控制m n s 析出、分布的规律。这些大多数为实验室纯理论性的研究，没有有关在实际 钢种中应用的报道。在一些国际先进钢铁企业可以看到部分产品硫化物控制相当优异，然而 这一般都是企业的一些核心技术机密，对外也鲜有报道。 1 4 3 硫化物的改性研究 硫系易切削钢中都含有较高的锰( 一般m n s 4 ) ，目的是把s 从f e s 形态( 熔点为 1 1 9 0 c ) 或f e o - f e s ( 熔点为9 4 0 c ) 转变成m n s ( 单纯的m n s 熔点为1 6 1 0 ) ，以消除s 的热脆影响。形成m n s 夹杂物虽然可以较好的避免了s 引起的热脆性，但是从上一节可以 看到m n s 在轧制过程中却极易变形。为了抑制m n s 的变形能力，常需m n s 进行变性处理。 b a k e r 掣3 9 1 研究发现，相对塑性y 同夹杂物和基体硬度有如下关系： 东南大学硕士学位论文 闩一 ( 1 - 3 ) 式中忽、厅。分别表示夹杂物和基体的硬度。因此提高硫化物的硬度，可以降低硫化物 的相对塑性，抑制硫化物在车l $ 1 j 过程中变形。 提高m _ n s 的硬度常采用的手段是利用c a 对m n s 进行固溶处理。c a 将部分m n s 转变 为c a s ，它的相对塑性要比m n s 小。b a n k s 和g l a d m a n 研究了c a s y 的关系，随着c a s 增加，y 呈直线下降。江来珠等人对5 n i s c a 钢的研究也发现y 同c a s 呈直线关系， ) ，= ，o a c 口s 。a v e r i n 的研究结剽4 0 】表明，随c a 含量增加，硫化物l b 下降。 易切削钢中采用c a 处理的另一个作用是对氧化铝等氧化物变性形成钙铝酸盐，随着c a 含量的不同钙铝酸盐变化规律为c a 6 - - c a 2 - c a - ) c 1 2 a 7 专c 3 a ( 如图1 5 【4 1 1 相图所示) 。钙 铝酸盐特别是液态的c a 、c 1 2 a 7 、c 3 a 极易作为硫化物的形核核心，形成外围为( m n ，c a ) s 、 核心为c 。n a 。的硫化物。这种复合结构的硫化物由于中心存在钙铝酸盐氧化物硬质核心，在 轧制、锻打时更加增强了抗变形的能力。目前利用钙铝酸盐作为硫化物形核核心的报道大都 是针对低硫钢。对于高硫钢由于s 含量高，变质处理需要的c a 含量相应也比较高，工艺上 控制比较困难，研究报道的都不多。 p 。 甜 囊 i 棚日 心 曩疗o l r 、1 r 。 l = 体 蕊 醺耋薹茎r i l l 孝茎善毒毒 曼妻3言喜 图1 5c a o a 1 2 0 3 的相图 有核心的硫化物具有更好的抗变形能力，因此研究氧化物作为硫化物形核核心的报道有 很多。如t i 、a l 、z r 、h f 、y 、c e 等的脱氧产物对于硫化物形核的影响都有研究4 2 删。这 些研究另一个关注的重点在于利用硫化物以氧化物形核来改善硫化物的分散性，硫化物分散 均匀不仅可以改善力学性能，本身也有利于改善切削性能。 1 2 ，妒笋培掩一h 、， 紊 。 一k s 一， c ：蹙一l + 增j 叫 一、一一 第一章绪论 1 4 4 轧制过程中硫化物的变形 硫系易切削钢成材中的硫化物形貌不仅与凝固时形成的形貌密切相关，还与轧制过程的 变形有关。硫化物在轧制过程中的变形程度可以利用m a l k i e w i c z 和r u d n i k 定义的夹杂物相 对塑性来衡量【5 1 1 ，即 相对塑性 以寺甏 ， 式中，q 、s 。分别表示夹杂物和基体的应变量。