摘要：针对某钢厂生产的C70S6BY非调质钢，通过金相显微镜和扫描电镜对其金相组织和显微组织的分析，明确非调钢的组织情况。检测结果显示，C70S6BY非调质钢主要组织以珠光体为主，珠光体片层中存在MnS的夹杂；使用Image Pro plus软件，通过最恶劣视场法对钢中硫化物进行评级，其中粗系1.5级，细系3.0级；使用SEM扫描电镜对夹杂物的成分进行了分析，实验表明，材料中的夹杂物主要为长条状的MnS夹杂和弥散的纺锤形夹杂。并且Al2O3夹杂物、Al2O3-MgO复合夹杂物和Al2O3-CaO的复合夹杂物会成为纺锤形硫化物内的硬质核心。

　　关键词：C70S6BY非调质钢；微观组织；珠光体片层；硫化物夹杂

　　C70S6BY钢是一种德国研制的适用于发动机胀断连杆的非调质钢，广泛应用于汽膨胀连杆材料，断裂时几乎不发生任何塑性变形。也就是说连杆的韧性受到材料本身的限制，在保证强度、韧性等综合性能的前提下其断裂特征是脆性断裂。C70S6BY钢作为非调质钢，材料成分特点是低硅、低锰、微量钒以及易切削元素硫，而且在加入钒、钛、铌等微合金化元素后的加热的过程中，这些元素会溶于奥氏体中；而且这些元素会随着冷却逐渐在铁素体和珠光体中作为强化相析出，使得其在热轧、锻造或正火状态下的力学性能良好，缩短了生产周期。而非调质钢中添加硫元素会形成MnS的夹杂，从而改善其切削性能，更为重要的是，硫元素的存在还可以起到细化奥氏体晶粒的作用；缺点是加剧钢的各向异性，会使得钢的横向性能降低。所以非调质机械结构钢通常对硫元素的要求范围为0.035%-0.075%。

　　针对C70S6BY钢原材料主要依赖进口的情况，国内钢厂加大了研发力度，本文根据某钢厂的实验生产的材料，通过金相组织分析、扫描电镜分析、能谱分析等，研究了材料的微观组织和夹杂物的控制控制技术。

　　1实验材料生产及制备

　　1.1材料生产

　　生产工艺路线：BOF→LF→RH→CCM(240mm×240mm)→入坑缓冷→探伤→缺陷局部修磨→棒卷线轧制成材。

　　钢材化学成分允许偏差按执行GB/T222标准表2规定执行，化学成分如下表1所示，其中的N、S的偏差为±0.002%。

　　转炉生产过程如下：采取高拉补吹方式，补吹≤2次；保证P≤0.015%、出钢温度T≥1630℃，底吹模式为氮氩气切换，出钢后加入40kg铝作为脱氧剂，加入合金硅铁、高碳铬铁、高锰、钒铁、增碳剂；控制成分范围：[C]：0.63-0.68%，[Si]：0.10-0.16%，[Mn]：0.40-0.50%，[Cr]：0.10-0.13%，[S]：0.055-0.065%，[V]：0.030-0.035%。

　　LF炉：精炼终渣碱度1.5±0.2；白渣保持时间≥20min；RH：真空度≤66.7Pa，保持15分钟以上，真空保持阶段环流量≥1200NL/min，其中软吹时间大于20min，软吹3min后确认成分合格后Ca处理：喂入钙线0.7-1.0m/t，Ca处理时要求[Al]≤0.010%，[S]≤0.010%。

　　连铸：过热度小于30℃，结晶器水量≥140m3/h，液面波动≤±3mm，二冷段比水量为0.23-0.29L/kg，采用电磁搅拌MEMS：380A×3.5Hz、FEMS：300A×7Hz，拉速如下表2所示：

　　轧制之后获得实验材料，针对上述工艺流程，设计分析检测实验，对材料的基体组织和夹杂物进行分析，从而确定生产流程的合理性，发现可优化环节。

　　1.2试样制备

　　从轧材上垂直于轧制方向上去圆坯样，打磨后使用盐酸:水=1:1混合，在7 5℃水浴锅水浴加热，腐蚀至晶粒清晰可见，使用工业纯碱擦拭清洗之后，观察低倍组织。

　　轧材按照下图1切割，观察面沿轧制方向取样，试样依次在400目、800目、1000目、1500目和2000目的砂纸上预磨之后，用W2.5的抛光膏抛光5分钟，然后水抛10分钟后吹干。

　　在光学显微镜100倍下进行观察拍照。组织观测前需要使用4%硝酸酒精溶液腐蚀材料表面，使用工业纯碱擦拭清洗之后，在光学显微镜下观测表面组织。使用蔡司扫描电镜，在5000X的下观测珠光体片层。

　　2金相组织观测

　　下图2为非调质钢低倍组织图片，可以看见在中心部位存在一定的中心缩孔，心疏松级别较高，为1.5级，存在中心偏析现象，可以在可控范围内采用低温浇注，或者在满足生产要求的前提下尽量降低拉速，也可以确定合适的二冷强度，通常采用先强后弱的分配制度,有利于减轻铸坯中心缩孔缺陷。

　　从金相组织(图3)看，试样与外来样组织都为珠光体+铁素体组织，其中珠光体组织占比约在91-92%之间，达到该钢组织控制设计要求，晶粒度控制都在7.5级。从带状组织(图4)来看，试样基本上不存在带状组织，这与在轧钢过程中加热炉较长，炉内加热达四个小时，有效改善了钢材带状组织有关。从脱碳层来看(图5)，材料的脱碳现象较为严重，最严重的达到1.2%，正常检验样脱碳层最大为0.75%。说明脱碳层未能得到有效控制，且炉内铸坯不同位置脱碳层深度不同，批量生产中应该加强脱碳层的控制。

