Ca及Ca‑Te处理对高硫非调质钢硫化物形态的影响.pdf

2023.7,3（4）|材料装备技术与应用Ca及CaTe处理对高硫非调质钢硫化物形态的影响王雅倩1，金国忠1，杨少朋1，2，汪开忠1，胡芳忠1，何孝雨1（1.马鞍山钢铁股份有限公司技术中心，安徽 马鞍山 243000；2.钢铁研究总院特殊钢研究院，北京 100080）摘要：切削加工性能是胀断连杆用非调质钢的关键性能指标，而硫化物形态与分布是影响切削性能的关键因素。研究了Ca处理和CaTe处理两种改质工艺对46MnVS5非调质钢硫化物形态与分布的影响。结果表明，CaTe处理有利于改善钢中硫化物形态与分布。CaTe处理后连铸坯宽度1/4处和心部夹杂物等效直径分别降低17.5%和23.9%，边部夹杂物密度由9.16个/mm2降低为7.39个/mm2。对轧材进行夹杂物评级，CaTe处理 A细系由 3.0级降低为 2.0级，A粗系无明显变化。CaTe处理可以球化钢中的硫化物夹杂，减少夹杂物数量，提高钢的横向性能，改善钢的切削性能。关键词：胀断连杆用钢；46MnVS5；CaTe处理；硫化物Effect of Ca and CaTe treatment on sulfide morphology of high sulfur nonquenched steelWANG Yaqian1,JIN Guozhong1,YANG Shaopeng1,2,WANG Kaizhong1,HU Fangzhong1,HE Xiaoyu1（1.Technology Center，Maanshan Iron&Steel Co.，Ltd.，Maanshan 243000，China；2.Special Steel Research Institute，Iron and Steel Research Institute，Beijing 100080，China）Abstract：The cutting performance is the key performance index of non-quenched and tempered steel.The sulfide form and distribution are the key factors affecting the cutting performance.The effects of Ca treatment and Ca-Te treatment on the morphology and distribution of sulfide in 46MnVS5 non-quenchable steel are studied in this paper.The results show that Ca-Te treatment is beneficial to improve the morphology and distribution of sulfide in steel.After Ca-Te treatment，the equivalent diameter of inclusions at 1/4 of the width and at the center of the billet decreases by 17.5%and 23.9%，respectively，and the density of inclusions at the edge decreases from 916/mm2 to 739/mm2.In addition，Ca-Te treatment of fine line A decreases from 3.0 to 2.0，and there is no significant change in coarse line A.Key words：steel for expansion connecting rod，46MnVS5；Ca-Te treatment；sulfide引 言连杆作为发动机的核心受力部件，通过与曲轴相互配合，将发动机活塞的往复运动转变为旋转运动，连杆的制造质量直接影响着发动机的性能和可靠 性。胀 断 加 工 技 术 于 20 世 纪 90 年 代 开 始 发展1-3，利用断裂粗糙面进行定位，拥有复位精度高，承载能力强，无需加工体、盖结合面及定位销孔，降中图分类号:TG142.4;U465.1+1 文献标志码:A 文章编号：2097-017X（2023）04-0089-06收稿日期：2023-04-03基金项目：工信部工业强基项目（TC180A3Y1）。作者简介：王雅倩（1996），女，硕士，助理工程师。研究方向：汽车用齿轮钢和非调质钢的开发及应用。89低了螺栓连接孔的精度要求，减少了加工工序，减低了连杆重量，因此具有良好的经济效益，成为连杆加工的主流方向。常用的胀断连杆用钢有 C70S6，46MnVS5 和 38MnVS4 等非调质钢，为了降低钢材的刀具磨损量，常需在钢中添加适量的 S 以提高其切削加工性能4-6。常用的硫化物改质剂有 Ca，Mg 和 Te 等，Ca 和Mg 处理的不良工艺常带来浇铸稳定性问题7-10。Te 可以减轻硫的偏析，抑制链状硫化物的析出11；同时 Te可以溶解在 MnS中提高 MnS的硬度和变形抗力12-14，从而提高 MnS 的球化率和钢的切削加工性能13，15。Te 处理改质工艺在齿轮钢13、易切削钢14-15中常有报道，但是在胀断连杆用钢中报道较少。因此，本文在 46MnVS5胀断连杆用非调质钢基础上分别研究 Ca 处理与 Ca-Te 处理后连铸坯与轧材的夹杂物形貌、大小、成分及分布，为非调质钢硫化物改质奠定基础。1试验材料及方法本文选用 46MnVS5 胀断连杆用钢，成分如表 1所示。钢材由电炉冶炼，并采用炉外精炼和真空脱气处理，经连铸后轧制成 36 mm 圆钢。在真空脱气出站后在一炉喂入适量的 Ca线，在另一炉喂入适量的 Ca线和 Te线。