热变形工艺对铈-硫易切削不锈钢中硫化物形态演变的影响

王英虎， 郑淮北， 宋令玺， 刘庭耀

(1. 成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司， 四川 成都 610000；2. 海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室， 辽宁 鞍山 114009；3. 北京科技大学 国家材料服役安全科学中心， 北京 100083)

硫化物是含硫易切削不锈钢中常见的非金属夹杂物之一，其形貌、尺寸与分布状态对钢材的综合性能有着非常重要的影响[1]。硫化物可以有效改善易切削钢的切削性能，其在钢中具有很好的塑性，可作为软质相起润滑作用，降低刀具的磨损，且周围存在附加应力，在加工过程中引起的应力集中可促进裂纹生成，使切削屑更容易断裂，从而使钢材的可加工性能提高[2]。但是由于硫化物具有很好的变形能力，在轧制或锻造的过程中会沿变形方向延展成细长条状，引起钢材的各向异性，严重降低材料的横向力学性能[3-6]。长条状的硫化物还会在易切削钢板中成为裂纹源，降低其使用寿命[7]。有研究表明，当硫化物为球形或纺锤形(即长宽比≤3)时对提高钢材的切削性能最为有利，这种形态的夹杂物在加工过程中变形也最小，可以降低硫化物对横向力学性能的损害[8-9]。因此，易切削钢中硫化物的形貌、尺寸与分布状态等方面的控制变得尤为重要，本文利用热模拟试验研究了变形参数对铈-硫易切削钢中硫化物变形规律的影响，以期为铈-硫易切削钢热加工过程中硫化物形态控制提供理论支持。

1 试验材料及方法

使用VIM-150真空感应炉冶炼铈-硫易切削416不锈钢铸锭，铸锭尺寸为φ200 mm×350 mm。使用ELTRA CS800型红外碳硫仪测定其C、S质量分数，使用ONH-2000型氧氮氢分析仪测定O、N和H的质量分数，使用IRIS Intrepid Ⅱ XSP型ICP光谱仪测得Ce与La的质量分数，使用OBLF QSN750型光谱仪测定其他主要元素的质量分数，得到铈-硫易切削不锈钢的化学成分，如表1所示。利用线切割设备在铸锭1/2半径处取样后机加工成尺寸为φ8 mm×12 mm的圆柱压缩试样。高温压缩试验方案如图1所示，在Gleeble-3500热模拟试验机上以10 ℃/s的升温速度加热到1250 ℃，保温120 s使试样温度均匀，再以10 ℃/s 的速率降至热变形温度并保温180 s，变形方式为恒温恒应变速率轴向压缩，应变速率为0.01 s-1；压缩变形温度分别为800、900、1000和1100 ℃，工程应变量分别为10%、30%、50%和70%，热压缩过程中为使试样的变形均匀，压缩前在圆柱体试样两端加放石墨片及钽箔片并涂抹润滑剂以减少摩擦对应力状态的影响，在试样表面焊接镍铬、镍铝热电偶以补偿试样表面温度的变化，加热方式为高频感应加热，为保持变形组织，变形结束后快速空冷至室温。用线切割设备将冷却后的热模拟试样从中心沿压缩轴方向剖开，用Struers CitoPress-30镶样设备制成金相试样，用PRESI SA Mecatech 234自动磨抛机对试样进行磨制、抛光，用CARL ZEISS Axio Imager A 1 m光学显微镜和Phenom Partical X台式扫描电镜对硫化物的形貌进行观察并用扫描电镜附带的能谱仪分析硫化物的成分；使用Phenom Partical X台式扫描电镜-能谱仪中的自动统计分析软件对试验钢中硫化物的长宽比、尺寸及数量等进行分析，每个试样统计分析的面积均大于5.0 mm2。

表1 试验钢的化学成分(质量分数，%)

