D0I:10.13374/i.i8sn1001-t53.2010.06.008 第32卷第6期 北京科技大学学报 Vol 32 No 6 2010年6月 Journal of Un iversity of Science and Techno lgy Beijing Jun 2010 钙处理齿轮钢中氧硫复合夹杂物的热变形能力 肖国华董瀚王毛球惠卫军 钢铁研究总院先进钢铁材料技术国家工程研究中心，北京100081 摘要采用金相分析、扫描电镜和能谱仪等分析手段，研究了钙处理加硫的DN18CNMo7-6齿轮钢中氧硫复合夹杂物的 形貌、成分和热变形行为·结果表明：外围硫化物的钙抑制了氧硫复合夹杂物的变形，当外围硫化物的钙原子分数约为5.% 时抑制作用达到饱和：高熔点核心氧化物的面积分数增加，复合夹杂物的变形能力降低，而低熔点核心氧化物对复合夹杂物 变形能力的影响不明显 关键词齿轮钢：钙处理；夹杂物：变形能力 分类号TG142.2TG113.26 Hot defom ability of ox ide-sulfide duplex inclusions in calcium-treated gear steels XIAO Guohua DONG Han WANG Mao-qi HUIWei-in National Engineering Research Center for Advanced SteelTechnolgy Centmal Iron SteelResearch Institte Beijing 100081.Chna ABSTRACT The momphology camposition and hot defomation of oxide-sulfide duplex inclusions in resulfurized gear steel DN 18C Mo76 were studied by metallographic examn ination scanning electron m icroscopy (SEM)and electron spectroscopy analysis The results show that the hot defomability of the oxide"sulfide duplex inclusions decreases with the increase of calcium content in the peripheral sulfides until the atom fraction of about5.0%.Increasing the area ratio of the core oxides w ith high melting pointmakes the duplex inclusions less susceptible to defomation while the oxides with low melting point have not obvious effect on it KEY W ORDS gear steel calcim treament duplex inclusions defomability 近年来，为适应易切削钢无铅化的发展趋势及 结合钢材使用性能和加工方式的具体要求，控制硫 1实验方法 化物形态已成为开发新型易切削钢的主流方 实验钢为实验室治炼的18CNMo7-6钢，改变 法1-).钙处理钢中常见内核为mCa0·nA0,外 硫、钙和铝含量以得到不同构成的氧硫复合夹杂物， 围为(MnCa)S的氧硫复合夹杂物，研究表明，这 其化学成分见表1其中，A为未加钙的比较钢，钢 种夹杂物能有效地改善钢的可切削性).钢中夹 锭经1200℃加热后锻成中20mm棒材，锻压比约为 杂物的变形行为决定其最终的形态、尺寸和分布，进 22.6(对应真应变e=3.12)在源自铸造锭中部的 而影响钢的切削性能和力学性能).目前，关于硫 锻材截取金相试样，磨面平行于纵剖面，参照ASM 化物热变形行为的研究论述较充分[68]，但多集中 E768-99(2004)标准制备试样.用扫描电镜 于单相硫化物，氧硫复合夹杂物的相关研究则较 (SEM)观察夹杂物的形貌与分布，利用其配用的能 少[-0.18CNMo7-6是常用重载齿轮钢，广泛用于大 谱仪(EDS)分析夹杂物的成分，结合AS8金相分析 型减速机齿轮.本文研究钙处理18CNMo7-6齿轮 软件测定SEM照片中氧硫复合夹杂物的形态参数， 钢中氧硫复合夹杂物的热变形能力及其影响因素， 以得到其面积分数成分形态的关系， 收稿日期：2009-08-04 作者简介：肖国华(197)，男，博士研究生；董瀚(1962)，男，教授，博士生导师，Email donghar@nemeast com
