硫系易切削钢质量缺陷原因分析.doc

硫系易切削钢质量缺陷原因分析朱占涛，张文俊（河北钢铁集团宣钢公司技术中心 河北 宣化 075100）摘要：通过对试样质量缺陷的宏观观察，显微组织检验，夹杂物种类及级别的检测，硫系易切削钢质量缺陷类型主要有：表面疤、表面裂纹、经加工所形成的纵向扭转及扭转麻花状断续开裂、心部裂纹等。认为这些缺陷与钢材表面、近表面、心部硫化物及硅酸盐类夹杂物的聚集分布等有关。关键词：易切削钢，质量缺陷，原因，分析。Analysis On Quality Defect Cause in Sulphur Free-Cutting SteelZHU Zhan-tao，ZHANG Wen-jun（Technology Center of Hebei Iron and Steel Group Xuanhua Iron and Steel Co，Xuanhua 075100， Hebei，China）Abstract：Though macroscopic observation to quality defect of specimen，inspection on microstructure，detection on type and level of inclusions，the main type of sulphur free-cutting steel quality defect including：the surface scar，the surface crack，vertical torsion and torsion twist plume intermittent crack by machining and formatting，the center crack etc. we reguard those defects are relationshiped with aggregation distribution of sulphide and Silicate inclusion in the surface，the next surface，the center of the steel. Key words：free-cutting steel，quality defect，cause，analysis.1易切削钢特点简介易切削钢是以降低机加工成本、提高切削质量、降低切削抗力或者在机械加工的自动机床中改善切削处理性为目的的钢种，是机械工业发展中应用日趋广泛的节能材料。在生产易切削钢时，需要添加易切削元素S、P、Pb、Se等。本文主要介绍硫系易切削钢，含硫易切削钢种界面张力小，钢渣混合后难以分离，铸坯易产生夹渣和粘渣。由于钢中硫含量偏高，使钢材的热加工性能变差，易打滑，易产生裂纹，因此轧制时的温度控制比较关键。轧钢时要尽量避免在硫化物的脆化敏感温度区间(8301050)进行变形。通过选择合适的钢坯加热温度和开轧温度、控制轧制速度，避免出现劈头。钢中硫含量较高时易生成FeS或FeS与Fe低熔点共晶混合物，其中FeS熔点为1190，而FeS与Fe的共晶体熔点约为980。当钢加热至10001200进行轧制时，沿晶界分布的Fe+FeS共晶体局部已经开始熔化，晶粒间的结合力遭受破坏，产生所谓的沿晶裂纹，导致“热脆”现象的发生。钢中加入锰，可消除硫的有害影响，因为硫与锰的亲合力较硫与铁亲合力强，锰能从FeS中夺走硫形成MnS，而MnS的熔点达1620，在钢正常轧制温度下不会产生沿晶熔化现象。但上述硫化物类夹杂中同时存在MnS与FeS，二者质量比约44:5，即FeS质量分数约.