不同碳含量對鑄態鋼中硫化錳夾雜物的影響

興 超，伏存田

(1. 濟源職業技術學院 冶金化工系，河南 濟源 459000；2. 江西冶金職業技術學院 冶金工程學院，江西 新余 338015)

鋼中的非金屬夾雜物對鋼材的性能有很大的影響，而MnS夾雜是鋼中常見的塑性非金屬夾雜物。由于存在MnS對鋼進行熱加工時不易產生熱脆現象，鋼材不易開裂。鋼在凝固的過程中，MnS富集在晶界，成為應力集中源，促進晶界滑移，產生裂紋，故硫化物嚴重影響鋼的塑性。而MnS的尺寸、形狀和分布對鋼材的性能有較大影響，所以硫化錳的析出規律,才能讓硫化錳的形態得到很好的控制。

熱處理過程中保溫時間、加熱溫度和冷卻速度都會對鋼中硫化錳夾雜物的尺寸大小和數量產生不同程度的影響[1-5]，但硫化錳夾雜物的分布沒有太大的變化，其分布很大程度上受凝固過程所影響，在凝固結構中產生了溶質元素分布的不均勻性，而這個不均勻性是受到鋼中合金元素所影響。本文研究了不同碳含量對鑄態鋼組織中硫化錳夾雜物形態的轉變規律，旨在為冶煉工藝參數制定提供一定指導意義。

1 實驗設備及方法

主要設備：金相顯微鏡、掃描電鏡和能譜分析儀、硅鉬棒箱式電阻爐(公稱容量為6 kg)、拋光機、線切割機、砂輪機、原位分析儀、坩堝(Φ35 mm×80 mm)。

以工業純鐵粉為原料，裝入氧化鋁坩堝里，放置在硅鉬棒箱式電阻爐中熔化。待原料熔化后向鐵液里加入配置好的保護渣料，在爐溫1 600 ℃時保溫20 min，待爐渣和鐵液完全熔化后，依次將已配好的合金料硫化亞鐵、錳粉、石墨粉加入到裝鐵液的坩堝里，并攪拌使合金料均勻化，保溫30 min，等鋼液元素盡可能均勻，取出，空冷。將澆注好的鑄態鋼樣從中心段切開，將切開的一部分鋼樣切面磨平拋光，檢測元素成分；另一部分鋼樣的切面磨平拋光，以金相顯微鏡觀察硫化錳夾雜物的形態、分布和尺寸。

2 結果與討論

2.1 不同碳含量對鑄態鋼組織中硫化錳夾雜物分布的影響

取4個氧化鋁坩堝，編號1#～4#，分別在其中加入150 g還原鐵粉，渣料和合金料的配加量見表1。1#～4#鋼樣中硫化錳夾雜物的微觀結構如圖1所示。

表1 渣料和合金料的配加量 %

(a) 光學顯微鏡照片(未腐蝕)

(b) 掃描電鏡照片(深腐蝕)

從圖1可以看出，1#試樣(0.2%C-1.5%Mn-0.05%S)中硫化錳夾雜物的形態大多以球狀和短粗狀存在，并且夾雜物成分組成中有鐵元素存在，說明硫化錳夾雜物里有鐵元素固溶。2#試樣(0.45%C-1.5%Mn-0.05%S)中硫化錳夾雜物的形態大多以大球狀和顆粒狀存在，并且夾雜物成分組成都是硫和錳，沒有鐵元素固溶。3#試樣(0.70%C-1.5%Mn-0.05%S)中硫化錳夾雜物的形態大多以不規則形和細長條形存在，并且夾雜物成分組成有鐵元素，說明硫化錳夾雜物里有鐵元素固溶。4#試樣(1.0%C-1.5%Mn-0.05%S)中硫化錳夾雜物的形態大多為片狀和細長條形存在，并且夾雜物成分組成有鐵元素，說明硫化錳夾雜物里有鐵元素固溶。

試樣經過加入原料熔化冷卻后，將鑄態樣沿中間線用切割機切開，打磨拋光后，在OM和SEM下觀察相圖。硫化錳夾雜物形態的統計結果見表2。Sims等[6]針對MnS夾雜物的形貌進行了深入的研究，把鑄態鋼組織中MnS的形態分為3類：球形(第I類)、微小條狀(第II類)、多面體形(第Ⅲ類)。第Ⅰ類硫化錳夾雜物普遍會在沸騰鋼和半鎮靜鋼中找到，此類夾雜物在加熱加工時不容易延展形變，在鋼材中常以紡錘狀和橢球形態存在，切削性很好。第Ⅱ類硫化錳夾雜物通常會在鎮靜鋼中發現，此類夾雜物在加工時很容易產生形變，切削性能和力學性能都比較差。由表2可知，試樣中硫化錳夾雜物大多為第Ⅰ類和第Ⅲ類形態，分布也不均勻。

