碲對Y1Cr13 易切削不銹鋼中硫化物改質的工業研究

吳良平，付正剛，周茂華，王建強，謝劍波，付建勛, *

（1.上海大學材料科學與工程學院先進凝固技術中心,省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室,上海 200444；2.攀鋼集團四川長城特殊鋼有限責任公司,四川 江油 621000）

0 引言

不銹鋼具有耐腐蝕、耐高溫等優良特性，被廣泛應用于各個領域，因此其消費量每年都在不斷增加[1]。Y1Cr13 又稱416 不銹鋼，是一種硫含量較高的易切削不銹鋼，主要用于電機、電氣元件的生產[2-3]，由于鋼中含有大量的硫化物，而這些硫化物具有良好的變形能力，在軋制過程中沿軋制方向延展成長條狀，過細的硫化物降低了切屑的斷屑性，并惡化鋼材的橫向性能[4-7]，還容易導致軋制過程劈頭開裂的發生。因此，有必要對硫化物的形態進行調控，將硫化物形貌向橢球狀方向調控。

目前，向鋼中添加碲元素對硫化物進行改質處理被認為是控制硫化物形態的有效途徑。Katoh等[8]研究了鋼中碲含量對軋制后硫化物長寬比的影響，發現當Te/S 值通常小于0.2%時，鋼中的所有碲均有效地作用于MnS 的球化。張碩等[9]研究發現向鋼中添加一定含量的碲元素，會在MnS 硫化物的表面形成碲、錳、鐵的復合相。李杰等[10]研究發現303Cu 不銹鋼中加入碲，可以減少小尺寸夾雜物的數量，增多大尺寸夾雜物的數量，增大夾雜物平均等效直徑和平均面積，夾雜物和基體的硬度均先增大后減小。Zheng 等[11]通過在1 600 ℃下向鋼液中加入不同量的碲，研究了碲對硫化物形成的影響，發現凝固期間和凝固后分別形成了粗晶和細晶硫化物，這兩種類型都顯示出鏈狀模式。Shen 等[12]研究了碲在易切削鋼中的應用，對Te 對MnS 硫化物的改性規律進行了總結和闡述，結果表明，當鋼中加入少量的Te，可以顯著降低鋼中硫化物的長寬比，提高球化率。Wu 等[13]研究了Te 對MnS 硬度的影響，結果表明，Te 的添加可以提高MnS 的硬度，因此添加Te 后的MnS 在軋制過程中更不易變形，依然可以保持良好的形態，有利于提高軋材的成材率。Xie 等[14]研究了Te 對Y1Cr17 不銹鋼中含碲固溶體形態和成分特征的影響，結果表明，Te 使夾雜物沿晶界分布且尺寸增大，降低了固溶體中Nb 和Fe的含量，提高了Cr 的含量，對含Te 固溶體中S 的含量有很大的影響。但目前碲改質處理缺乏大規模工業試驗的相關報道。

由于某鋼廠生產的Y1Cr13 不銹鋼中硫化物形態控制水平較低，導致了軋材劈頭開裂、切削性能差等問題。因此，筆者通過向Y1Cr13 不銹鋼生產工藝中添加碲開展工業試驗研究，以改質鋼中硫化物夾雜的形態，并進一步提升鋼的切削性能。借助金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡，Image-Pro Plus 圖像分析軟件等手段分析了鋼中夾雜物的形態和分布，并研究了碲對Y1Cr13 不銹鋼改質的效果，以及開展了切削試驗研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

Y1Cr13 易切削不銹鋼的生產工藝為：40 t 電爐→AOD→LF→連鑄→軋制，在LF 精煉末期，向鋼中添加含碲包芯線進行硫化物改質。1#、2#、3#試樣為含碲易切削鋼盤條，碲含量為0.0110%，化學成分見表1，碲含量為北京鋼研納克國家鋼鐵材料測試中心檢測。相同工藝不含碲的盤條為原樣。圖1為工業試驗喂線的現場照片及包芯線。

圖1 工業加碲試驗現場（a）和含碲包芯線（b）Fig.1 Industrial test pilot (a)and the Te-containing cored wire (b)

