20MnCr5 齒輪鋼全流程夾雜物分析

白旭旭，張 敏，曾建華，楊樹峰，李京社

（1.攀鋼集團研究院有限公司,釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室,四川 攀枝花 617000；2.北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院,北京 100083）

0 引言

作為特殊鋼領域中的一類常見鋼種，齒輪鋼主要應用于制造汽車、工程機械等機械制造業(yè)的傳動部件，高質量的齒輪鋼不但要有良好的強韌性、耐磨性，還需要有良好的抗沖擊、抗裂紋擴展和抗疲勞性能[1?4]。非金屬夾雜物的類型、數(shù)量、尺寸等是影響齒輪鋼疲勞性能的重要因素，非金屬夾雜物的控制是高品質齒輪鋼生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)[5?8]。李濤[9]等分析了汽車齒輪鋼8620RH 連鑄坯中氧化物夾雜的形貌和化學成分，確定大直徑尺寸的球狀夾雜物來源于爐渣。蔣芳杰[10]等通過氬站、LF、VD、中間包及鑄坯的系統(tǒng)取樣，發(fā)現(xiàn)某廠夾雜物控制水平能夠滿足一般齒輪鋼的質量要求。王勇[11]等發(fā)現(xiàn)鑄坯中夾雜物主要為CaO-Al2O3-MgO 和CaO-Al2O3-SiO2復合氧化物夾雜，其中Al2O3含量（質量分數(shù)）較高，可通過適當提高精煉渣堿度或喂入適量鈣線促使夾雜物充分轉變?yōu)槌煞指泳鶆虻牡腿埸c夾雜物。齒輪鋼一般采用鋁脫氧，鋼中易生成大量的高熔點含鋁夾雜物，容易導致水口結瘤及鋼材性能惡化[12?16]。實際生產(chǎn)過程中，合理控制夾雜物形貌、成分、尺寸、數(shù)量等特性是潔凈鋼生產(chǎn)過程的關鍵,其控制不當會引起探傷不合格或夾雜物超標等問題。因此，掌握齒輪鋼冶煉過程中夾雜物的演變規(guī)律對鋼液潔凈度的控制尤為重要。

筆者以國內某鋼廠生產(chǎn)的20MnCr5 齒輪鋼為研究對象，通過對冶煉過程全流程取樣分析，研究了非金屬夾雜物的類型、尺寸、數(shù)量變化行為及規(guī)律，對進一步控制齒輪鋼中夾雜物特性、提高齒輪鋼產(chǎn)品質量提供指導。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

某鋼廠20MnCr5 齒輪鋼現(xiàn)場的生產(chǎn)工藝流程為：轉爐→LF 精煉→VD 精煉→中間包→連鑄，主要化學成分見表1。轉爐出鋼之后，鋼包吊送至LF工位進行精煉，精煉開始通入氬氣，并加入石灰、硅灰石和螢石等進行造渣。在精煉期間向鋼水中加入碳粉和低鋁硅鐵、中碳錳鐵、低碳鉻鐵等對鋼液成分進行微調和合金化。LF 精煉出站后進入VD，期間喂入硅鈣線、Al 線等進行成分調整。精煉完成后進行澆注，經(jīng)過最終軋制處理得到成品鋼。為研究該鋼種在冶煉生產(chǎn)過程中鋼液成分與夾雜物的演變行為，試驗共對三爐次20MnCr5 齒輪鋼鋼液進行連續(xù)取樣，具體取樣方案如表2 所示。

表1 20MnCr5 鋼主要化學成分Table 1 Main chemical composition of 20MnCr5 %

表2 取樣方案Table 2 Sampling plan

1.2 試驗方法

全流程小吊桶樣及鑄坯樣利用線切割進行加工，分別加工出15 mm×15 mm×15 mm 金相樣及Φ5 mm×50 mm 的氣體樣，具體加工示意如圖1 所示。

圖1 試樣加工示意（單位：mm）Fig.1 Schematic diagram of sample processing

切割好的金相樣用磨樣機進行粗磨、細磨之后用拋光機進行拋光，制好的樣品放在掃描電子顯微鏡中進行觀察，為了更準確的統(tǒng)計夾雜物的形貌和成分，對每個試樣中觀察的夾雜物數(shù)量不少于30 個。利用SEM-EDS 對夾雜物的成分進行定量分析。

