。1272 北京科技大学学报 第32卷 分布状况，分析了硫化物在钢中的形成过程，并探讨 S35.00%,F4.75%O1.75%.另外，还有些大 了氧含量对硫化物形态产生影响的机理 颗粒复合型夹杂物（图1(9）.对试样D和E进行 1实验过程与观察方法 金相显微镜观察发现：试样D中主要是Ⅱ类硫化 物，但其Ⅱ类硫化物比试样C中要少，并且球状硫 首先，选取纯度均为99.9%的电解铁、电解锰 化物增多：试样E中主要是I类硫化物，并发现极 和硫化亚铁及氧化铁的高纯度铁合金，然后在感应 少量的Ⅱ类硫化物. 炉的氧化铝坩埚里，采用氩气保护熔炼，制成直径为 图2表示MS的平均直径和长宽比随总氧含 23四长约30四质量为100的合金铸件.合金 量的变化.从图中可以看出，随着总氧含量的增加， 在1600℃保持几分钟，然后在坩埚中凝固.在凝固 M的平均直径增大，而其长宽比减小，形状趋于球 过程中，设定的冷却速率约为7.5℃。mr.表1为 形，这与Sm等所描述的氧含量高时形成I类MS 治炼的易切削钢的化学成分.本实验为了准确把握 的尺寸较大基本一致.图3表示MS的数量和面积 氧含量对硫化物的生成过程的影响，不采用A!Si 分数随总氧含量的变化.随着总氧含量的增加，单 等脱氧材料，而通过M来控制钢中氧含量. 位面积内MS的数量显著减少，其所占面积分数增 表1试样化学成分（质量分数） 大.因此总氧含量的增加使得硫化物从Ⅱ类向I Tabe1 Chem ical conposition of smpks 号 类转变，使得硫化物弥散分布，对切削性能有利. 试样 C Si Mn P TO 3结果分析 A0004<00011.230.0020010 00050 6 0004<0.0011.290.0020060 0.0050 前人运用了多种理论对MS的形成机理进行 C 0004 <0.001 1240002 0056 0.0100 了解释，认为I类MS是由分离偏晶反应形成到或 D 0004 <00011210.0020062 00125 从固相中析出，Ⅱ类MS是由偏晶或共晶反 E 0004 <0.001 1.250.0020058 00197 应形成4，类MS是由伪共晶反应形成4或从 0004 <00011.27 0.0020063 0.0220 固相中析出.氧含量的高低变化使得MS的形 态由I类转向Ⅱ类并最终形成类，但对于氧含量 样品经预磨、抛光后直接利用光学显微镜 的变化引起硫化物形态改变的机理仍然不明确.为 (QM观察硫化物的形状与分布，并利用扫描电镜 了考察氧含量对硫化物形态改变的机理首先根据 (S田M进行了详细观察和能谱分析(DS.取样部 Uehm等1s提出的数学模型，计算了试样中氧化 位距钢锭底部10m四机械抛光电镜试样，然后在 物和硫化物的形成过程（本文不考虑固相中的析 %四甲基氯化铵一10%乙酰丙酮甲醇中电解腐 出，并通过Fe-Mn-S和FeMn-SO体系的平衡 蚀，显示硫化物的三维形貌.另外，试样中硫化物的 相图探讨了氧含量对硫化物形态产生影响的机理. 当量直径测定面积，然后换算成直径)和长宽比通 3.1试样中氧化物和硫化物形成过程的数学模型 过图像分析测定.在图像解析装置测定硫化物的直 分析 径和长宽比时，采用的倍率为500倍，测定50个视 模型的基本假设如下， 野，通过MAGE图像处理软件计算出其平均值. (1枝晶形貌：枝晶的纵向和横向截面形状如 图4所示，枝晶的横断面形状近似于规则的六角形. 2实验结果 (2溶质的扩散：枝晶横断面上钢液中溶质的 图1为金相显微镜观察到的AC和F试样中 富集是均匀的（图5，在枝晶轴方向，溶质扩散可忽 硫化物(MS的形态和分布，从图中可以看出：在 略不计，因此可将枝晶间的三维扩散简化为在三 试样A中，硫化物的分布呈弥散状尺寸较小，其原 角形OQ内沿方向的一维扩散图5)， 因是硫含量低，硫化物大多从固相中析出：在氧含量 (3转变界面：如图4所示的枝晶纵截面中，溶 为0.01%的试样C中发现了大量的Ⅱ类硫化物，分 质在固液和8Y界面上平衡分配. 布呈群聚状尺寸较小，通过对其DS能谱分析可 (4)氧化物和MS的形成：液相中的[F9或 知，其主要为单相MS在氧含量为0022%的试样 [吗、[q或[M円、[S实际浓度积超过平衡浓度 F中发现了大量的I类硫化物，分布呈弥散状，尺寸 积时，便有氧化物或MS黠晶出，之后，液相中的实 相对较大，通过DS能谱分析可知，其含有M四S 际浓度积和平衡浓度积之间的关系依然成立.氧化 F和O等元素，平均质量分数为Mn58.50%, 物或M的析出量是通过化学计量关系算得.北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 分布状况 ,分析了硫化物在钢中的形成过程 ,并探讨 了氧含量对硫化物形态产生影响的机理 . 1 实验过程与观察方法 首先 ,选取纯度均为 99.9%的电解铁 、电解锰 和硫化亚铁及氧化铁的高纯度铁合金 ,然后在感应 炉的氧化铝坩埚里 ,采用氩气保护熔炼 ,制成直径为 23 mm、长约 30 mm、质量为 100 g的合金铸件.