姜周華，龔 偉，王 承，戰(zhàn)東平，王 瑞

(1.東北大學(xué) 冶金學(xué)院，沈陽 110819；2.撫順特殊鋼股份有限公司，遼寧 撫順 113001)

超高強(qiáng)度鋼高純凈熔煉技術(shù)

姜周華1，龔 偉1，王 承1，戰(zhàn)東平1，王 瑞2

(1.東北大學(xué) 冶金學(xué)院，沈陽 110819；2.撫順特殊鋼股份有限公司，遼寧 撫順 113001)

超高強(qiáng)度鋼抗拉強(qiáng)度高、韌性好，具有高的比強(qiáng)度、比模量等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天及國防等領(lǐng)域。超高強(qiáng)度鋼是飛機(jī)和航空發(fā)動機(jī)等航空裝備的首選材料，代表了一個國家鋼鐵材料研究和生產(chǎn)的最高水平，是一個國家科技和國防工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。本文介紹了國內(nèi)外超高強(qiáng)度鋼高純凈熔煉技術(shù)方面的發(fā)展和應(yīng)用情況，論述了典型超高強(qiáng)度鋼的雜質(zhì)元素如S，P，O和N等的控制水平以及鋼中非金屬夾雜物控制的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢；介紹了作者近年來在超高強(qiáng)度高純?nèi)蹮捈夹g(shù)方面的研究進(jìn)展，其中，雜質(zhì)元素和非金屬夾雜物控制水平有了大幅度的提升，為我國高合金超高強(qiáng)度鋼尤其是超高強(qiáng)度不銹軸承齒輪鋼的高純凈熔煉開辟了一條新的工藝路線；最后，指出了我國超高強(qiáng)度鋼高純凈熔煉技術(shù)的發(fā)展方向。

超高強(qiáng)度鋼；高純凈熔煉；雜質(zhì)元素；非金屬夾雜物

超高強(qiáng)度鋼與普通結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度的界限目前尚無統(tǒng)一規(guī)定，習(xí)慣上是將室溫抗拉強(qiáng)度超過1400 MPa、屈服強(qiáng)度大于1200 MPa的鋼稱為超高強(qiáng)度鋼。超高強(qiáng)度鋼除了要求其高的抗拉強(qiáng)度外，還要求具有一定的塑性和韌性、盡可能小的缺口敏感性、高的疲勞強(qiáng)度、一定的抗蝕性和良好的工藝性能等。超高強(qiáng)度鋼在航空、航天、高鐵、風(fēng)電、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等高端裝備制造領(lǐng)域中有著特殊的價值，用以制造的關(guān)鍵構(gòu)件直接決定著機(jī)械裝備的服役行為和發(fā)展的水平，是飛機(jī)和航空發(fā)動機(jī)等航空裝備主承力關(guān)鍵構(gòu)件的首選材料。航空用超高強(qiáng)度鋼的研究開發(fā)難度大，是航空發(fā)達(dá)國家的競爭熱點(diǎn)[1]。

超高強(qiáng)度鋼是當(dāng)前強(qiáng)度最高的金屬結(jié)構(gòu)材料，其強(qiáng)度水平挑戰(zhàn)強(qiáng)韌化理論，追求“極限”強(qiáng)度。航空超高強(qiáng)度鋼引領(lǐng)著超高強(qiáng)度鋼技術(shù)的發(fā)展，它采用最先進(jìn)的純凈熔煉技術(shù)，代表一個國家的冶金最高水平，成為先進(jìn)熔煉、制造技術(shù)的推動者。超高強(qiáng)度鋼發(fā)展至今，合金化研究已達(dá)到很高水平，挖掘現(xiàn)有鋼種的潛力，充分發(fā)揮合金元素的作用，減少有害元素的含量，提高斷裂韌性，已成為追求的目標(biāo)。我國在控制超高強(qiáng)度鋼的純凈度水平方面已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，但與國外先進(jìn)水平相比，尚存在一定的差距。