試驗鋼化學成分分析檢測在鋼研納克檢測技術有限公司-國家鋼鐵材料測試中心進行，鋼中T[O]和[N]含量利用TCH600 氧氮分析儀檢測。

2 結果分析與討論

2.1 鋼液成分變化

圖2、3 分別為三爐次試驗鋼各工位T[O]含量和[N]含量變化情況。由圖2 可見，通過全流程冶煉，氧含量最終都降低到10×10?6以下，脫氧效果明顯。LF 精煉期間加入碳化硅及Al 線進行脫氧，使氧含量迅速降低。LF 精煉20 min 時，三爐次中的全氧含量分別降低到13.5×10?6、7×10?6、9.9×10?6。LF 末期，鋼水中的氧含量變化波動較小。

圖2 三爐次試驗鋼各工位氧含量變化Fig.2 Change of oxygen content in each station of three heats test steel

第一、二爐中包中期鋼中的T[O]含量比VD破空時有所升高，說明在澆注過程中鋼水可能發(fā)生了一定的二次氧化。第三爐次中間包中期氧含量降低，說明澆注過程中氧化物夾雜進一步上浮去除，鑄坯中的氧含量平均只有7.43×10?6。

由圖3 可見，LF 精煉20 min 后，第一、二爐鋼中的[N]含量均降低，而第三爐次中鋼水的[N]含量由91.2×10?6增加到了118×10?6，第三爐次試驗鋼中的[N]含量均明顯增加，這可能是由于吹氬控制不當造成。LF 精煉結束時的[N]含量分別為130×10?6、130×10?6、123×10?6。VD 過程[N]含量都有一定程度的降低，到中包中期時，第一、三爐次的[N]含量基本不變，第二爐略微降低，變化很小。最終鑄坯中的[N]含量分別為114×10?6、108×10?6、113×10?6，均滿足控制要求。

圖3 三爐次各工位氮含量變化Fig.3 Change of nitrogen content in each station of three heats

2.2 非金屬夾雜物的演變

2.2.1 鋼中非金屬夾雜物成分和形貌變化

圖4 為LF 精煉過程中典型夾雜物的SEM 面掃描分析結果，由圖4 可知，在LF 進站時，主要夾雜物為Al2O3-MnS 復合夾雜物，其中還分布了大量的MnS 夾雜物；精煉20 min 后取樣，觀察到Al2O3-MgO-MnS 復合夾雜物和Al2O3夾雜物；LF 末期，鋼中夾雜物主要為MnS、Al2O3-MnS、Al2O3、Al2O3-MgO-MnS 夾雜物。

圖4 LF 精煉過程典型夾雜物掃描結果Fig.4 Scanning results of typical inclusions in LF refining process

圖5 為VD 精煉過程中夾雜物的變化。在VD精煉期間主要在VD 破空及VD 末期取小吊桶樣。VD 破空后，主要觀察到的夾雜物為MnS 夾雜物和呈近球形的以Al2O3為核心MnS 包裹的復合夾雜物，還有許多鎂鋁尖晶石，鎂鋁尖晶石中有的有少量CaO，有的有少量MnS，但主要成分為鎂鋁尖晶石。而到了VD 末期，復合夾雜物中出現(xiàn)了SiO2和CaS，這是由于VD 期間喂入了硅鈣線，導致鋼中硅鈣含量有所增加，產(chǎn)生了含SiO2的夾雜物，其中硅的含量比較低。

圖5 VD 精煉過程典型夾雜物掃描結果Fig.5 Scanning results of typical inclusions in VD refining process

圖6 為中間包的典型夾雜物及面掃描結果。中間包中期對鋼水進行取樣，MnS 夾雜物仍是主要的夾雜物，鎂鋁尖晶石中包含Ca、Mn、S 元素，可見Ca 與O 反應的較少，主要形成了CaS。

圖6 中間包中期典型夾雜物掃描結果Fig.6 Scanning results of typical inclusions in tundish

鑄坯中的典型夾雜物見圖7、8。鑄坯中布有大量的MnS 夾雜物，主要呈鏈狀，鋼中的Al2O3-MnS復合夾雜物主要以Al2O3為核心，尺寸較小，Al2O3-MgO-MnS 復合夾雜物尺寸小于5 μm，主要呈近球形，Al2O3-MgO-MnS-CaS 復合夾雜物也呈球形與近球形，尺寸也大多小于5 μm。

