Mn/S对含硫非调质钢中硫化物形态的影响.pdf_大学文库

第36卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.36 Suppl.1 2014年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2014 Mn/S对含硫非调质钢中硫化物形态的影响吴华杰)四，岳峰”，尤大利”，陆鹏雁”，刘请，陈维玮》，周蕾) 1)北京科技大学治金工程研究院，北京1000832)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 3)南京钢铁股份有限公司新产品研发推广中心，南京210035 ☒通信作者，E-mail:whjyeah@l63.com 摘要通过实验室真空感应炉治炼铸锭然后锻造成棒材的方法，研究了不同M/S(质量比)对含硫非调质钢中硫化物形态的影响.研究结果表明：提高Mn/S有利于改善铸态和棒材中硫化物的分布均匀性：随着M/S的提高，棒材中长宽比<3形态的硫化物由5%左右提高至25%以上，Mn/S提高有利于硫化物的球化或纺锤化控制：实验条件下，Mn/S应控制在40左右. 关键词硫化物：Mn/S:长宽比：非调质钢分类号TF762 Effect of Mn/S on sulfide inclusions in non-quenched and tempered steel contai- ning sulfur WU Hua-jie",YUE Feng”,YOU Da-,LU Peng→an”,LIU Jing》,CHEN Wei--eei》,ZH0ULei》 1)Engineering Research Institute,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)New Product Development and Application Center,Nanjing Iron and Steel Co.Ltd.,Nanjing 210035,China Corresponding author,E-mail:whjyeah@163.com ABSTRACT The effect of Mn/S (mass ratio)on sulfide inclusions in non-quenched and tempered steel containing sulfur was studied by smelting with vacuum reduction furnace and forging in laboratory.It is found that the distributions of sulfides both in ingots and bars tend to be more dispersed with the increase of Mn/S:and it is beneficial to make the sulfides be globular or spindle with the increase of Mn/S because the percentage of sulfides whose length-width ratio is less than 3 is increased from about 5%to more than 25%.The recommended Mn/S ratio is about 40 under the experimental conditions. KEY WORDS sulfides:Mn/S:length-width ratio;non-quenched and tempered steel 钢的夹杂物中硫化物塑性很好，并且可以有效验室小炉实验研究了不同Mn/S对中硫非调质钢中改善钢材的切削性能，因而非调质钢中通常含有一硫化物形态的影响，以期能够为优化该类钢种的成定量的硫.在轧制变形以后易生成细长条状的硫化分体系提供实验依据. 锰，引起钢材力学性能的各向异性·习，因此，合理 1实验方法控制钢中硫化物的析出，使其具有合适的形态、尺寸、数量以及分布，对提高非调质钢等高品质钢的综为了研究锰硫比对硫化物析出的影响，实验合性能有着重要意义-，硫化物的形态控制也是采用ZQ001型7kg真空感应熔炼炉熔炼实验钢. 冶金行业致力解决的难点问题之一.不同的研究者以某企业的中硫非调质钢棒材为母料，配入不同从不同的角度对此问题开展了一系列研究，研究了的MnN和FeS调整钢中的Mn/S.真空熔炼过程硫化物的形成机理-，以及不同工艺因素对钢中中采用99%的高纯度氩气进行保护，熔清后将钢硫化物形态的影响，如钙处理、稀土处理、凝固速率、液浇注入b65mm圆柱形铸模，浇注温度约为1600 轧制温度、变形速率、熟化处理等.本文通过实 ℃.铸锭在空气中自然冷却.用箱式加热炉将铸收稿日期：2013-11一7 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.s1.015:http://jourals.ustb.edu.cn

