易切削钢夹杂物及微观组织研究

周小利

随着汽车、机械制造等工业发展，我国易切削钢的需求量极大，而生产能力和产品质量急待提高。机加工成本是制造业中零部件制造成本的主要部分，有时甚至超过零部件制造成本的40%。因此，人们极希望通过提高钢材的机加工性能来降低加工成本。日本、德国、美国等国家对易切削钢的开发较早、且也比较成熟；台湾中钢集团生产的Y15 易切削钢也是相当成熟，特别是其中的夹杂物分布、形态的控制是相当完善。本文对湘钢易切削钢系列不同规格的夹杂物分布和微观组织进行全面的分析，找到影响易切削钢夹杂物分布的影响因素，对后续生产改善提供理论支撑。

1 试验方法

湘潭钢铁有限公司采用转炉→LF 精炼→连铸→连轧的工艺流程生产的易切削钢。试验中对不同牌号、不同规格的易切削钢进行取样、制样，利用金相显微镜Imager.D1m 观察夹杂物形态，同时利用扫描电子显微镜分析夹杂物的成分，用3%的硝酸酒精侵蚀组织，利用金相显微镜Imager.D1m 观察显微组织。

2 试验结果

2.1 XY45 易切削钢夹杂物及微观组织

2.1.1 φ45mmXY45 钢夹杂物及微观组织

对45mm XY45 易切削钢的夹杂物分布及微观组织。φ45mm易切削钢中的夹杂物沿轧制方向呈粗大的长条状分布，内部的因子并不聚集，外呈现出不规律的状态。夹杂物的大小差异较大，分布均匀性较差。夹杂物在轧制过程中有破碎细化现象，可以看到明显的破碎痕迹，但是碎裂的位置并不规律，处于极度情况，在整体的构造中，可以观测到夹杂物的分化状态是良好的，由于外力因素的影响，导致部分的夹杂物之前存在一些其他元素。这与夹杂物在变形过程中变形能力与基体金属差异大有直接关系。由于夹杂物变形能力差，轧制过程中在剪切应力作用下，夹杂物发生变形，甚至破碎。φ45mmXY45 易切削钢组织为铁素体和沿轧制方向呈带状分布的珠光体组织。晶粒尺寸比铸坯的晶粒细小，平均晶粒约为15μm ～20μm。

2.1.2 φ27mm XY45 钢夹杂物及微观组织

在上述基础之上，对φ27mmXY45 钢的夹杂物分布及微观组织二次分析。夹杂物多为细小短条状或纺锤形，细小夹杂物的比例增加。通过实验展示可以观测到，部分夹杂物周围处于卷曲状态，主要是因为夹杂物受到温度或者外力的影响，变化过程中常常处于不稳定的状态，并且一定程度上受到了硫化物的催动。测定时各炉次铸坯中依次取边部、1/4 处和中心处的200 倍的夹杂物，这样获取的样本相对较为均匀，且测定出来的结果也会更加准确一些。通过环境或者测定温度的转换，拍摄物质的围微观变化过程，对金相照片作出观测。1144 钢中夹杂物尺寸大小不一，且由边缘部位逐渐向着中心区域放大，夹杂物的形貌也慢慢呈现出不规则的块状以及团簇状，与上述首次测定的状态进行对比，可以发现夹杂物的分布情况变得更加密集。这与温度的变化以及夹杂物状态更改存在直接联系。根据分析后变化反应情况，在采用Mg 处理工艺之后，可以换观察到测定结束后的夹杂物边缘部位逐渐成为椭球形，利用仪器从宏观上看，此时的夹杂物存在一部分的沿晶特点，虽然并不明显，但是分布相对较为均匀，表明此时的夹杂物内部的元素处于变动的状态。另外，集中分布的夹杂物经过轧制后得到了充分的破碎，其尺寸明显减小。其基体组织晶粒细小，珠光体的分布较均匀，粗大连续的带状珠光体较少。