厶、 为夹杂物铸态和变形后的长宽 比。r 、e 是试样变形前j 后的横截面积。 硫化物的变形情况除受自身相对塑性影响外，还与轧制过程的工艺参数如变形温度、变 形量有关。但关于这方面内容的报道不多。娄德春等人【5 2 5 6 】对此做过分析( 如图1 - 6 ) ，发 现变形量对硫化物l w 比统计结果具有周期性规律。这是因为在变形过程中硫化物周期性 的发生脆化断裂的结果。变形温度对硫化物的变形的影响主要表现为，变形温度影响硫化物 的相对塑性。某一温度时硫化物的相对塑性可能最大，变形最容易，在实际应用中则应当尽 量避免在此温度下轧制。 x 分 c 兰 叮 2 也 ( a ) 9 0 0 1 2 ( b ) 11 5 0 图1 _ 6 不同变形温度下m n s 夹杂物的形态及其分布 然而通过变形温度、变形量来控制硫化物在轧制过程中的变形在实际中往往行不通。坯 材的轧制温度往往都是依合金成分含量以及轧机的轧制能力而定，变形量则受制于结晶器的 尺寸以及最终成材的规格。 1 5 国外先进材料样品分析 本文作者在查阅大量易切削钢相关文献的同时，还对切削性能较好的进口产品进行了解 剖分析。图1 9 是韩国某钢厂生产的易切削齿轮钢中硫化物的能谱示意图。从图中可以看出 1 3 蔓里查兰堡主兰些堡兰 硫化物呈现纺锤状。图1 7 a 显示的是硫化物的成分，能谱显示为( m n ，c a ) s 复合硫化物 图l - 7 b 为硫化物中心棱心的能谱，分析可知核心为c a o a i om g o 复台氧化物。 图1 8 典型复合硫化物的能谱线扫描 由于( m n ，c a ) s 固溶体耍比纯m n s 硬度大，且硫化物中心存在硬质氧化物核心，对 于硫化物的变形有很好的抑制作用。因此产品中的硫化物在轧制过程基本不变形轧材中硫 化物形态全部呈纺锤状。 第一章绪论 1 6 本课题的研究背景和研究内容 近年来随着汽车工业在我国的飞速发展，汽车用特殊钢钢的需求量不断增大。易切削非 调质钢也是汽车用特殊钢中重要的一类，主要用于制造汽车中的连杆、曲轴部件以及其它一 些对力学性能和切削性都有要求零部件。易切削非调质钢的典型钢种有3 0 m n v s 、3 8 m n v s 等。通过引进国外先进水平生产线，国内一些先进钢铁企业已基本掌握了易切削非调质钢的 生产技术，部分替代进口产品。但国内目前生产的易切削非调质钢与一些国际先进钢铁企业 产品仍有较大差距，特别是高档次产品仍然严重依赖进口。 国产易切削钢与国外先进水平的易切削钢之间的差距主要表现在硫化物的形态和分布 上。国产易切削钢中的硫化物多为长条状，且分布不均匀，导致产品的切削性能和力学性能 均不如进口产品。 本文围绕江阴兴澄特钢的实际需求，主要以易切削非调质钢3 0 m n v s 为对象，研究含 硫易切削钢中硫化物形态控制技术及其对性能的影响。研究内容主要分为两部分： ( 1 ) 易切削非调质钢成分优化设计硫化物改性及形态控制 a )研究氧含量、氧化物类型对硫化物形态、分布的影响，并对m n s 在氧化物上形核 b ) ( 2 ) a ) b ) 机理进行研究，从追求洁净钢的概念转变到控制利用氧化夹杂： 进行c a 变质处理，研究c a 、a l 、s i 等微量元素对硫化物形态及分布的影响，以及 对m n s 形核核心选择的影响，并通过热力学计算分析c a - a i s ios 体系的硫化物 核心形成机制。通过热变形模拟实验分析不同类型复合硫化物的抗热变形能力。 易切削非调质钢的连铸工艺研究硫化物形态及分布控制 对铸坯凝固过程硫化物形成机制的进行研究，为连铸冷却参数选择提供理论指导； 研究连铸工艺对硫化物分布的影响，主要研究过热度、电磁搅拌参数，冷却速度等 工艺参数对硫化物分布的影响规律，降低硫化物偏析。 