占10%。因FeS熔点约为1190，加热炉的均热温度为1240，FeS己经熔化，在轧件表面熔融态的FeS起润滑作用，所以在前面2个道次轧制时打滑较严重，造成咬入困难。国内外均着重研究改变硫化锰长宽比(L/W)，希望硫化物成纺锤状或近似圆形。精确控制结晶器液面，采用较低的拉速，保证钢液面平稳，严格控制钢液卷渣形成大型皮下夹杂。2 硫系易切削钢冷加工质量缺陷类型及成因分析目前所碰到的硫系易切削钢冷加工过程中出现过的质量缺陷大致有以下几种：表面裂纹、表面麻坑、表面疤、劈裂、麻花状扭转、心部孔洞裂纹、机加工过程中工件纵向开裂。2.1 劈头试样该试样是在经过轧制过程中的数次剪切后到成品仍出现的劈头现象。金相试样共镶了6个样：1试样在劈开段上截取，且为纵向样；2试样也在劈开段上截取，和1试样紧邻，且为纵向样。3、4试样紧挨劈开区域，但未劈开，其中3试样为横向样；4试样为纵向样。5、6试样为离劈开位较远处（视为正常区域），其中5试样为横向样；6试样为纵向样。各试样取样位置如下图所示。图1 各试样取样位置示意图1,25,63,4从金相检验来看，处于1、2号位置（劈开位）的试样，其纵向样有3条纵向贯通的大裂纹，裂纹内有硫化物存在，裂纹较宽处则表现为孔洞，稍窄处则里面充满着硫化物夹杂，该位置的试样还分布数量偏多的大尺寸硫化物夹杂，由此推断钢材在该位置存在严重的硫的偏聚，致使该处形成了熔点较低的二元共晶产物（Fe+FeS），其熔点约988989，或熔点更低的三元共晶产物（Fe+FeO+FeS），其熔点约940。这两种多元共晶产物其熔点都低于钢坯的正常加热及轧制温度，因而就出现了轧制过程的热脆现象及轧制终了的开裂现象。3、4号位置（紧邻劈开位）的试样，其纵向样有一条纵向贯通的裂纹，裂纹内充满着硫化物夹杂，裂纹长度方向中间有一孔洞，该位置的试样也分布数量稍多的大尺寸硫化物夹杂，由此推断钢材在该位置也存在较为严重的硫的偏聚，情况和1、2号位置类似，但硫的偏聚程度较1、2号位置处有所减轻。5、6号位（视为正常区域）的试样无论纵横截面夹杂物分布则较为均匀细小。综合三个位置取样经金相检验的结果来看三处都含有大尺寸硫化物夹杂，并且1、2、3、4位置还有尺寸大得多的裂纹，有的位置甚至扩展为裂缝（孔洞），因此，该试样的劈裂与局域严重的硫的偏聚，从而生成了低熔点二元共晶产物（Fe+FeS）或熔点更低的三元共晶产物（Fe+FeO+FeS）有关。有关图片如图2、3所示。图2. 劈头纵面心部孔洞及裂纹内夹杂 图3. 劈头横面热脆形成的心部孔洞 2.2半成品纵裂透裂纹首先了解一下用户的主要加工过程：易切削钢原材首先经行冷拔，然后截成合适的长度，再在小微机床上进行车削加工，整个过程全为冷加工，异议样上的缺陷正是在这一道工序上产生的。截至目前所发生的异议样都为轴心螺纹孔，有圆螺母、六角螺母及圆柱上加工出一纵向平台样，所有内螺纹处均呈裂透状，金相观察螺纹透裂处的纵切面裂纹呈一节节首尾连接状，每一节呈近似规则的长方形状，两端较平齐，但节与节之间呈横向错开状，裂纹两侧，其中一面相对于另一面有沉降现象，说明沉降部分是受刨刀向下顶锻力之作用。裂纹错开两部分之间有断裂线，断裂线是沉降部分受刨刀向下顶锻力（横向剪切力）之作用，强行将两部分剪断的断裂线，有的地方裂纹内还有金属粘连，圆柱处的横截面上裂纹呈曲折延伸且尾部较尖，属于应力裂纹，裂纹两侧无氧化及脱碳；另外金相观察试样金相组织存在带状，这使试样性能上存在各向异性，特别是横向冲击韧性显著降低，另外硫系易切削钢属于高硫钢，且硫元素易形成偏析，在硫化物及其它类夹杂物聚集的区域极易造成较高的应力集中，因此当受到横向的冲击力时就极易在组织薄弱区或硫化物聚集区产生裂纹，在加工过程中其外表面会受到车刀的环向冲击力，如果冷却润滑不好，或是零件轴心对中不好就会使工件表面受到车刀跳动而产生冲击力的作用，形成纵向裂纹，这正好符合刀头冲击形成裂纹的形貌特征。