表2 硫化錳夾雜物形態的統計結果

2.2 不同碳含量對鑄態鋼組織中硫化錳夾雜物尺寸的影響

隨機從同一試樣的金相照片中取出100張，對每張照片中硫化錳夾雜物使用Image Pro Plus進行統計分析，繪制出硫化錳夾雜物的平均長度和寬度的柱狀圖。不同碳含量的試樣中硫化錳夾雜物尺寸如圖2所示。從圖2可以看出，隨著碳含量增加，硫化錳夾雜物的長度和寬度先增加后減少。當碳含量達到0.7%時，硫化錳夾雜物的長度及寬度均為最大值，即3#試樣中硫化錳夾雜物的尺寸最大。

圖2 不同碳含量的試樣中硫化錳夾雜物的尺寸

2.3 不同碳含量對鑄態鋼組織中硫化錳夾雜物形態的影響

不同碳含量的試樣中硫化錳夾雜物的長寬比如圖3所示。從圖3中可以看出，1#和2#試樣中夾雜物長寬比值小于3的百分比在增加。這說明，當碳含量為0.20%～0.45%時，夾雜物主要以球形和紡錘形的形態為主；對比2#和3#發現，當含碳量為0.45%～0.70%時，夾雜物以長條形的形態為主；對比3#和4#發現，當含碳量為0.70%～1.0%時，夾雜物以球狀或紡錘形的形態為主。

圖3 不同碳含量的試樣中硫化錳夾雜物的長寬比

2.4 不同碳含量對鑄態鋼組織中硫化錳夾雜物影響的機理

硫化錳的形成主要包含4種不同的反應，第I類和第II類硫化錳形態屬于偏晶反應，第III類和第IV類硫化錳形態屬于共晶反應。不管是偏晶反應還是共晶反應，在相變過程中都會受到鋼中含碳量的影響。不含碳的Fe-Mn-S合金中只有偏晶反應，所以形成第I類和第II類硫化物；而含碳量為0.2%的合金，由于冷卻很慢，硫化錳從液體中結晶的趨勢很小；隨著碳含量增加，結晶趨勢明顯；當含碳量為1%時，完全成為結晶型，即只有第III類和第IV類硫化錳[7]。

在凝固過程中，鐵元素會發生同素異構轉變，而碳元素會影響這一轉變過程，進而影響先析出相。隨著碳含量增加，δ鐵素體的先析出量越來越少，當碳含量增加到0.6%時，先析出相則完全為γ奧氏體。一方面是由于γ奧氏體中硫的溶解度低，另一方面由于γ奧氏體作為先析出相，使得析出溫度升高，在凝固過程中發生枝晶偏析。硫元素的濃度增加，其在δ鐵素體中的溶解度大于在γ奧氏體中的溶解度，產生顯微偏析，進而在凝固前沿析出[8-9]。

一般認為，球狀硫化錳是在偏晶反應相變時生成，而塊狀硫化錳是在共晶反應相變時生成。碳含量的增加提高了硫的活度，并降低了鐵的熔點，促使穩定的共晶反應發生[10]。碳含量增加，會使氧含量降低，氧化物數量也會隨之減少，使得異質形核的核心隨著減少，即覆蓋在氧化物上的硫化錳夾雜物也會減少。而從塊狀硫化錳的形態中可以看出，塊狀硫化錳在溶液中是以固態沉淀形式析出的。因為碳元素使硫的活度提高了，硫化錳夾雜物自發形核會更容易發生。當其余成分不變時，隨著碳含量增加，MnS的初始析出溫度降低，加上鋼的深度脫氧，晶粒長大時間也會隨著碳含量的增加而下降，夾雜物的相對面積逐漸減小[11-12]。使MnS在凝固末端以共晶第II類形式析出，而這種大量偏聚在晶界處的棒狀和鏈狀MnS會嚴重危害易切削非調質鋼的切削及力學性能。

3 結論

硫化錳夾雜物大多為第Ⅰ類和第Ⅲ類形態，分布不均勻。隨著碳含量增加，硫化錳夾雜物的長和寬呈先增加后減少的趨勢。3#試樣中硫化錳夾雜物的尺寸最大，當碳含量在0.20%～0.45%時，夾雜物以球形和紡錘形的形態為主，當含碳量在0.45%～0.70%時，夾雜物以長條形形態為主，當含碳量在0.70%～1.0%時，夾雜物以球狀或紡錘形形態為主。