熱變形工藝對鈰-硫易切削不銹鋼中硫化物形態演變的影響

王英虎， 鄭淮北， 宋令璽， 劉庭耀

(1. 成都先進金屬材料產業技術研究院股份有限公司， 四川 成都 610000；2. 海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室， 遼寧 鞍山 114009；3. 北京科技大學 國家材料服役安全科學中心， 北京 100083)

硫化物是含硫易切削不銹鋼中常見的非金屬夾雜物之一，其形貌、尺寸與分布狀態對鋼材的綜合性能有著非常重要的影響[1]。硫化物可以有效改善易切削鋼的切削性能，其在鋼中具有很好的塑性，可作為軟質相起潤滑作用，降低刀具的磨損，且周圍存在附加應力，在加工過程中引起的應力集中可促進裂紋生成，使切削屑更容易斷裂，從而使鋼材的可加工性能提高[2]。但是由于硫化物具有很好的變形能力，在軋制或鍛造的過程中會沿變形方向延展成細長條狀，引起鋼材的各向異性，嚴重降低材料的橫向力學性能[3-6]。長條狀的硫化物還會在易切削鋼板中成為裂紋源，降低其使用壽命[7]。有研究表明，當硫化物為球形或紡錘形(即長寬比≤3)時對提高鋼材的切削性能最為有利，這種形態的夾雜物在加工過程中變形也最小，可以降低硫化物對橫向力學性能的損害[8-9]。因此，易切削鋼中硫化物的形貌、尺寸與分布狀態等方面的控制變得尤為重要，本文利用熱模擬試驗研究了變形參數對鈰-硫易切削鋼中硫化物變形規律的影響，以期為鈰-硫易切削鋼熱加工過程中硫化物形態控制提供理論支持。

1 試驗材料及方法

使用VIM-150真空感應爐冶煉鈰-硫易切削416不銹鋼鑄錠，鑄錠尺寸為φ200 mm×350 mm。使用ELTRA CS800型紅外碳硫儀測定其C、S質量分數，使用ONH-2000型氧氮氫分析儀測定O、N和H的質量分數，使用IRIS Intrepid Ⅱ XSP型ICP光譜儀測得Ce與La的質量分數，使用OBLF QSN750型光譜儀測定其他主要元素的質量分數，得到鈰-硫易切削不銹鋼的化學成分，如表1所示。利用線切割設備在鑄錠1/2半徑處取樣后機加工成尺寸為φ8 mm×12 mm的圓柱壓縮試樣。高溫壓縮試驗方案如圖1所示，在Gleeble-3500熱模擬試驗機上以10 ℃/s的升溫速度加熱到1250 ℃，保溫120 s使試樣溫度均勻，再以10 ℃/s 的速率降至熱變形溫度并保溫180 s，變形方式為恒溫恒應變速率軸向壓縮，應變速率為0.01 s-1；壓縮變形溫度分別為800、900、1000和1100 ℃，工程應變量分別為10%、30%、50%和70%，熱壓縮過程中為使試樣的變形均勻，壓縮前在圓柱體試樣兩端加放石墨片及鉭箔片并涂抹潤滑劑以減少摩擦對應力狀態的影響，在試樣表面焊接鎳鉻、鎳鋁熱電偶以補償試樣表面溫度的變化，加熱方式為高頻感應加熱，為保持變形組織，變形結束后快速空冷至室溫。用線切割設備將冷卻后的熱模擬試樣從中心沿壓縮軸方向剖開，用Struers CitoPress-30鑲樣設備制成金相試樣，用PRESI SA Mecatech 234自動磨拋機對試樣進行磨制、拋光，用CARL ZEISS Axio Imager A 1 m光學顯微鏡和Phenom Partical X臺式掃描電鏡對硫化物的形貌進行觀察并用掃描電鏡附帶的能譜儀分析硫化物的成分；使用Phenom Partical X臺式掃描電鏡-能譜儀中的自動統計分析軟件對試驗鋼中硫化物的長寬比、尺寸及數量等進行分析，每個試樣統計分析的面積均大于5.0 mm2。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數，%)

圖1 高溫壓縮試驗方案Fig.1 Schematic diagram of high temperature compression test

2 試驗結果與討論

2.1 硫化物形貌與分布規律

圖2為鈰-硫易切削不銹鋼鑄坯中的硫化物在光學顯微鏡下的金相照片。由圖2可以看出，鈰-硫易切削不銹鋼鑄坯中的硫化物呈球形、橢球形、紡錘形或短棒狀，并以簇狀沿晶界分布，該類形態的硫化物一般被認為是共晶反應生成的。在冶煉過程中液相向固相發生凝固反應時，晶粒間殘余液相中S偏析會導致S富集，使得硫化物與高溫鐵素體互相搭橋析出，形成了這種硫化物簇狀分布的形態[10]。在20世紀80年代，Ito等[11-12]對低碳鋼中的硫化物形貌進行了分類：第Ⅰ類為球形復合夾雜物，無規則分布，由亞穩態偏晶反應生成；第Ⅱ類呈長棒狀或扇形，沿晶界呈鏈狀或網狀分布，由穩定的共晶反應生成；第Ⅲ類呈多面體形，無規則分布，由非穩態共晶(偽共晶)反應生成。其中第Ⅱ與第Ⅲ類硫化物可通過熱加工的方式改善其形貌、尺寸與分布狀態[13-14]。由圖2可以明顯看出，鈰-硫易切削不銹鋼鑄坯中硫化物符合第Ⅱ類硫化物的形貌與分布特征。

