易切削钢中夹杂物及锡的形态

D0I:10.13374/i.is8n1001053x.2001.05.005 第26卷第5期 北京科技大学学报 Vol.26 No.5 2004年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2004 易切削钢中夹杂物及锡的形态 李联生”朱荣”孙彦辉”郭汉杰”般浩》董杰) 1)北京科技大学冶金及生态工程学院，北京1000832)莱芜钢铁股份有限公司技术中心，莱芜271104 摘要研制了一种新型含锡易切削钢.在锡含量小于0.05%（质量分数）时，钢材具有良好的 易切削性能，其力学性能也达到了国家标准，在扫描电镜下观察了钢中夹杂物和断口的形 貌，利用能谱分析了夹杂物的成分.结果表明，钢中的复合夹杂物主要由氧化物和MS组成. 多数呈球形或纺锤形，在断口及夹杂物的表面上锡明显偏析. 关键词易切削钢：锡：夹杂物 分类号T℉741.322 铅系易切削钢有良好的力学性能和易切削 在MTS810材料试验机在进行.在HB-3000B布 性能，然而在易切削钢的冶炼及含铅废钢的回收 氏硬度计上测量材料硬度，钢球中10mm,保持时 熔炼过程中铅污染环境，鉴于锡与铅在化学元素 间12s. 周期表同属一族，物理和化学性质很相近，有可 13扫描电镜及能谱分析 能替代铅作为易切削钢元素，近年来国内外已开 金相样品为中l0mm×l0mm的圆柱，在磨样 始研究含锡易切削钢.易切削钢性能的改善， 机上依次用粒度为400,800,1000,1200,1500的 主要取决于钢中夹杂物的种类、形状、大小、数量 水砂纸磨平，然后在抛光机上抛光.用扫描电子 及分布例.目前对于含锡易切削钢中夹杂物及锡 显微镜，通过背散射像观察了钢中夹杂物的形 的分布状态的工作报道甚少，本文对此进行了初 貌、大小及分布，然后由能谱分析系统确定夹杂 步研究. 物的化学成分. 1.4断口观测拉伸试样 1实验方案 断口附近截取样品，在扫描电镜下，通过二 11冶炼及热加工 次电子像观察断口形貌，利用能谱分析仪分析杂 质元素在断口和夹杂上的分布. 怡炼实验在20kg感应炉中进行.每次熔炼 用18kgQ235钢，其主要成分（质量分数，%）为： 2实验结果及分析 C,0.17:Si,031:Mn,0.07:P,0.020:S,0.025.溶清 2.1冶炼实验结果 后用100g渣(35gCa0,35gSi02,30gAl20,)覆盖 Y20Sn易切削钢及国家标准(GB/T8731一 钢液以减少氧化.实验采用快速定氧测头及时监 1988)中相关易切削钢种的成分如表1所示，其中 控钢液中氧活度.脱氧用中碳锰铁（含Mn69.4%, C,S用红外光谱分析，Sn,Mm和Si,P分别采用原 C1.37%),使钢液的氧活度保持在(70-80)×10. 子吸收光谱和比色方法分析.Y20Sn的C,S,P含 然后加入硫化亚铁(FeS),增碳剂(C)及锡粒调整 量与Y20钢相近，Si含量比Y20高，Mn含量比 钢水成分.最后浇铸成60mm×200mm的圆锭. Y20略低。 将钢锭在1150℃均热，然后锻成40mm的圆棒. 2.2拉伸实验结果 1.2力学性能测试 拉伸实验结果如表2所示.1号和2号样(Sn 拉伸试样测试段为6mm×35mm,两端夹持 的质量分数小于0.05%)的强度达到了国家标 部分为M12的螺柱，试样总长80mm.拉伸实验 准，延伸率和断面收缩率比Y20高，硬度比Y20 收稿日期200401-14李联生男，58岁，教授 低.这是由于Y20Sn的Si含量较高，Mn含量较低 ★国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助(No 50274004) 所造成的：Si是铁素体形成元素，可提高钢的塑