1 超高強(qiáng)度鋼高純凈熔煉技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1國外超高強(qiáng)度鋼高純凈熔煉技術(shù)的發(fā)展

美國的超高強(qiáng)度鋼多采用真空感應(yīng)爐(vacuum induction melting，VIM)+真空自耗爐(vacuum arc remelting，VAR)的雙真空工藝，俄羅斯多采用電渣重熔(electroslag remelting，ESR)工藝，我國則以雙真空工藝為主。從超高強(qiáng)度鋼開發(fā)之初，人們就注意到了純凈度與強(qiáng)韌性的關(guān)系，從而給予了充分的關(guān)注和研究。

300M鋼于1952年研制成功，是綜合性能最好的飛機(jī)起落架用低合金超高強(qiáng)度鋼[2-5]。成分如表1所示。采用“VIM+VAR”雙真空熔煉，σb≥1860 MPa,KIC=70～80 MPa·m1/2。迄今，西方國家95%以上軍民機(jī)起落架均采用300M鋼制造。300M鋼的突出特點(diǎn)是橫向塑性高，各向異性低。保障這一特點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一是高純?nèi)蹮?，控制硫含量和硫化物。?biāo)準(zhǔn)中規(guī)定雜質(zhì)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：S ≤0.010%，P≤0.010%；實(shí)際鋼中S≤0.001%，P≤0.003%。

美國于20世紀(jì)50年代通過開發(fā)“VIM+VAR”高純?nèi)蹮捈夹g(shù)，控制氧含量(O≤0.0006%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))及其夾雜物，解決了M50鋼主軸承對噴氣航空發(fā)動機(jī)30000 h壽命制約的問題[6]。

20世紀(jì)60年代，美國又把軸承鋼“VIM+VAR”雙真空熔煉先進(jìn)技術(shù)引入齒輪鋼，解決了傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵難題，推進(jìn)了航空發(fā)動機(jī)和直升機(jī)的發(fā)展[7]。在齒輪鋼技術(shù)發(fā)展中高純?nèi)蹮捑哂兄卮笞饔?。齒輪鋼熔煉工藝經(jīng)歷有空氣、真空除氣、真空感應(yīng)、真空自耗、電渣重熔和“真空感應(yīng)+真空自耗”等，其目的是在于提高純凈度，降低偏析、降低碳化物、夾雜物的尺寸并改變其類型。據(jù)文獻(xiàn)報道[8-11]，與空氣熔煉相比，真空自耗使鋼的抗剝蝕疲勞壽命提高了13倍，而“VIM+VAR”可以提高100倍。表2列出了高純凈熔煉AISI 9310和M50NiL鋼制齒輪和試棒滾動接觸疲勞壽命數(shù)據(jù)，“VIM+VAR”熔煉比VAR熔煉的疲勞壽命顯著提高。因此“VIM+VAR”是目前高純凈度齒輪軸承鋼的主要生產(chǎn)工藝。

表2 齒輪與試棒滾動接觸疲勞壽命Table 2 Fatigue life results for test gears and rolling-contact bars

美國曾研發(fā)超高強(qiáng)度不銹鋼AFC-77，抗拉強(qiáng)度σb達(dá)到2000 MPa，但由于純凈熔煉技術(shù)未開發(fā)成功，致使該鋼純凈度較差，韌性嚴(yán)重下降，KIC僅達(dá)到 31 MPa·m1/2。因此，當(dāng)時不得不停止繼續(xù)研發(fā)[12]。