第 32卷 第 6期 2010年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．6 Ｊｕｎ．2010 钙处理齿轮钢中氧硫复合夹杂物的热变形能力 肖国华 董 瀚 王毛球 惠卫军 钢铁研究总院先进钢铁材料技术国家工程研究中心北京 100081 摘 要 采用金相分析、扫描电镜和能谱仪等分析手段研究了钙处理加硫的 ＤＩＮ18ＣｒＮｉＭｏ7--6齿轮钢中氧硫复合夹杂物的 形貌、成分和热变形行为．结果表明：外围硫化物的钙抑制了氧硫复合夹杂物的变形当外围硫化物的钙原子分数约为 5∙0％ 时抑制作用达到饱和；高熔点核心氧化物的面积分数增加复合夹杂物的变形能力降低而低熔点核心氧化物对复合夹杂物 变形能力的影响不明显． 关键词 齿轮钢；钙处理；夹杂物；变形能力 分类号 ＴＧ142∙2；ＴＧ113∙26 Ｈｏｔｄｅｆｏｒｍａｂｉｌｉｔｙｏｆｏｘｉｄｅ-ｓｕｌｆｉｄｅｄｕｐｌｅｘｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｎｃａｌｃｉｕｍ-ｔｒｅａｔｅｄｇｅａｒｓｔｅｅｌｓ ＸＩＡＯＧｕｏ-ｈｕａＤＯＮＧＨａｎＷＡＮＧＭａｏ-ｑｉｕＨＵＩＷｅｉ-ｊｕｎ ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＡｄｖａｎｃｅｄＳｔｅｅｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｎｔｒａｌＩｒｏｎ＆ＳｔｅｅｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＢｅｉｊｉｎｇ100081Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｈｏｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｏｘｉｄｅ-ｓｕｌｆｉｄｅｄｕｐｌｅｘｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｎｒｅｓｕｌｆｕｒｉｚｅｄｇｅａｒｓｔｅｅｌＤＩＮ 18ＣｒＮｉＭｏ7-6ｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＥＭ） ａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙａｎａｌｙｓｉｓ． Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｈｏｔｄｅｆｏｒｍａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｏｘｉｄｅ-ｓｕｌｆｉｄｅｄｕｐｌｅｘｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｃａｌｃｉｕｍｃｏｎｔｅｎｔｉｎｔｈｅ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｓｕｌｆｉｄｅｓｕｎｔｉｌｔｈｅａｔｏｍｆｒａｃｔｉｏｎｏｆａｂｏｕｔ5∙0％．Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅａｒｅａｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｃｏｒｅｏｘｉｄｅｓｗｉｔｈｈｉｇｈｍｅｌｔｉｎｇｐｏｉｎｔｍａｋｅｓｔｈｅ ｄｕｐｌｅｘｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｌｅｓｓｓｕｓｃｅｐｔｉｂｌｅｔｏｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｗｈｉｌｅｔｈｅｏｘｉｄｅｓｗｉｔｈｌｏｗｍｅｌｔｉｎｇｐｏｉｎｔｈａｖｅｎｏｔｏｂｖｉｏｕｓｅｆｆｅｃｔｏｎｉｔ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｇｅａｒｓｔｅｅｌ；ｃａｌｃｉｕｍｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｄｕｐｌｅｘｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ；ｄｅｆｏｒｍａｂｉｌｉｔｙ 收稿日期：2009--08--04 作者简介：肖国华 （1974— ）男博士研究生；董 瀚 （1962— ）男教授博士生导师Ｅ-ｍａｉｌ：ｄｏｎｇｈａｎ＠ｎｅｒｃａｓｔ．ｃｏｍ 近年来为适应易切削钢无铅化的发展趋势及 结合钢材使用性能和加工方式的具体要求控制硫 化 物 形 态 已 成 为 开 发 新 型 易 切 削 钢 的 主 流 方 法 ［1--4］．钙处理钢中常见内核为 ｍＣａＯ·ｎＡｌ2Ｏ3外 围为 （ＭｎＣａ）Ｓ的氧硫复合夹杂物．研究表明这 种夹杂物能有效地改善钢的可切削性 ［1--4］．钢中夹 杂物的变形行为决定其最终的形态、尺寸和分布进 而影响钢的切削性能和力学性能 ［5］．目前关于硫 化物热变形行为的研究论述较充分 ［6--8］但多集中 于单相硫化物氧硫复合夹杂物的相关研究则较 少 ［9--10］．18ＣｒＮｉＭｏ7--6是常用重载齿轮钢广泛用于大 型减速机齿轮．本文研究钙处理 18ＣｒＮｉＭｏ7--6齿轮 钢中氧硫复合夹杂物的热变形能力及其影响因素． 1 实验方法 实验钢为实验室冶炼的 18ＣｒＮｉＭｏ7--6钢改变 硫、钙和铝含量以得到不同构成的氧硫复合夹杂物 其化学成分见表 1其中Ａ为未加钙的比较钢．钢 锭经 1200℃加热后锻成 ●20ｍｍ棒材锻压比约为 22∙6（对应真应变 ε＝3∙12）．在源自铸造锭中部的 锻材截取金相试样磨面平行于纵剖面参照 ＡＳＴＭ Ｅ768--99（2004）标准 ［11］ 制备试样．用扫描电镜 （ＳＥＭ）观察夹杂物的形貌与分布利用其配用的能 谱仪 （ＥＤＳ）分析夹杂物的成分结合 ＩＡＳ8金相分析 软件测定 ＳＥＭ照片中氧硫复合夹杂物的形态参数 以得到其面积分数--成分--形态的关系． DOI :10．13374／j．issn1001—053x．2010．06．008