第 36 卷增刊 1 2014 年 4 月北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 Suppl． 1 Apr． 2014 Mn /S 对含硫非调质钢中硫化物形态的影响吴华杰1) ，岳峰1) ，尤大利1) ，陆鹏雁1) ，刘靖2) ，陈维玮3) ，周蕾3) 1) 北京科技大学冶金工程研究院，北京 100083 2) 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 3) 南京钢铁股份有限公司新产品研发推广中心，南京 210035 通信作者，E-mail: whjyeah@ 163． com 摘要通过实验室真空感应炉冶炼铸锭然后锻造成棒材的方法，研究了不同 Mn /S( 质量比) 对含硫非调质钢中硫化物形态的影响．研究结果表明: 提高 Mn /S 有利于改善铸态和棒材中硫化物的分布均匀性; 随着 Mn /S 的提高，棒材中长宽比＜ 3 形态的硫化物由 5% 左右提高至 25% 以上，Mn /S 提高有利于硫化物的球化或纺锤化控制; 实验条件下，Mn /S 应控制在 40 左右．关键词硫化物; Mn /S; 长宽比; 非调质钢分类号 TF762 Effect of Mn /S on sulfide inclusions in non-quenched and tempered steel containing sulfur WU Hua-jie 1)  ，YUE Feng1) ，YOU Da-li 1) ，LU Peng-yan1) ，LIU Jing2) ，CHEN Wei-wei 3) ，ZHOU Lei 3) 1) Engineering Ｒesearch Institute，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) New Product Development and Application Center，Nanjing Iron and Steel Co． Ltd．，Nanjing 210035，China Corresponding author，E-mail: whjyeah@ 163． com ABSTＲACT The effect of Mn /S ( mass ratio) on sulfide inclusions in non-quenched and tempered steel containing sulfur was studied by smelting with vacuum reduction furnace and forging in laboratory． It is found that the distributions of sulfides both in ingots and bars tend to be more dispersed with the increase of Mn /S; and it is beneficial to make the sulfides be globular or spindle with the increase of Mn /S because the percentage of sulfides whose length-width ratio is less than 3 is increased from about 5% to more than 25% ． The recommended Mn /S ratio is about 40 under the experimental conditions． KEY WOＲDS sulfides; Mn /S; length-width ratio; non-quenched and tempered steel 收稿日期: 2013--11--17 DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． s1． 015; http: / /journals． ustb． edu． cn 钢的夹杂物中硫化物塑性很好，并且可以有效改善钢材的切削性能，因而非调质钢中通常含有一定量的硫．在轧制变形以后易生成细长条状的硫化锰，引起钢材力学性能的各向异性［1--3］，因此，合理控制钢中硫化物的析出，使其具有合适的形态、尺寸、数量以及分布，对提高非调质钢等高品质钢的综合性能有着重要意义［4--6］，硫化物的形态控制也是冶金行业致力解决的难点问题之一．不同的研究者从不同的角度对此问题开展了一系列研究，研究了硫化物的形成机理［7--8］，以及不同工艺因素对钢中硫化物形态的影响，如钙处理、稀土处理、凝固速率、轧制温度、变形速率、熟化处理等［9--15］．本文通过实验室小炉实验研究了不同 Mn /S 对中硫非调质钢中硫化物形态的影响，以期能够为优化该类钢种的成分体系提供实验依据． 1 实验方法为了研究锰硫比对硫化物析出的影响，实验采用 ZQ--001 型 7 kg 真空感应熔炼炉熔炼实验钢．以某企业的中硫非调质钢棒材为母料，配入不同的 MnN 和 FeS 调整钢中的 Mn /S．真空熔炼过程中采用 99% 的高纯度氩气进行保护，熔清后将钢液浇注入 65 mm 圆柱形铸模，浇注温度约为 1600 ℃ ．铸锭在空气中自然冷却．用箱式加热炉将铸