合金 在 1 600 ℃保持几分钟 ,然后在坩埚中凝固 .在凝固 过程中 ,设定的冷却速率约为 7.5℃·min -1.表 1为 冶炼的易切削钢的化学成分.本实验为了准确把握 氧含量对硫化物的生成过程的影响 , 不采用 Al、Si 等脱氧材料,而通过 Mn来控制钢中氧含量. 表 1 试样化学成分(质量分数) Table1 Chemicalcompositionofsamples % 试样 C Si Mn P S T.O A 0.004 <0.001 1.23 0.002 0.010 0.005 0 B 0.004 <0.001 1.29 0.002 0.060 0.005 0 C 0.004 <0.001 1.24 0.002 0.056 0.010 0 D 0.004 <0.001 1.21 0.002 0.062 0.012 5 E 0.004 <0.001 1.25 0.002 0.058 0.019 7 F 0.004 <0.001 1.27 0.002 0.063 0.022 0 样品经预磨、抛光后直接利用光学显微镜 (OM)观察硫化物的形状与分布, 并利用扫描电镜 (SEM)进行了详细观察和能谱分析 (EDS).取样部 位距钢锭底部 10 mm.机械抛光电镜试样, 然后在 1%四甲基氯化铵 -10%乙酰丙酮 --甲醇中电解腐 蚀, 显示硫化物的三维形貌.另外, 试样中硫化物的 当量直径 (测定面积 ,然后换算成直径)和长宽比通 过图像分析测定.在图像解析装置测定硫化物的直 径和长宽比时 ,采用的倍率为 500倍, 测定 50个视 野, 通过 IMAGEJ图像处理软件计算出其平均值. 2 实验结果 图 1为金相显微镜观察到的 A、C和 F试样中 硫化物 (MnS)的形态和分布 .从图中可以看出 :在 试样 A中 ,硫化物的分布呈弥散状, 尺寸较小, 其原 因是硫含量低 ,硫化物大多从固相中析出;在氧含量 为 0.01%的试样 C中发现了大量的 Ⅱ类硫化物, 分 布呈群聚状, 尺寸较小, 通过对其 EDS能谱分析可 知, 其主要为单相 MnS;在氧含量为 0.022%的试样 F中发现了大量的 Ⅰ类硫化物,分布呈弥散状 ,尺寸 相对较大 , 通过 EDS能谱分析可知 , 其含有 Mn、S、 Fe和 O等元素 , 平均质量分 数为 Mn58.50%, S35.00%, Fe4.75%, O1.75%.另外 ,还有些大 颗粒复合型夹杂物(图 1(e)).对试样 D和 E进行 金相显微镜观察发现 :试样 D中主要是 Ⅱ类硫化 物 ,但其 Ⅱ类硫化物比试样 C中要少, 并且球状硫 化物增多;试样 E中主要是 Ⅰ 类硫化物, 并发现极 少量的 Ⅱ类硫化物. 图 2表示 MnS的平均直径和长宽比随总氧含 量的变化.从图中可以看出, 随着总氧含量的增加 , MnS的平均直径增大 ,而其长宽比减小, 形状趋于球 形 ,这与 Sims等所描述的氧含量高时形成Ⅰ类 MnS 的尺寸较大基本一致 .图 3表示 MnS的数量和面积 分数随总氧含量的变化.随着总氧含量的增加 ,单 位面积内 MnS的数量显著减少 ,其所占面积分数增 大 .因此, 总氧含量的增加使得硫化物从 Ⅱ类向 Ⅰ 类转变 ,使得硫化物弥散分布, 对切削性能有利 . 3 结果分析 前人运用了多种理论对 MnS的形成机理进行 了解释 ,认为 Ⅰ类 MnS是由分离偏晶反应形成 [ 3]或 从固相中析出 [ 13] , Ⅱ类 MnS是由偏晶 [ 3] 或共晶反 应形成 [ 14] , Ⅲ类 MnS是由伪共晶反应形成 [ 14] 或从 固相中析出 [ 13] .氧含量的高低变化使得 MnS的形 态由Ⅰ类转向Ⅱ类,并最终形成 Ⅲ类 ,但对于氧含量 的变化引起硫化物形态改变的机理仍然不明确.为 了考察氧含量对硫化物形态改变的机理, 首先根据 Ueshima等 [ 15] 提出的数学模型 , 计算了试样中氧化 物和硫化物的形成过程 (本文不考虑固相中的析 出 ),并通过 Fe--Mn--S和 Fe--Mn--S--O体系的平衡 相图探讨了氧含量对硫化物形态产生影响的机理. 3.1 试样中氧化物和硫化物形成过程的数学模型 分析 模型的基本假设如下 . (1)枝晶形貌 :枝晶的纵向和横向截面形状如 图 4所示,枝晶的横断面形状近似于规则的六角形 . (2)溶质的扩散 :枝晶横断面上钢液中溶质的 富集是均匀的(图 5),在枝晶轴方向 ,溶质扩散可忽 略不计 .因此, 可将枝晶间的三维扩散简化为在三 角形 OPQ内沿 x方向的一维扩散(图 5). (3)转变界面 :如图 4所示的枝晶纵截面中 ,溶 质在固 --液和 δ--γ界面上平衡分配. (4)氧化物和 MnS的形成:液相中的 [ Fe] 或 [ Mn] 、[ O]或[ Mn] 、[ S] 实际浓度积超过平衡浓度 积时,便有氧化物或 MnS结晶出 , 之后 ,液相中的实 际浓度积和平衡浓度积之间的关系依然成立 .氧化 物或 MnS的析出量是通过化学计量关系算得. · 1272·