38MnVS6 非調質鋼中硫化物碲改質工業實踐

劉增平，李 杰，沈 偉，付建勛*

（1.承德建龍特殊鋼有限公司,河北省半鋼水冶煉高潔凈高品質特殊鋼重點實驗室,河北 承德 067201；2.上海大學材料科學與工程學院先進凝固技術中心,省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室,上海 200444）

0 引言

非調質鋼早在70 年代初就由德國蒂森特鋼公司開發成功[1]，因為非調質鋼不需經過熱處理等工藝就能達到調質鋼的性能要求，在生產制造過程中節約能耗并且能避免調質工藝過程中出現缺陷問題，所以廣受世界各國關注。汽車工業是鋼鐵產業最大的用戶之一，非調質鋼開發成功后廣泛應用在汽車行業，非調質鋼主要用于諸如汽車連桿、曲軸、轉向節軸、驅動軸、前橋等零件和結構件[2]。其中38MnVS6 非調質鋼是應用較早的一個鋼種，其主要用于汽車曲軸、轉向節等。鋼中C 含量在0.38%左右，顯微組織為鐵素體和珠光體；S 含量在0.05%～0.06%，S 與Mn 元素結合形成MnS 夾雜物，有助于提高鋼材的切削加工性能，所以38MnVS6 鋼屬于易切削非調質鋼。鋼中MnS 夾雜物的塑性較好，硬度低于鋼基體，在軋制過程中受到軋制力后沿軋制方向伸長，變成長條狀[3]。長條狀的硫化物導致鋼材橫向力學性能變差，并且在制造汽車曲軸時容易引起磁痕缺陷問題。磁痕缺陷對汽車曲軸來說是致命的缺陷，一經發現，材料直接報廢。因此，減少鋼中長條狀硫化物，避免磁痕缺陷是生產38MnVS6非調質鋼過程中重要的一步。MnS 夾雜的控制手段有很多，通過改善冶煉及連鑄工藝、調整渣系、控制氧含量等方法均可以對硫化物的形態及分布起到一定作用[4]。除此之外，目前應用最廣泛的方法是對硫化物進行改質處理。張浩等[5?6]研究了鎂對20MnCr5 齒輪鋼中夾雜物的改質行為和規律，發現鎂處理后，鋼中夾雜物類型由以 Al2O3為核心，外圍包裹著 MnS 的復合夾雜轉變為以 MgO·Al2O3為核心，外圍包裹著 MnS 的復合夾雜物,鎂的加入使20MnCr5 軋材中長條狀的硫化物更加短小彌散，鋼液更加潔凈，夾雜物數量變少，尺寸也變小。Cao Chenwei 等[7]對比分析了Ca、Mg-Al 改性對S50C模具鋼中復合夾雜物的影響，發現鈣處理通過形成鋁酸鈣來防止大夾雜物的形成。鎂能提供更均勻的形核位點，并能形成更小的夾雜。黃宇等[8]研究了稀土Ce 元素對釬具鋼中鎂鋁尖晶石和硫化物的改質過程和改質機理，發現稀土改質和鎂改質鋼中夾雜物效果顯著，成本也較低，但是在很多鋼中加入稀土或Mg 元素會在連鑄過程中發生水口蓄瘤，使連鑄無法進行。碲改質鋼中夾雜物也有明顯效果，并且沒有水口蓄瘤的風險。Wu Xiangyu[9]研究了碲對Y1Cr13 易切削不銹鋼中硫化物的改質效果；李杰等[10]研究了碲對303Cu 不銹鋼中MnS 夾雜物形態的改質，Shen Ping[11]研究了碲對38MnVS6 微合金鋼中MnS 夾雜物的改性；曹晨巍等[12]對比分析了硫系、碲系、鉛系易切削鋼的組織及硫化物，研究發現碲會提高鋼中硫化物的顯微硬度，提高硫化物在鋼材軋制過程中的抗變形能力，從而使鋼中大部分硫化物呈橢球形且分布均勻[13]。

筆者以承德建龍特殊鋼有限公司冶煉的含碲與不含碲非調質鋼為試驗對象，對比分析了碲對非調質鋼中硫化物的尺寸、形態及分布的影響，以改善因硫化物所引起的磁痕缺陷問題，并對產品的力學性能進行分析和檢測。

1 生產工藝及試驗方法

1.1 生產工藝流程

承德建龍特殊鋼有限公司非調質鋼生產工藝流程為：轉爐冶煉→LF 精煉→VD 精煉→連鑄→鑄坯坑冷→軋制→軋材緩冷→檢測→精整。

38MnVS6 非調質鋼成品主要化學成分見表1，對比爐在VD 精煉末期喂入含碲包芯線進行碲改質處理，其他工藝與試驗爐完全一致。連鑄工藝得到200 mm×200 mm 的方坯，再經過連軋工藝得到直徑?60 mm 的棒材。

表1 38 MnVS6 非調質鋼的主要化學成分Table 1 Main chemical composition of the non-quenched and tempered 38MnVS6 steel %

