20CrMnTiH齒輪鋼鑄坯中夾雜物研究

方宇榮，汪燦榮，許英華，胡玉軍，戰(zhàn)東平

(1.福建三鋼閩光股份有限公司，福建 三明 365000；2.東北大學(xué) 冶金學(xué)院，遼寧 沈陽110004)

齒輪是汽車的重要零部件之一，起著傳遞動力的作用。汽車齒輪鋼隸屬于合金結(jié)構(gòu)鋼類，原蘇聯(lián)牌號鋼20CrMnTi是目前國內(nèi)用量最大、最廣泛的齒輪鋼種，其產(chǎn)量占齒輪鋼總產(chǎn)量的80%以上〔1〕。我國汽車等行業(yè)需要大量軸承、齒輪、彈簧、曲軸等高品質(zhì)特殊鋼，許多研究表明，夾雜物是鋼材疲勞破壞的主要誘因，而夾雜物的有害程度與其數(shù)量、尺寸、變形性能、在鋼中的位置等因素密切相關(guān)。目前通常通過超低氧冶煉來提高鋼材純凈度〔2〕，減少鋼中大尺寸夾雜物。部分研究通過復(fù)合脫氧、真空處理、高堿度渣精煉等技術(shù)實現(xiàn)超低氧含量的控制〔3-5〕。日本山陽特殊鋼〔6〕發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼中T.O降至5×10-6時，鋼中依然能夠發(fā)現(xiàn)大尺寸不變形鈣鋁酸鹽類夾雜物，其存在具有不確定性，數(shù)量不多但危害很大。目前對于鋼中大尺寸夾雜物來源還不明確， Liu等人〔7〕認(rèn)為含Ca大尺寸夾雜物主要來源于卷渣；Chi等〔8〕發(fā)現(xiàn)精煉渣與耐火材料接觸形成的鋼包釉是大尺寸夾雜物的一個來源；有些學(xué)者〔9-10〕認(rèn)為有些大型夾雜物是二次氧化的產(chǎn)物，戰(zhàn)東平等〔2〕研究發(fā)現(xiàn)超低氧特殊鋼中大尺寸的Ca-Mg-Al夾雜物能夠由小尺寸類似成分的夾雜物在凝固時的固液界面碰撞形成；有研究〔11-12〕認(rèn)為一部分大尺寸Al2O3、鎂鋁尖晶石和氧化鈣可能來源于鋼包水口的引流砂。本文針對國內(nèi)三鋼閔光生產(chǎn)的20CrMnTiH齒輪鋼中大尺寸夾雜物的超標(biāo)問題進(jìn)行研究，探究大尺寸夾雜物的來源，為企業(yè)生產(chǎn)工藝提升提供指導(dǎo)和借鑒。

1 實驗方法

三鋼閔光20CrMnTiH生產(chǎn)工藝路線為120 t轉(zhuǎn)爐→LF精煉→VD爐→6機6流方坯連鑄機，拉速為1.8 m/min，鑄坯斷面為160 mm×160 mm，鑄坯成分見表1。選取正常澆次第五爐第四流鑄坯，在連鑄坯垂直拉速方向切取試樣，規(guī)格為160 mm×160 mm×50 mm，然后分別在鑄坯內(nèi)弧表面到鑄坯中心取6個10 mm×10 mm×10 mm的試樣，具體取樣方案如圖1所示。

表1 鑄坯化學(xué)成分/%

圖1 試樣加工示意圖

通過鑲樣機將金相樣試樣進(jìn)行鑲嵌，再用砂紙對每塊試樣進(jìn)行打磨、拋光，制樣后采用ASPEX 掃描電鏡對試樣光面的夾雜物(>1 μm)進(jìn)行自動掃描統(tǒng)計分析，掃描結(jié)束生成包括夾雜物成分、最大直徑、最小直徑、平均直徑、面積以及長寬比等信息在內(nèi)的文件，同時生成夾雜物的形貌圖片。掃描結(jié)束利用ASPEX的重新定位功能定位至所關(guān)注夾雜物，對其成分和尺寸進(jìn)行更為精確的分析。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 鑄坯中夾雜物尺寸特征分析