圖2 鈰-硫易切削不銹鋼鑄坯中硫化物形貌Fig.2 Morphologies of sulfide in the cerium-sulfur containing free-cutting stainless steel casting billet

圖3為鈰-硫易切削不銹鋼鑄坯中典型硫化物的SEM形貌及其元素分布。由圖3可以看出，此夾雜物為復合型稀土硫化物，中間部分在電鏡下呈白亮色，是由含Al、Ce、O和Si等元素構成的氧化物，外圍包裹的是硫化錳。孫榮耀等[15]研究發現，通過稀土處理可在硫含量為0.065%的45TiS含硫易切削鋼中形成Ce2O2S和Ce2S夾雜物，改善硫化物形貌，有效提升鋼材的切削性能。范磊等[16]研究發現，在硫含量為0.24% 的高硫易切削鋼中加入0.01%的Ce后，在鋼中形成了3.01%的以CeAlO3為核心，外圍包裹MnS的復合型稀土夾雜物。

圖3 鈰-硫易切削不銹鋼鑄坯中典型硫化物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

圖4為鈰-硫易切削不銹鋼熱變形后硫化物的形貌。由圖4可以看出，在800～1100 ℃溫度范圍內，變形溫度對硫化物的影響較小，但是變形量對硫化物形貌產生了較大影響。當變形量為10%時，硫化物仍保持著鑄態形貌，以球形、橢球形、紡錘形或短棒狀沿晶界分布，如圖4(a,e,i,m)所示；當變形量為30%時，短棒狀的硫化物數量增多，硫化物尺寸沿變形方向變大，如圖4(b,f, j,n)所示；當變形量為50%時，細長條狀的硫化物出現，硫化物沿變形方向產生明顯變形，球形與橢球形硫化物數量減少，如圖4(c,g,k,o)所示；當變形量為70%時，硫化物變得更加細小并且數量明顯增加，在基體中的分布更加均勻，如圖4(d,h l,p)所示。

圖4 熱變形后鈰-硫易切削不銹鋼中硫化物的形貌變形溫度：(a～d)800 ℃;(e～h)900 ℃;(i～l)1000 ℃;(m～p)1100 ℃變形量:(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 硫化物尺寸統計分析

圖5為熱變形參數對鈰-硫易切削不銹鋼中硫化物的分布密度和單個硫化物平均面積的影響。其中，硫化物的分布密度=硫化物總量/統計面積；單個硫化物平均面積=硫化物總面積/硫化物總量。由圖5(a)可以看出，在800～1100 ℃溫度范圍內，隨著變形量增加，硫化物的密度逐漸增加，變形溫度對硫化物密度的影響較小；由圖5(b)可以看出，在800～1100 ℃溫度范圍內，隨著變形量的增加，單個硫化物的平均面積逐漸減小。由此可知，適當增加變形量有利于增加硫化物數量，并可以使硫化物尺寸更加細小。

圖5 熱變形對鈰-硫易切削不銹鋼中硫化物分布密度(a)和平均面積(a)的影響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

圖6為熱變形參數對鈰-硫易切削不銹鋼中硫化物長寬比分布的影響，其中，長寬比為Phenom Partical X臺式掃描電鏡-能譜儀統計出的穿過硫化物質心的16條弦線中的最長弦線的長度與垂直于最長弦線的弦線長度的比值。在800～1100 ℃溫度范圍內，變形溫度對硫化物的長寬比影響較小，但是變形量對長寬比產生了較大影響。由圖6(a～c)可以看出，在800～1000 ℃溫度范圍內，隨著變形量從10%增加到70%，長寬比≤3的硫化物所占比例逐漸減小，3<長寬比≤5和5<長寬比≤10的硫化物數量逐漸增加，這是因為鈰-硫易切削鋼在較低溫度范圍內變形，硫化物會隨著基體變形被拉長，逐漸變成了長條狀，并且不會發生熔斷或者重新形核。由圖6(d)可以看出，當變形溫度為1100 ℃時，隨著變形量從10%增加到50%，長寬比≤3的硫化物所占比例逐漸減小，但當變形量增加到70%時，長寬比≤3的硫化物所占比例又有所增加，這是因為硫化物發生高溫大變形時會發生熔斷或重新形核，從而導致長寬比≤3的細小硫化物比例增加。

圖6 熱變形參數對鈰-硫易切削不銹鋼中硫化物長寬比分布的影響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 ℃