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 加 从， ， 易切 削钢 中夹杂物及锡 的形态 李联生 ” 朱 荣 ” 孙彦辉 ” 郭汉 杰 ” 殷 浩 ” 董 杰 ” 北 京科技大学 冶金 及 生 态 工 程学 院 ， 北 京 莱芜 钢铁股 份有 限 公 司 技术 中心 ， 莱 芜 摘 要 研 制 了一 种新 型含锡 易切 削钢 在锡 含 量 小于 质量 分 数 时 ， 钢 材具 有 良好 的 易切 削性 能 ， 其力 学性 能 也 达 到 了 国家标 准 在扫 描 电镜 下 观 察 了钢 中夹杂物和 断 口 的形 貌 ， 利用能 谱 分 析 了夹杂物 的成 分 结果 表 明 ， 钢 中 的复合 夹杂物 主 要 由氧化 物和 组 成 多数呈 球 形 或 纺 锤 形 ， 在 断 口 及 夹 杂物 的表 面 上 锡 明显偏 析 关键 词 易切 削钢 锡 夹杂物 分 类号 铅 系 易 切 削 钢 有 良好 的 力 学 性 能 和 易切 削 性 能 ， 然 而在 易切 削钢 的冶 炼及 含 铅 废 钢 的 回收 熔 炼 过程 中铅 污 染 环 境 鉴 于锡 与 铅在 化 学 元 素 周 期 表 同属 一 族 ， 物 理 和 化 学 性 质 很 相 近 ， 有 可 能替代铅 作 为 易切 削钢 元 素 ， 近 年 来 国 内外 己 开 始 研 究含 锡 易切 削 钢 ’卜叼 易 切 削 钢 性 能 的改 善 ， 主要 取 决于钢 中夹 杂物 的种类 、 形状 、 大 小 、 数 量 及 分 布 ‘” 目前 对 于 含 锡 易切 削钢 中夹 杂 物 及 锡 的分 布状 态 的工 作报 道 甚 少 ， 本 文对 此 进 行 了初 步研 究 实验 方 案 冶炼 及 热 加 工 冶炼 实 验 在 加 感 应 炉 中进 行 每 次熔 炼 用 钢 ， 其 主 要 成 分 质 量 分 数 ， 为 ， ， ， ， ， 熔清 后 用 渣 ， ， 覆 盖 钢 液 以减 少氧 化 ， 实验 采 用 快速 定 氧 测 头及 时监 控 钢 液 中氧 活 度 脱 氧 用 中碳 锰 铁 含 ， ， 使 钢 液 的氧 活 度 保 持在 一 一 ， 然 后 加 入硫 化 亚铁 ， 增碳 剂 及 锡 粒调 整 钢 水成 分 最 后 浇铸 成 中 的 圆锭 将 钢 锭 在 巧 ℃ 均 热 ， 然 后 锻 成 中 的 圆棒 力学性 能测 试 拉伸 试 样 测 试段 为小 们 口 比， 两 端 夹 持 部 分 为 的螺柱 ， 试 样 总 长 拉 伸 实验 收 稿 日期 刁 卜 李联生 男 ， 岁 ， 教授 国家 自然科学 基 金 和 上 海 宝 钢 集 团公 司 联 合 资助 在 材 料 试 验 机在进 行 在 一 布 氏硬 度 计 上 测 量 材 料 硬 度 ， 钢 球 中 ， 保 持 时 间 ， 扫 描 电镜 及 能谱 分 析 金 相 样 品 为拟 幻口幻。 的圆柱 ， 在 磨 样 机上 依 次用 粒度 为 ， ， ， ， 的 水砂 纸 磨平 ， 然 后 在 抛 光 机上 抛 光 用 扫 描 电子 显 微 镜 ， 通 过 背 散射 像 观 察 了钢 中夹 杂 物 的 形 貌 、 大 小 及 分 布 ， 然 后 由能谱 分 析 系统确 定 夹杂 物 的化 学成 分 断 口 观 测 拉 伸试 样 断 口 附近 截 取 样 品 ， 在 扫 描 电镜 下 ， 通 过 二 次 电子像 观察 断 口 形貌 ， 利用 能谱 分析 仪 分析 杂 质 元 素 在 断 口 和 夹杂 上 的分布 实验 结 果 及 分 析 冶 炼 实验 结 果 易 切 削 钢 及 国 家 标 准 汀 一 中相 关 易切 削钢 种 的成 分 如表 所 示 其 中 ， 用 红 外 光 谱 分 析 ， ， 和 ， 分 别 采用 原 子 吸 收光 谱 和 比色 方 法 分 析 的 ， ， 含 量 与 钢 相 近 ， 含量 比 高 ， 含 量 比 略 低 拉 伸 实验 结 果 拉伸 实验 结果如 表 所 示 号和 号样 的质 量 分 数 小 于 的 强 度 达 到 了 国家 标 准 ， 延 伸 率 和 断 面 收缩 率 比 高 ， 硬 度 比 低 这 是 由于 的 含 量较 高 ， 含 量 较低 所 造 成 的 是 铁 素体 形 成 元 素 ， 可 提 高钢 的塑 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2004．05．005