1993年美國采用“VIM+VAR”高純凈熔煉工藝成功開發(fā)了綜合性能優(yōu)良的高合金超高強(qiáng)度起落架鋼AerMet100。其σb≥1930 MPa，KIC≥110 MPa·m1/2，已用于F-22，F(xiàn)-35，F(xiàn)-18飛機(jī)起落架[13]。真空感應(yīng)爐冶煉使鋼的成分元素均勻化和殘余的硫轉(zhuǎn)變?yōu)槲：^小的硫氧化物，進(jìn)一步的真空自耗重熔則主要是去除氧和氮以及高蒸汽壓的元素如堿金屬，從而得到高潔凈度的鋼材。其突出特點(diǎn)是不僅各向異性低，而且KIC高于300M鋼。保障這一特點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)是開發(fā)高純凈熔煉技術(shù)顯著降低鋼中 S，P，O和N 等雜質(zhì)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。同時，與300M鋼相比，AerMet100鋼還將Si，Mn，Al和Ti等也作為雜質(zhì)元素加以控制。AerMet100鋼的元素成分如表3所示。

國外AerMet100鋼中雜質(zhì)元素實(shí)測水平為：S≤0.001%，P≈0.002%，Mn≈0.002%，Si≈0.018%，Al≈0.004%，Ti≈0.005%，O≈0.0005%，N≈0.0002%。另外，借鑒AF1410加入稀土把KIC提高到145 MPa·m1/2以上的效果，國外在AerMet100鋼中加入La，Ce混合稀土Re，使CrS，MnS，F(xiàn)eO，MnO，SiO2轉(zhuǎn)變?yōu)?Ce,La,Re)2O2S等夾雜物，顯著改善了純凈度及夾雜物形態(tài)[14]。

通過上述研究，國外 AerMet100鋼的純凈度控制到非常高的水平，其強(qiáng)度較300M鋼稍有提高，但斷裂韌度KIC提高到110 MPa·m1/2以上，顯著優(yōu)于300M鋼。

1.2我國超高強(qiáng)度鋼純凈熔煉技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代開始仿制的300M鋼是我國第一個采用“VIM+VAR”雙真空熔煉研制的航空超高強(qiáng)度鋼。開發(fā)之初，由于原材料冶金控制問題，開始研制時采用各種工藝方法，共耗費(fèi)鋼材百噸以上仍不能達(dá)到美標(biāo)水平。采用了原材料提純技術(shù)后，將S降低到0.002%以下，添加合金元素后增至0.003%以下，基本控制了硫化物，各項性能達(dá)到美標(biāo)水平[1]。

表3 AerMet100鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 3 Chemical composition of AerMet100 steel (mass fraction/%)

我國研制300M鋼已有很多年，但用于更長壽命和更高可靠性的民航客機(jī)仍需在高純?nèi)蹮捈夹g(shù)上下功夫。

我國研制AF1410，AerMet100鋼時，基本沿用提純原材料后再經(jīng) “VIM+VAR”高純凈熔煉工藝[1]。在“九五”期間開始研制AerMet100鋼高純凈熔煉技術(shù)，目前，有害元素 S，P，O，N，H 能夠控制在10-6量級，總和小于40×10-6，但Ti含量的控制仍有波動[15]。

由于我國原材料水平較低，雖然超高強(qiáng)度鋼走出了一條“原材料提純+VIM+VAR”的工藝路線，但此工藝路線目前還不能用于高強(qiáng)度不銹鋼。原因在于熔煉高強(qiáng)度不銹鋼的原材料之一鉻鐵質(zhì)量不穩(wěn)定，鉻鐵的雜質(zhì)元素控制不住。我國的高強(qiáng)度不銹鋼還未形成自己的高純?nèi)蹮捈夹g(shù)路線。

高合金超高強(qiáng)度鋼一般含有Cr，Mo，V和Co等合金化元素，現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)可以首先采用“電弧爐(electric arc furnace，EAF)+鋼包爐(ladle furnace，LF)(或+真空脫氣(vacuum degassing，VD))+模鑄(mold casting，MC)”工藝流程生產(chǎn)純凈的金屬原料，再通過真空感應(yīng)爐(VIM)進(jìn)一步精煉得到成品成分。