2.2 XY40 钢微观组织

从实验展示所示的夹杂物分布来看，各炉次易切削钢间的夹杂物数量和分布的差异较大。经过飞纳扫描电镜可以观测到此时的1144 易切削钢铸坯边部以及1/4 处和中心处夹杂物处出现了一定的物质过渡，夹杂物的状态逐渐从定向集中转为簇状分布，并且在晶界的交界处出现过渡的偏移带，后期的硫化锰夹杂物在交界处基本是以点状散落分布，此时的夹杂物的变化是由于测定温度的转变造成的，多产生共晶反应。随后，在晶粒间的残余测定液体之中，利用检测仪器可以的差值，这部分夹杂物中存在较多的硫钢元素，出于富集区域，而硫化锰与高温铁素体相互融合，在加上各种金属钢元素的催动，逐渐出现了搭桥析出的状况，将夹杂物与组织互为混合，在炉次钢的影响下，夹杂物逐渐发生了三维形态变化，此时的偏聚效果的延伸范围会更加广阔一些，且三维形态变化的状态也会位置较长的时间。电流腐刻促使夹杂物所延长的三维形态

逐渐暴露出来，根据拍摄的变化图像，获取到典型图片，可以观测到钢的夹杂物主要表现为以下几个状态，分别是第Ⅰ类为球状、第Ⅱ类为树枝状或杆状以及Ⅲ类为角状。每一种状态均是在高温的的作用之下发生变化的，并且层层递进，向外分化钢元素枝晶。经过观测，钢夹杂物Ⅱ类、Ⅲ类的分布状态十分均匀，而Ⅰ类状态在经过Mg 处理之后，发生了定向的转变，分布逐渐呈现出聚集的情况，表明Mg 处理产生了显著的变质作用。随后，针对细小的短条状，也有粗大的长条状，可以整理出钢杂志物的变化规律，针对于变化的顺序，测定出其内部微观组织的运动路径。但是，总体来看，与同尺寸规格的XY45 易切削钢相比，XY40 中的夹杂物数量略多。这主要是因为在切割的过程中，XY40 型号钢材料受到温度的影响范围相对较大，外部的杂质极有可能存在催动的作用，造成XY40 型号钢材在转换的过程中发生动态变质，同时，由于C 含量略低，XY40 钢中连续粗大的珠光体数量减少，铁素体数量较XY45 钢多，铁素体的晶粒略大，尺寸约为15μm。XY40 钢中夹杂物数量较多，粗大珠光体数量减少与其成分中的Mn、S 含量高，而C 含量较低有关。

2.3 XY1215 钢夹杂物及微观组织

与XY45 相比，XY1215 钢中的夹杂物数量较多，与XY40 钢中的夹杂物数量相当。这与钢中夹杂物尺寸的变化存在之间的联系。1144 易切削钢铸坯中夹杂物尺寸一般是固定的，会依据应用的环境及初始态的硫化物变质情况进行制定，以此来从源头保证控制效果。经过钢中夹杂物的统计分析。钢夹杂物的边部与1/4 处、中心处出现的微观变动在不同范围区间内的侧重点明显是存在差异的，定位到杂物面积至善，在不同的分布区间之中，分化铸坯边部出现的晶体夹杂物，同时，确保分布的区间在5.5～6.35 之间。随后，观测钢夹杂物的等效果直径分布，一般在2.25～3.65 之间即为合理，同时，区间需要延长至5μm 以上，确保钢夹杂物的变动延伸。但是需要注意的是，钢夹杂物在变动的过程中，从观测中看出，铸坯中硫化物对其的催化范围其实并不大，虽然内部的金属元素发生了定向的聚合反应，凡是在过渡带以上，聚合的速度并不快，所以呈现出的过渡带宽度并不高。经过Mg 处理后，钢中边部夹杂物的平均面积也有所提升，过渡的面积发生对应变化，等效直径也随之增加。且随轧制变形量的增加，夹杂物的尺寸减小。与XY45、XY40 易切削钢相比，XY1215中珠光体的数量明显较少，呈非连续的线状分布，而铁素体晶粒尺寸较大，φ32mm 和φ20mm XY1215 的平均晶粒尺寸分别为30μm、20μm。