,736. 北京科技大学学报 第32卷 表1实验钢的化学成分（质量分数） Tab le 1 Che ical camposition of experinental steels % 编号 Si Mn Cr Ni Mo Al Ca 0 A 0.16 0.06 0.54 0.005 0.037 1.51 1.40 0.25 0.0094 0.0002 0.0019 B 0.15 0.08 0.52 0.005 0.031 1.66 1.43 0.25 0.0032 0.0006 0.0030 0.16 0.11 0.56 0.006 0.028 1.67 1.49 0.25 0.0120 0.0008 0.0036 0.14 0.10 0.53 0.005 0.033 1.62 1.48 0.26 0.0051 0.0013 0.0041 0.14 0.14 0.56 0.005 0.025 1.64 1.46 0.25 0.0180 0.0017 0.0012 F 0.14 0.16 0.53 0.004 0.032 1.58 1.47 0.26 0.0090 0.0020 0.0049 2实验结果与讨论 伸，而内部氧化物几乎未变形（图1(a)~(c)),氧 化物的组成主要为AbOa、CAs和CA(C代表CaO, 2.1氧硫复合夹杂物的特征 A代表AbOg)另外，在含铝较低的B和D试样 实验钢中典型的氧硫复合夹杂物的形貌和组成 中，观察到氧化物位于硫化物的两端，且氧化物的变 见图1从图中可以看出，氧硫复合夹杂物均由两相 形程度较硫化物大（图1(d))氧化物的组成主要 组成、能谱分析表明，浅灰色相为硫化物，而深黑色 为CA、CA2S和C2A,(S代表SD2)随机选择尺寸 相为氧化物.硫化物包裹氧化物是普遍存在的形 较大的复合夹杂物进行能谱分析，对有效组成修正 式，外围硫化物沿钢的变形方向发生不同程度的延 并归一化，结果见表2 a Mm计 元 MgA相S C Ma Fe总 原子分3.7633.56139972701113.3)100 原子分数%273514341311220235100153510m 5 Ca Mn Fe总计 元 原子分数片472952711003m 京子分数你39.9518740.2182100 I am (e) d 0 g Al S Mn总 原子分数21.07Q7046.85127667319100 子分2635064.772250831.02u44100 元求 4 S Ca Mn Fe 京子分数摩24940.4052038.94127100 1 um 京于分数19L2044.7320S5199100 3 um 图1氧硫复合夹杂物的背散射电子像·()长条形；(b)纺锤形：(c)球形：(d)长条形但氧化物的塑性高于硫化物 Fig I BSE mages of (a)elongated (b)ellipso (c)spherical and (d)elongated the oxide is more plstic than the sulfde)oxide sulfde du plex nchsions 表2实验钢中氧硫复合夹杂物的成分 Tab2 Composition of oxie sulfide duplex inchusions in experinental steels 核心氧化物成分（原子分数）% 外围硫化物成分（原子分数）% 编号 样本数 夹杂物的类型 Ak03 SD2 Ca0 Mn Ca A 14 96.6 3.1 0.3 49.8 50.2 0 Ab03十Mns B 11 57.5 21.5 21.0 48.9 50.8 0.3 CAsS十CA2S+MnS C 多 87.5 0 12.5 48.2 49.4 2.4 CAs+(Mn Ca)S D 34 47.8 28.9 23.3 48.3 51.1 0.6 CA2S+Mns E 23 81.0 0 19.0 49.1 41.9 9.0 CAs+CA2+(Mn Ca)S F 50 77.8 1.9 20.3 47.6 42.9 9.4 CAs+CA2十(MnCa)S
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 表 1 实验钢的化学成分 （质量分数 ） Ｔａｂｌｅ1 Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｅｅｌｓ ％ 编号 Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｓ Ｃｒ Ｎｉ Ｍｏ Ａｌ Ｃａ Ｏ Ａ 0∙16 0∙06 0∙54 0∙005 0∙037 1∙51 1∙40 0∙25 0∙0094 0∙0002 0∙0019 Ｂ 0∙15 0∙08 0∙52 0∙005 0∙031 1∙66 1∙43 0∙25 0∙0032 0∙0006 0∙0030 Ｃ 0∙16 0∙11 0∙56 0∙006 0∙028 1∙67 1∙49 0∙25 0∙0120 0∙0008 0∙0036 Ｄ 0∙14 0∙10 0∙53 0∙005 0∙033 1∙62 1∙48 0∙26 0∙0051 0∙0013 0∙0041 Ｅ 0∙14 0∙14 0∙56 0∙005 0∙025 1∙64 1∙46 0∙25 0∙0180 0∙0017 0∙0042 Ｆ 0∙14 0∙16 0∙53 0∙004 0∙032 1∙58 1∙47 0∙26 0∙0090 0∙0020 0∙0049 2 实验结果与讨论 2∙1 氧硫复合夹杂物的特征 实验钢中典型的氧硫复合夹杂物的形貌和组成 见图1．