碲对46MnVS非调质钢中硫化物分布的改质规律_沈伟.pdf

基金项目：国家自然科学基金资助项目（，）通信作者：付建勋（），男，博士，教授；：；收稿日期：碲对 非调质钢中硫化物分布的改质规律沈伟，李志伟，田钱仁，付建勋（上海大学材料科学与工程学院先进凝固技术中心省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室，上海 ）摘要：以工业生产的含碲 非调质钢铸坯中的硫化物为研究对象，结合夹杂物三维腐刻和扫描电镜，观察并分析了铸坯中硫化物等效直径、数量密度和三维形貌的变化规律，总结了碲对硫偏析及硫化物分布的影响规律。研究发现碲改质后的铸坯激冷层到混晶区硫化物等效直径由 逐渐增大至，中心等轴晶区硫化物等效直径先减小再增大，椭球型和八面体型硫化物从边部到中心占比由 逐渐降低至 。相对于未改质铸坯，碲改质后硫偏析指数减小，最大硫偏析指数由 降低到 ；硫化物的等效直径有所降低，铸坯中椭球型和八面体型硫化物占比增加，激冷层中占比提升最大。关键词：钢；碲改质；硫偏析；硫化物分布中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（），：，：；钢是一种强度和韧性接近于调质钢的中硫非调质钢，常作为汽车发动机胀断连杆用钢。作 为 汽 车 零 部 件，疲 劳 性 能 是 非调质钢的重要指标之一，钢中硫化物大小、数量和分布等对钢材疲劳性能有重要影响，硫化物尺寸越小对疲劳性能的危害程度越低，疲劳裂纹常起源于长条形硫化物，并且团簇状硫化物也会严重降低非调质钢的疲劳性能，对零件疲劳寿命非常不利。硫化物长宽比越小、形貌越接近椭球状，材料的力学性能的各向异性越小、切削性能越好。因此对硫化物进行调控至关重要。碲（）作为一种性质接近于硫的半金属，常 年月第 卷 第期炼钢 在化工、钢铁工业作为添加剂使用。在炼钢过程中加入碲对钢中硫化物进行调控的方法被称为碲改质，通常在含硫钢中添加碲来改善硫化物形态，从而提高钢材的加工性能和抗疲劳性能。碲对硫化物的改质机制有很多观点，可分为以下三类：第一类是碲化物对硫化物有包裹作用，液相碲化物吸收轧制过程的变形力，避免了硫化物夹杂的变形 ；第二类是碲固溶于硫化物中可以提高硫 化 物 硬 度，随 着 碲 固 溶 量 升 高 硬 度 提升 ；第三类是碲降低了夹杂物与钢基体间的界面强度。碲硫比是影响碲改质硫化物的重要参考指标，当（）（）时，主要固溶于 ，使其不易变形；（）（）时，形成 。而（）（）由 增加至 时，链状 夹杂物减 少，同 时 球 状 夹杂物增加。这意味着钢中添加少量碲时，其主要固溶在 中，抑制了 的析出，减弱了大尺寸长条状、树枝状 的形成几率，使夹杂物长宽比显著减小，主要以细小尺寸球形或椭球形存在。当钢中碲含量进一步增多时，会在 表面析出，形成 复合相，进 一 步 使 硫 化 物 粗 化、球 化。张 东 等人 研究表明碲含量的高低同样影响着钢中硫化物的尺寸大小和数量密度，随着碲含量的增加，铸坯边部到中心硫化物尺寸增大，高碲钢中椭球状硫化物数量占比更多。在本研究中，结合扫描电镜和夹杂物三维腐刻方法，观察了 非调质钢直径 圆形铸坯中的硫化物等效直径、数量密度和三维形貌，分析并探讨了碲对不同凝固组织中硫偏析及硫 化 物 分 布 的 影 响 规 律，为 高 品 质 含 碲 非调质钢研发生产提供理论基础和工业实践经验。试验方案及试样制备试验试样取自工业生产的 非调质钢，其生产流程为：，在精炼后期喂入含碲包芯线对硫化物进行碲改质，取断面直径为 的圆形连铸坯作为试验材料。在铸坯不同位置钻孔取屑样，使用电感耦合等离子体发射光谱仪（）和 分析仪对铸坯中碳、硅、锰、磷、硫、钒、碲元素进行检测，各元素含量如表所示。碲硫比为 。表碲改质 非调质钢中各元素含量（）对 钢铸坯进行硫元素的偏析检测。在铸坯上从边部到中心选取 个钻屑位置，与金相试样取样位置相对应，取样位置如图所示。选用直径为的合金钻头进行钻屑取样，通过碳硫分析仪测定取样点的元素含量。