·472· 北京科技大学学报 2004年第5期 性，而M是碳化物形成元素，可细化珠光体提高 低Si含量提高Mn含量，硬度应保持在HB 钢的强度.因此今后冶炼含锡易切削钢应适当降 160-200范围. 表1Y20Sn及国家标准钢(GB/T8731一1988)的成分（质量分数） Table 1 Compositions of Y20Sn and the steels of the national standard(GB/T8731-1988) % 炉号 钢号 C Si M P Pb Sn 1 Y20Sn 0.21 0.56 0.80 0.28 0.068 0.013 2 Y20Sn 0.20 0.60 0.80 0.28 0.07 0.049 3 Y20Sn 0.20 0.58 0.79 0.29 0.068 0.088 GB/T8731-1988 Y15Pb0.10-0.18 ≤0.15 0.80-1.200.23-0.330.05-0.100.15-0.35 GB/T873】一1988 Y200.17-0.250.15-0.350.70-1.000.08-0.15≤0.06 表2Y20Sn及国家标准钢(GB/T8731一11988)的力学性能 Table 2 Mechanical properties of Y20Sn and some steels of the national standard(GB/T8731-1988) 试样号 钢号 /MPa 6/% w1% HB 1 Y20Sn 463 29.33 55.41 ≤122 2 Y20Sn 457 28.88 58.75 ≤122 3 Y20Sn 411 10.00 27.16 s122 GB/T8731-1988 Y15Pb 390-450 22.00 36.00 ≤170 GB/T8731-1988 Y20 450600 20.00 30.00 ≤175 23扫描电镜及能谱分析结果 他方法如断口分析进行检测.图（©）中卵形夹杂物 图1所示为扫描电镜下Y20Sn易切削钢金相 主要由MnS构成，上部发亮部分是铅，可能是锡 样品中夹杂物的背散射像.从图中可以看出，夹 粒带入的.这说明锡与铅在钢中的分布形式不尽 杂物多为球形或纺锤形复合物，其中深色部分为 相同，前者倾向在晶界附近偏析，后者常以颗 MnO,SiO,等氧化物，浅色部分为MnS,这种夹杂 粒的形式分布于基体中或附着在夹杂物上， 物对提高钢材切削性能最为有效m.金相样品的 2.4断口观测结果 基体和夹杂物上均未检测出Sn,这可能是由于钢 图2所示是1号拉伸试样断口的扫描电镜二 中Sn含量低，以及晶界太窄的缘故，为此需用其 次电子像，可以看出断口的基体呈韧性，而夹杂 雨w和等m需之网 m·mW:m得二智 a)钢中夹杂物的形貌 D)钢中球形复合夹杂物 (C)纲中纺锤形夹杂，发亮部分是Pb 图1Y20Sn钢中夹杂物的背散射电子像 Fig.1 EBSD images of the inclusions of Y20Sn sample 图2Y20Sn钢拉伸试样新口.(a新口基体形貌，b)断口上的夹杂物已从基体上剥恶 Fig.2 Fracture of the mechanical testing sample of Y20Sn

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 性 ， 而 是碳化物形 成 元 素 ， 可 细 化珠 光 体提 高 低 含 量 提 高 含 量 ， 硬 度 应 保 持 在 钢 的强度 因此 今 后冶炼 含锡 易切 削钢 应 适 当降 一 范 围 ， 表 及 国 家标 准钢 汀 一 的成分 质且分 数 ， 如 彻 ， 山 理 一 一 一 ︸ 炉 号 钢 号 汀 一 汀 一 ， 三 ， 一 一 一 刁 感 一 肠 试 样 号 表 及 国家标 准 钢 厅 一 的力学性能 功 奴 ， 比 一 钢 号 饥 咨 ‘，凡一、 鱿凡﹄﹄︸、 ，一︶ … ， ，‘山 料︵︸ 八勺”︸ 峥呼廿八廿︸力八 ︼、勺工﹄盈 门了 汀 一 凡 八，︸呢 厅 一 脚 ‘ 三 三 三 扫 描 电镜 及 能谱 分 析 结 果 图 所 示 为扫 描 电镜 下 易切 削钢 金 相 样 品 中夹 杂物 的背 散射 像 从 图 中可 以看 出 ， 夹 杂物 多 为球 形 或 纺 锤 形 复合 物 ， 其 中深 色 部 分 为 ， 仪 等氧 化 物 ， 浅色 部 分 为 ， 这 种 夹 杂 物对 提 高钢 材 切 削性 能最 为 有效 口， 金 相 样 品 的 基体 和夹 杂 物上 均 未检测 出 ， 这 可 能是 由于钢 中 含量 低 ， 以及 晶界太 窄 的缘 故 ， 为此 需用 其 他 方法 如 断 口 分析进 行检测 图 中卵形夹 杂物 主 要 由 构 成 ， 上 部 发 亮 部分 是 铅 ， 