从图中可以看出氧硫复合夹杂物均由两相 组成．能谱分析表明浅灰色相为硫化物而深黑色 相为氧化物．硫化物包裹氧化物是普遍存在的形 式外围硫化物沿钢的变形方向发生不同程度的延 伸而内部氧化物几乎未变形 （图 1（ａ） ～（ｃ））氧 化物的组成主要为 Ａｌ2Ｏ3、ＣＡ6和 ＣＡ2（Ｃ代表 ＣａＯ Ａ代表 Ａｌ2Ｏ3 ）．另外在含铝较低的 Ｂ和 Ｄ试样 中观察到氧化物位于硫化物的两端且氧化物的变 形程度较硫化物大 （图 1（ｄ））氧化物的组成主要 为 ＣＡ、ＣＡ2Ｓ和 Ｃ12Ａ7（Ｓ代表 ＳｉＯ2）．随机选择尺寸 较大的复合夹杂物进行能谱分析对有效组成修正 并归一化结果见表 2． 图 1 氧硫复合夹杂物的背散射电子像 ∙（ａ） 长条形；（ｂ） 纺锤形；（ｃ） 球形；（ｄ） 长条形但氧化物的塑性高于硫化物 Ｆｉｇ．1 ＢＳＥｉｍａｇｅｓｏｆ（ａ） ｅｌｏｎｇａｔｅｄ（ｂ） ｅｌｌｉｐｓｏｉｄ（ｃ） ｓｐｈｅｒｉｃａｌａｎｄ（ｄ） ｅｌｏｎｇａｔｅｄ（ｔｈｅｏｘｉｄｅｉｓｍｏｒｅｐｌａｓｔｉｃｔｈａｎｔｈｅｓｕｌｆｉｄｅ） ｏｘｉｄｅ-ｓｕｌｆｉｄｅｄｕ- ｐｌｅｘｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ 表 2 实验钢中氧硫复合夹杂物的成分 Ｔａｂｌｅ2 Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｏｘｉｄｅ-ｓｕｌｆｉｄｅｄｕｐｌｅｘｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｅｅｌｓ 编号 样本数 核心氧化物成分 （原子分数 ）／％ 外围硫化物成分 （原子分数 ）／％ Ａｌ2Ｏ3 ＳｉＯ2 ＣａＯ Ｓ Ｍｎ Ｃａ 夹杂物的类型 Ａ 14 96∙6 3∙1 0∙3 49∙8 50∙2 0 Ａｌ2Ｏ3＋ＭｎＳ Ｂ 11 57∙5 21∙5 21∙0 48∙9 50∙8 0∙3 ＣＡ6Ｓ＋ＣＡ2Ｓ＋ＭｎＳ Ｃ 19 87∙5 0 12∙5 48∙2 49∙4 2∙4 ＣＡ6＋ （ＭｎＣａ）Ｓ Ｄ 34 47∙8 28∙9 23∙3 48∙3 51∙1 0∙6 ＣＡ2Ｓ＋ＭｎＳ Ｅ 23 81∙0 0 19∙0 49∙1 41∙9 9∙0 ＣＡ6＋ＣＡ2＋ （ＭｎＣａ）Ｓ Ｆ 50 77∙8 1∙9 20∙3 47∙6 42∙9 9∙4 ＣＡ6＋ＣＡ2＋ （ＭｎＣａ）Ｓ ·736·
第6期 肖国华等：钙处理齿轮钢中氧硫复合夹杂物的热变形能力 ,737. 2.2氧化物的面积分数与氧硫复合夹杂物的热变 试样)时，可形成一部分属于C:0-SD2-Ab03系 形能力的关系 的复合夹杂物，氧化物的熔点会进一步降低，其在 氧硫复合夹杂物的变形性与其核心氧化物的面 较宽的温度范围内具有塑性变形性)，因此这类 积大小及其外围硫化物中钙含量有关山.C0- 氧化物对氧硫复合夹杂物的热变形无明显影响 Ab03二元相图2]，以钙铝酸盐中间相为界，分为若 (图1(d)) 干两相区，图2给出了氧硫复合夹杂物的长宽比与 2.3硫化物中钙含量与氧硫复合夹杂物的热变形 其氧化物的面积分数的关系，从图2(a)和(b)中可 能力的关系 见，当氧化物成分位于A十CA6和CAs十CA2区域 钙固溶于MnS中形成(MnCa)S而降低其相 时，随氧化物的面积分数增加，氧硫复合夹杂物的长 对塑性).表2表明，随钢中钙加入量的增加，钢 宽比下降.这是由于在钢的变形加工温度下，高熔 中的钙不仅构成核心氧化物的组成部分，而且部分 点的夹心氧化物(Ab03(2050℃)、CA(1850℃)和 也固溶于外围硫化物中，图3给出了氧硫复合夹杂 CA(1750℃)均为不变形夹杂物2，限制了硫化 物的长宽比与硫化物中钙含量的关系，由图可见， 物的变形.由图1(a)~(c)中所示的夹杂物形貌特 随硫化物中钙含量的增加，氧硫复合夹杂物的长宽 征也可以看出，靠近氧化物的硫化物变形较小，而远 比急剧降低，当钙的原子分数增至约5.0%（质量 离氧化物的变形较大·此外，氧化物的面积分数越 分数4.%)时变化趋于平缓，此时绝大多数硫化物 大，氧化物和硫化物之间的界面面积越大，变形时需 的长宽比已低于2说明钙的固溶强化作用趋于饱 克服的界面能也越高[们，对硫化物变形的抑制作用 和，这与前人报道的结果相符-.根据Baker 越强，因而氧硫复合夹杂物的整体变形受氧化物的 等[的研究发现，夹杂物硬度超过基体硬度的2倍 影响更大.从图2(c)和(d)中可见，当氧化物成分 时将不变形，结合文献[16-17]数据，当MnS中固 位于CA2十CA和CA十C2A,区域时，氧硫复合夹 溶原子分数5.0%的Ca在奥氏体区热变形温度下， 杂物的长宽比与其氧化物的面积分数之间无明显关 其硬度约为纯MnS的8倍、纯铁的3倍.