钇、锆对非调质钢中MnS及组织力学性能的影响
邱国兴1，张红钊1，路峰2，缪德军3，杨永坤1，李小明1
(1. 西安建筑科技大学冶金工程学院， 陕西 西安 710055；2.山东钢铁股份有限公司技术中心， 山东 济南 271104；3. 西安赛隆增材技术股份有限公司， 陕西 西安 710018)
MnS调控一直是高品质非调质钢开发的重点和难点。为改善钢中MnS形态和分布同时提高其力学性能，在实验室利用真空感应炉熔炼3炉试验钢，并对钢锭进行锻造，以研究Y、Zr对钢中夹杂物、显微组织及力学性能的影响。采用扫描电镜对铸态(A1~A3)和锻态(B1~B3)试样中夹杂物进行了统计分析；利用金相显微镜对锻态钢组织进行了观察；利用万能材料试验机和冲击试验机对试验钢性能进行了测试。结果表明，添加Y、Zr后，A2和A3铸态钢中夹杂物多为Ⅲ类和Ⅰ类MnS，平均直径为2.9 μm和1.8 μm。氧含量不是影响MnS形态和分布的主要因素，钢中生成的YAlO3、Y4Zr3O12与MnS具有较小晶格错配度，凝固过程中MnS易以氧化物为核心异质形核析出。以氧化物为核心的MnS在锻造过程中表现出良好的抗变形能力。Y、Zr合金化后，试验钢晶粒尺寸减小，晶内铁素体所占比例增加，平均晶粒尺寸由36.5 μm(B1)降低至22.8 μm(B2)和11.4 μm(B3)；晶内铁素体比例由2.4%(B1)提高至6.2%(B2)和11.1%(B3)。晶粒尺寸最小、晶内铁素体比例最高、MnS尺寸最小的B3钢具有最优的力学性能，其屈服强度为840 MPa，室温冲击功为52 J。研究结果为改善非调质钢中MnS和力学性能提供了理论参考。
非调质钢； MnS； 钇； 锆； 显微组织； 力学性能
非调质钢因其性能优良、生产工艺简单、制造成本低等优点，广泛应用于汽车零件制造。为改善非调质钢切削性能，一般向钢中加入0.01%~0.08%(质量分数)的S元素。要获得良好的切削加工和力学性能，需对非调质钢中MnS形貌、尺寸和分布进行调控，以使其呈纺锤状弥散分布。然而，MnS具有很强的变形能力，锻造后，凝固过程析出的大尺寸MnS发生延展，导致非调质钢性能降低。这是当前国内非调质钢生产中遇到的普遍问题。相关行业人员对MnS夹杂物形态、尺寸的控制进行了大量研究。早期研究表明，钢中氧含量是影响MnS的主要因素。LIU Y等研究发现，当弹簧钢中氧质量分数由0.012%减小至0.008%时，钢中MnS夹杂物由球形转变为块状；SUI H等也发现高氧含量利于球形MnS形核，当易切削不锈钢中氧质量分数由0.014%增加至0.026%时，MnS由多边形转变为球形。后期研究结果表明，除氧含量外，氧化物颗粒对钢中MnS夹杂物形貌和分布也有重要影响。MENG Q等发现Al2O3-MgO夹杂物对球形MnS形核具有良好的作用，可减少细长条状MnS析出；OIKAWA K等研究发现，Ti-Mn-O氧化物是球形MnS理想的形核剂；LU J等研究了ZrO2对非调质钢中MnS形核的影响。由于ZrO2与MnS具有较低的晶格匹配度，更适宜作为MnS异质形核的形核剂。稀土性质活泼，与S的结合能力比Mn更强，形成的夹杂物多为球状和椭球状，可对钢中MnS形貌和分布进行调整，提升钢材力学性能。YANG H等研究了稀土Ce对钢中MnS的影响，结果表明，Ce的添加降低了MnS沿晶界的析出速度，促进了MnS偏晶反应，使棒状或链状MnS变成球形，平均直径降低。JI S等发现随稀土La质量分数由0.004%增加至0.080%，钢中长条状MnS比例由41.6%降至30.4%，球形MnS比例由47.2%增至58.4%。LI D等研究了Ce-La对钢中夹杂物影响，结果表明，钢中50%以上夹杂物尺寸小于5 μm，形状为球形。赵梦静等研究了稀土Y对E36钢中MnS的影响，发现添加Y后MnS均转变为球形或类球形含Y夹杂物，屈服强度和抗拉强度均得到明显改善。与其他稀土元素比，Y在钢中形成的夹杂物密度低，易上浮排除，是当前稀土钢研究的热点。本研究采用真空感应炉熔炼对试验钢进行熔炼，分析Y、Zr对非调质钢中MnS夹杂物、显微组织和力学性能的影响，探索影响钢中MnS形态、分布和力学性能的关键因素，为非调质钢中MnS和力学性能的调控提供理论指导。
研究了Y、Zr对非调质钢中夹杂物尺寸、数量和分布的影响规律，并对试验钢力学性能进行了测试，得到以下结论。1)未添加Y、Zr的钢中MnS夹杂物呈棒状或树枝状分布在晶界处；Y、Zr合金化后，钢中MnS呈块状或球状且分布均匀，MnS平均尺寸减小。A1钢中夹杂物平均尺寸为3.6 μm，A2和A3钢中夹杂物平均尺寸降低至2.9 μm和1.8 μm。钢中单位体积内MnS夹杂物数量提高，A1钢单位体积内夹杂物数量为1.3×105个/mm3，A2和A3钢单位体积内夹杂物数量分别提高至1.4×105、1.6×105 个/mm3。2)氧含量并不是影响钢中MnS夹杂物形态和分布的主要因素。添加Y、Zr后，A2和A3钢中生成的YAlO3、Y4Zr3O12氧化物与MnS具有较小晶格错配度，凝固过程中MnS易以氧化物为核心析出球状MnS。3)锻造后，B1中夹杂物呈细长条状，B2钢中夹杂物变形为短棒状，B3钢中夹杂物多呈椭球状。以氧化物为核心的复合MnS在锻造过程中具有良好的抗变形能力。4)试验钢显微组织均为珠光体+沿晶界析出的网状铁素体+晶内铁素体。Y、Zr合金化后，B2和B3钢显微组织明显细化，平均晶粒尺寸降低至22.8 μm和11.4 μm，晶内铁素体所占比例增加至6.2%和11.1%。晶粒尺寸小、晶内铁素体比例高、MnS夹杂物尺寸小是B3钢具有优异力学性能的主要原因。B3钢屈服强度为840 MPa，室温冲击功为52 J。