图1 高温压缩试验方案Fig.1 Schematic diagram of high temperature compression test

2 试验结果与讨论

2.1 硫化物形貌与分布规律

图2为铈-硫易切削不锈钢铸坯中的硫化物在光学显微镜下的金相照片。由图2可以看出，铈-硫易切削不锈钢铸坯中的硫化物呈球形、椭球形、纺锤形或短棒状，并以簇状沿晶界分布，该类形态的硫化物一般被认为是共晶反应生成的。在冶炼过程中液相向固相发生凝固反应时，晶粒间残余液相中S偏析会导致S富集，使得硫化物与高温铁素体互相搭桥析出，形成了这种硫化物簇状分布的形态[10]。在20世纪80年代，Ito等[11-12]对低碳钢中的硫化物形貌进行了分类：第Ⅰ类为球形复合夹杂物，无规则分布，由亚稳态偏晶反应生成；第Ⅱ类呈长棒状或扇形，沿晶界呈链状或网状分布，由稳定的共晶反应生成；第Ⅲ类呈多面体形，无规则分布，由非稳态共晶(伪共晶)反应生成。其中第Ⅱ与第Ⅲ类硫化物可通过热加工的方式改善其形貌、尺寸与分布状态[13-14]。由图2可以明显看出，铈-硫易切削不锈钢铸坯中硫化物符合第Ⅱ类硫化物的形貌与分布特征。

图2 铈-硫易切削不锈钢铸坯中硫化物形貌Fig.2 Morphologies of sulfide in the cerium-sulfur containing free-cutting stainless steel casting billet

图3为铈-硫易切削不锈钢铸坯中典型硫化物的SEM形貌及其元素分布。由图3可以看出，此夹杂物为复合型稀土硫化物，中间部分在电镜下呈白亮色，是由含Al、Ce、O和Si等元素构成的氧化物，外围包裹的是硫化锰。孙荣耀等[15]研究发现，通过稀土处理可在硫含量为0.065%的45TiS含硫易切削钢中形成Ce2O2S和Ce2S夹杂物，改善硫化物形貌，有效提升钢材的切削性能。范磊等[16]研究发现，在硫含量为0.24% 的高硫易切削钢中加入0.01%的Ce后，在钢中形成了3.01%的以CeAlO3为核心，外围包裹MnS的复合型稀土夹杂物。

图3 铈-硫易切削不锈钢铸坯中典型硫化物SEM照片(a)及元素分布(b～h)(a)SEM照片;(b)Fe;(c)S;(d)Mn; (e)O;(f)Al;(g)Ce;(h)SiFig.3 SEM image(a) and element distribution(b-h) of typical sulfide in the cerium-sulfur containing free-cutting stainless steel casting billet(a)SEM image;(b)Fe;(c)S;(d)Mn; (e)O;(f)Al;(g)Ce;(h)Si

图4为铈-硫易切削不锈钢热变形后硫化物的形貌。由图4可以看出，在800～1100 ℃温度范围内，变形温度对硫化物的影响较小，但是变形量对硫化物形貌产生了较大影响。当变形量为10%时，硫化物仍保持着铸态形貌，以球形、椭球形、纺锤形或短棒状沿晶界分布，如图4(a,e,i,m)所示；当变形量为30%时，短棒状的硫化物数量增多，硫化物尺寸沿变形方向变大，如图4(b,f, j,n)所示；当变形量为50%时，细长条状的硫化物出现，硫化物沿变形方向产生明显变形，球形与椭球形硫化物数量减少，如图4(c,g,k,o)所示；当变形量为70%时，硫化物变得更加细小并且数量明显增加，在基体中的分布更加均匀，如图4(d,h l,p)所示。

图4 热变形后铈-硫易切削不锈钢中硫化物的形貌变形温度：(a～d)800 ℃;(e～h)900 ℃;(i～l)1000 ℃;(m～p)1100 ℃变形量:(a,e,i,m)10%;(b,f,j,n)30%;(c,g,k,o)50%;(d,h,l,p)70%Fig.4 Morphologies of sulfide in the cerium-sulfur containing free-cutting stainless steel after thermal deformationDeformation temperature: (a-d) 800 ℃; (e-h) 900 ℃; (i-l) 1000 ℃; (m-p) 1100 ℃Deformation: (a,e,i,m) 10%; (b,f,j,n) 30%; (c,g,k,o) 50%; (d,h,l,p) 70%