综合以上因素认为裂纹主要属于机加工裂纹。有关图片如图4、5所示。图4. 半成品裂和截面 图5. 六角纵裂纹处 2.3扭转麻花状及表面疤试样试样出现两次，均为端面六方长条试样发生的扭转开裂情形，宏观观察，整个试样呈断续开裂状。金相试样取裂开后的拼合之横断面、纵切面，未裂处的横断面、纵切面。金相检验观察劈裂的两部分拼合处（无论纵横截面）、试样表面、近表面、其它处都存在较多大尺寸C类夹杂物及由它们引起的裂纹，由于试样中存在数量较多且聚集分布的大尺寸硅酸盐类夹杂物，破坏了金属的连续性，使夹杂物两侧金属在受外力的机械作用时变形协同性不一致，同时由于夹杂物两侧的金属体积也往往不均衡，这就事实存在夹杂物两侧金属抵抗外力的强度极限值存在差异，使得原材料在后续的拉拔过程中，由于模具各处冷却润滑不均匀从而产生环向附加应力，这就极易使拉拔材发生扭转变形，夹杂物两侧金属体积小的部分更易变形，于是小体积部分就会缠绕着金属体积大的部分发生变形而形成麻花状。对比观察，没有发生扭转的部分，金相组织中无大尺寸C类夹杂物。而没有大尺寸C类夹杂物分布的地方则不发生劈裂而保持完好，这就是我们看到的试样呈断续扭转状。有关图片如图69。图6. 结疤处纵向大尺寸夹杂 图7. 扭转样表面裂纹及近表面夹杂 图8. 近表层聚集分布夹杂物 图9. 疤附近表层夹杂物引起的裂纹2.4表面麻坑纵裂纹及心部裂开试样（经过冷拔）表面有麻坑，零散分布，局部集中，且基本成一条直线分布，金相观察麻坑处除了通常的硫化物夹杂外，尚有氧化铝类夹杂物，这些夹杂物在试样表面的局部区域集中分布，且在冷拔加工过程中受机械振动从金属表面脱落，从而在试样表面形成麻坑。表面裂纹及心部裂开试样（经过冷拔），表面有纵裂纹且成一直线分布，端头有一段被车削加工成更细的一段且呈裂开状，裂开处和表面纵裂纹成一条直线分布，金相试样取自较粗段，金相观察其横断面没有裂开，而心部有长约2.3mm的孔洞加裂纹相连的缺陷，端头细段裂开也正是由于存在心部孔洞造成，同时观察到近心部孔洞附近有数条硅酸盐类夹杂，因此认为该试样表面裂纹及端头细段裂开是由于存在心部孔洞及硅酸盐类夹杂物的局部聚集分布造成的。有关图片如图1013所示。图10. 表面裂纹横截面形貌 图11. 心部孔洞及裂纹总长约2.3mm +图12. 拉拔样横面心部孔洞及微裂纹 图13. 心部孔洞及聚集分布的夹杂 3结论综合以上结论认为1）头部劈裂试样主要是由于硫系易切削钢硫元素含量高，更由于硫元素的聚集分布从而在晶界形成了熔点较低的二元共晶产物（Fe+FeS），其熔点约988989，或熔点更低的三元共晶产物（Fe+FeO+FeS），其熔点约940。这两种多元共晶产物其熔点都低于钢坯的正常加热及轧制温度，因而就出现了轧制过程的热脆现象，出现了沿晶界劈裂，使金属发生分离，出现轧制终了的劈裂现象。2）半成品纵裂透裂纹，主要是由于机加工过程中，润滑不良、工件对中不精确等原因造成跳刀，从而使工件环向局部受冲击力作用而形成与刀刃成一条直线的纵裂纹。3）扭转麻花状及表面疤试样，主要是由于试样中存在数量较多且聚集分布的大尺寸硅酸盐类夹杂物，破坏了金属的连续性，使夹杂物两侧金属在受外力的机械作用时变形协同性不一致，同时由于夹杂物两侧的金属体积也往往不均衡，这就事实存在夹杂物两侧金属抵抗外力的强度极限值存在差异，使得原材料在后续的拉拔