用ASPEX掃描電鏡對鋼中>1 μm非金屬夾雜物尺寸和數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計，圖2為鑄坯不同位置單位面積夾雜物個數(shù)和尺寸分布情況?？梢钥闯觯阼T坯內(nèi)弧表面1和4位置處夾雜物數(shù)量較少。內(nèi)弧表面到鑄坯1/2厚度夾雜物數(shù)量逐漸增多，1/4厚度和1/2厚度夾雜物數(shù)量相差不大，但均遠(yuǎn)高于鑄坯內(nèi)弧表面數(shù)量。1/2寬度的夾雜物數(shù)量略高于1/4寬度夾雜物數(shù)量。在鑄坯2和3位置存在極少>20 μm夾雜物，在鑄坯4、5和6位置處則存在少量10～20 μm的夾雜物。

圖2 鑄坯不同位置單位面積夾雜物個數(shù)和尺寸分布

2.2 鑄坯中不同位置夾雜物類型及分布分析

圖3為ASPEX掃描電鏡對鋼中>1 μm不同類型夾雜物在鑄坯不同位置尺寸和數(shù)量分布情況。鑄坯中夾雜物主要為氧化物和TiN夾雜，還存在比例小于2%的尺寸較小的MnS夾雜物。圖3中a和b為鑄坯1/2寬度和1/4寬度不同位置氧化物和TiN夾雜物尺寸統(tǒng)計結(jié)果?？梢钥闯?，鑄坯1/2寬度和1/4寬度規(guī)律相近，鑄坯內(nèi)弧表面夾雜物數(shù)量較少，且尺寸較小，TiN夾雜物平均尺寸小于2 μm，這是因為內(nèi)弧表面冷卻速率較大，夾雜物還未發(fā)生聚集或長大；鑄坯1/4厚度和1/2厚度TiN夾雜物數(shù)量大大增加，部分尺寸較大，超過8 μm，未發(fā)現(xiàn)超過10 μmTiN夾雜物，因為TiN夾雜物在凝固前沿析出，1/4厚度和1/2厚度冷卻速度較慢，凝固過程中會發(fā)生元素偏析，Ti和N含量較高，因此有大量的TiN夾雜物析出且能夠聚集長大。鑄坯內(nèi)弧表面到中心氧化物平均尺寸不超過5 μm，1/4厚度和1/2厚度夾雜物數(shù)量和尺寸有所增加，出現(xiàn)一定數(shù)量10～20 μm和>20 μm的大尺寸夾雜物。

圖3 鑄坯不同位置不同類型夾雜物尺寸分布

2.3 鑄坯中典型夾雜物形貌

表2為鑄坯中主要夾雜物形貌、尺寸和成分。鑄坯中夾雜物主要為氧化物和TiN，其中，氧化物夾雜尺寸分布較廣，主要成分為CaO-Al2O3-SiO2-MgO-CaS，少數(shù)含有少量TiOX，同時CaS含量較少，包裹在外側(cè)，呈部分包裹或全包裹結(jié)構(gòu)。CaS一般是在凝固前沿析出，且在析出時以其他氧化物夾雜為核心，在其上面包裹析出。小尺寸氧化物與大尺寸氧化物主要成分相近，與大尺寸夾雜物成分相比，都含有CaO-Al2O3-MgO，部分含有SiO2和CaS。鑄坯中TiN夾雜物尺寸較小，數(shù)量較多，部分區(qū)域存在TiN夾雜物聚集出現(xiàn)情況。

表2 鑄坯中主要夾雜物形貌及成分

2.4 大尺寸夾雜物來源分析

以上分析可看出，鑄坯中大尺寸夾雜物主要是復(fù)合的氧化物夾雜，主要成分是CaO-Al2O3-SiO2-MgO-CaS，但其具體來源仍不清晰。為進(jìn)一步研究鑄坯中大尺寸氧化物夾雜來源，對鑄坯中不同尺寸氧化物夾雜各成分含量進(jìn)行統(tǒng)計，如圖4所示?？煽闯?，氧化物夾雜中的SiO2含量較少，一部分<10 μm夾雜物中不含有SiO2。同時可以從圖中直觀地看到不同尺寸氧化物夾雜的分布情況，<10 μm氧化物夾雜主要集中出現(xiàn)在兩個區(qū)域，其(CaO+MgO)/Al2O3值小于0.5或在0.5附近。>10 μm夾雜物主要分布在兩個區(qū)域，一部分其(CaO+MgO)/Al2O3值大于0.6，其成分與VD后的鋼包頂渣成分(見圖4)非常接近，因為這部分夾雜物可能來源于卷渣；另一部分>10 μm夾雜物在<5 μm夾雜物平均成分和頂渣成分連線周圍，其來源可能是卷渣顆粒與小尺寸夾雜物聚集的產(chǎn)物。