2.2 硫化物尺寸统计分析

图5为热变形参数对铈-硫易切削不锈钢中硫化物的分布密度和单个硫化物平均面积的影响。其中，硫化物的分布密度=硫化物总量/统计面积；单个硫化物平均面积=硫化物总面积/硫化物总量。由图5(a)可以看出，在800～1100 ℃温度范围内，随着变形量增加，硫化物的密度逐渐增加，变形温度对硫化物密度的影响较小；由图5(b)可以看出，在800～1100 ℃温度范围内，随着变形量的增加，单个硫化物的平均面积逐渐减小。由此可知，适当增加变形量有利于增加硫化物数量，并可以使硫化物尺寸更加细小。

图5 热变形对铈-硫易切削不锈钢中硫化物分布密度(a)和平均面积(a)的影响Fig.5 Influence of thermal deformation process on distribution density(a) and average area(b) of sulfide in the cerium-sulfur containing free-cutting stainless steel

图6为热变形参数对铈-硫易切削不锈钢中硫化物长宽比分布的影响，其中，长宽比为Phenom Partical X台式扫描电镜-能谱仪统计出的穿过硫化物质心的16条弦线中的最长弦线的长度与垂直于最长弦线的弦线长度的比值。在800～1100 ℃温度范围内，变形温度对硫化物的长宽比影响较小，但是变形量对长宽比产生了较大影响。由图6(a～c)可以看出，在800～1000 ℃温度范围内，随着变形量从10%增加到70%，长宽比≤3的硫化物所占比例逐渐减小，3<长宽比≤5和5<长宽比≤10的硫化物数量逐渐增加，这是因为铈-硫易切削钢在较低温度范围内变形，硫化物会随着基体变形被拉长，逐渐变成了长条状，并且不会发生熔断或者重新形核。由图6(d)可以看出，当变形温度为1100 ℃时，随着变形量从10%增加到50%，长宽比≤3的硫化物所占比例逐渐减小，但当变形量增加到70%时，长宽比≤3的硫化物所占比例又有所增加，这是因为硫化物发生高温大变形时会发生熔断或重新形核，从而导致长宽比≤3的细小硫化物比例增加。

图6 热变形参数对铈-硫易切削不锈钢中硫化物长宽比分布的影响Fig.6 Influence of thermal deformation parameter on length-width ratio of sulfide in the cerium-sulfur containing free-cutting stainless steel(a) 800 ℃； (b) 900 ℃； (c) 1000 ℃； (d) 1100 ℃

图7 热变形参数对铈-硫易切削不锈钢中硫化物平均长度分布的影响Fig.7 Influence of thermal deformation parameter on average length of sulfide in the cerium-sulfur containing free-cutting stainless steel(a) 800 ℃； (b) 900 ℃； (c) 1000 ℃； (d) 1100 ℃

图8为热变形参数对铈-硫易切削不锈钢中硫化物最大弦长分布的影响，其中最大弦长为穿过硫化物质心的16条弦线中最长弦线的长度。由图8(a～c)可以看出，在800～1000 ℃温度范围内，随着变形量从10%增加到70%，10 mm30 mm 的硫化物比例逐渐增加，Lmax≤3 mm与3 mm30的硫化物比例逐渐增加，但当变形量增加到70%时，10 mm30 mm的硫化物比例又大幅度减少，而Lmax≤3 mm的硫化物比例大幅度增加，这是因为硫化物在高温大变形时发生熔断或重新形核，硫化物变得更加细小，这与图6和图7的分析结果是一致的。