2.4 易切削钢中夹杂物的成分

在上述易切削钢的夹杂物分析中可以发现，湘钢易切削钢中的夹杂物主要为浅灰色长条状，也有少量深色颗粒状夹杂物存在。经过测定仪器的进一步分析检测，可以获取到相关的数据信息。钢夹杂物的内部多为深黑色的镁铝尖晶石，灰色部分的元素想地较为驳杂，大致为镁铝尖化物，硫化钙晶石以及氧化硅变化物质，这一类的物质对于夹杂物的变动会产生极为严重的影响。同样钢中检测出大量的硫化锰夹杂物，夹杂物整体呈现出环形及宽条状，夹杂物中间呈现深黑色的物质为铁基体，自身的钢中硫含量是也是相对较高的，一般生成与凹形的钢夹杂物之中，当钢材的自身的温度提升时，其内部的硫含量会随之下降，反之 ，当钢材的自身的温度降低升时，其内部的硫含量会随之增加。采用传统的单向提取方式以及Mg 处理工艺方法设定针对性较强的夹杂物统计模式，进过Mg 处理后，此时的钢夹杂物中的物质逐渐从单纯MnS 夹杂转变为复合夹杂物，自身的结构也发生了对应的变化，主要表现在内部因子的变化与重组，主要包括AlO-MnS 复合硫化物、Mg-Al-Ca-Si-O-MnS 复合硫化物以及Mg-Al-O-MnS 单质氧化物等物质，每一种物质的消除与重组均会对钢夹杂物产生不同的影响，致使外貌以及内部的微观组织出现转换。在夹杂物中Mn 和S 元素的含量明显高于附近基体中的含量，两种元素在铁中的分布均比较均匀，而Mn 元素的含量更大。这样的变化情况表明，在测定的 过程中，夹杂物的转换速度不一，造成与外部元素融合的速度也并不相同，Mn 元素会先产生变化，内部的因素、元素也会抓逐渐发生分、重组。促使物质外部的颜色发生变化，呈现出较深色。随后，在特定的环境之下，S元素也慢慢到达变化的节点，发生定向的融合 与运动，此时，夹杂物中的一部分Mn 元素已经发生变化，而另一部由于外力的作用影响还保持原状态，Mn 元素与发生变动的S 元素融合，形成了另一种多分子的化合物，这种物质可以在特定的温度环境之下，快速改变钢的切削性能和疲劳性能，提升正义的坚硬度。接下来，针对于物质与夹杂物的融合变动情况，物质所呈现出的状态，作出进一步的分析与研究。