圖4 VD渣和不同尺寸氧化物夾雜組成分布

3 凝固過程鑄坯中夾雜物的熱力學(xué)計算分析

圖5為利用Therm-Calc軟件得出的夾雜物計算結(jié)果。可以看出，氧化物主要為2CaO·SiO2、CaO·Al2O3和CaO·2Al2O3類夾雜物。隨著溫度降低，2CaO·SiO2約在1 485℃時全部轉(zhuǎn)化為CaO·Al2O3，約在1 360℃時全部轉(zhuǎn)化為CaO·2Al2O3。從掃描的檢測結(jié)果可以看出，復(fù)合氧化物夾雜主要成分為CaO-Al2O3，有些含有少量的SiO2，且CaO/Al2O3值小于0.5，說明發(fā)生了如上轉(zhuǎn)變，但因為兩次轉(zhuǎn)變都發(fā)生在液相線以下，因此兩次轉(zhuǎn)變都不完全，部分夾雜物含有少量的SiO2，CaO/Al2O3值基本在0.5～1之間。同時從檢測結(jié)果可以看出復(fù)合氧化物夾雜還含有少量的MgO，其原因可能是原料和鋼液腐蝕耐火爐襯使少量Mg進(jìn)入鋼液進(jìn)而使夾雜物含有少量的MgO。復(fù)合氧化物夾雜外側(cè)多包有少量的CaS，因為硫化物多在凝固前沿析出，且易以其它夾雜物為核心析出，而鋼液中有較多的氧化物，且這些氧化物中Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于鋼液，因此會對鋼液中的S產(chǎn)生吸引，進(jìn)而生成CaS包裹在外層。同時從圖中計算結(jié)果還可以看出，與檢測結(jié)果一致，鋼中可以單獨生成TiN類夾雜物。

圖5 夾雜物計算結(jié)果

4 結(jié)論

(1)鑄坯內(nèi)弧表面夾雜物數(shù)量較少，可能因為內(nèi)弧表面冷卻速率較大，只有少數(shù)夾雜物形成。內(nèi)弧表面到鑄坯1/2厚度夾雜物數(shù)量逐漸增多，1/4厚度和1/2厚度夾雜物數(shù)量相差不大，遠(yuǎn)高于鑄坯內(nèi)弧表面數(shù)量。

(2)鑄坯內(nèi)弧表面夾雜物數(shù)量較少，且尺寸較小，TiN夾雜物平均尺寸小于2 μm，1/4厚度和1/2厚度TiN夾雜物尺寸和數(shù)量都增加，部分尺寸較大，超過8 μm，因為TiN夾雜物在凝固前沿析出，1/4厚度和1/2厚度冷卻速度較慢，凝固過程中會發(fā)生元素偏析，Ti和N含量較高，因此有大量的TiN夾雜物析出，且能夠聚集長大。鑄坯內(nèi)弧表面到中心氧化物平均尺寸不超過5 μm，1/4厚度和1/2厚度氧化物夾雜數(shù)量和尺寸有所增加，出現(xiàn)一定數(shù)量10～20 μm和>20 μm的大尺寸夾雜物。

(3)大尺寸夾雜物主要成分為CaO-Al2O3-SiO2-MgO-CaS，小尺寸氧化物與大尺寸氧化物主要成分相近，主要為鈣鋁酸鹽，與大尺寸氧化物相比，都含有CaO-Al2O3成分，并含有SiO2-MgO-CaS成分的部分或全部。夾雜物類型與Therm-Calc軟件計算結(jié)果一致。

(4)鑄坯中大尺寸氧化物和小尺寸氧化物所含有的成分相近，但各成分含量存在一定差異，推斷其大尺寸鈣鋁酸鹽夾雜物主要來源于卷渣，是夾渣顆粒和小尺寸夾雜物聚集的產(chǎn)物。