本实验中 系，MnS的熔点为1610℃，CA2十CA混合氧化物的 因奥氏体固溶有C,Mn CEN和Mo等强化元素，奥 熔点为1605~1705℃，而CA十C2A,混合氧化物 氏体的热强度会相应提高，但由于氧化物也对氧硫 的熔点为1455~1605℃，当钢中铝含量较低(B、D 复合夹杂物的变形具有一定的限制作用，因而钙强 12m 12r eA+CA CA +CA. 出 8 dp Bamgoits oo. 20 40 60 X0 20 40 60 80 核心氧化物的面积分数修 核心氧化物的面积分数停 12 12r e 南CA,+CA CA+CA. 8 40 60 20 40 60 80 核心氧化物的面积分数修 核心氧化物的面积分数修 图2氧硫复合夹杂物的长宽比与其核心氧化物的面积分数的关系，核心氧化物成分为：(a)AbO:十CAg:(b)CA十CA2:(c)CA2十 CA:(d)CA+C2A7 Fig 2 Relations beteen he aspeet matio of oxile-sulfide dupkex nchsions and the area percentage of come oxiles with the camposition of(a)AbOs 十CAG,(b)CA6+CA2,(c)CA2十CA.and(d)CA十C2A7
第 6期 肖国华等： 钙处理齿轮钢中氧硫复合夹杂物的热变形能力 2∙2 氧化物的面积分数与氧硫复合夹杂物的热变 形能力的关系 氧硫复合夹杂物的变形性与其核心氧化物的面 积大小及其外围硫化物中钙含量有关 ［1］．ＣａＯ-- Ａｌ2Ｏ3二元相图 ［12］以钙铝酸盐中间相为界分为若 干两相区．图 2给出了氧硫复合夹杂物的长宽比与 其氧化物的面积分数的关系．从图 2（ａ）和 （ｂ）中可 见当氧化物成分位于 Ａ＋ＣＡ6 和 ＣＡ6 ＋ＣＡ2 区域 时随氧化物的面积分数增加氧硫复合夹杂物的长 图 2 氧硫复合夹杂物的长宽比与其核心氧化物的面积分数的关系．核心氧化物成分为：（ａ） Ａｌ2Ｏ3＋ＣＡ6；（ｂ） ＣＡ6＋ＣＡ2；（ｃ） ＣＡ2＋ ＣＡ；（ｄ） ＣＡ＋Ｃ12Ａ7 Ｆｉｇ．2 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅａｓｐｅｃｔｒａｔｉｏｏｆｏｘｉｄｅ-ｓｕｌｆｉｄｅｄｕｐｌｅｘｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓａｎｄｔｈｅａｒｅａｐｅｒｃｅｎｔａｇｅｏｆｃｏｒｅｏｘｉｄｅｓｗｉｔｈｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆ（ａ） Ａｌ2Ｏ3 ＋ＣＡ6（ｂ） ＣＡ6＋ＣＡ2（ｃ） ＣＡ2＋ＣＡａｎｄ（ｄ） ＣＡ＋Ｃ12Ａ7 宽比下降．这是由于在钢的变形加工温度下高熔 点的夹心氧化物 （Ａｌ2Ｏ3（2050℃ ）、ＣＡ6（1850℃ ）和 ＣＡ2（1750℃ ））均为不变形夹杂物 ［12］限制了硫化 物的变形．由图 1（ａ）～（ｃ）中所示的夹杂物形貌特 征也可以看出靠近氧化物的硫化物变形较小而远 离氧化物的变形较大．此外氧化物的面积分数越 大氧化物和硫化物之间的界面面积越大变形时需 克服的界面能也越高 ［6］对硫化物变形的抑制作用 越强因而氧硫复合夹杂物的整体变形受氧化物的 影响更大．从图 2（ｃ）和 （ｄ）中可见当氧化物成分 位于 ＣＡ2＋ＣＡ和 ＣＡ＋Ｃ12Ａ7 区域时氧硫复合夹 杂物的长宽比与其氧化物的面积分数之间无明显关 系．ＭｎＳ的熔点为 1610℃ＣＡ2＋ＣＡ混合氧化物的 熔点为 1605～1705℃而 ＣＡ＋Ｃ12Ａ7 混合氧化物 的熔点为 1455～1605℃当钢中铝含量较低 （Ｂ、Ｄ 试样 ）时可形成一部分属于 ＣａＯ--ＳｉＯ2--Ａｌ2Ｏ3 系 的复合夹杂物氧化物的熔点会进一步降低其在 较宽的温度范围内具有塑性变形性 ［12］因此这类 氧化物对氧硫复合夹杂物的热变形无明显影响 （图 1（ｄ））． 2∙3 硫化物中钙含量与氧硫复合夹杂物的热变形 能力的关系 钙固溶于 ＭｎＳ中形成 （ＭｎＣａ）Ｓ而降低其相 对塑性 ［12］．表 2表明随钢中钙加入量的增加钢 中的钙不仅构成核心氧化物的组成部分而且部分 也固溶于外围硫化物中．图 3给出了氧硫复合夹杂 物的长宽比与硫化物中钙含量的关系．由图可见 随硫化物中钙含量的增加氧硫复合夹杂物的长宽 比急剧降低当钙的原子分数增至约 5∙0％ （质量 分数 4∙7％ ）时变化趋于平缓此时绝大多数硫化物 的长宽比已低于 2说明钙的固溶强化作用趋于饱 和这与前人报道的结果相符 ［13--14］．根 据 Ｂａｋｅｒ 等 ［15］的研究发现夹杂物硬度超过基体硬度的 2倍 时将不变形．结合文献 ［16--17］数据当 ＭｎＳ中固 溶原子分数 5∙0％的 Ｃａ在奥氏体区热变形温度下 其硬度约为纯 ＭｎＳ的 8倍、纯铁的 3倍．本实验中 因奥氏体固溶有 Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ和 Ｍｏ等强化元素奥 氏体的热强度会相应提高但由于氧化物也对氧硫 复合夹杂物的变形具有一定的限制作用因而钙强 ·737·
