钢中硫化物的形成机理与控制研究

钢中硫化物的析出形态、数量、大小及分布对钢的加工和使用性能有着重要影响。本项目针对钢中不同形态（球形、纺锤形、珊瑚形、树枝状、棒状、片状以及不规则形状）硫化物的形成机理与控制研究的缺乏，开展研究不同硫含量以及不同凝固条件下硫化物的形态、数量、大小及分布；基于高温共焦激光扫描电镜原位观察硫化物的形成过程与定向凝固实验，分析不同形态硫化物的形成机理；研究氧以及合金元素对硫化物形态的影响。通过Gleeble热模拟机模拟轧制过程对硫化物的控制以及后续均质化过程对硫化物的影响，并结合Procast软件模拟凝固过程中硫的分布规律，达到弄清不同形态硫化物的形成机理，找出其控制方法，并以低硫取向电工钢、中硫易切削非调质钢和高硫易切削钢为研究背景，利用对钢硫化物的形态、数量、大小及分布的控制，提高其加工以及使用性能。将所得结果用于指导生产实践。

硫作为一种环保的元素（相比较于Pb），加到钢中与锰结合形成MnS使钢具有优良的易切削性。但是，与国外先进钢铁公司所生产的易切削钢实物质量对比，我国目前生产的易切削钢实物质量的主要问题是MnS的分布与大小不均匀，导致切削性能与力学性能下降。国内外对不同形态硫化物的形成机理研究还缺乏。因此，本项目的主要研究内容为：1）不同硫含量与不同凝固条件下硫化物的大小、数量、形态以及分布；2）不同形态硫化物的形成机理以及对钢性能的影响；3）氧含量与合金元素C、Si、Al、Cu等对硫化物形成过程的影响；4）不同变形温度与变形量下，硫化物相对塑性的变化；5）热处理下温度与时间对硫化物形态、大小、数量与分布的影响；6）钢中硫化物析出的热力学研究。重要的结果如下：1）采用Thermocalc热力学软件对含硫易切削钢中硫化物析出规律进行计算，获得了析出相图；随碳、硅、铝含量的增加MnS开始析出温度降低，析出量基本不变。随锰、硫含量的增加MnS开始析出温度升高，并促进高温区域MnS的析出；锰、硫含量非常低时，MnS完全从固相中析出。2）凝固过程的Scheil-Gulliver模拟以及合金元素偏析研究，Mn、S元素的平衡分配系数分别为0.70、0.02。3）随S含量增加，钢中II类MnS群聚现象更明显；III类MnS的比例基本不变，说明S含量对MnS类型的转变没有影响。因此，在S含量的许可范围内，应尽量将S含量控制在较低水平。4）高冷速会促进非平衡共晶反应，抑制MnS分离析出，导致凝固末期在共晶点发生共晶反应，产生第Ⅱ类MnS。在冷速较慢的炉冷条件下，酸溶铝含量0.044%时钢中生成大量III类MnS，但随酸溶铝含量进一步增加，钢中生成大量沿晶分布的不规则MnS。易切削非调质钢钢中为获得均匀分布的第III类MnS，应首先降低凝固冷却速率，使冷速保持在较低水平；同时钢中酸溶铝含量控制在合理水平。5）合理的热加工工艺可以降低硫化物在加工过程中的相对塑性，促使伸长的硫化物发生断裂，减小对钢材横向性能危害，但对改善硫化物的分布影响较小。6）探讨了不同条件下硫化物形成机理。7）钢中的氧含量对硫化物形态的控制至关重要；8）热轧工艺参数与均质化处理对硫化物的形态、大小与数量有一定的影响。这些结果的获得对含硫易切削钢中硫化物的控制具有重要的指导意义。