夹杂物等效直径计算公式为：Deq=4Smix（1）式中 Deq为夹杂物等效直径，单位：mm；Smix表示夹杂物面积单位：mm2。夹杂物密度计算公式为：mix=NmixSscan（2）式中 mix表示夹杂物密度，单位：个/mm2；Nmix表示视场内夹杂物总数量单位：个；Sscan表示观察夹杂物视场的面积单位：mm2。铸坯与轧材的取样位置如图 1所示。经 400倍、600 倍和 1000 倍 SiO2砂纸进行预磨，采用金刚石抛光剂进行粗抛；然后用清水细抛至表面干燥。使用蔡司金相显微镜观察夹杂物的形态和分布，在 200倍视野下记录 40个视场；然后使用扫描电子显微镜观察硫化物，采用能谱分析仪进行成分分析。夹杂物评级按照 GB/T 10561 钢中非金属夹杂物含量的测定 标准中的 A法进行。2改质工艺对硫化物演变规律的研究2.1连铸坯内硫化物形貌和尺寸分布图 2为 Ca处理与 Ca-Te处理连铸坯中不同位置硫化物形貌照片。由图 2 可见，Ca 处理与 Ca-Te 处理对夹杂物数量分布规律影响相同。从连铸坯边部到宽度 1/4处，椭圆状夹杂物数量逐渐减少，尺寸增大，短棒状夹杂物数量开始增多，但是从宽度 1/4处到心部，椭圆状夹杂物数量开始增多，短棒状夹杂物数量开始降低。图 3为钢中夹杂物的平均等效直径与密度统计图。由图 3可见，Ca-Te处理有利于减小钢中夹杂物平均等效直径，尤其是宽度 1/4处和心部，平均等效直径分别降低 17.5%和 23.9%，如图 3（a）所示。Ca-Te 处理与 Ca 处理后宽度 1/4 处和心部夹杂物密度相当，但 Ca-Te处理后边部夹杂物密度明显比 Ca处理后的边部夹杂物密度低，由 9.16 个/mm2降低为7.39个/mm2，如图 3（b）所示。图 4 为铸坯中夹杂物的等效直径分布统计图。由图 4 可见，Ca-Te 处理后，在宽度 1/4 处和心部大尺寸夹杂物（6 m）数量明显减小，而小尺寸夹杂物（6 m）的数量明显增大。Ca-Te 处理后边部、宽 度 1/4 处 和 心 部 小 尺 寸 夹 杂 物 占 比 分 别 为96.6%，77%和 75%，而 Ca 处理后边部、宽度 1/4 处和心部小尺寸夹杂物占比分别为 95.6%，66%和63%。表 1试验钢的主要化学成分（%）Tab.1Main chemical components of test steel（mass fraction/%）w（C）/%0.420.48w（Si）/%0.400.80w（Mn）/%0.901.30w（P）/%0.045w（S）/%0.0400.070w（V）/%0.100.20w（Cr）/%0.30w（Ca）/%适量w（Te）/%适量w（Fe）/%余量图 1取样位置Fig.1Sample positions 90Ca及 Ca-Te处理对高硫非调质钢硫化物形态的影响 王雅倩 等2.2连铸坯硫化物成分图 5为 Ca处理与 Ca-Te处理后的典型夹杂物与成分照片。能谱分析结果表明两种改质工艺主要夹杂 物 为 MnS，其 中 Ca-Te 处 理 后 MnS 中 含 有 约8.3%的 Te。3改质工艺对硫化物轧制变形行为的研究3.1硫化物评级及统计图 6 为轧材部分评级照片，A 类夹杂物评级结果如表 2 所示。可见，轧态试验用钢中夹杂物形貌图 2夹杂物在铸坯中的二维分布Fig.2Two-dimensional distributions of the inclusions in billet图 3夹杂物等效直径、密度随位置变化Fig.3Equivalent diameter and density of inclusions versus positions图 4夹杂物的等效直径分布随位置的变化Fig.4Equivalent diameter distribution of inclusions versus positions 91主要为球形、椭球形、短棒形、不规则形状。Ca处理后 A 细为 3.0 级，A 粗为 2.5 级，Ca-Te 处理后 A 细2.0 级，A 粗 2.5 级。Ca-Te 处理后 A 细系的评级结果明显改善，但是 A粗系没有变化。图 6轧材中硫化物分布Fig.6Sulfide distributions in rolled product图 5铸坯中典型夹杂物照片Fig.5Typical photograph of the inclusions in billet 92Ca及 Ca-Te处理对高硫非调质钢硫化物形态的影响 王雅倩 等3.2轧后夹杂物的成分和形貌分析图 7 为轧态夹杂物形貌与能谱分析结果。可见，Ca 处理试验钢的 MnS 轧制变形量大，形态上呈长条状，如图 7（a）所示；Ca-Te 处理试验钢的 MnS轧制变形量小，形态上呈短棒状，如图 7（b）所示。Ca-Te 处理后钢中析出少量的碲化物（红色环形标识）并被 MnS包裹，如图 7（b）所示。4分析与讨论与 Ca 处理相比，Ca-Te 处理后，钢中小尺寸夹杂物数量增多，而大尺寸夹杂物数量减少，硫化物等效直径与夹杂物密度降低，如图 25所示。在钢中加入碲，由于碲会扩散到钢与硫化锰夹杂物界面处16-18，降低了夹杂物形核所需的表面能，使硫化锰更易形核并弥散分布 19。图 8 为 MnTe-MnS 平衡相图20。由图 8 可见，随着碲含量的增加，MnS的液相线温度逐渐降低。在钢液凝固过程中，MnS-MnTe固相将在夹杂物中析出直至凝固结束，当钢中碲被完全消耗后，复合夹杂物将停止生长18-20。MnS-MnTe复合夹杂物的这种生长模式使钢的基体连续性被阻断，降低基体的切向力，减表 2轧材 A类夹杂物评级结果Tab.2Grade results of class A inclusions in rolled wood工艺视场 1视场 2视场 3视场 4视场 5视场 6视场 7视场 8最恶劣视场法Ca处理细系长度/m975.75650.1610.3859.41112.08919.