分享：易切削曲轴钢S45CrS中氧含量对硫化物形态的影响

本钢板材股份有限公司技术研究院，辽宁　本溪　117000

摘要: 易切削曲轴钢S45CrS具有组织致密、承受载荷大、耐热性好、硬度均匀性好等特点，常用于制作发动机中承受冲击载荷和传递动力的重要零件。S45CrS钢中硫化物(Mn、Fe)S的形态分为三类：I类为大小不同的球形；II类在钢的晶界以很细的链条状析出，属于晶界硫化物；III类形状为块状的单相夹杂物，在钢中分布无规则。硫化物的形态直接影响钢材的力学性能和切削性能，而硫化物呈球状或纺锤状比线条状更有利于切削性能的提高。本文通过电子显微镜对易切削非调质钢S45CrS低倍试片的中心、1/2半径和边缘处形貌及具体硫化物夹杂物分析，发现有氧元素存在的条件下硫化物夹杂物形态更接近圆形或椭圆形，氧含量越高效果越明显，促进了I类和III类硫化物的形成。

曲轴作为发动机中承受冲击载荷、传递动力的重要零件，在工作中要承受交变载荷所引起的弯曲和剪切应力，对疲劳、耐磨和强度等性能指标都有非常高的要求[1-2]。因此，在曲轴生产中对材质以及毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求都十分严格。曲轴用钢具有组织致密、晶粒细、承受载荷大、耐热性好、硬度均匀性好等特点，为了提高曲轴加工过程中的切削性能，需要添加一定量的硫，以减小切削加工过程中刀具的磨损，而硫化物的形态直接影响钢材的力学性能和切削性能。硫以(Mn、Fe)S的形式存在于钢中，主要分成三类[3-6]：I类为大小不同的球形；II类在钢的晶界以很细的链条状析出，属于晶界硫化物；III类形状为块状的单相夹杂物，在钢中分布无规则。

由于钢中MnS夹杂物隔断了基体的连续性和应力集中源作用而使车削易断，同时硫化物的润滑作用使刀具的磨损减小，从而改善了钢材的切削性能。钢中MnS的形态、分布对钢材的性能有很大的影响，而研究表明夹杂物呈球状或纺锤状比线条状更有利于切削性能的提高，因此用户希望钢中的MnS的组织形态呈纺锤状或近似球状。

本钢技术研究院成功开发了成分均匀、力学性能稳定、易切削的曲轴用钢S45CrS，以满足高端用户产品要求。

1.   实验

1.1   实验材料

随机取1炉易切削S45CrS曲轴钢试样，其化学成分组成（质量分数，%）如表1所示。切取规格为?90 mm的成品钢材试片，经过热酸腐蚀，低倍组织如图1所示。

表  1  化学成分(质量分数，%)

C	Si	Mn	P	S	Cr	Ca
0.43	0.27	0.66	0.02	0.021	0.37	0.0011

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图  1  轧制规格为?90 mm试片的低倍组织

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由图1可见，经过热酸腐蚀后的易切削S45CrS曲轴钢试样低倍组织疏松程度很小，表明钢材致密度很好，具体检验结果见表2

表  2  低倍组织检验结果

中心疏松	一般疏松	锭型偏析
0.5	0.5	0.5

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1.2   硫氧反应

LF炉冶炼过程主要为调节成分和脱硫过程，钢液和钢渣中脱硫过程反应方程式为：

LF精炼过程中，硫在渣和钢中的分配比与渣和钢中氧的活度比成正比，文献[7]对硫化物进行了详细的热力学分析。

2.   结果与讨论

本实验中在低倍试片中心(编号0)、1/2半径(编号1)、边缘(编号2)各取1块组织料，先进行组织分析，再用扫描电子显微镜对夹杂物形态、分布及成分定性分析。文献[8]对钢中硫化物的形貌及分布进行了详细描述。

2.1   试片中心处夹杂物分布及形态

图2为试片中心处扫描电镜拍摄的夹杂物分布图。从图2中可以看出，中心处夹杂物的形状有圆形、椭圆形及不规则条形。对不同形状的夹杂物进行成分分析，分析结果如表3和表4所示。

图  2  中心处不同形态夹杂物成分分析

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表  3  中心处图2(a)中夹杂物成分（质量分数，%）

谱 图	O	Al	S	Ti	Cr	Mn	Fe
谱图1	—	—	30.61	—	0.79	57.16	11.43
谱图2	1.56	—	30.50	—	0.51	52.32	15.11
谱图3	1.18	—	32.39	—	0.48	56.38	9.57
谱图4	2.91	0.36	28.45	0.43	0.42	53.63	13.80