圖7 熱變形參數對鈰-硫易切削不銹鋼中硫化物平均長度分布的影響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 ℃

圖8為熱變形參數對鈰-硫易切削不銹鋼中硫化物最大弦長分布的影響，其中最大弦長為穿過硫化物質心的16條弦線中最長弦線的長度。由圖8(a～c)可以看出，在800～1000 ℃溫度范圍內，隨著變形量從10%增加到70%，10 mm30 mm 的硫化物比例逐漸增加，Lmax≤3 mm與3 mm30的硫化物比例逐漸增加，但當變形量增加到70%時，10 mm30 mm的硫化物比例又大幅度減少，而Lmax≤3 mm的硫化物比例大幅度增加，這是因為硫化物在高溫大變形時發生熔斷或重新形核，硫化物變得更加細小，這與圖6和圖7的分析結果是一致的。

2.3 硫化物的相對塑性

有研究發現[17]，當易切削鋼在熱變形時會發生再結晶，晶界增殖會把重新形核的硫化物分割，使硫化物的分布趨于彌散均勻，硫化物的尺寸也會變得更加細小。變形溫度、變形量對鈰-硫易切削不銹鋼再結晶行為的影響如圖9所示。由圖9可以看出，隨著變形溫度的增加，變形抗力逐漸降低，試驗鋼在1000～1100 ℃溫度范圍內表現出較好的熱塑性，在此溫度范圍內試驗鋼在變形過程中發生加工硬化、動態回復與動態再結晶，動態回復和動態再結晶的發生使流變應力下降，軟化作用加強，變形過程中晶界處的應力集中得到緩解[18-19]。由圖9(d)可以明顯看出，試驗鋼在1100 ℃產生70%變形的過程中發生了明顯的動態再結晶，晶界增殖可以對基體內的硫化物產生一定的分割作用。

圖9 變形溫度、變形量對鈰-硫易切削不銹鋼再結晶行為的影響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%

鈰-硫易切削鋼中硫化物隨基體發生變形的程度可以用相對塑性表示，相對塑性與熱變形參數密切相關，可以定義為變形過程中硫化物真應變與基體真應變的比值。壓縮過程中硫化物與基體間的相對塑性v可用Malkiewicz等[20]提供的公式計算，即：

(1)

式中：εi為硫化物真應變；εm為試驗鋼基體真應變；λ0、λ分別為硫化物熱變形前后的平均長寬比；h0、h分別為試驗鋼原始長度和壓縮后的長度。由Phenom Partical X臺式掃描電鏡-能譜儀統計出的長寬比與基體的變形量代入公式(1)中，得出熱變形參數對硫化物相對塑性的影響，如圖10所示。由圖10可以看出，試驗鋼在10%～70%變形范圍內，硫化物的相對塑性先升高，在30%變形量達到峰值后又逐漸降低。在800～1100 ℃溫度范圍內，當變形量不變時，硫化物的相對塑性隨變形溫度的升高逐漸降低。硫化物在變形過程中不僅會隨著變形量的增加發生伸長，一定變形條件下還會發生破碎斷裂，因此硫化物在變形過程中長寬比及尺寸的變化較為復雜。高溫大變形使硫化物相對塑性降低，主要是因為高溫與大變形會促進硫化物熔斷和重新形核，從而降低硫化物的長寬比，使硫化物變得更加細小[21-22]。

圖10 熱變形參數對鈰-硫易切削不銹鋼中硫化物相對塑性的影響Fig.10 Influence of thermal deformation parameter on sulfide relative plasticity of the cerium-sulfur containing free-cutting stainless steel

3 結論

1) 鈰-硫易切削不銹鋼鑄坯中的硫化物呈球形、橢球形、紡錘形或短棒狀并以簇狀沿晶界分布，屬于第Ⅱ類硫化物。

2) 鈰-硫易切削不銹鋼在800～1100 ℃溫度范圍內變形時，變形量對硫化物形貌會產生較大影響，當變形量為10%時，硫化物仍保持鑄態形貌，以球形、橢球形、紡錘形或短棒狀沿晶界分布；當變形量為30%時，短棒狀的硫化物數量增多，硫化物尺寸沿變形方向增大；當變形量為50%時，細長條狀的硫化物出現，硫化物沿變形方向產生明顯的變形，球形與橢球形硫化物數量減少；當變形量為70%時，硫化物變得更加細小并且數量明顯增加。隨著變形量的增加，基體中的硫化物密度逐漸增加，硫化物的平均面積逐漸減小。

3) 試驗鋼在10%～70%變形量范圍內，硫化物的相對塑性在30%變形量達到峰值后又逐漸降低。在800～1100 ℃溫度范圍內，當變形量不變時，硫化物的相對塑性隨變形溫度的升高而逐漸降低。由此可知，鈰-硫易切削不銹鋼的熱加工溫度應控制在1100 ℃以上，并且變形量應大于70%，這樣才能得到均勻彌散細小的紡錘形硫化物。