表1 試驗鋼的主要化學成分Table 1 Main chemical compositions of the experimental steels %

1.2 硫化物測試及切削試驗

原樣軋材的斷面尺寸為?16mm，1#樣為?16 mm、2#為?8 mm 和 3#樣 為?5.5 mm，按GB/T10561-2005《鋼中非金屬硫化物含量的測定》對試樣進行取樣，對觀察面進行打磨、拋光、烘干后，采用蔡司金相顯微鏡（OM）結合Image-Pro Plus 專業圖像分析軟件對硫化物進行評級及統計，采用SEM 和EDS 對試樣中典型硫化物的形貌和成分進行分析。

切削試驗取四個試樣的盤條進行測試，切削設備為C61320 型車床，其中61 代表臥式機床，320 為最大加工件回轉直徑，試驗刀具為YW2 硬質合金機夾式車刀。先將軋材車去外皮，然后在不同切削轉速參數下進行車削試驗，每次切削后收集切屑并對切削后的軋材表面粗糙度進行檢測，檢測標準采用日本JIS94 標準。表面粗糙度測量原理為：檢測時金剛石仿形探頭在檢測表面上移動，然后將探頭的移動轉換為電信號的波動，通過放大器將試樣表面形貌記錄下來，最終形成表面粗糙度曲線圖和相應的數值。本次檢測表面粗糙度探頭移動速度為0.50 mm/s，每段移動距離為0.8 mm，評定長度為4.0 mm。

2 結果與討論

2.1 碲對硫化物評級的影響

A 類硫化物評級是鋼中品質的一個重要判斷指標，分別對Y1Cr13 不銹鋼原樣及碲改質的不同規格軋材中A 類硫化物進行評級，具體分析碲對硫化物改質的工業效果。

根據國家標準GB/T 10561-2005/ISO 4967:1998(E)，對軋材原樣和碲改質后的軋材試樣中A 類硫化物分別選取20 個100 倍視場進行國標評級，且由于Y1Cr13 不銹鋼屬于高硫易切削不銹鋼，采用德國標準DIN 50602-1985 評級方式更為準確。按GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物的測定》進行制樣，在光學顯微鏡100×的放大倍數下拍照20張，選取最惡劣的一張金相照片與圖譜進行比對，為了更好地與黑白圖譜標準比較，采用ImageJ 圖像處理軟件對金相照片進行了黑白翻轉，得到各試樣的評級結果如圖2 所示，各樣品的綜合評級結果如表2所示。

圖2 最惡劣視場下金相照片及對應圖譜Fig.2 Metallographic photos and corresponding maps under the worst viewing field

表2 Y1Cr13 不銹鋼原樣及碲改質軋材A 類硫化物評級對比Table 2 Grade of type A inclusions in Y1Cr13 stainless steel and Te modified rolled bars

未改質原樣中硫化物細系總長度在1 956～2 666 μm，粗系總長度在998～1 630 μm。按照國標最惡劣視場作為評級的原則，未改質原樣評級為細系5.5級，粗系4.5 級。工業試驗進行碲改質后，1#樣軋材中硫化物細系總長度在570～824 μm，粗系總長度在814～1 581 μm，2#樣軋材中硫化物細系總長度在735～1 505 μm，粗系總長度在918～1 512 μm，3#樣軋材中硫化物細系總長度在534～1 125 μm，粗系總長度在476～854 μm。

對比未改質原樣軋材和碲改質工業試驗后的軋材硫化物國標和德標評級，可以看出，適量碲的添加明顯改善了硫化物的形態，粗系和細系評級均降低，硫化物德標評級由原來的3-1 級降低到2-2 級。

2.2 碲對硫化物形態的影響

利用金相顯微鏡觀察硫化物形貌并拍照記錄，在×100、×200 和×500 視場下對鋼中的硫化物進行觀察和檢測，圖3 為未改質的軋材原樣和不同直徑Te 改質軋材中典型硫化物不同倍數視場下的金相照片。從圖3 中可以看出，在軋制狀態下，其中軋材原樣中硫化物多為細長條狀，1#樣、2#樣和3#樣為碲改質后不同規格的軋材試樣，碲改質后的同規格1#樣與未改質的軋材原樣相比，硫化物多呈橢球狀或紡錘狀分布，長條狀硫化物大大減少，硫化物分布更加細小彌散和均勻，隨著軋材直徑的減小，軋制壓縮比增大，理論上硫化物變形量增大，但2#樣和3#樣中硫化物仍能保持良好的形態，說明碲改質后的軋制過程中，硫化物的抗變形能力增強，硫化物的形態得到了很大改善。