·78 北京科技大学学报第36卷锭加热至1250℃，保温1.5h,用锻压机将65mm 场中硫化物的数量、类型、尺寸和分布进行统计，研圆柱铸锭锻造成中25mm的圆棒，开锻温度1150 究Mn/S对铸态和锻材中硫化锰行为的影响.其中 ℃左右，终锻温度约850℃，锻后在空气中自然冷铸锭试样在200倍下随机观察20个视场，平均每个却至室温. 试样共统计硫化物约1000个；锻材试样在500倍下用线切割分别在各炉铸锭中间高度的径向1/2 随机观察50个视场，平均每个试样共统计硫化物约处和圆棒中心处沿锻造方向切取金相试样，尺寸为 800个. 10mm×10mm×12mm.试样经多道砂纸打磨、抛光实验共进行了5炉次，其化学成分见表1，实验后，在光学显微镜和扫描电镜下进行观察，对每个视钢的Mn/S范围为23.6~41.2. 表1实验钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of experiment steel % 炉号 C Si Mn P b Ti Mn/S ml 0.363 0.518 1.227 0.011 0.052 0.025 0.020 0.010 23.6 m2 0.371 0.461 1.267 0.015 0.053 0.025 0.020 0.010 23.9 m3 0.362 0.515 1.510 0.010 0.050 0.025 0.019 0.010 30.0 m4 0.314 0.538 1.659 0.009 0.046 0.026 0.021 0.006 36.1 m5 0.333 0.388 1.812 0.009 0.044 0.026 0.024 0.006 41.2 2 实验结果与分析二类为链状分布的，第三类团簇状分布的，典型扫描电镜形貌如图1所示. 2.1Mn/S对铸锭中硫化物的影响铸锭中不同Mn/S典型硫化物形态及分布如图 (1)Mn/S对硫化物的形态和在铸锭中分布的 2所示.通过观察可以发现，随着Mn/S的增加，硫影响. 化物的分布和形态发生了明显的改变，分布由聚集通过金相和扫描电镜(SEM)观察发现，铸锭中状向弥散状转变，形态由棒状、不规则形状向球状硫化物的分布形式有三类，第一类为独立存在的，第转变 a (b) 20 um 10jm 10pm 图1铸态下不同类型硫化物扫描电镜形貌.(a)独立：(b)链状：(c)簇状 Fig.1 SEM morphologies of different types of sulfides in ingots:(a)alone:(b)catenulate:(c)areatus 当Mn/S在24左右时，钢中硫化物主要呈簇状 65%左右降低到约30%：链状硫化物所占比例也和链状分布，几乎没有独立存在的硫化物：当M/S 降低至不到25%.Mn/S的增加减少了奥氏体固为30时，硫化物开始变得分散，出现了独立存在的溶的硫含量，进而减少了奥氏体晶界析出的硫化硫化物；当Mn/S为36.1时，硫化物分布明显变得物.因此，Mn/S的提高使得钢中独立析出的硫化弥散，同时出现了相当数量的球状硫化物；M/S增物比例增加，硫化物的整体分布更加弥散.这可能加到41.2时，析出的硫化物以弥散分布的球状硫化与随着Mn/S的增加，提高了锰和硫的实际活度物为主. 积，进而减少了凝固末期在晶界析出的硫化物比根据每炉多个视场的统计，不同分布类型硫例有关，从而改善了硫化物在铸锭中的分布均化物所占比例的变化如图3所示.从图中可以看匀性出，随着Mn/S的增加，各试样中不同类型硫化物 (2)Mn/S对铸锭硫化物尺寸的影响. 所占比例发生明显变化：独立存在的硫化物比例不同Mn/S试样中硫化物的长度如图4所示，由5%左右增加到近50%；团簇状硫化物的比例由不同试样中硫化物的尺寸分布规律相似，长度为3~

北京科技大学学报第 36 卷锭加热至 1250 ℃ ，保温 1. 5 h，用锻压机将 65 mm 圆柱铸锭锻造成 25 mm 的圆棒，开锻温度 1150 ℃ 左右，终锻温度约 850 ℃ ，锻后在空气中自然冷却至室温．用线切割分别在各炉铸锭中间高度的径向 1 /2 处和圆棒中心处沿锻造方向切取金相试样，尺寸为 10 mm × 10 mm × 12 mm．试样经多道砂纸打磨、抛光后，在光学显微镜和扫描电镜下进行观察，对每个视场中硫化物的数量、类型、尺寸和分布进行统计，研究 Mn /S 对铸态和锻材中硫化锰行为的影响．其中铸锭试样在 200 倍下随机观察 20 个视场，平均每个试样共统计硫化物约 1000 个; 锻材试样在 500 倍下随机观察 50 个视场，平均每个试样共统计硫化物约 800 个．实验共进行了 5 炉次，其化学成分见表 1，实验钢的 Mn /S 范围为 23. 6 ～ 41. 2．表 1 实验钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of experiment steel % 炉号 C Si Mn P S V Nb Ti Mn /S m1 0. 363 0. 518 1. 227 0. 011 0. 052 0. 025 0. 020 0. 010 23. 6 m2 0. 371 0. 461 1. 267 0. 015 0. 053 0. 025 0. 020 0. 010 23. 9 m3 0. 362 0. 515 1. 510 0. 010 0. 050 0. 025 0. 019 0. 010 30. 0 m4 0. 314 0. 538 1. 659 0. 009 0. 046 0. 026 0. 021 0. 006 36. 1 m5 0. 333 0. 388 1. 812 0. 009 0. 044 0. 026 0. 024 0. 006 41. 2 2 实验结果与分析 2. 