可 能是锡 粒 带入 的 这 说 明锡 与铅 在钢 中的分 布 形 式不尽 相 同 ， 前者 倾 向在 晶 界 附近 偏 析 〔 ， 后 者 常 以颗 粒 的形 式分布 于 基 体 中或 附着在夹 杂物 上 断 口 观 测 结 果 图 所 示 是 号 拉伸试 样 断 口 的扫描 电镜 二 次 电子像 ， 可 以看 出断 口 的基 体呈 韧 性 ， 而 夹 杂 旬训 甲 大 习哥例 阴 形驯 俐 甲 不不 形 之 了 大 习哥御 气 俐 甲 幼 仿全形 大 禾 ， 汉 兑 郁 万 龙 图 钢 中夹杂物 的 背散射 电子 像 加 纽 “ 沁 ， 图 钢 拉 伸 试 样 断 口 断 口 基体形 貌 ， 何断 口 上 的 夹 杂 物 已从 基体 上 剥 离 褚 · 俪

Vol.26 No.5 李联生等：易切削钢中夹杂物及锡的形态 ·473· 物与基体已经明显分离，在其附近出现了扩大了 倾向偏聚在钢中夹杂物和缺陷附近.综合上述结 的裂纹和空洞，这是样品断裂的主要原因.表3是 果不难看出，锡并不能改变钢中硫化物夹杂的形 断口及夹杂物化学成分的能谱分析结果.断口基 状，而是通过晶界和相界的偏析提高脆性，改进 体的锡含量比钢的平均锡含量(0.013%)高13 钢材易切削性能的 倍，而夹杂物上的锡含量(0.96%)更高.这说明锡 表3Y20Sn钢断口上夹杂物成分 Table 3 Composition of inclusions in the fracture of the sample % 夹杂物 Fe Si Mn P Ca Sn Al 断口基体31321 93.65 0.54 3.80 0.00 1.53 0.18 0.30 0.00 夹杂物31321(A) 33.27 0.61 38.11 0.14 26.87 0.20 0.80 0.00 夹杂物31321B) 22.77 0.41 42.12 0.36 32.74 0.04 0.96 0.60 3结论 machining steels [J].Iron Steel Soc/AIME,2001,39:45 4 Yamamoto S.Development of free cutting steel without 本文所炼含锡易切削钢的性能达到了国家 lead [J].Netsu Shori,2000,40(3):104 标准，钢中的复合夹杂物主要由MnS构成，中间 5 Reynolds P E,Abernethy K,Gilroy S P.The effect of cop- 含有MnO,SiO2等氧化物，夹杂物多为球形或纺 per and tin on the properties of structural,wire rod and 锤形，有利于改善钢的易切削性能.锡倾向富集 free cutting steels [J].Recycl Met 1999,June:231 6 Bernsmann G,Bleymehl H,Ehl Ri Hassler.The making of 在钢中缺陷和夹杂物附近，提高了钢材加工时的 free cutting steels with additions of lead,bismuth,tellu- 脆性， rium,selenium and tin [J].Stahl Eisen,2001,121(2):87 参考文献 7 Mason F.Free-Machining steel,unleaded style [J].Am Mach[J】.1991,135(12:51 1 Pennington J N."Green"steel eliminates lead [J].Mod Met,1999,5511:38 8李联生，朱荣，郭汉杰，等.以锡代铅研制环保型易 切削钢).北京科技大学学报.2003,25(4312 2 Somekawa M,Kaiso M,Matsushima Y,et al.Free cutting 9项程云，合金结构钢M.北京：怡金工业出版社， steels without lead addition [J].Kobe Res Dev,2001,51 1999 (1:13 3 Radulescu A G,Ashton J D,Broughton L R,et al.Machi- 10王建华，易丹青，陈康华，等，锡对2618合金组织及 性能的影响).