钢中硫化物夹杂物球化和对钢性能的影响

4(1992)，№ 2 1]～⋯ 钢中硫化物夹杂物球化和 · 综合论述 ． 对钢性能的影响 李代 钟 Vo1．4．NO．2 Jun．1992 GL0BULARIZING 0F SULF】DE INCLUS10NS AND I1S INFLUENCE ON THE PR0PEsⅡ ES 0F STEEL Li Daizhong 擒 翼 本文叙述了钢液凝固中，硫化物夹杂球化的条件， 钢 在压力加工中硫化物 不易变形的原因，以及硫化物变形后再加热时的行为，举 例说明了硫化物球化对钢 性能的影响，以便通过相应的措施来改善钢的性能。 关麓调 照焦丝墨壅．塑 宣量_， ￡盟 J ABSTRACT The conditions for globulur izing of sulfide inclusions in steel during melt condensation，the?cause of difficult defor mation of sulfides in steel dur ing press work，and the behavior of sulfides during reheating after deformation are described in this paper，The influences of globuLarizing of sulfides on the properties of steel are exemplified with a view To improving the propcrties of steel throtlgh SOme appropriate measures． KEY W ORDS sulfide inclusions properties，globularizing 1 钢液凝固中硫化物的球化 通常，钢中总含有一定量锰，锰是与硫亲台力强的元素，钢中除含钛一类与硫亲台力 比锰更强的元素以外，钢中的硫常以硫化锰形式存在。所以，讨论硫化物的球化，更确切 地说就是讨论硫化锰夹杂的球化。 氧对钢波中硫化锰的凝固过程影响非常明显 。当钢中氧量≥0．02 时 ， 硫 化锰形成 球状，分散分布 (也称 I类 MnS)；氧量低于此值。 开 始产生沿品界的硫化 锰 (也 称 I 类MnS)。氧量低于0．01 时，硫化锰全部成为沿晶界的网状硫化物。 如 果 钢 中的氧量 低，并有过量铝，较高的碳或较高的硅、磷、铬、锆等元素存在时，硫化锰则形成块状， 分散分布(也称为I类硫化锰)。氧对钢中硫化锰形态的影响是由于氧含量的变化影响硫在 钢中的溶解度；氧高时，碗在钢中的溶解度低，硫化锰在较高温度下析出，即形成千钢液 凝固的前期；当氧低时，钢液中碗的溶解度高，硫化物在钢液凝周末期析出，故存在于枝 晶间和晶界。同时氧量高，硫化锰沉淀和生长的温度范围大，故它的尺寸就较钢液凝固末 期析出的晶界硫化物大，此外，冷却速度也有影响，若快速冷却有利 I类硫化锰的生成， 缓慢冷却则有利 I类或I类硫化锰的生成。随着基体的冷却速度增大， 硫 化 物 的数 目增 多，尺寸变小。反之亦然。 稀土元素与硫的亲台力比锰更强，可以取代锰形成RE S。，同时稀土元素在硫化锰中 的固溶度甚高，RE：S 和固溶稀土的硫化锰多成为球状 。 作者单位一中国科学院金属 研究所 (Inst!~ute of Metal Research，Academia Sinica) 怍者联系人t李代钟，研究员，沈阳 (1lO01s)，中国科学院盘属研究所 13室 维普资讯 http://www.cqvip.com 锕铁研究学报 硫化锰和硫化钙在l170℃以 上完垒互溶．硫化锰中溶解的钙量愈高愈近球状，并为无 规目 分布。 碲稍固溶于硫化锰中，同时碲化锰和硫化锰常呈共晶生长在一起。固溶碲后的硫化锰 和硫化锰一碲化锰两相夹杂物，都呈球状。 镁也有球化硫化物的效果．但是它不便加入钢中，故 尚 未 在 工业生产中得到实际应 用。 上述氧、稀土、钙、碲四种元素在基体铁中的固溶度都非常低。这些元素能使硫化物 球化的原因可能是这些元素的硫化物 (形成硫化物或者固溶于硫化锰)对钢基体的润湿性 低，界面能高，接触角大，故成球状。 2 钢在压力加工中硫化物不易变形的原园 钢经压力加工，硫化物能否变形的主要判据是它的相对塑性。相对塑性是硫化物的真 应变与基体真应变之比。对同一基体组织而言，硫化物的相对塑性与它的高温硬度呈直线 关系。 硫化锰中固溶钙或稀土提高了它的高温硬度，如图ln)。M,,SO固溶5％cas， 常 温 的硬度提高47％；固溶25％CaS，硬度提高86％。~ MnSO的 固溶度达到30％时，它 的硬度是纯Mns硬度的3．