1.2 試驗方法

取對比爐和試驗爐控溫軋制后的棒材產品，直徑58 mm（軋制后經過扒皮處理），在棒材上取a、b兩個試樣，如圖1 所示。

圖1 棒材實物及取樣示意Fig.1 Bar materials and sampling diagram

試樣經過磨拋機磨拋處理后，用金相顯微鏡（蔡司）對a 試樣進行觀察并拍照，用Image Pro Plus 軟件統計分析a 試樣中硫化物的尺寸及分布情況，并根據國標GBT10561-2005 進行評級，用Image Pro Plus 軟件將寬度2～4 μm 的A 類夾雜物（硫化物）長度相加為細系評級長度，將寬度4～12 μm的A 類夾雜物的總長定為粗系評級長度，規定以最惡劣視場為最終評級結果；用非水溶液電解腐刻法對b 試樣進行電解，具體電解過程參考文獻[14]。電解烘干后用掃描電鏡（Phenom-World）及能譜觀察分析夾雜物的三維形貌。

2 結果與討論

2.1 硫化物評級與尺寸分布

圖2 為未改質和改質的38MnVS6 鋼的金相照片，圖3 為經過黑白轉換后的圖片，根據國標查表可得改質前后38MnVS6 鋼中硫化物評級結果，如表2 所示?？梢钥闯?，改質前鋼中硫化物評級結果為細系2.5 級，粗系3.0 級，評級結果不能滿足出廠要求，長條狀硫化物偏多。改質后鋼中硫化物評級結果為細系2.0 級，粗系1.5 級，大部分硫化物呈斷續狀分布，長條狀硫化物明顯減少。采用圖4 法標NF A-04-108 圖譜評級，可以得出未改質鋼中硫化物評級為F 級，改質后為C 級。改質后鋼中硫化物分布更均勻，大部分為橢球形。

圖2 未改質與改質后38MnVS6 鋼金相照片Fig.2 Metallographic photos of the non-modified and modified 38MnVS6 steel

圖3 未改質與改質后38MnVS6 鋼的黑白照片Fig.3 Black and white photography of the non-modified and modified 38MnVS6 steel

圖4 法標NF A-04-108 夾雜物評級圖譜[15]Fig.4 France NF A 04-108 sulfide evaluation map

表2 未改質與改質后38MnVS6 鋼中硫化物評級結果Table 2 Sulfide rating results in the non-modified and modified 38MnVS6 steel

每個試樣在光學顯微鏡200 倍視場下隨機拍20 張圖片，采用Image Pro Plus 軟件對鋼中硫化物的平均面積、等效直徑、長寬比進行統計分析，由統計分析結果可知，未改質和改質后的鋼中硫化物等效直徑分布情況大致相同，都是大部分硫化物等效直徑小于2 μm，占比為65%，其中占比最多的是1～2 μm，鋼中幾乎沒有等效直徑大于10 μm 的硫化物。硫化物長寬比的分布情況有所不同，未改質鋼中硫化物的長寬比大于6 的占比最大，為32%；而改質過后，長寬比大于6 的占比最小，為11%，3～6的占比最大，為36%。根據統計結果可知，碲元素對38MnVS6 鋼中硫化物長寬比有很大的改質作用，可以將90%左右的硫化物長寬比控制在6 以內，50%以上控制在1～3。

汽車曲軸有較多變形量較大的部位，那些地方正是磁痕最容易產生的位置磁痕缺陷主要由長條狀硫化物引起。經過碲改質過后，長條狀硫化物轉變成斷續狀，可以有效解決38MnVS6 鋼加工成汽車曲軸后的磁痕問題。

2.2 硫化物形貌

用掃描電鏡觀察未改質和改質后的38MnVS6鋼中的夾雜物，如圖5 所示。根據能譜分析可知，鋼中夾雜物主要為硫化物，也有少部分氧化鋁、氮化鈦夾雜和硫化物包裹氧化鋁的復合夾雜物。本次改質試驗加入碲含量較低，在鋼中未觀察到碲元素，根據Shen Ping 等[16]研究發現，在鋼中加入微量碲元素時，碲元素會固溶在硫化物內部，只有碲添加量足夠多時才會在硫化物表面析出。碲元素固溶在硫化物中，會提高硫化物的顯微硬度，從而在軋制過程中提高硫化物抗變形的能力。

圖5 未改質與改質后38MnVS6 鋼SEM 照片Fig.5 SEM photos of the non-modified and modified 38MnVS6 steels

2.3 含碲非調質鋼力學性能檢驗及實踐

檢測改質過后棒材的拉伸力學性能、沖擊性能和表面硬度，檢測結果如表3 所示。試樣的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率、縱向沖擊吸收功及表面硬度等均符合技術要求。碲的加入，在滿足非調質鋼強硬度和塑韌性的前提下，能夠改善其切削性能，并對硫化物的形態進行調控，滿足了客戶對硫化物級別的要求。

表3 含碲38MnVS6 鋼非調質力學性能Table 3 Mechanical properties of tellurium containing 38MnVS6 steels without quenching and tempering

3 結論

1）38MnVS6 非調質鋼碲改質過后鋼中硫化物評級從細系3.0 級，粗系2.0 級下降為細系2.0 級，粗系1.5 級；按法標評級由F 級改質為C 級。

2）碲改質后38MnVS6 非調質鋼中90%左右的硫化物長寬比控制在6 以內，50%以上控制在1～3。未改質鋼中硫化物大多數為長條狀，改質過后以斷續狀和橢球狀為主。

3）碲改質過后38MnVS6 非調質鋼的力學性能指標均符合技術要求。