1 5 东南大学硕士学位论文 2 1 研究路线 第二章实验材料与方法 本课题的研究路线分为两方面：一是在线跟踪生产工艺调整( 如图2 1 所示) ，分析工 艺调整前后的效果，寻求最佳的生产工艺参数；另外在实验室中进行小批量的成分微调实验 ( 如图2 2 所示) ，分析合金元素对该钢种的影响及作用机理，试图优化成分设计。 图2 1 兴澄特钢生产易切削非调质钢工艺图 2 2 实验材料 图2 2 实验室进行成分优化的实验路线 本课题主要研究对象为易切削非调质钢3 0 m n v s ，其原料为0 6 0 r a m 轧制态成品，取自 兴澄特钢生产现场，成分如表2 1 。 表2 - 13 0 m n v s 的化学成分( m ) 本文中还用到的其它辅助材料如f e 2 0 3 粉、c a s i 粉、纯铝以及一些相应制样材料、化 学药剂等。 1 6 第二章实验材料与方法 2 3 样品制各 2 3 1中频感应炉熔炼 重熔实验是在5 0 千瓦中频感应电炉中进行，原料为3 0 m n v s 轧材。增氧采用加f e 2 0 3 粉末共同重熔的方法，脱氧剂a l 、a 1 s i 合金在钢液熔清后通过加料漏斗在真空状态下加入。 c a 处理采用的是工业用c a - s i 粉，同样是在钢液熔清后通过加料漏斗加入。 每炉熔炼重量为4 k g ，通过沙模浇铸为o 6 0 m m 2 0 0 m m 的铸锭。 2 3 2 常规金相样品的制备 材料经切割、预磨、抛光制备金相样品。金相组织观察采用4 h n 0 3 酒精进行腐蚀。 2 3 3 三维形貌深腐蚀样品制备 普通金相样品制备简单，可以较方便的反应出样品中二维形貌如：硫化物大小及分布情 况。但是无法反映出硫化物的真实形貌。杆状的硫化物在金相样品中可能看到的只是它的截 面图，即为球状或椭球状形貌，这就给我们判断硫化物真实形貌带来了障碍。本文的主要研 究内容是通过成分优化、工艺改进控制硫化物的形貌。因此，分析硫化物的三维形貌，成为 研究开展要解决的首要问题。 电解腐蚀后的样品在扫描电镜下可以观察到其立体三维形貌，当控制好腐蚀时间、选择 好腐蚀液和电解电流时，可以得到适当的腐蚀深度，使试样表面腐蚀均匀，从而更好地观察 硫化物立体形貌 图2 3 是电解腐蚀装置的一个简图，样品经碱液除油后作为阳极，阴极采用p b 板。电 解腐蚀一定时间后，用酒精冲洗覆着的电解液，烘干样品表面。电解液配方及电解工艺如下。 电解液的配方( 每1 0 0 m 1 ) ： 四氯四甲基胺l g ： 乙酰丙酮l o m l ： 9 0 m l 甲醇。 经过反复实验，电解工艺参数确定为： 电解电流1 a ； 电解温度 6 0 ； 电解时间5 1 0 m i n ( 依样品大小而定) 。 1 7 东南大学硕士学位论i 囤2 - 3 电解腐蚀装置图 电解腐蚀后样品在s e mf 观察到微观形貌形貌如图2 4 所示，可看出电解腐蚀制备深 腐蚀样品能完整显示硫化物的三维形貌。本文中后续三维形貌照片都是采用电解腐蚀制各。 图2 4 电解腐蚀后样品中观察到的硫化物三维形貌 2 4 微观组织分析 样品制各成金相样品，采用o l m y p l u s 金相显微镜和s i r o n 场发射扫描电子显微镜 ( s e m ) 观察材料的显微组织形貌。未腐蚀样品可以观察硫化物的二维截面、人小及分布状 况；深腐蚀样品的观察可以很好反映硫化物的三维形态。4 h n 0 3 酒精腐蚀用于观察样品微 观组织形貌。微区成分分析采用s e m 配备的e d x 。 