38MnVS6 非调质钢中硫化物碲改质工业实践

刘增平，李 杰，沈 伟，付建勋*

（1.承德建龙特殊钢有限公司,河北省半钢水冶炼高洁净高品质特殊钢重点实验室,河北 承德 067201；2.上海大学材料科学与工程学院先进凝固技术中心,省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室,上海 200444）

0 引言

非调质钢早在70 年代初就由德国蒂森特钢公司开发成功[1]，因为非调质钢不需经过热处理等工艺就能达到调质钢的性能要求，在生产制造过程中节约能耗并且能避免调质工艺过程中出现缺陷问题，所以广受世界各国关注。汽车工业是钢铁产业最大的用户之一，非调质钢开发成功后广泛应用在汽车行业，非调质钢主要用于诸如汽车连杆、曲轴、转向节轴、驱动轴、前桥等零件和结构件[2]。其中38MnVS6 非调质钢是应用较早的一个钢种，其主要用于汽车曲轴、转向节等。钢中C 含量在0.38%左右，显微组织为铁素体和珠光体；S 含量在0.05%～0.06%，S 与Mn 元素结合形成MnS 夹杂物，有助于提高钢材的切削加工性能，所以38MnVS6 钢属于易切削非调质钢。钢中MnS 夹杂物的塑性较好，硬度低于钢基体，在轧制过程中受到轧制力后沿轧制方向伸长，变成长条状[3]。长条状的硫化物导致钢材横向力学性能变差，并且在制造汽车曲轴时容易引起磁痕缺陷问题。磁痕缺陷对汽车曲轴来说是致命的缺陷，一经发现，材料直接报废。因此，减少钢中长条状硫化物，避免磁痕缺陷是生产38MnVS6非调质钢过程中重要的一步。MnS 夹杂的控制手段有很多，通过改善冶炼及连铸工艺、调整渣系、控制氧含量等方法均可以对硫化物的形态及分布起到一定作用[4]。除此之外，目前应用最广泛的方法是对硫化物进行改质处理。张浩等[5−6]研究了镁对20MnCr5 齿轮钢中夹杂物的改质行为和规律，发现镁处理后，钢中夹杂物类型由以 Al2O3为核心，外围包裹着 MnS 的复合夹杂转变为以 MgO·Al2O3为核心，外围包裹着 MnS 的复合夹杂物,镁的加入使20MnCr5 轧材中长条状的硫化物更加短小弥散，钢液更加洁净，夹杂物数量变少，尺寸也变小。Cao Chenwei 等[7]对比分析了Ca、Mg-Al 改性对S50C模具钢中复合夹杂物的影响，发现钙处理通过形成铝酸钙来防止大夹杂物的形成。镁能提供更均匀的形核位点，并能形成更小的夹杂。黄宇等[8]研究了稀土Ce 元素对钎具钢中镁铝尖晶石和硫化物的改质过程和改质机理，发现稀土改质和镁改质钢中夹杂物效果显著，成本也较低，但是在很多钢中加入稀土或Mg 元素会在连铸过程中发生水口蓄瘤，使连铸无法进行。碲改质钢中夹杂物也有明显效果，并且没有水口蓄瘤的风险。Wu Xiangyu[9]研究了碲对Y1Cr13 易切削不锈钢中硫化物的改质效果；李杰等[10]研究了碲对303Cu 不锈钢中MnS 夹杂物形态的改质，Shen Ping[11]研究了碲对38MnVS6 微合金钢中MnS 夹杂物的改性；曹晨巍等[12]对比分析了硫系、碲系、铅系易切削钢的组织及硫化物，研究发现碲会提高钢中硫化物的显微硬度，提高硫化物在钢材轧制过程中的抗变形能力，从而使钢中大部分硫化物呈椭球形且分布均匀[13]。

笔者以承德建龙特殊钢有限公司冶炼的含碲与不含碲非调质钢为试验对象，对比分析了碲对非调质钢中硫化物的尺寸、形态及分布的影响，以改善因硫化物所引起的磁痕缺陷问题，并对产品的力学性能进行分析和检测。

1 生产工艺及试验方法

1.1 生产工艺流程

承德建龙特殊钢有限公司非调质钢生产工艺流程为：转炉冶炼→LF 精炼→VD 精炼→连铸→铸坯坑冷→轧制→轧材缓冷→检测→精整。

38MnVS6 非调质钢成品主要化学成分见表1，对比炉在VD 精炼末期喂入含碲包芯线进行碲改质处理，其他工艺与试验炉完全一致。连铸工艺得到200 mm×200 mm 的方坯，再经过连轧工艺得到直径Ø60 mm 的棒材。

表1 38 MnVS6 非调质钢的主要化学成分Table 1 Main chemical composition of the non-quenched and tempered 38MnVS6 steel %