圖3 不同倍數下四個軋材試樣中典型硫化物夾雜的金相照片Fig.3 Metallographic photos of typical sulfides in four rolled bars at different magnifications

利用IPP 6.0 軟件對各試樣中硫化物的尺寸、數量及長寬比等進行統計，結果如表3 及圖4 所示。分析圖表可知Te 改質直徑為16 mm 軋材的硫化物的平均面積與等效直徑均大于未改質直徑為16 mm 的軋材，表明Te 具有粗化MnS 的作用。未改質原樣總長寬比為6.79，Te 改質后的1#樣、2#樣和3#樣總長寬比分別為3.65、3.89 和3.31，說明Te改質后硫化物總長寬比降低，并且Te 改質后軋材中長寬比在1～3 的硫化物所占的比例與未改質軋材相比也均有所提高，從圖4 可以看出碲改質軋材中硫化物長寬比主要分布在3 以內，長寬比小于3的硫化物所占比例分別為86.5%、80.3%和91.2%，形態趨于短粗條狀；相比而言，未改質軋材中硫化物長寬比較大，其中硫化物長寬比分布在3 以內的夾雜物占比為55.4%，長寬比大于3 的夾雜物占比為44.6%，較碲改質軋材多，表明Te 改質后軋材中球狀或橢球狀硫化物增加，有利于降低對鋼材橫向性能的影響。

表3 軋材硫化物統計Table 3 Statistics of the inclusions in the rolled bars

圖4 軋材硫化物長寬比Fig.4 Aspect ratio of inclusions in the rolled bars

利用掃描電子顯微鏡觀察硫化物形態，如圖5所示，未改質原樣中硫化物為灰色硫化物，大多呈細長條形，尺寸在20～30 μm 左右，在Te 改質后，軋材中硫化物主要為灰色硫化物和復合硫化物，灰色硫化物呈橢球形或紡錘形，尺寸在10～20 μm 左右，分布彌散，說明在軋制后，不同直徑軋材中的硫化物均能保持良好的形態，復合硫化物為白色物質附著在灰色硫化物的兩端。

圖5 四個軋材試樣中典型硫化物夾雜掃描照片Fig.5 SEM images of typical sulfides in four samples

利用能譜對四個試樣中典型硫化物進行分析，如圖6 所示。由圖6 可知，未改質原樣為MnS 夾雜物，在Te 改質后，MnS 周圍析出MnTe，形成MnSMnTe 復合夾雜物。

圖6 四個軋材試樣中典型硫化物能譜Fig.6 EDS analysis of the typical sulfides in four rolled bars

2.3 碲改質對切削性能的影響

目前，評價切削性能的指標主要包括：刀具切削壽命、刀具的斷屑性（切屑形貌）、表面光潔度。刀具的切削壽命往往需要長時間的切削才能測定，由于本試驗在實驗室進行，無法進行長時間切削來測定刀具的切削壽命，故采用刀具的斷屑性和表面光潔度來評價碲改質對切削性能的影響。

對未改質原樣軋材和碲改質軋材進行切削，切削參數為：轉速依次為180、360 r/min 和560 r/min，切削深度ap＝1.0 mm，進給量f＝0.10 mm/r，在切削過程中收集切屑，切屑形貌如圖7、8 所示。

圖7 未改質原樣軋材不同轉速下的切屑形貌Fig.7 Chip morphologies of the rolled bars at different cutting speeds

圖8 碲改質軋材不同轉速下的切屑形貌Fig.8 Chip morphologies of the Te-modified rolled bars at different cutting speeds

由圖7、8 可知，改質前后C 型屑的比例都隨著轉速的增加而增加，且相同轉速下，碲改質后能夠降低切屑長度，并增加了C 型屑的比例，切屑長度越長，說明鋼材在切削過程中排屑能力越差，由于切削時切屑熱量主要是由切屑帶走，所以切屑長度越短，說明鋼材越易切削，碲改質后鋼材的切屑長度均較未改質處理短，所以碲改質處理能夠增加鋼材的切削加工性能。