大块夹杂物中的深色部分为C、S、Mn 的化合物，这一类物质发生融合变化的速度相对较快，且存在异常化的概率，一旦出现外力的压迫和催动，内部的元素集分子结构便会快速作出分化，在特定的温度环境之下，实现定向的重组、整合，形成新的化合物。但是需要注意的是，这一类化合物由于分解速度较快，所在保存时候，需要挑选特定的环境，并对存储的温度进行严格控制，降低分解、异常化概率。且Mn 和S 的含量占70%以上，是钢夹杂物中最为关键的一部分元素，日常的变化起到十分重要的影响。Mn、S 的原子百分比约为1：1，为MnS，而Fe 的含量低，Fe 的主要作用是催动钢夹杂物中的化合物发生定向的分化，并保持物质的结构的均衡性，降低异常化的发生概率。其实，Fe 的分布一般是较为聚集的，呈现出簇状，并常常与Mn 元素、S 元素发生融合，造成钢夹杂物内部的结构发生变化，但是Fe 内部的架构是较为坚硬的，不易被分解，在对钢夹杂物进行分析过程中，可以利用其分化其中的细小物质，营造稳定、均衡的环境，避免各个元素异常化的概率，降低整体的分解速度，并不会对自身造成较大的损害。大块夹杂物中的浅色部分也为C、S、Mn、Fe 的化合物，Mn、S 的含量较深色部分少，而Fe 含量较高，这部分主要是以Mn 元素作为变动的核心，利用Fe 将钢夹杂物内部不可溶的物质消除，形成纯钢结构的物质，可最大程度保证整体钢物质的硬度以及刚度，降低异常化的发生频率。而Fe 含量较高的区域，大部分为受到外力影响的区域。钢夹杂物的外部压力相对较大，环境及温度的变动也会更加频繁一些，致使钢夹杂物内部分子的转换更为迅速，出现动态转现象。所以，可以分析出以下结论：在大块夹杂物边部的深色析出物主要成分为C、O、Fe，而Mn 和S 的含量极少，可以忽略，但是Mn 和S 对于钢夹杂物内部因子及元素结构的分化会产生较强的影响。而远离大块夹杂物的深色小粒状相为Fe 和C 的化合物，这部分的因子变动状态较为频繁，常常出现异常化或者转置现象。其它元素的含量极少。由此可见，易切削钢中的夹杂物为Fe、Mn、S、C 等元素组成的复杂化合物，而不是简单的MnS。

3 分析与讨论

从以上XY45、XY40 和XY1215 易切削钢的夹杂物和微观组织分析发现，各钢种间的夹杂物数量差异明显，可见成分对夹杂物的影响极大。为分析组分元素对夹杂物的数量的影响，对不同炉次的XY45 钢进行了夹杂物分析。由于XY45 中的C 含量波动较小，因此，主要对S、Mn、等元素的影响规律进行了分析。

3.1 S 元素对夹杂物的影响

S 元素是易切削钢中夹杂物的主要元素，分布状态是较为均匀的，且对于内部其他元素的影响覆盖范围相对较为广泛。元素S 对夹杂物的影响，在其他元素相当的情况下，S 含量高8（a）易切削钢中夹杂物的数量略多，整体呈现出均衡的分布状态，且在温度、环境转换的影响之下，极容易产生元素过度。这是由于含S 易切削钢中，S 的主要化合物为FeS 和MnS，为了控制妨碍热加工性的FeS 的生成，Mn 的含量一般控制在Mn%=0.4%+2×S%，而S 元素的含量也需要占整体钢夹杂物的89%以上。对于S 含量分别为0.214%（a）和0.166%的（b）两种易切削钢而言，0.85%和0.86%的Mn 含量均足以抑制FeS 的生成，因此，S 的含量高，MnS 的数量相对较多。

3.2 Mn元素对夹杂物的影响

在其他组分元素相当的情况下，Mn 元素对夹杂物的影响。尽管两炉易切削钢的Mn 元素成分偏差较大，但是夹杂物的变化不大。这可能是因为二者的Mn 含量均超过了Mn%=0.4%+2×S%的上限[4]，剩余的Mn 固溶在基体中。因此，Mn 含量在上限以上的变化对硫化物夹杂的数量影响不大。

由上述分析可以看出，在Mn 的含量足够的条件下，影响夹杂物数量的主要成分是S 含量，S 含量高，夹杂物的数量增加。

4 结论

（1）从以上各规格易切削钢的夹杂物分布发现，随着轧制变形程度的增加，粗大夹杂物相对减少，纺锤形和短条状夹杂物数量相对增加。

（2）易切削钢中的夹杂物主要为MnS 与Fe、C 等组成的复杂化合物，夹杂物中深色部分含Fe 含量低，浅色部分Fe 含量高。

（3）在其他元素相当的情况下，S 含量高易切削钢中夹杂物的数量略多，而上限以上Mn 含量的变化对硫化物夹杂数量的影响不明显。