热加工工艺，2001(6)：21 nability comparison of tin-bearing replacement for free- Form and Distribution of Inclusions and Tin in Free-cutting Steel LI Liansheng",ZHU Rong",SUN Yanhui",GUO Hanjie,YIN Hao",DONG Jie 1)Metallurgical and Ecological Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Technological Centre,Laiwu Steel Co.Ltd,Laiwu 271104,China ABSTRACT A free cutting steel containing tin less than 0.05%in mass fraction was developed,which possesses good machinability and satisfactory mechanical properties meeting the national standard of China.The forms and distribution of inclusions and tin in the steel were investigated by observations of the steel samples and the fracture of the mechanical testing samples by means of SEM and EDS.The results showed that the complex inclusions,nod- ular or spindle-shaped,were composed mainly of oxides and mangnese sulphide.It was found that there were ma- rked segregation of tin in the fracture and on the surfaces of inclusions in the steel. KEY WORDS free cutting steel;tin;inclusions

李联生 等 易切 削钢 中央杂物 及 锡 的形 态 。 · 物 与基 体 已 经 明显 分离 ， 在 其 附近 出现 了扩 大 了 倾 向偏 聚 在 钢 中夹 杂物 和 缺 陷 附近 综 合 上述 结 的裂 纹和 空洞 ， 这 是 样 品 断裂 的主 要 原 因 表 是 果 不难 看 出 ， 锡 并 不 能 改变钢 中硫 化 物夹 杂 的形 断 口 及 夹 杂 物 化 学成 分 的能谱 分 析 结 果 断 口 基 状 ， 而 是 通 过 晶界 和 相 界 的偏 析提 高脆性 ， 改进 体 的锡 含 量 比钢 的平 均 锡 含 量 高 钢 材 易切 削性 能 的 倍 ， 而 夹 杂物 上 的锡 含量 更 高 这 说 明锡 表 钢 断 口 上 夹 杂物 成分 夹 杂物 断 口 基 体 夹杂 物 休 夹 杂物 结 论 本 文 所 炼 含 锡 易 切 削 钢 的 性 能 达 到 了 国家 标 准 ， 钢 中 的复 合 夹 杂 物 主 要 由 构 成 ， 中 间 含有 ， 等 氧 化 物 ， 夹 杂物 多 为球 形 或 纺 锤 形 ， 有 利 于 改善 钢 的 易切 削性 能 锡 倾 向富集 在 钢 中缺 陷和 夹 杂物 附近 ， 提 高 了钢 材 加 工 时 的 脆 性 参 考 文 献 ” ，， 刀 ， ， ， ， ， 〔 ’ ， ， ， ， 一 从 ， ， 、 仙 ， ， ， 坤 ， ， 取 ， ， ， 形 ， ， ， ， ， 一 ， 耐 ， 李联生 ， 朱荣 ， 郭汉 杰 ， 等 以锡 代铅研 制环 保型 易 切 削钢 北 京科 技 大学 学报 ， 项 程 云 合 金 结构 钢 北 京 冶 金 工 业 出版 社 ， 王 建华 ， 易 丹 青 ， 陈康华 ， 等 锡 对 合金 组 织 及 性 能的影 响 热 加 工 工 艺 ， 一 ，， 厅 ，， 〔力 ，， ’ ，，， 优 月乞 ， 】 ， ， ， 介 ， ， ， ， 叮 叭 ， 一