1.2 试验方法

取对比炉和试验炉控温轧制后的棒材产品，直径58 mm（轧制后经过扒皮处理），在棒材上取a、b两个试样，如图1 所示。

图1 棒材实物及取样示意Fig.1 Bar materials and sampling diagram

试样经过磨抛机磨抛处理后，用金相显微镜（蔡司）对a 试样进行观察并拍照，用Image Pro Plus 软件统计分析a 试样中硫化物的尺寸及分布情况，并根据国标GBT10561-2005 进行评级，用Image Pro Plus 软件将宽度2～4 μm 的A 类夹杂物（硫化物）长度相加为细系评级长度，将宽度4～12 μm的A 类夹杂物的总长定为粗系评级长度，规定以最恶劣视场为最终评级结果；用非水溶液电解腐刻法对b 试样进行电解，具体电解过程参考文献[14]。电解烘干后用扫描电镜（Phenom-World）及能谱观察分析夹杂物的三维形貌。

2 结果与讨论

2.1 硫化物评级与尺寸分布

图2 为未改质和改质的38MnVS6 钢的金相照片，图3 为经过黑白转换后的图片，根据国标查表可得改质前后38MnVS6 钢中硫化物评级结果，如表2 所示。可以看出，改质前钢中硫化物评级结果为细系2.5 级，粗系3.0 级，评级结果不能满足出厂要求，长条状硫化物偏多。改质后钢中硫化物评级结果为细系2.0 级，粗系1.5 级，大部分硫化物呈断续状分布，长条状硫化物明显减少。采用图4 法标NF A-04-108 图谱评级，可以得出未改质钢中硫化物评级为F 级，改质后为C 级。改质后钢中硫化物分布更均匀，大部分为椭球形。

图2 未改质与改质后38MnVS6 钢金相照片Fig.2 Metallographic photos of the non-modified and modified 38MnVS6 steel

图3 未改质与改质后38MnVS6 钢的黑白照片Fig.3 Black and white photography of the non-modified and modified 38MnVS6 steel

图4 法标NF A-04-108 夹杂物评级图谱[15]Fig.4 France NF A 04-108 sulfide evaluation map

表2 未改质与改质后38MnVS6 钢中硫化物评级结果Table 2 Sulfide rating results in the non-modified and modified 38MnVS6 steel

每个试样在光学显微镜200 倍视场下随机拍20 张图片，采用Image Pro Plus 软件对钢中硫化物的平均面积、等效直径、长宽比进行统计分析，由统计分析结果可知，未改质和改质后的钢中硫化物等效直径分布情况大致相同，都是大部分硫化物等效直径小于2 μm，占比为65%，其中占比最多的是1～2 μm，钢中几乎没有等效直径大于10 μm 的硫化物。硫化物长宽比的分布情况有所不同，未改质钢中硫化物的长宽比大于6 的占比最大，为32%；而改质过后，长宽比大于6 的占比最小，为11%，3～6的占比最大，为36%。根据统计结果可知，碲元素对38MnVS6 钢中硫化物长宽比有很大的改质作用，可以将90%左右的硫化物长宽比控制在6 以内，50%以上控制在1～3。

汽车曲轴有较多变形量较大的部位，那些地方正是磁痕最容易产生的位置磁痕缺陷主要由长条状硫化物引起。经过碲改质过后，长条状硫化物转变成断续状，可以有效解决38MnVS6 钢加工成汽车曲轴后的磁痕问题。

2.2 硫化物形貌

用扫描电镜观察未改质和改质后的38MnVS6钢中的夹杂物，如图5 所示。根据能谱分析可知，钢中夹杂物主要为硫化物，也有少部分氧化铝、氮化钛夹杂和硫化物包裹氧化铝的复合夹杂物。本次改质试验加入碲含量较低，在钢中未观察到碲元素，根据Shen Ping 等[16]研究发现，在钢中加入微量碲元素时，碲元素会固溶在硫化物内部，只有碲添加量足够多时才会在硫化物表面析出。碲元素固溶在硫化物中，会提高硫化物的显微硬度，从而在轧制过程中提高硫化物抗变形的能力。

图5 未改质与改质后38MnVS6 钢SEM 照片Fig.5 SEM photos of the non-modified and modified 38MnVS6 steels

2.3 含碲非调质钢力学性能检验及实践

检测改质过后棒材的拉伸力学性能、冲击性能和表面硬度，检测结果如表3 所示。试样的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率、纵向冲击吸收功及表面硬度等均符合技术要求。碲的加入，在满足非调质钢强硬度和塑韧性的前提下，能够改善其切削性能，并对硫化物的形态进行调控，满足了客户对硫化物级别的要求。

表3 含碲38MnVS6 钢非调质力学性能Table 3 Mechanical properties of tellurium containing 38MnVS6 steels without quenching and tempering

3 结论

1）38MnVS6 非调质钢碲改质过后钢中硫化物评级从细系3.0 级，粗系2.0 级下降为细系2.0 级，粗系1.5 级；按法标评级由F 级改质为C 级。

2）碲改质后38MnVS6 非调质钢中90%左右的硫化物长宽比控制在6 以内，50%以上控制在1～3。未改质钢中硫化物大多数为长条状，改质过后以断续状和椭球状为主。

3）碲改质过后38MnVS6 非调质钢的力学性能指标均符合技术要求。