2.3 硫化物的相对塑性

有研究发现[17]，当易切削钢在热变形时会发生再结晶，晶界增殖会把重新形核的硫化物分割，使硫化物的分布趋于弥散均匀，硫化物的尺寸也会变得更加细小。变形温度、变形量对铈-硫易切削不锈钢再结晶行为的影响如图9所示。由图9可以看出，随着变形温度的增加，变形抗力逐渐降低，试验钢在1000～1100 ℃温度范围内表现出较好的热塑性，在此温度范围内试验钢在变形过程中发生加工硬化、动态回复与动态再结晶，动态回复和动态再结晶的发生使流变应力下降，软化作用加强，变形过程中晶界处的应力集中得到缓解[18-19]。由图9(d)可以明显看出，试验钢在1100 ℃产生70%变形的过程中发生了明显的动态再结晶，晶界增殖可以对基体内的硫化物产生一定的分割作用。

图9 变形温度、变形量对铈-硫易切削不锈钢再结晶行为的影响Fig.9 Influence of temperature and deformation on recrystallization behavior of the cerium-sulfur containing free-cutting stainless steel(a) 10%； (b) 30%； (c) 50%； (d) 70%

铈-硫易切削钢中硫化物随基体发生变形的程度可以用相对塑性表示，相对塑性与热变形参数密切相关，可以定义为变形过程中硫化物真应变与基体真应变的比值。压缩过程中硫化物与基体间的相对塑性v可用Malkiewicz等[20]提供的公式计算，即：

(1)

式中：εi为硫化物真应变；εm为试验钢基体真应变；λ0、λ分别为硫化物热变形前后的平均长宽比；h0、h分别为试验钢原始长度和压缩后的长度。由Phenom Partical X台式扫描电镜-能谱仪统计出的长宽比与基体的变形量代入公式(1)中，得出热变形参数对硫化物相对塑性的影响，如图10所示。由图10可以看出，试验钢在10%～70%变形范围内，硫化物的相对塑性先升高，在30%变形量达到峰值后又逐渐降低。在800～1100 ℃温度范围内，当变形量不变时，硫化物的相对塑性随变形温度的升高逐渐降低。硫化物在变形过程中不仅会随着变形量的增加发生伸长，一定变形条件下还会发生破碎断裂，因此硫化物在变形过程中长宽比及尺寸的变化较为复杂。高温大变形使硫化物相对塑性降低，主要是因为高温与大变形会促进硫化物熔断和重新形核，从而降低硫化物的长宽比，使硫化物变得更加细小[21-22]。

图10 热变形参数对铈-硫易切削不锈钢中硫化物相对塑性的影响Fig.10 Influence of thermal deformation parameter on sulfide relative plasticity of the cerium-sulfur containing free-cutting stainless steel

3 结论

1) 铈-硫易切削不锈钢铸坯中的硫化物呈球形、椭球形、纺锤形或短棒状并以簇状沿晶界分布，属于第Ⅱ类硫化物。

2) 铈-硫易切削不锈钢在800～1100 ℃温度范围内变形时，变形量对硫化物形貌会产生较大影响，当变形量为10%时，硫化物仍保持铸态形貌，以球形、椭球形、纺锤形或短棒状沿晶界分布；当变形量为30%时，短棒状的硫化物数量增多，硫化物尺寸沿变形方向增大；当变形量为50%时，细长条状的硫化物出现，硫化物沿变形方向产生明显的变形，球形与椭球形硫化物数量减少；当变形量为70%时，硫化物变得更加细小并且数量明显增加。随着变形量的增加，基体中的硫化物密度逐渐增加，硫化物的平均面积逐渐减小。

3) 试验钢在10%～70%变形量范围内，硫化物的相对塑性在30%变形量达到峰值后又逐渐降低。在800～1100 ℃温度范围内，当变形量不变时，硫化物的相对塑性随变形温度的升高而逐渐降低。由此可知，铈-硫易切削不锈钢的热加工温度应控制在1100 ℃以上，并且变形量应大于70%，这样才能得到均匀弥散细小的纺锤形硫化物。