1倍[2)。l~lIIt，硫化锰中含钙或稀土愈高， 加工中愈不易变形。 图 l MnS中固溶不问钙量硬度的变化 Fig．1 The variation of hardness of MnS with different content of dissolved Ca 钢中氧含量高，球状硫化物不易变形，此现象虽甚 明显，但其机理尚不完垒清楚。有 的作者推断：球状硫化物不易变形乃是高温硬度增大的缘故 。 测定加入 MnO的MnS试样 的高温硬度，表明此纯MnS为高，还有的作者认为：硅酸盐等氧化物中的氧能在高温时扩 散进入硫化物，所以高温轧制对减少硫化物的变形有利。 虽然从M,~S-MnO相图的测定结果表明，在1232~CMnS中可以溶解1．7％MnO。 但是 在钢中氧是否固溶于硫化锰或者呈很细小的氧化物分散其中，尚无直接证明。而从测定氧 J 维普资讯 http://www.cqvip.com 4(1992)，№ 2 对多品MnS硬度的影响表明只略有增加，且这一影响可能属于氧化物， 而 非 溶 解氧的作 用。另从删定高氧和低氧钢中硫化锰的显微硬度，两者亦无明显差别。从上述结果判断： 高氧钢中硫化锰的变形较低氧钢中硫化锰的变形为小，应归于它在铸态时有利的形状，而 不是高温硬度的变化。 此外，硫化锰的变形随轧制温度升高而降低；轧制温度增高，硫 化 锰 的相对塑性变 小。因此，对有些不希望硫化物变形大的锕而言， 需 要 控 制在较高的终轧温度或终锻温 度。 钢中增加固溶强化奥氏体的元素，例如锰、碳、铌等，会使硫化锰的相对塑性增高， 从而较易变形。而且轧制道次之间奥氏体不完垒再结晶所增加M．S的相对塑性，比固溶强 化作用还大 。 硫化物的颗粒尺寸也影响它的变形，因为硫化物的相对塑性随其尺寸减小而降低。当 它的尺寸大约小于0．65 m时，硫化物就不变形。 钢中的Mns常固溶Fe，即为 (Mn，Fe)S。 硫 化 锰中固溶铁后的高温硬度是否增高， 或是变形性是否降低，出现一些不一致的结果，例如： (1)低碳钢中硫化锰中的硫化铁增高，卿相对塑性降低[3]。 (2)硫化物的塑性随M"／s比值的增大而增高[ ； 这意味着硫化锰中固溶铁量增高 则变形减小。 (3)合成MnS中固溶65 at Fe后， 其 显微 硬 度 从纯M．S的 1700 MPa增高 到 3000 M Pa[" 。 (4)合成M,S中含5 FeS，从常温到1000 ℃ 的 显微硬度几乎与纯MnS一致[6]。 (5)MnS中的Mn被Fe取代时，它的硬度实际不变，如 图2~73。 (6)低碳易切削钢中硫化物的长／宽比值随硫化物中Mn／Fe比值增高而降低曲]。这 就意味着硫化物中的Fe量增高更易变形。 上述前三条结果表明，M．S中的固溶Fe量增高，硬度增大，塑性降低； 而 后 三条结 果则说明，M s中固溶Fe或者是硬度不变，或者是塑性增高。 钢中硫化锰夹杂物固溶的铁量，会随着钢中锰含量及加热 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 而改变。固溶铁量的变 化对硫化物的高温硬度将不是主要的影响因素；然而钢中锰、碳等含量的变更，会影响到 基体的硬度，从而改变硫化锰的相对塑性。 3 硫化物变形后再加热时的球化行为 钢经热轧或冷拔，钢中的硫化物产生相应的形变。钢再经高温处理时，随着温度增高 和时间增长，硫化物渐趋球化；变化的进程，因不同因素的影响而有所差别。 中碳低合金钢中的 I类和I类硫化锰在热轧后沿轧制方向延伸呈带，在1310℃均匀化 处理时，这些伸长的硫化物首先缩短变粗，成为圆柱状，然后分裂成段，再变为球状[9]。 热轧变形后的 I类硫化锰 ，在760~1205℃各温度区问进行，不同时间退 火，它的变化过 程是从片状经棒状、椭球状再到球状[Io]。 热轧伸长的硫化物在 600℃加热日Ⅱ开始球化，在 900℃ 以 上球化现象显著[11)。在 925℃退火时，I类硫化物变形后完垒球化的时间为30 h~1o3。热 轧后的中碳低合金钢中 的硫化锰，在1200℃保温半小时，原来的条状即断开成圆柱状；延长到4 h，已有一部分 变成球状[ ] 但是，高温球他的硫化物，若再经压力加工，则仍变形。 维普资讯 http://www.cqvip.com 10o 1 SO0 1 0O0 5O0 O 0 20 ‘0 60 B0 O0 FeS S M^S ，『． 钢铁研究学报 。 ． g0 = ， 6 0 ； ‘0 _a — o { ’ _ 2 0 o o =： 0 ^O 50 g0 ol d ol1In§．‘ 图 2 温度、组成与维氏硬度的关系 (虚线系 图 3 不 同程度冷轧后高温处理对硫化物 单相组织区， 实线系两相区) 球化的影响 Fig-2 The relationship between tempera- Fig．