,738 北京科技大学学报 第32卷 化作用的饱和值较低， calcim sulph ides suround ing calceim alm nate inchsion Denki seko200071(1).89 12 [5]Apple C A.The relationship betveen nchsions and the machn- 口A+GA CA +CA ability of stee 31stMechan ica lWorking and Steel Processing Pro △CA,+CA 8 cedings Chicago 1989.415 9CA+CA [6]BakerTJ Charles JA.Defomation ofMnS inchusions in steel J Imon Steel Inst 1972 210(9):680 4 [7]BakerT J Charks J A.Type lI manganese suphiles their de- 0 0 fomation and effect on steel fracture J Imon Steel Inst 1973 211 8.0w。 (3):187 0- [8]ChunhuiL Stah berg U.An altemative way for evahating the de- 0 10 20 30 40 外围硫化物中C原子分数修 fomation of MnS inclusions in hot mollng of steel J Scand Metall 200231(3):184 图3氧硫复合夹杂物的长宽比与其外围硫化物中的钙含量的 [9]Hetmer D W.Quantitative iage analysis methodolgy for high- 关系 sulfur calcim-treated steel/M Con 90.Advances in Video Tech- Fig 3 Relation between the aspect ratio of oxide-sulfie dupkex in- nology for M icrostnichimal Control Philadelphia 1991:387 chsions and cakim content in peripheml sulfdles [10]Salter W JM.Pickering F B.Canposition and constitution of nommetallic inchusions in 1%CCr steels J Iron Steel Inst 3结论 1969207(7):992 [11]ASTM E768-99 Standan Guie for Prparng and Evahating (1)随外围硫化物中钙含量的增加，氧硫复合 Speciens for Automnatic Inclsion Assesment of Stce!Philadel 夹杂物的热变形能力降低，钙固溶强化作用的饱和 phia ASTM Intemational 2004 值约为5.0%（原子分数） [12]K iesslng R.Lange N.Non met llic Incksions in Steel London (2)高熔点的核心氧化物抑制氧硫复合夹杂物 The Metals Society 1978 [13]Carl B Gilles L HoangL et al Devebpment of an integmted 的热变形，且氧化物的面积分数越大，其影响程度越 method for fully charac terizing multiphase ncusions and its ap- 大；低熔点的核心氧化物对氧硫复合夹杂物的热变 plication to caleim-treated steels Mater Charct 1997.38 形无影响， (1):25 [14]Pickering F B Same effects of nonmetallic nchusions on the pmoperties of stee31st MechanicalWoring and Steel P rocess 参考文献 ing P mceedings Chicago 1989 381 [1]Kano T Hanyuda T mprovenent of machinability impmovenent [15]Baker T J Gove K B Charles J A.Inclision defomation and function of nclsion on sulfide-contain ing steel which applied Ca toughness anisotmopy in hot rolled steels Met Technol 1976.3 treament DenkiSeiko 2004.75(1):27 (4):183 [2]Yaguchi H.Tsuchda T.Shindou Y.et al Non-lead added free [16]Leung C H.Van V lack L H.Sohtion and precipitation hanlening machining steel by sulfde inchsion momhology modification in (Ca Mn)sulfides and selenides Metall TransA 1981.12 R&D Kobe Steel Eng Rep 2002 52(3):62 (6):987 [3]NaokiM.KojiW.Wear reduction of cabile tools observed n cur [17 Matsuno F.N ishikida S Ikesaki H.Mechanical pmoperties of ting Ca added steels for machine stnichiral use Tetsu-toHagane manganese sulphides in the ten perature range beteen roomn tem- 200591(8):639 perature and 1000C.Tmns Imon Steel Inst Jpo 1985 25(9): [4]Kano T Tsugui K.Nakanura S New fremachinng steel w ith 989
