非調質鋼是在鋼中加入了 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)下的力學性能接近碳素結構鋼、合金結構鋼在調質狀態(tài)下的力學性能，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60年代發(fā)展起來的微合金化技術為非調質鋼的開發(fā)奠定了理論基礎，20世紀70年代初發(fā)生的能源危機直接促進了非調質鋼的出現(xiàn)和發(fā)展，1972年德國公司研發(fā)了第一個非調質鍛鋼49MnVS3，并用于汽車發(fā)動機曲軸的制造，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)都具備汽車用非調質鋼49MnVS3、38MnVS6、C70S6、46MnVS5等鋼種的生產(chǎn)技術能力。
非調質鋼按照用途可以分為熱鍛用非調質鋼(用于制作汽車曲軸、連桿等零件)、直接切削加工用非調質鋼、冷作強化非調質鋼(用于制作螺栓、螺母等緊固件)。
來自中天鋼鐵集團有限公司的杜佳美對比分析了德國連桿用非調質鋼C70S6與國內(nèi)同規(guī)格、同牌號的材料，尋找兩者間的差距，以提升國內(nèi)非調質鋼材料的質量。
1、 低倍檢驗
采用相同工藝將國內(nèi)外C70S6鋼試樣同時腐蝕后，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的質量分數(shù)較高，C元素的質量分數(shù)約為0.70%，S元素的質量分數(shù)為0.060%，后續(xù)需進一步優(yōu)化連鑄工藝參數(shù)來改善國內(nèi)材料的低倍質量。
2、 金相檢驗
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，降低了材料的力學性能，尤其是橫向力學性能、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)材料的帶狀評級為1.5級，較國外材料的1.0級嚴重。
3、國內(nèi)外C70S6鋼的非金屬夾雜物對比
國內(nèi)外C70S6鋼的夾雜物評級如表1所示，由表1可知：國內(nèi)外材料沒有顯著差異。
3.1 硫化物對比
對于易切削非調質鋼，硫化物形貌的控制非常關鍵。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，而細長狀硫化物材料在切削時不易斷絲，因此會對機械加工產(chǎn)生不利影響，且細長的硫化物會降低材料的力學性能。
3.1.1 硫化物微觀形貌及長寬比分布
在光學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。
對國內(nèi)外材料進行掃描電鏡(SEM)及能譜分析，根據(jù)結果統(tǒng)計硫化物長寬比及分布特征，長寬比即描述形態(tài)的物理量。在每個試樣的邊緣、1/2半徑及心部位置進行掃描，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，與金相檢驗結果一致。
3.1.2 復合硫化物微觀形貌及復合比例
除單獨存在的硫化物外，少部分硫化物為復合形態(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)計硫化物的復合比例，結果如圖10所示，國外材料中硫化物復合比例高于國內(nèi)材料，但兩者復合比例均小于10%。
3.2 氧化物對比
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。單獨氧化物和復合氧化物占比如表3所示，單獨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一步改善，尤其是要減少單獨大顆粒夾雜物的數(shù)量。
3.2.2 氧化物成分分析
進一步分析氧化物的成分，國內(nèi) C70S6鋼中單獨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，需要進一步優(yōu)化鑄坯低倍質量。
(2)國內(nèi)C70S6鋼的晶粒細于國外 C70S6鋼，過細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重，帶狀組織的存在將影響材料的綜合力學性能。
(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，純凈度需要進一步提升，具體可以采用加強冶煉過程中的鋼水脫氧、連鑄過程中保護澆注等方法來改善。
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