1 Mn /S 对铸锭中硫化物的影响 ( 1) Mn /S 对硫化物的形态和在铸锭中分布的影响．通过金相和扫描电镜( SEM) 观察发现，铸锭中硫化物的分布形式有三类，第一类为独立存在的，第二类为链状分布的，第三类团簇状分布的，典型扫描电镜形貌如图 1 所示．铸锭中不同 Mn /S 典型硫化物形态及分布如图 2 所示．通过观察可以发现，随着 Mn /S 的增加，硫化物的分布和形态发生了明显的改变，分布由聚集状向弥散状转变，形态由棒状、不规则形状向球状转变．图 1 铸态下不同类型硫化物扫描电镜形貌 . ( a) 独立; ( b) 链状; ( c) 簇状 Fig． 1 SEM morphologies of different types of sulfides in ingots: ( a) alone; ( b) catenulate; ( c) areatus 当 Mn /S 在 24 左右时，钢中硫化物主要呈簇状和链状分布，几乎没有独立存在的硫化物; 当 Mn /S 为 30 时，硫化物开始变得分散，出现了独立存在的硫化物; 当 Mn /S 为 36. 1 时，硫化物分布明显变得弥散，同时出现了相当数量的球状硫化物; Mn /S 增加到 41. 2 时，析出的硫化物以弥散分布的球状硫化物为主．根据每炉多个视场的统计，不同分布类型硫化物所占比例的变化如图 3 所示．从图中可以看出，随着 Mn /S 的增加，各试样中不同类型硫化物所占比例发生明显变化: 独立存在的硫化物比例由 5% 左右增加到近 50% ; 团簇状硫化物的比例由 65% 左右降低到约 30% ; 链状硫化物所占比例也降低至不到 25% ． Mn /S 的增加减少了奥氏体固溶的硫含量，进而减少了奥氏体晶界析出的硫化物．因此，Mn /S 的提高使得钢中独立析出的硫化物比例增加，硫化物的整体分布更加弥散．这可能与随着 Mn /S 的增加，提高了锰和硫的实际活度积，进而减少了凝固末期在晶界析出的硫化物比例有关，从而改善了硫化物在铸锭中的分布均匀性． ( 2) Mn /S 对铸锭硫化物尺寸的影响．不同 Mn /S 试样中硫化物的长度如图 4 所示．不同试样中硫化物的尺寸分布规律相似，长度为3 ～ ·78·

增刊 1 吴华杰等: Mn/S 对含硫非调质钢中硫化物形态的影响图 2 不同 Mn /S 铸锭中典型硫化物的分布和形貌( m1、m2、m3、m4 和 m5 分别表示 Mn /S 为 23. 6、23. 9、30. 0、36. 1 和 41. 2) Fig． 2 Distribution and morphology of sulfides in ingots with the different Mn /S ratios( m1，m2，m3，m4，m5 respectively represent the different Mn /S ratios as 23. 6，23. 9，30. 0，36. 1 and 41. 2) 5 μm 的硫化物比例最高( 30% ～ 35% ) ，其次为5 ～ 7 μm( 18% ～ 25% ) ，然后为 1 ～ 3 μm 和 7 ～ 10 μm 的 ( 均为 10% ～ 20% ) ，＞ 10 μm 的较少 ( 10% ～ 15% ) ，＜ 1 μm 的最少( 不到 5% ) ．可见，本实验条件下 Mn /S 对铸锭中硫化物的尺寸基本没有影响． 2. 2 Mn /S 对棒材中硫化物形态的影响不同 Mn /S 棒材中典型硫化物如图 5 所示．通过观察可以发现，随着 Mn /S 的增加，硫化物的分布和形态发生了明显的改变，分布由聚集状向弥散状转变，形态由条状向纺锤状转变．为了定量说明硫化物形态变化趋势，经过多个视场的大量统计，锻造后不同 Mn /S 试样中硫化物的长宽比分布如图 6 所示．由图 6 可以看出，在不同 Mn /S 试样中不同长宽比范围内硫化物的比例存在着明显的差异． m1 试样中不存在长宽比为 1 的硫化物，长宽比为 6 ～ 9 的硫化物比例最大为 41% ， m2 试样中长宽比＞ 9 的硫化物所占比例最高为 35% ，也没有长宽比为 1 的硫化物，m1 和 m2 试样中条状硫化物占大多数; 随着 Mn /S 提高，m3 试样中开始出现了少量的长宽比为 1 的硫化物，但整体长宽比的分布情况与 m1 相似; 随着 Mn /S 进一步提高，m4 和 m5 中硫化物长宽比分布与前三个试样差别较大，纺锤状和球状硫化物的比例显著增加，两个试样中长宽比为 3 ～ 6 的硫化物比例最大，m4 的为 36% ，m5 继续增加至 42% ，长宽比＜ 3 的硫化物比例提高到接近30% ，同时长条状的比例明显降低， ·79·