3 The effect of high-t~mpetatur treat- tln'e，composition and v Jckers hard-- merit oN globu larizing of sulfide negs(Oashed lines present single- after different degree of cold rolling phase region；solid lines present two- phase region) 影响球化速度的内在因素，虽然尚未完垒清楚，看来除了硫化物的成分以外，加工量 的影响，特别是冷变形量的影响是非常重要的；这种影响可从下列实例得到证明：热轧后 的高碳铬轴承钢中的硫化锰都呈条状，当再经冷轧时，硫 化 物 变 得更细长。 这 时 钢 在 1150 ℃加热30 rain，细长条状的硫化物即变成小球， 而未经冷轧的热轧材用同样条件高 温处理，硫化物的形：J戈却没有变化。而且硫化物的球化程度，随冷加工量的增加而提高， 如图3C13J，图中表明冷轧量为20 时，经过高温处理后求硫化物球化的比例约为10 ；冷 加工量增大，球化进程增快；达到30 冷轧量，用相同条件热处理时， 硫 化物球化的比 倒达到70 。 4 碱化物球化对钢性能的l咎响 硫化物外形球化的同时，它的数量和尺寸也有相应的变化，从而影响钢的性能。例如 经过冷加工和未经冷加工的轴承钢在1150℃ 加热30min后进行接触疲劳试验表明： 经 过 冷加工的试样，LIO疲劳寿命至少提高一倍，平均提高五倍以上； 而未经冷加工的试样， 疲劳寿命几乎无提高，而且钢中的氧含量较高时， 经 冷加工后提高寿命的幅度更大[1 3]。 轧制的CrNiMo低台金钢经1315℃处理后，横向强度保持不变，横 向延性略有改变， 而轧向和垂直轧向的冲击功都有提高，反复弯曲的疲劳次数则随处理时问而改变，也就是 硫化物的平均尺寸增大，在一定应力下的疲劳寿命下降[1 。 钢中保持较高的氧含量以改善硫化物的形态，从而改善钢的性能：这一措施已在易切 削钢的生产中得到广泛应用。低碳易切削钢由于含硫高， 需 要保持钢中氧量≥0．02％， 以使硫化物变形较小和颗粒较大，从而改善切削性能。同时，在钢中同等硫含量条件下， 台球状 I类硫化物的钢变形前后的高温性能 ( ，8 )都比含I类硫化物的钢为高，如 维普资讯 http://www.cqvip.com 4(1992)，№ 2 101 0(锦志) 1．3 2．2 5．0 15．9 26．3 24．3 2 ．4 410 450 370 440 22．6 45．3 54．9 4D．5 14．3 19．5 21．1 16．7 45D 430 420 43O · 钢的成分 ( )l C 0．07，Mn 1．34，P 0．06，S 0．3 拉伸条件一温度1200~ 拉伸速度一5mm／s 表 l所示。因此，对热加工性能不好的含硫易切削锕而言，通过这种措施来改善热加工塑 性是很适合的。 钢 中加入稀土最显著的作用就是改变了硫化物的形态，特别是减小钢轧制后硫化物的 长／宽比值，因而改善了钢的横向性能，其 中最主要的是板材的横向冷弯性能和横向冲击 功。此外提高钢的疲劳寿命，改善成型性等，也 与减少硫化物的长／宽比值有直接关连。 钢 中硫化物夹杂的球化和降低它的变形是锕生产 中多年以来致力的目标。了解硫化物 夹杂在钢生产中各阶段的球化行为，便可采取相应的措施。 参 考 文 簟 (1991年 8月收到) Leun窟_C．H．．Van V18ok；C．H．．Mct．Trans．，1981，12A l6)：987 Doroschkew~sch．E K-essUng，R．，W esfman，C．．Iron end Stee1 In ．，1970，208(71 698 琢咎～郎，须藤正俊，高 田寿I铁之钢，1988，69t8)：967一 蚋 Pehlke．R．D．．Tuwa，T-，Interna~onal MetSls Reviews，1985，30 (3) 125-- I40 Kiesslin8，R．，W estman，C．．Ir0n and Stee1]nst，1966，2o4(4)：877— 379 M~suno。F．el a1．．Tren s．h0n end Stee1 Inst．Japan，1985，28(9)：98 998 Chao。H．C．et a1．。Ttans．of the AsM ，l964，87(4)：髓 S一 盼 l Mar~on．B-J．，M 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