非調(diào)質(zhì)鋼是在鋼中加入了 V、Nb、Ti等微合金元素，這些元素在材料中起沉淀強(qiáng)化作用，冶煉過程中需要添加一定量的硫元素，以提高材料的切削加工性能，這類鋼在熱軋態(tài)、鍛造狀態(tài)、正火狀態(tài)下的力學(xué)性能接近碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的力學(xué)性能，因此可以省去一道熱處理工序，以起到節(jié)能降耗的作用，并顯著提高生產(chǎn)效率。
20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的微合金化技術(shù)為非調(diào)質(zhì)鋼的開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)，20世紀(jì)70年代初發(fā)生的能源危機(jī)直接促進(jìn)了非調(diào)質(zhì)鋼的出現(xiàn)和發(fā)展，1972年德國公司研發(fā)了第一個(gè)非調(diào)質(zhì)鍛鋼49MnVS3，并用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的制造，降低了生產(chǎn)成本，該鋼種在德國、瑞典等國家快速發(fā)展，并用于曲軸、連桿等汽車核心零部件的制作。目前，國內(nèi)不少特鋼企業(yè)都具備汽車用非調(diào)質(zhì)鋼49MnVS3、38MnVS6、C70S6、46MnVS5等鋼種的生產(chǎn)技術(shù)能力。
非調(diào)質(zhì)鋼按照用途可以分為熱鍛用非調(diào)質(zhì)鋼(用于制作汽車曲軸、連桿等零件)、直接切削加工用非調(diào)質(zhì)鋼、冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼(用于制作螺栓、螺母等緊固件)。
來自中天鋼鐵集團(tuán)有限公司的杜佳美對(duì)比分析了德國連桿用非調(diào)質(zhì)鋼C70S6與國內(nèi)同規(guī)格、同牌號(hào)的材料，尋找兩者間的差距，以提升國內(nèi)非調(diào)質(zhì)鋼材料的質(zhì)量。
1、 低倍檢驗(yàn)
采用相同工藝將國內(nèi)外C70S6鋼試樣同時(shí)腐蝕后，兩者的低倍形貌如圖1所示，兩者心部均存在一定的偏析及疏松。在心部之外的其他區(qū)域，國內(nèi)C70S6鋼可見枝晶狀組織，致密度稍差，國外C70S6鋼的低倍組織致密度明顯好于國內(nèi)C70S6鋼。該鋼種易偏析元素C、S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.70%，S元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.060%，后續(xù)需進(jìn)一步優(yōu)化連鑄工藝參數(shù)來改善國內(nèi)材料的低倍質(zhì)量。
2、 金相檢驗(yàn)
國內(nèi)外C70S6鋼的顯微組織形貌如圖2所示，國內(nèi)材料與國外材料的顯微組織均為鐵素體+珠光體的混合組織，但是國外材料的晶粒稍微粗于國內(nèi)材料，對(duì)于脹斷連桿來說，略微粗大的晶粒有利于連桿脹斷性能的改善，避免脹斷過程出現(xiàn)脹斷線不平齊、脹斷掉渣等缺陷。
帶狀組織是鋼鐵材料的一種內(nèi)部缺陷，是一種有害組織，從形貌上看，其沿著軋制方向平行排列，呈現(xiàn)條帶狀。由于材料中存在枝晶偏析和非金屬夾雜物，因此在軋制延伸過程中，該組織呈現(xiàn)條帶狀，鐵素體優(yōu)先在這些條帶中形核析出，從而導(dǎo)致鐵素體條帶的產(chǎn)生，而珠光體條帶產(chǎn)生于鐵素體條帶間，二者相間分層。帶狀組織造成了材料的各向異性，降低了材料的力學(xué)性能，尤其是橫向力學(xué)性能、切削加工性能與塑性成形性能。
國內(nèi)外C70S6鋼的帶狀組織形貌如圖3所示，在光學(xué)顯微鏡下觀察，二者都存在帶狀組織，但是國內(nèi)材料的帶狀評(píng)級(jí)為1.5級(jí)，較國外材料的1.0級(jí)嚴(yán)重。
3、國內(nèi)外C70S6鋼的非金屬夾雜物對(duì)比
國內(nèi)外C70S6鋼的夾雜物評(píng)級(jí)如表1所示，由表1可知：國內(nèi)外材料沒有顯著差異。
3.1 硫化物對(duì)比