為了對切屑進行細致的分析，接下來對切屑進行分類，從切屑形貌可以發現，切屑大致分為三類：長螺旋屑（＞2 圈）、短螺旋屑（≤2 圈）、C 型屑，如圖9 所示，其中長螺旋屑容易纏繞在刀具上，劃傷工件表面或損壞刀具，切削過程應避免此類屑的形成。短螺旋屑也是一種相對較好的屑形，切屑的產生比較平穩且易于清除，一般在精加工時要求形成該類屑形。C 型屑是一種非常好的切屑形狀，該類切屑容易排出，而且不會對工件表面產生影響。本次切削試驗對軋材切削性能的評判主要以C 型屑為主。

圖9 切屑的類型Fig.9 Chip types

為了更準確地分析切屑形態對切削性能的影響，對上述不同類型的切屑進行分類后統計該類型屑所占的質量百分比，其統計結果如圖10 所示。從圖10 可以看出，碲改質前后切屑的形狀主要為C型屑，轉速在180、360 r/min 和560 r/min下，未改質原樣軋材切屑中C 型屑的比例依次為53%、59%、64%，碲改質軋材切屑中C 型屑的比例依次為86%、90%、93%，在相同轉速下，碲改質軋材的C 型屑比例均明顯增加，說明碲的添加可以提升工件的切削性能。

圖10 未改質原樣和碲改質切屑的統計結果Fig.10 Statistical results of unmodified sample and the Te-modified chip

結合切屑形態和切屑統計結果可以看出，在切削速率為180、360 r/min 和560 r/min下，碲改質后C 型屑的比例均較未改質的高，所以碲的添加使軋材的切削性能得到了改善。

使用表面粗糙度測量儀對切削試樣的表面光潔度進行測量。工件表面形貌的粗糙度為Ra、Ry、Rz，其中Ra為在測量長度L內輪廓偏距絕對值的算術平均值，Ry為測量長度L內最高點和最低點之間的距離，Rz為在測量長度內5 個最高點的平均值與5個最低點的平均值之和。結合實際生產，本次試驗選取Ra作為表面粗糙值的比較對象。對每個切削后的試樣表面測量三個點的表面粗糙度并求取平均值，不同轉速下表面粗糙度的值如表4 所示。

表4 切削鋼表面粗糙度統計Table 4 Statistics of surface roughness of the machining steels

由表4 中數據可以發現，工件表面粗糙度值均在560 r/min 時最大，在360 r/min 時最小。當進給量f＝0.1 mm/r、切削深度ap＝0.5 mm時，轉速在180、360 r/min 和560 r/min下，碲改質后的軋材表面平均粗糙度Ra值均小于原樣軋材，說明碲改質后的軋材在切削后軋材表面光潔度較好，原樣軋材表面光潔度不如碲改質軋材。因此，在相同表面粗糙度的要求下，未改質原樣軋材的加工效率不如碲改質后的軋材，從而切削加工性能不如碲改質后的軋材，說明Te 改質之后的Y1Cr13 不銹鋼具有優良的切削性能。

有研究表明，加入到鋼水中的Te 能迅速包圍在MnS 夾雜周圍，生成規則圓整的MnS＋MnTe 共生物，使硫化物形態改善并彌散均勻地分布于鋼中，破壞了金屬基體的連續性，使切屑易于碎斷，進而使得鋼的切削加工性得到極大的改善[15]。

3 結論

1)碲改質工業試驗結果表明：碲改質后硫化物大小、數量、分布、形貌明顯優化；硫化物評級由未改質前的3-1 級下降到了2-2級，硫化物評級得到了顯著提升；未改質軋材中的硫化物紡錘率為55.4%，總長寬比為6.79，碲改質軋材中的硫化物紡錘率分別為86.5%，80.3%、91.2%，總長寬比分別為3.65、3.89 和3.31；說明碲改質后的Y1Cr13 不銹鋼中硫化物紡錘率提高，硫化物形態得到改善。

2)切削試驗中當轉速在180、360 r/min 和560 r/min下，進給量f=0.10mm/r，切削深度ap=1.0 mm時，未改質原樣軋材切削所得C 型屑所占切屑質量百分比分別為53%、59%、64%，切削后工件表面粗糙度Ra分別為3.407、2.112、4.186 μm；碲改質軋材切削所得C 型屑所占切屑質量百分比分別為86%、90%、93%，切削后工件表面粗糙度Ra分別為2.302、1.978、3.220 μm；說明碲改質后的Y1Cr13 不銹鋼切削性能提高。