2 5 成分测定 一般合金元素含量的测定采用a r l 3 4 6 0 直读光电光谱仪。3 0 m n v s 成分微调重熔获得 的样品，选择的光谱标样同3 0 m n v s 。 氧含量采用o n 。9 0 0 氧氮仪测定。样品经线切割为d ) 5 m m 5 0 r a m 圆棒，实验前用砂纸 1 8 第二章实验材料与方法 打磨去掉表面氧化膜。 2 6 力学性能测试 拉伸实验参照国标g b t2 2 8 2 0 0 2 。该标准所需样品尺寸较大，但由于所取样品尺寸较 小，对实际拉伸样品尺寸同比例缩小，图2 5 即为拉伸样品尺寸示意图。拉伸实验在 c m t - 4 5 0 3 电子万能实验机上进行，拉伸速度为l m m m i n 。通过拉伸实验测定样品的抗拉强 度和延伸率指标。 3 鼯厂一 f “y ，厂卅 十 门i j，、o 芦 ， j 、1 ) u + 厂r l - 一l i 、 + 1 5 - l 哩一 叫 r _ 2 7 热模拟实验 图2 5 拉伸试样尺寸图 为研究不同形态的硫化物在轧制过程中的变形规律，采用g l e e b l e 3 8 0 0 热模拟试验机进 行挤压变形来模拟轧制过程的变形情况。热模拟试样为1 0x1 5 2 0 m m 的长方体形，表面粗 糙度为7 级。挤压变形如图2 - 6 示，沿厚度方向从1 0 m m 挤压变形到4 m m ，变形量6 = - 6 0 。 挤压 图2 - 6 热模拟中变形示意图 由于温度对硫化物的塑性有影响，从而能够影响到硫化物的变形。为了研究这种影响的 1 9 来南大学碰j 岸位论文 规律，热模拟实验中选取了9 5 0 ( 2 、l 1 0 0 c 两个变形温度。升温阶段速率为5 c s ，达到指 定温度后保温5 m i n 使样品温度均匀然后挤压变形，变形后空冷。 蛳 嘶 p 铆 l 抽 钠 o 1 1 6 0 _ m s 幽2 7 热模拟实验工艺图 2 8 l m a g e j 统计硫化物l w 分布方法 2 8 1 l m a g e j 简介 l m a g e j 是用j a v a 编写的个跨平台 研究院( n i h ) 开发。l m a g e j 可以显示、 科学研究用图像分析处理软件，由美国国立卫生 编辑、分析、处理图像，功能十分强大。 = = = = = = = = = = = = = = = = ? = = = = = ：= = = = = ：。：= ： i i m a g e j 竺5 们帅口e9 删加佛r u g m 日旦旦j 望互鸯! 型剑型受垒! ! m “孙j j 柳l50o g 姿型三些 ， 矗；， * 图2 - 8l m a g e j 图像处理软件 i m a g e j 的颗粒分析功能( a n a l y z ep a r t i c l e s ) 特别适合金相组织中第二相的统计分析。 图2 母为利用i m a g e j 二值化处理动能将硫化物从金相照片中提取出来的效果圈。i m a g e j 的 颗粒分析功能可以统计颗粒的面积、牲径、等等，图2 - 1 0 是l m a g e j 进行颗粒分析示意图。 