對(duì)于易切削非調(diào)質(zhì)鋼，硫化物形貌的控制非常關(guān)鍵。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，短小紡錘體狀的硫化物有利于材料切削性能的提高，而細(xì)長(zhǎng)狀硫化物材料在切削時(shí)不易斷絲，因此會(huì)對(duì)機(jī)械加工產(chǎn)生不利影響，且細(xì)長(zhǎng)的硫化物會(huì)降低材料的力學(xué)性能。
3.1.1 硫化物微觀形貌及長(zhǎng)寬比分布
在光學(xué)顯微鏡下觀察材料縱截面上的硫化物，硫化物的顏色與鋼基體相近，國內(nèi)外C70S6鋼硫化物的微觀形貌如圖4中的白色線條所示。
對(duì)國內(nèi)外材料進(jìn)行掃描電鏡(SEM)及能譜分析，根據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)硫化物長(zhǎng)寬比及分布特征，長(zhǎng)寬比即描述形態(tài)的物理量。在每個(gè)試樣的邊緣、1/2半徑及心部位置進(jìn)行掃描，夾雜物的掃描總面積及總數(shù)量如表2所示。由表2可以看出：在相近的面積范圍內(nèi)，國內(nèi)材料的非金屬夾雜物數(shù)量明顯較國外材料多。
掃描結(jié)果表明：絕大部分夾雜物為硫化物，成分為純MnS或MnS、CaS的混合夾雜物，各位置硫化物長(zhǎng)寬比分布如圖5~7所示，由圖5~7可知：國外材料中的硫化物更為短小，與金相檢驗(yàn)結(jié)果一致。
3.1.2 復(fù)合硫化物微觀形貌及復(fù)合比例
除單獨(dú)存在的硫化物外，少部分硫化物為復(fù)合形態(tài)，具有氧化物核心，典型形態(tài)如圖8，9所示。由圖8，9可知：國內(nèi)材料中的硫化物核心形態(tài)不規(guī)則，成分主要以富Al元素的氧化物為主，且含有一定量的Ca元素及Mg元素；國外材料中硫化物的核心形態(tài)更為細(xì)小，成分主要為氧化鋁或鎂鋁尖晶石，未發(fā)現(xiàn)明顯的Ca元素。
統(tǒng)計(jì)硫化物的復(fù)合比例，結(jié)果如圖10所示，國外材料中硫化物復(fù)合比例高于國內(nèi)材料，但兩者復(fù)合比例均小于10%。
3.2 氧化物對(duì)比
3.2.1 氧化物數(shù)量及尺寸
除硫化物外，其他夾雜物少量為氧化物。單獨(dú)氧化物和復(fù)合氧化物占比如表3所示，單獨(dú)氧化物具有尺寸大的特征,其典型形態(tài)及尺寸分布如圖11，12所示。由圖11，12可知：國內(nèi) C70S6鋼中大尺寸的氧化物較多。國內(nèi)材料中存在大顆粒球狀氧化物(見圖13)，材料中大顆粒夾雜物的存在對(duì)零件的疲勞壽命將產(chǎn)生致命的影響，因此國內(nèi)材料的純凈度需要進(jìn)一步改善，尤其是要減少單獨(dú)大顆粒夾雜物的數(shù)量。
3.2.2 氧化物成分分析
進(jìn)一步分析氧化物的成分，國內(nèi) C70S6鋼中單獨(dú)氧化物以氧化鋁或富 Al的鈣鋁酸鹽為主，成分中含有少量的Si元素，而國外材料中Si元素含量很低，且以氧化鋁或鎂鋁尖晶石為主。
4、結(jié)語
(1)國外C70S6鋼的橫截面低倍組織致密度高，而國內(nèi)C70S6鋼的橫截面清晰可見枝晶組織，需要進(jìn)一步優(yōu)化鑄坯低倍質(zhì)量。
(2)國內(nèi)C70S6鋼的晶粒細(xì)于國外 C70S6鋼，過細(xì)的晶粒容易使連桿在脹斷過程中發(fā)生塑性斷裂，從而出現(xiàn)掉渣缺陷；國內(nèi)C70S6鋼的帶狀組織較國外嚴(yán)重，帶狀組織的存在將影響材料的綜合力學(xué)性能。
(3)國外C70S6鋼中的硫化物分布更為均勻，有利于材料切削性能的提升，而國內(nèi)C70S6鋼多呈現(xiàn)Ⅱ類硫化物聚集狀態(tài)。
(4)國內(nèi)C70S6鋼中單獨(dú)氧化物以氧化鋁或富Al元素的鈣鋁酸鹽為主，成分中含有少量的Si元素，而國外C70S6鋼中的Si元素含量很低，且以氧化鋁或鎂鋁尖晶石為主。此外，國內(nèi)C70S6鋼中發(fā)現(xiàn)大顆粒球狀氧化物，純凈度需要進(jìn)一步提升，具體可以采用加強(qiáng)冶煉過程中的鋼水脫氧、連鑄過程中保護(hù)澆注等方法來改善。
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