图钻屑取样位置示意图 从铸坯的中轴线上用线切割的方法切割一个规格 矩形块试样条，取样示意图如图 所示。再将试样条从铸坯边部到铸坯中心，平均切割成 块试样，试样切割如图 所示。采用三维腐刻技术和扫描电镜观察对夹杂物的三维形貌进行原位分析，以获取夹杂物在铸坯原位分布的空间信息。夹杂物三维腐刻装置示意图如图 所示，可控直流稳压电源作为装置的电解电源，电流密度为 ；电解液由溶剂、导电剂和络合剂组成，溶剂是甲醇，导电剂为四甲基氯化铵，络合剂为乙酰丙酮；电解时间 。最后 使 用 金 相显 微 镜（）和扫描电 镜（）等对试样进行夹杂物观察、拍摄，并进行分析统计。试验结果与讨论 碲元素对硫偏析的影响对碲改质铸坯中硫元素偏析情况进行分析，将碲改质铸坯和未改质铸坯钻屑检测结果绘制于图中，可以看到铸坯号、号与中心 号位第期沈伟，等：碲对 非调质钢中硫化物分布的改质规律图试样处理示意图 图腐刻装置示意图 置处存在正偏析，其中在中心存在最大正偏析度为 ，这与未改质前偏析情况一致。碲改质后，从铸坯边部到中心整体硫偏析指数均有所减小，铸坯中心处最大偏析指数由未改质的 降低到 。可见，碲元素可以显著改善非调质钢中硫元素偏析程度。分析碲元素对非调质钢中硫元素偏析程度影响的原因，在 钢铸坯凝固过程中，冷却速度达不到局部界面平衡的状态，硫元素的分配系数，需要通过固液界面自固相向液相进行扩散。这个过程需要溶质原子首先在固液界面处吸附，然后再扩散至液相。元素作为类似表面活性剂的作用影响硫元素偏析的机制，如图所示，其中代表溶剂钢液；代表偏析元素或 ；代表表面活性元素 。由于 与 的电负性差异性分别为 与 ，所以 之间的作用力小于 之间的作用力，所以碲元素可以减少硫元素通过固液界面，从而抑制硫元素的偏析，降低硫元素的微观偏析程度，进而影响硫元素的宏观偏析程度。图 铸坯改质前后硫偏析指数 图碲元素影响硫元素偏析示意图 硫化物的分布特点将 块碲改质 试样的低倍组织划 炼钢第 卷分为个区域：边部激冷层（号试样），有明显晶粒生长取向的柱状晶区（号试样），柱状晶区与等轴晶区中间过渡区域 混晶区（、号试样），中心等轴晶区（号试样）。再将 个试样中典型硫化物照片进行拼接处理，图 为 下碲改质 铸坯不同位置处硫化物形貌的金相拼接照片，图为 下 铸坯中硫化物的真实三维形态拼接照片。在光学显微镜 倍下随机观察 个视场，随后使用 统计软件对铸坯激冷层、柱状晶区、混晶区和等轴晶区的不同位置处硫化物进行统计，得到硫化物的数量密度和等效直径数据。图碲改质 铸坯不同位置处硫化物形貌拼合照片 图碲改质 铸坯不同位置处典型硫化物三维形貌拼合图片 碲改质后铸坯激冷层硫化物分布情况如图所示，碲改质后铸坯中硫化物的主要类型为固溶碲的硫化物，由于激冷层冷却速度很快，、元素偏析很小，硫化物析出后来不及长大，主要以链条状和单一形态存在，细小弥散分布。硫化物等效直径为，数量密度为 个。铸坯激冷层典型硫化物三维形貌如图所示，硫化物多为 规 则 的 椭 球 状 和 八 面 体 硫 化 物，占 比 。柱状晶区硫化物分布如图所示，柱状晶区第期沈伟，等：碲对 非调质钢中硫化物分布的改质规律边部区域硫化物主要以球状和近球状为主，数量较多，细小弥散分布。从柱状晶区边部到末端处，局部冷却速度逐渐减小，凝固前沿中 、元素过饱和度随实际浓度增大而逐渐增大，这使得硫化物具有良好的形核条件和析出长大条件，硫化物等效直径由 逐渐增大到，数量密度由 个逐渐降低到 个。碲改质铸坯柱状晶区内硫化物变化如图所示，改质前后硫化物的尺寸与密度均存在相同的规律，相比于未改质铸坯，碲改质后铸坯硫化物的尺寸明显变小，尤其在柱状晶区末端，硫化物平均等效直径降低约。柱状晶区典型硫化物的三维形貌如图所示，硫化物有椭球状、八面体型和由八面体型硫化物烧结成的不规则状硫化物。从柱状晶区边部到末端，椭球状硫化物由 逐渐降低，不规则与八面体型硫化物逐渐增大，其中 不 规 则 状 由 边 部 的 逐 渐 增 大 到 。图碲改质铸坯柱状晶区硫化物等效直径与数量密度变化 混晶区硫化物分布情况如图所示，统计得到、号试样硫化物等效直径分别为 与，数 量 密 度 分 别 为 个和 个。