圈2 母经l m a g e j 二值化处理前后试样金相照片 第二章实验村料与方法 日2 2 目眨巴：羔! frfp -= 2 5 3 口口53 9 2 295 7 6、42 5 7 35b 1 a0 9 2 3 d85 5 00 日7 1 5 5 j 7 007 ”i i 1 63 29 2 4 7 日1 id 5 e9 9 1 日09 7 t47 1 石 97 掰00 6 34 “ i 0t 日j e 2 1 17 3o5 e 1 l7 “ 2312 a 8 1 1 3e 9 6 9 9 1 42 8 0 926 ” 5 ， 2 id 9 1 64 j3 0 8 图2 1 0i m a g e j 颗粒分析和结果显示 2 8 2 i m a g e j 统计硫化物l w 分布 统计硫化物长度l 用f e r e t 直径表征，f e r e t 直径定义为颗粒上任意两点中间的最丈距离， 如图2 - 1 1 所示。由于硫化物的宽度在各个部位相差很大，宽度不方便直接女4 量。所以本文 采用硫化物的面积( a ) ，长度( l ) 等效表征宽度，这样硫化物的长宽比 w 定义如f ： 扎，= 玩。 0 - 1 f o r o t sd ia m e t e r 图2 - 1 1 颗粒的f e r e t 直径示意圈 通过i m a g e j 软件二值化处理将硫化物从照片上分离出来，利用其颗粒分析功能统计出 单个硫化物的面积和f e r e t 直径。代入公式2 - l 计算出每个硫化物颗粒的氏宽比1 删，最后 在数据处理软件中绘制出 w 分布图。 臼 东南大学硕士学位论文 第三章成分对3 0 m n v s 铸态组织中硫化物形貌及分布影响 国产易切削非调质钢与进口产品的差距主要集中在硫化物的形态控制技术上。国产易切 削非调质钢中硫化物经轧制变形后呈长条状分布，而国外进口产品中硫化物多以纺锤状存 在。对进口产品的实物分析发现进口易切削钢产品中，硫化物多为复合硫化物，大多硫化物 中含有一个复合氧化物核心。而国产易切削钢中只含有单一的硫化物，经轧制变形后都呈长 条状，严重影响产品性能。本课题的前期研究发现，不仅是合金元素对硫化物的形态有影响， 钢水中的氧含量也显著影响硫化物的铸态形貌。 因此，本节从成分优化的角度，较为系统地研究了氧含量及c a 、a 1 、s i 等合金元素对 3 0 m n v s 铸态组织中硫化物形貌及类型的影响，并对复合硫化物的形成进行了热力学计算。 采用热变性模拟试验分析不同类型的复合硫化物在轧制过程中的变形情况，优化成分设计。 3 1 氧含量对3 0 m n v s 铸态组织中硫化物形貌的影响 这一节中，我们通过重熔实验，调节铸坯中的氧含量，深入考察3 0 m n v s 中氧含量对 m n s 形成机制、分布及类型的影响。 实验共设计了4 个炉次，原料为3 0 m n v s 轧材，增氧方式通过加入不同量的f e 2 0 3 得以 实现。同时，选择性的加入脱氧剂a l 进行脱氧，a l 的加入可以将绝大部分【o 】转变为a 1 2 0 3 ， 实验方案的设计如表4 1 所示，熔炼实验在中真空中频感应炉中完成。 表3 1 重熔实验所需原料及添加元素含量 重熔样品化学成分如表3 2 所示。从成分表中可以看出，试样中残留的氧含量随着f e 2 0 3 加入量增大而增大，同时a l 的脱氧作用也体现出来，其规律性达到实验的设计目的。 表3 2 增氧，并采用a l 脱氧重熔样品的化学成分 第三章成分对3 0 m n v s 铸态组织中硫化物骺貌& 分布髟精 3 1 1 不同氧含量3 0 m n v s 铸态组织中硫化物的形貌及分布 o ? 墼l c 1 - 2 # 中硫化物的二维形貌， 0 】= 2 57 p p m di - 2 # 中硫化物的三维形貌， 0 1 = 2 57 p p m 采南大学硕上学位论女 ：，。黑鼎 ，澜暌湖一了疆一 - t 一 j | 1 ”m n ，#：】。：粤黼 - j 勰震￥强国弼髓圈霪l 翟勇一 o”0目”【hej 一 曩嚣糍毪咤舀k 盈2 闺曩翳 暖p般s 目匝静“