　　对于材料的整体而言，材料的珠光体组织占比约在91-92%之间，为主要的显微组织，故使用蔡司扫描电镜对材料表面的珠光体片层进行5000X的观测，观测结果如图6所示。对珠光体的片层扫描可知，珠光体的片层中存在大量的条纹状的夹杂物，夹杂物的宽度在2µm-5µm之间，元素分析可知，这类条状夹杂物的成分主要为硫化物夹杂，所以需要设计对硫化夹杂物分析实验。

　　3硫化物检测

　　其中硫化物评级方法采用国标中所述的两种方法，即A法：最恶劣视场法；B法：多视场评级取平均值。本次评级取6个视场分别评级，取最恶劣法评级。将试样抛磨之后，使用金相显微镜对抛光面进行观测，记录硫化物的形态和数量，观测结果如下图7所示。

　　图7为放大一百倍后的材料表面，可以看见硫化物沿着轧制方向成现长条状，后通过Image Proplus软件对硫化物进行评级，图中均为A类夹杂物，从一号至六号的粗系分别为1.5、1.5、1.0、1.0、1.5、1.5，其中最恶劣视场法得粗系为1.5级；细系分别为2.5、2.0、3.0、3.0、1.5、2.5，其中最恶劣视场法得细系为3.0级，夹杂物评级均控制在所要求的A类夹杂物粗系2级，细系3级以内，整体控制较为良好。

　　通过对夹杂物的评级图分析，可以看出：本次检测样中的夹杂物形态主要为长条状，少量为球状、纺锤状，其中球状、纺锤状的夹杂物主要为包裹性夹杂物，其比例占总夹杂物数量的18%~20%。

　　了进一步确定检测样中夹杂物的形貌及其成分，我们通过SEM扫描电镜对材料表面进行分析，如图8所示可以看到材料的表面存在细长条形的硫化物夹杂，宽度低于2µm，长度大于100µm，可以看出，在轧制过程中，较软的硫化物被轧制成长条状。

　　上图可以看到，在长条状的硫化夹杂物左下方，出现了宽度大于2µm的纺锤形夹杂物，该夹杂物没有随着轧制的方向发生变形，可以推测它的核心是某种较为硬性的夹杂。为研究该夹杂的类型，我们对其进行了扫描分析，分析结果如下图9所示：

　　图9是对图8中的夹杂物进行了成分分析，其中K元素因波长与Ca相近，部分Ca元素被检测成K元素显示出来。分析结果显示，该夹杂物中含有Mn、S、Al、Mg、Ca、O等元素，可以推测该夹杂物的核心处是Al2O3、MnS和CaO的复合夹杂物，核心处为硬度较高的铝钙的复合夹杂，外圈为较软的硫化物夹杂，可以看出来硫化物以Al2O3-CaO形成的复合硬质夹杂为核心，附着成椭球状，不随着轧制而变成长条形，可以认为RH流程中的喂钙线后对硫化物的形态控制有显著的效果。

　　为了对不同形态的硫化物夹杂的生成机理进行深度的研究，对每个检测样选取了三个典型夹杂物进行分析观察，结果如下图10所示。

　　根据上图重SEM扫描出的元素进行夹杂物分析，其中纺锤体中间可以看见明显的形核，对上图扫描结果如下表3所示：

　　通过扫描电镜SEM分析，检测样中夹杂物主要是硫化物夹杂，MnS夹杂物的形态主要为长条状，数量约为80%；复合夹杂物(18-20%)形态主要为球状、纺锤状，长宽比基本小于3:1，其中长条状和中球夹杂物类型主要是MnS夹杂，纺锤状夹杂物的检测中检测出了Mg元素和Al元素，可以推断出会存在Al2O3-MnS复合夹杂物和Al2O3-MgO-MnS复合夹杂物等，其中该夹杂物中MgO类复合夹杂物所占比例较高。

　　结合图9中分析得出的Ca元素，硫化物内形成的硬化夹杂核是由Al2O3夹杂物、Al2O3-MgO复合夹杂物和Al2O3-CaO的复合夹杂物，其中Al2O3-CaO夹杂是钙改质的结果，Al2O3-MgO复合夹杂物可能由于炉衬侵蚀或下渣造成的。

　　4结论

　　(1)本文中生产的C70S6BY非调质钢存在中心缩孔现象，可以采用低温浇注、降低拉速和调节二冷强度的方式消除该现象。

　　(2)材料的组织为珠光体+铁素体组织，其中珠光体组织占比约在91-92%之间，晶粒度在7.5，带状组织彻底消除，但是仍存在表层脱碳的现象，长时间的炉内加热消除了带状组织，也可能造成表层脱碳，需要合理控制加热时长。

　　(3)珠光体片层中发现了大量的硫化夹杂物的存在，其硫化夹杂物的宽度主要在2µm-5µm之间。

　　(4)材料中存在细长的硫化夹杂物，是随着轧制而变形，其中存在一些宽度较大的夹杂，长条状夹杂附近可以检测到弥散的纺锤状硫化物夹杂，该夹杂物中心部位检测结果为铝钙的复合硬质夹杂，这说明钙元素可以与铝元素形成细小的硬质夹杂，成为硫化物夹杂物的核心，形成纺锤形的复合硫化物夹杂，可以认为钙改质对硫化物的形态控制有显著的效果。

　　(5)对硫化物夹杂物分析得知，材料中的夹杂物为A类夹杂，粗系1.5级，细系3.0级；夹杂物类型主要为长条形的MnS夹杂，其中纺锤状硫化物内形成的硬质夹杂物核心是由Al2O3夹杂物、Al2O3-MgO复合夹杂物和Al2O3-CaO的复合夹杂物。