相较于未改质铸坯，碲改质处理后混晶区内硫化物的整体尺寸有所降低，数量密度有所增大。混晶区硫化物三维形貌如图所示。相较于柱状晶区，铸坯中开始不规则块状硫化物占比增大至 ，且尺寸较大，八面 体型 占 比 在 ，椭球状较少。碲改质铸坯中心等轴晶区硫化物分布情况如图所示。对硫化物等效直径和数量密度进行统计，如图所示，从边部到中心，硫化物等效直径由 逐 渐 减 小 到，再 逐 渐 增 大 到，整体呈现先减小后增大的趋势，数量密度规律与之相反。这种变化是由于等轴晶区边部靠近混晶区，、元素在两晶区交界处滞留富集形成大尺寸硫化物；等轴晶区中心处（号与 号位置）是铸坯凝固末期，凝固速度很慢，随着凝固的进行 、元素在此处富集，有足够的时间析出并长大，形成大尺寸硫化物。硫化物三维形貌如图所示，碲改质铸坯等轴晶区硫化物主要为不规则硫化物，且尺寸较大，其余为八面体型和板片状硫化物。从等轴晶区边部到中心，各种类型的硫化物占比变化不大，不规则状的硫化物整体占 ，在铸坯中心处占比最大。图碲改质铸坯等轴晶区内硫化物等效直径与数量密度变化 碲对硫化物分布的影响碲改质 钢铸坯中硫化物的类型主要为固溶 元素的 ，形成（，）固溶体。铸坯碲改质前后铸坯边部到中心硫化物等效直径和数量密度统计如图 所示。可以看到碲改质铸坯与未改质铸坯中硫化物等效直径变化规律一致，从铸坯边部激冷层到混晶区硫化物等效直径逐渐增大，在中心等轴晶区硫化物等效直径先减小再增大，数量密度变化规律与之相反。相较于改质前，碲改质后铸坯中硫化物整体数量密度有所提升，硫化物的等效直径有所降低，其中柱状晶区末端、号位置和铸坯中心 号位置硫化物等效直径降低最为明显，这种变 炼钢第 卷化是由于通过碲改质减轻了硫偏析，降低了晶间未凝固区域的含量，抑制了硫化锰长大，因此碲元素的加入能够降低硫化物的等效直径。图 改质前后 铸坯中硫化物数据分析 钢铸坯碲改质前后铸坯边部到中心椭球型和八面体型硫化物占比变化如图 所示。图 改质前后 铸坯中椭球型和八面体型硫化物占比变化 未改质铸坯激冷层中椭球型和八面体型硫化物占比较低，从柱状晶区到铸坯中心处椭球型和八面体型硫化物占比整体呈降低趋势，从 左右逐渐降低至 ；而碲改质铸坯中椭球型和八面体型硫化物从边部到中心占比逐渐降低，从 逐渐降低至 。碲改质处理后，铸坯中椭球型和八面体型硫化物占比整体增多，其中边 部 激 冷 层 变 化 最 为 显 著，占 比 提 升 了 ，改质前硫化物主要为不规则状，碲改质后转变为椭球型与八面体型硫化物，这种变化是由于钢中加入了微量的 元素，而微量的 元素会使小尺寸的硫化物球化，由于铸坯激冷层中硫化物尺寸较小，所以碲改质后激冷层中硫化物球化、规则化效果较好。结论）碲改质后 钢铸坯整体硫偏析指数均有所减小，铸坯中心处最大硫偏析指数由未改质的 降低到 ，碲元素可以显著改善非调质钢中硫元素偏析程度。）碲改质 钢铸坯激冷层中硫化物细小弥散，等效直径为；柱状晶区到混晶区内，硫化物的等效直径由 逐渐增大到；中心等轴晶区由边部到中心，硫化物的等效直径先减小后增大，为 。硫化物数量密度变化规律与等效直径变化规律相反。椭球型和八面体型硫化物从边部到中心占比整体逐渐降低，从 逐渐降低至 ，不规则状硫化物占比逐渐增多。）相对于未改质铸坯，碲改质后硫化物的等效直径有所降低，数量密度有所提升；椭球型和八面体型硫化物整体占比增加，其中激冷层中占比大幅提升。参 考 文 献万文华，邓向阳 材料连杆应用研究汽车工艺与材料，（）：张朝磊，刘雅政汽车胀断连杆用非调质钢的应用现状与发展材料导报，（）：王占花，惠卫军，张永健，等 控轧控冷中碳非调质钢的高周疲劳性能钢铁，（）：，：，：王占花，惠卫军，张永健，等硫化物变性处理 非调质钢的高周疲劳性能钢铁，（）：胡智向，朱刘，王晓峰 碲的资源分布与工业应用广东化工，（）：张盼盼，王冬，沈平，等碲对易切削钢硫化物及切削性能的影响炼钢，（）：，（）：，（）：（下转第 页）第期沈伟，等：碲对 非调