增刊 1 吴华杰等: Mn/S 对含硫非调质钢中硫化物形态的影响长宽比＞ 9 的比例降至 10% 以下．图 6 不同 Mn /S 棒材中试样硫化物长宽比分布 Fig． 6 Distribution of sulfides length-width ratio in bars with the different Mn /S ratios 为了进一步说明不同 Mn /S 棒材中硫化物形态的变化趋势，对长宽比小于 3 的硫化物比例进行比较，如图 7 所示．图 7 不同 Mn /S 棒材中特征长宽比＜ 3 的硫化物比例 Fig． 7 Percentage of sulfides whose length-width ratio is less than 3 in bars with the different Mn /S ratios 由图 7 可以看出，随着 Mn /S 的提高，长宽比＜ 3 的硫化物比例逐渐增加，当 Mn /S ＞ 30 时，增加最为明显，长宽比＜ 3 的硫化物比例由不到 10% 提高到 25% 以上，当 Mn /S ＞ 36 以后，增加趋势变缓．这进一步说明，Mn /S 的增加有利于锻造后硫化物的球化或纺锤化控制，实验室条件下，Mn /S 应控制在 40 左右，此时硫化物球化效果最明显． 3 结论 ( 1) 研究发现，含硫非调质钢铸锭中的硫化物分布有独立、链状和簇状三种形式; 随着 Mn /S 提高，铸态硫化物的分布趋于均匀，独立生成的硫化物增多，而链状和簇状硫化物比例减少; 同样地，随着 Mn /S 提高，锻后棒材中硫化物的分布也趋于均匀，聚集状的硫化物比例减少; 铸锭中硫化物的分布均匀性对最终产品中的硫化物分布均匀性有较大的影响． ( 2) 本实验条件下，Mn /S 对铸锭中硫化物的尺寸分布规律基本没有影响，铸态中硫化物大部分集中在 3 ～ 5 μm，占 30% ～ 35% ，其次为 5 ～ 7 μm 的，占 18% ～ 25% ． ( 3) 随着 Mn /S 提高，棒材中硫化物的整体长宽比在下降; 长宽比＜ 3 的硫化物由 5% 左右提高至约 30% ; Mn /S 提高有利于硫化物的球化或纺锤化控制; 根据实验结果，Mn /S 应控制在 40 左右，此时硫化物球化效果最明显．参考文献［1］ Li D Z． Globularzing of sulfide inclusions and its influence on the properties of steel． Journal of Iron and Steel Ｒesearch，1992，4( 2) : 100 ( 李代钟．钢中硫化物夹杂物球化和对钢性能的影响．钢铁研究学报，1992，4( 2) : 100) ［2］ You D L，Cui H，Wu H J，et al．Ｒesearch on inclusions in nonquenched and tempered sulfur-bearing steel for autos． Tron Steel Vanadium Titanium，2013，33( 1) : 73 ( 尤大利，崔衡，吴华杰，等．汽车用含硫非调质钢中夹杂物的研究．钢铁钒钛，2013，33( 1) : 73) ［3］ Masayuki H，Hiroshi H，Hideo K． Development of lead free micro alloyed steel for crank shafts． Nippon Steel Technical Ｒeport，2003， 88( 1) : 76 ［4］ Liu J H，Wu H J，Bao Y P，et al． Evaluation standard of calcium treatment in high grade pipeline steel． J Univ Sci Technol Beijing， 2010，32( 3) : 312 ( 刘建华，吴华杰，包燕平，等．高级别管线钢钙处理效果评价标准．北京科技大学学报，2010，32( 3) : 312) ［5］ Liu J H，Cui H，Bao Y P． Key technologies for high grade pipeline refining． J Univ Sci Technol Beijing，2009，31( 1) : 1 ( 刘建华，崔衡，包燕平．高级别管线钢冶炼关键技术分析．北京科技大学学报，2009，31( 1) : 1) ［6］ Sun Y H，Xiong H H，Wang X S，et al． Metallurgy effect of calcium treatment in high grade pipeline steel． J Univ Sci Technol Beijing， 2011，33( 1) : 176 ( 孙彦辉，熊辉辉，王小松，等．高级别管线钢钙处理冶金效果研究．北京科技大学学报，2011，33( 1) : 176) ［7］ Oilawa K，Ohtani H，Ishida K，et al． The control of the morphology of MnS inclusions in steel during solidification． ISIJ International，1995，35( 4) : 402 ［8］ Masana I． Consideration on distribution and size of dendritic type II MnS inclusion in steel dendrite structure． ISIJ International， 1994，34( 12) : 992 ［9］ Ito Y，Yonezawa N，Mastubara K． Formation of manganese sulfide in steel． Trans ISIJ，1981，21( 7) : 477 ［10］ Li G Z，Jian L，Chen W Q，et al． Effect of Ca-treatment on sulphide inclusions in 0． 048% ～ 0． 065% S medium-carbon struc- ·81·