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表  4  中心处图2(b)中非金属夹杂物成分(质量分数，%)

谱 图	O	Mg	Al	S	Ca	Cr	Mn	Fe
谱图1	18.36	3.99	11.21	25.78	7.42	—	30.46	2.78
谱图2	—	—	0.91	27.71	13.45	—	28.63	29.30
谱图3	10.86	—	3.60	22.89	8.55	1.23	27.66	25.22

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经比照图2中不同形状夹杂物分析结果可知，有氧元素存在的条件下夹杂物形态更接近圆形或椭圆形，氧含量越高效果越明显。

2.2   试片1/2半径处夹杂物分布及形态

图3为试片1/2半径处扫描电镜拍摄的夹杂物分布图。从图中可以看出1/2半径处夹杂物的形状有圆形、椭圆形及不规则条形。对不同形状的夹杂物进行成分分析，分析结果如表5和表6所示。

图  3  试片1/2半径处不同形态非金属夹杂物成分分析

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表  5  试片1/2半径处图3(a)中非金属夹杂物成分(质量分数，%)

谱图	O	Mg	Al	S	Ca	Cr	Mn	Fe
谱图 1	24.64	0.52	21.54	20.19	0.61	—	30.24	2.26
谱图 2	—	—	—	27.76	7.09	0.24	34.61	30.30
谱图 3	—	—	—	3.21	—	0.50	4.67	91.62
谱图 4	—	—	—	—	—	0.44	0.64	98.92

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表  6  试片1/2半径处图3(b)中非金属夹杂物成分（质量分数，%）

谱图	O	Mg	Al	S	Ca	Cr	Mn	Fe
谱图 1	—	—	—	25.97	0.29	0.24	49.06	24.43
谱图 2	—	—	—	24.83	0.69	0.35	50.19	23.95
谱图 3	26.57	0.97	11.08	21.81	6.59	—	28.67	4.31
谱图 4	—	—	—	28.40	—	0.33	56.80	14.46

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经比照图3中不同形状夹杂物分析结果可知，有氧元素存在的条件下夹杂物形态更接近圆形或椭圆形，氧含量越高效果越明显。

2.3   试片边缘处非金属夹杂物分布及形态

图4为试片边缘处扫描电镜拍摄的夹杂物分布图。从图中可以看出边缘处夹杂物的形状有圆形、椭圆形及不规则条形。对不同形状的夹杂物进行成分分析，分析结果如表7和表8所示。

图  4  试片边缘处不同形态非金属夹杂物

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表  7  试片边缘处图4(a)中非金属夹杂物成分（质量分数，%）

谱图	O	Al	Si	S	Ca	Cr	Mn	Fe
谱图 1	4.80	4.19	1.36	9.91	4.71	0.31	6.68	68.04
谱图 2	—	0.91	—	28.83	0.88	—	53.21	16.17
谱图 3	—	—	—	11.93	—	0.39	21.75	65.94
谱图 4	—	—	—	3.18	—	0.51	5.28	91.03

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表  8  试片边缘处图4(b)中非金属夹杂物成分（质量分数，%）

谱图	O	Mg	Al	Si	S	K	Ca	Ti	Cr	Mn	Fe
谱图 1	—	—	0.27	—	23.93	—	2.42	—	0.24	40.97	32.17
谱图 2	6.34	1.37	9.89	—	29.86	—	9.10	—	—	37.71	5.74
谱图 3	34.87	2.64	26.85	0.14	9.69	0.12	1.78	0.23	—	12.53	11.15
谱图 4	—	—	0.34	—	31.13	—	10.67	0.43	—	45.42	12.02

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经比照图4中不同形状夹杂物分析结果可知，有氧元素存在的条件下夹杂物形态更接近圆形或椭圆形，氧含量越高效果越明显。

通过对易切削钢S45CrS的横截面中心、1/2半径和边缘的硫化物夹杂形态分析可以得出：氧含量对硫化物形态具有一定的影响，促进了I类和III类硫化物形成，形成规律符合Fe-MnS-MnO三元系相图（图5）。

图  5  Fe-MnS-MnO三元系相图

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3.   结束语

S45CrS钢材低倍试片中心疏松、一般疏松、锭型偏析级别很小，钢材致密度很好；LF精炼过程中，硫在渣和钢中的分配比与渣和钢中氧的活度比成正比；通过对低倍试片的中心、1/2半径和边缘处夹杂物形貌和成分分析，有氧元素存在的条件下夹杂物形态更接近圆形或椭圆形，氧含量越高效果越明显；氧含量对硫化物形态具有一定的影响，促进了I类和III类硫化物的形成，形成规律符合Fe-MnS-MnO三元系相图。