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 化作用的饱和值较低． 图 3 氧硫复合夹杂物的长宽比与其外围硫化物中的钙含量的 关系 Ｆｉｇ．3 Ｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅａｓｐｅｃｔｒａｔｉｏｏｆｏｘｉｄｅ-ｓｕｌｆｉｄｅｄｕｐｌｅｘｉｎ- ｃｌｕｓｉｏｎｓａｎｄｃａｌｃｉｕｍｃｏｎｔｅｎｔｉｎｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｓｕｌｆｉｄｅｓ 3 结论 （1） 随外围硫化物中钙含量的增加氧硫复合 夹杂物的热变形能力降低钙固溶强化作用的饱和 值约为 5∙0％ （原子分数 ）． （2） 高熔点的核心氧化物抑制氧硫复合夹杂物 的热变形且氧化物的面积分数越大其影响程度越 大；低熔点的核心氧化物对氧硫复合夹杂物的热变 形无影响． 参 考 文 献 ［1］ ＫａｎｏＴＨａｎｙｕｄａＴ．Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｍａｃｈｉｎａｂｉｌｉｔｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｉｎｃｌｕｓｉｏｎｏｎｓｕｌｆｉｄｅ-ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｓｔｅｅｌｗｈｉｃｈａｐｐｌｉｅｄＣａ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ｄｅｎｋｉ-Ｓｅｉｋｏ200475（1）：27 ［2］ ＹａｇｕｃｈｉＨＴｓｕｃｈｄａＴＳｈｉｎｄｏｕＹｅｔａｌ．Ｎｏｎ-ｌｅａｄ-ａｄｄｅｄｆｒｅｅ ｍａｃｈｉｎｉｎｇｓｔｅｅｌｂｙｓｕｌｆｉｄｅｉｎｃｌｕｓｉｏｎ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ． Ｒ＆ＤＫｏｂｅＳｔｅｅｌＥｎｇＲｅｐ200252（3）：62 ［3］ ＮａｏｋｉＭＫｏｊｉＷ．Ｗｅａｒｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｃａｒｂｉｄｅｔｏｏｌｓｏｂｓｅｒｖｅｄｉｎｃｕｔ- ｔｉｎｇＣａ-ａｄｄｅｄｓｔｅｅｌｓｆｏｒｍａｃｈｉｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｕｓｅ．Ｔｅｔｓｕ-ｔｏ-Ｈａｇａｎｅ 200591（8）：639 ［4］ ＫａｎｏＴＴｓｕｇｕｉＫＮａｋａｍｕｒａＳ．Ｎｅｗｆｒｅｅ-ｍａｃｈｉｎｉｎｇｓｔｅｅｌｗｉｔｈ ｃａｌｃｉｕｍｓｕｌｐｈｉｄｅｓｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｃａｌｃｉｕｍａｌｕｍｉｎａｔｅｉｎｃｌｕｓｉｏｎ．Ｄｅｎｋｉ- Ｓｅｉｋｏ200071（1）：89 ［5］ ＡｐｐｌｅＣＡ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｍａｃｈｉｎ- ａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｔｅｅｌ∥31ｓｔＭｅｃｈａｎｉｃａｌＷｏｒｋｉｎｇａｎｄＳｔｅｅｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＰｒｏ- ｃｅｅｄｉｎｇｓ．Ｃｈｉｃａｇｏ1989：415 ［6］ ＢａｋｅｒＴＪＣｈａｒｌｅｓＪＡ．ＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆＭｎＳｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｎｓｔｅｅｌ．Ｊ ＩｒｏｎＳｔｅｅｌＩｎｓｔ1972210（9）：680 ［7］ ＢａｋｅｒＴＪＣｈａｒｌｅｓＪＡ．ＴｙｐｅⅡ ｍａｎｇａｎｅｓｅｓｕｌｐｈｉｄｅｓ：ｔｈｅｉｒｄｅ- ｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｅｆｆｅｃｔｏｎｓｔｅｅｌｆｒａｃｔｕｒｅ．ＪＩｒｏｎＳｔｅｅｌＩｎｓｔ1973211 （3）：187 ［8］ ＣｈｕｎｈｕｉＬＳｔａｈｌｂｅｒｇＵ．Ａｎａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｗａｙｆｏｒｅｖａｌｕａｔｉｎｇｔｈｅｄｅ- ｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆＭｎＳｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｎｈｏｔｒｏｌｌｉｎｇｏｆｓｔｅｅｌ．ＪＳｃａｎｄＭｅｔａｌｌ 200231（3）：184 ［9］ ＨｅｔｚｎｅｒＤＷ．Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｉｍａｇｅａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙｆｏｒｈｉｇｈ- ｓｕｌｆｕｒｃａｌｃｉｕｍ-ｔｒｅａｔｅｄｓｔｅｅｌｓ∥ＭｉＣｏｎ90：ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＶｉｄｅｏＴｅｃｈ- ｎｏｌｏｇｙｆｏｒＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌＣｏｎｔｒｏｌ．Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ1991：387 ［10］ ＳａｌｔｅｒＷ ＪＭＰｉｃｋｅｒｉｎｇＦＢ．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｏｆ ｎｏｎｍｅｔａｌｌｉｃｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｎ1％ Ｃ-Ｃｒｓｔｅｅｌｓ．ＪＩｒｏｎＳｔｅｅｌＩｎｓｔ 1969207（7）：992 ［11］ ＡＳＴＭ Ｅ768--99ＳｔａｎｄａｒｄＧｕｉｄｅｆｏｒＰｒｅｐａｒｉｎｇａｎｄＥｖａｌｕａｔｉｎｇ ＳｐｅｃｉｍｅｎｓｆｏｒＡｕｔｏｍａｔｉｃＩｎｃｌｕｓｉｏｎＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆＳｔｅｅｌ．Ｐｈｉｌａｄｅｌ- ｐｈｉａ：ＡＳＴＭＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ2004 ［12］ ＫｉｅｓｓｌｉｎｇＲＬａｎｇｅＮ．Ｎｏｎ-ｍｅｔａｌｌｉｃＩｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｎＳｔｅｅｌ．Ｌｏｎｄｏｎ： ＴｈｅＭｅｔａｌｓＳｏｃｉｅｔｙ1978 ［13］ ＣａｒｌＢＧｉｌｌｅｓＬＨｏａｎｇＬｅｔａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｎｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｍｅｔｈｏｄｆｏｒｆｕｌｌｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎｇｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓａｎｄｉｔｓａｐ- ｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｃａｌｃｉｕｍ-ｔｒｅａｔｅｄｓｔｅｅｌｓ．ＭａｔｅｒＣｈａｒａｃｔ199738 （1）：25 ［14］ ＰｉｃｋｅｒｉｎｇＦＢ．Ｓｏｍｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｎｏｎ-ｍｅｔａｌｌｉｃｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｏｎｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｔｅｅｌｓ∥31ｓｔＭｅｃｈａｎｉｃａｌＷｏｒｋｉｎｇａｎｄＳｔｅｅｌＰｒｏｃｅｓｓ- ｉｎｇＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ．Ｃｈｉｃａｇｏ1989：381 ［15］ ＢａｋｅｒＴＪＧｏｖｅＫＢＣｈａｒｌｅｓＪＡ．Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓａｎｉｓｏｔｒｏｐｙｉｎｈｏｔｒｏｌｌｅｄｓｔｅｅｌｓ．ＭｅｔＴｅｃｈｎｏｌ19763 （4）：183 ［16］ ＬｅｕｎｇＣＨＶａｎＶｌａｃｋＬＨ．Ｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｈａｒｄｅｎｉｎｇ ｉｎ（ＣａＭｎ） ｓｕｌｆｉｄｅｓａｎｄｓｅｌｅｎｉｄｅｓ．ＭｅｔａｌｌＴｒａｎｓＡ198112 （6）：987 ［17］ ＭａｔｓｕｎｏＦＮｉｓｈｉｋｉｄａＳＩｋｅｓａｋｉＨ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ ｍａｎｇａｎｅｓｅｓｕｌｐｈｉｄｅｓｉｎｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒａｎｇｅｂｅｔｗｅｅｎｒｏｏｍｔｅｍ- ｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄ1000℃．ＴｒａｎｓＩｒｏｎＳｔｅｅｌＩｎｓｔＪｐｎ198525（9）： 989 ·738·