圖7 鑄坯中Al2O3-MnS 夾雜Fig.7 Scanning results of Al2O3-MnS inclusions in slab

圖8 鑄坯中Al2O3-CaS-MnS 夾雜Fig.8 Scanning results of Al2O3-CaS-MnS inclusions in slab

2.2.2 全流程中夾雜物尺寸、數(shù)量變化

各試樣中的夾雜物數(shù)量的統(tǒng)計結果如圖9 所示。由圖9 可知，LF 精煉過程中夾雜物的數(shù)量變化較小，在精煉20 min 時分別由進站時的291、241、235 個/mm2降低到102、193、150 個/mm2。VD 終點與VD 破空相比，第二、三爐中的夾雜物數(shù)量增多，可能與破空后喂料有關。中包中期時夾雜物數(shù)量有所減少，最終鑄坯中夾雜物數(shù)量均小于290 個/mm2。

圖9 三爐次各階段夾雜物的數(shù)量變化Fig.9 Variation of inclusion quantity density in each stage of three heats

隨著精煉的進行，鋼液中夾雜物的平均尺寸都較小，均在3 μm 以下，鑄坯中的平均尺寸最大，如圖10 所示。在LF 精煉期間，三爐次各階段夾雜物的平均尺寸變化趨勢略有不同，第一爐LF 末期夾雜物平均尺寸最小，為1.14 μm，其他兩爐均大于1.5 μm。在VD 終點時，三爐次平均尺寸較接近，從VD 終點到最終鑄坯，夾雜物的平均尺寸呈上升趨勢，最終也低于3.0 μm，夾雜物多為小尺寸夾雜。

圖10 三爐次各階段夾雜物平均尺寸變化Fig.10 Average size change of inclusions in each stage of three heats

表3 是不同爐次各階段夾雜物的尺寸分布，由表3 可知，每爐次鋼中小于3.0 μm 的夾雜物均大于50%，大于5.0 μm 的夾雜物所占比例很小，中包中期時大于2 μm 的夾雜物明顯增多，這可能跟二次氧化有關。最終鑄坯里的小尺寸夾雜物占的比例較高，大于5 μm 的夾雜物也增多。三爐次全流程取樣分析夾雜物，可以看出鑄坯中小于2 μm 的夾雜物與其他冶煉階段小于2 μm 夾雜物所占比例相比，其所占比例最小，小于50%，鑄坯中大于5 μm的夾雜物的比例也比其它階段高，可能是因為夾雜物聚集來不及長大造成的。

表3 不同爐次各階段夾雜物的尺寸分布Table 3 The size distribution of inclusions in different furnaces at each stage

綜合上述分析，發(fā)現(xiàn)該鋼廠20MnCr5 齒輪鋼成品鋼中的T[O]含量均控制在10×10?6以下，控制水平較高，[N]含量也符合冶煉要求。通過SEM-EDS觀察，發(fā)現(xiàn)鋼中MnS 夾雜物主要沿晶界析出，還存在大量不規(guī)則的MnS 夾雜物，需對其進行進一步控制。而且鋼中生成了很多含鎂鋁尖晶石的復合夾雜，D 類夾雜等級較高，可通過調控精煉渣或者減少耐火材料的侵蝕進行控制。

3 結論

1）經(jīng)過對全流程冶煉研究，可知鋼中非金屬夾雜物主要有：Al2O3-MgO-MnS 夾雜物、Al2O3-MgOCaS 夾雜物和Al2O3-MgO-CaS-MnS 夾雜物，其中Al2O3所占比例高于80%，鑄坯中的復合夾雜物尺寸較小，氧化物主要呈球形、近似球形，其中還有大量不規(guī)則MnS 夾雜物。

2）20MnCr5 齒輪鋼冶煉過程中夾雜物的尺寸都很小，每爐次鋼中小于3.0 μm 的夾雜物均大于50%，大于5.0 μm 的夾雜物所占比例很小。

3）通過SEM-EDS 觀察，發(fā)現(xiàn)鋼中MnS 夾雜物主要沿晶界析出，還存在大量不規(guī)則的MnS 夾雜物，需對其進行進一步控制。而且鋼中生成了很多含鎂鋁尖晶石的復合夾雜，這種D 類夾雜等級較高，可通過調控精煉渣或者減少耐火材料的侵蝕進行改善。