“EAF+LF+MC”工藝流程生產(chǎn)的純凈金屬原料(基本上是純鐵或含少量的合金元素)，再經(jīng)過VIM熔煉添加金屬Cr，Mo，Co或釩鐵(FeV)等來實(shí)現(xiàn)合金化。此工藝在低合金超高強(qiáng)度鋼300M的生產(chǎn)中獲得了良好的效果，有效地降低了鋼中的S，P等常規(guī)有害元素。然而，對于高合金超高強(qiáng)度鋼AerMet100，M50NiL等Cr(或V)含量較高，且Al和Ti含量要求嚴(yán)格的品種，真空感應(yīng)熔煉時Al和Ti很難去除，極易造成含量超標(biāo)。原因是金屬鉻含有較高的Al(gt;2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同))，而釩鐵中含有較高的Al(gt;2%)和Ti(gt;1%)。因此，還需要探索新的工藝路線來解決高合金超高強(qiáng)度鋼中Al，Ti控制的瓶頸問題。

從2012年開始，東北大學(xué)與撫順特殊鋼股份有限公司合作，開展“EAF+LF(VD)+MC”工藝流程生產(chǎn)含V，Cr， Mo的VIM用純凈金屬原料的探索工作，經(jīng)過不斷的工藝改進(jìn)和嘗試，使得金屬原料中的Al，Ti，P，S和五害元素能同時滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。其中S≤0.001%，P≤0.004%，Al≤ 0.005%，Ti≤0.003%，為“VIM+VAR”雙真空工藝冶煉高合金超高強(qiáng)度鋼創(chuàng)造了良好的條件。采用上述純凈金屬原料，通過優(yōu)化VIM和VAR冶煉工藝，在超高強(qiáng)度不銹齒輪軸承鋼的高純凈熔煉方面獲得重大突破。實(shí)現(xiàn)了對鋼中雜質(zhì)元素的有效控制，在鋼中Cr=14.08%和V=0.3%的條件下，可以同時滿足鋼中S≤0.0007%，P≤0.0025%，O≤ 0.0005%，N≤0.0008%，Al≤ 0.008%，Ti≤0.003%，為我國高合金超高強(qiáng)度鋼尤其是超高強(qiáng)度不銹軸承齒輪鋼的高純凈熔煉開辟了一條先進(jìn)的工藝路線。

2 超高強(qiáng)度鋼冶煉工藝研究進(jìn)展

2.1冶煉方法和工藝路線的選擇

超高強(qiáng)度鋼最常用的冶煉工藝路線是“VIM+VAR”，即以真空感應(yīng)熔煉為初煉工藝，以真空自耗重熔為終端冶煉工藝。然而，多年來人們也在探索其他替代的冶煉方法和工藝路線。例如，初煉可以采用非真空感應(yīng)熔煉(atmosphere induction melting，AIM)、“電弧爐(EAF)+真空吹氧精煉(vacuum oxygen degassing,VOD)”、“EAF+LF+VD”替代VIM，終端冶煉工藝采用ESR替代VAR。

Davis[16]在比較不同冶煉方法及純凈度對鋼的性能影響時指出，真空電弧重熔較大氣熔煉的4340鋼中H，O，N含量更低，鋼中夾雜物含量也大幅度降低。因此，鋼的斷面收縮率、斷裂韌度和疲勞極限明顯提高。ESR和ESR加Ti后低合金超高強(qiáng)度鋼的組織和機(jī)械性能研究表明，采用電渣重熔可以獲得好的純凈度并獲得均質(zhì)化的微觀組織，同時，加Ti后鋼的屈服強(qiáng)度可以提高50 MPa[17-20]。比較“VIM+VAR”和“AIM+VAR”工藝對C300馬氏體鋼的性能的影響，AIM熔煉鑄錠中的N和O在VAR中可以去除40%以上，夾雜物減少30%，延展性和沖擊功提高40%。而VIM鑄錠，總氣體量減少12%，延展性和沖擊功分別提高30%和47%[21]。

早在1983年韓耀文等[22]就研究了真空感應(yīng)冶煉、真空電弧重熔與電子束精煉工藝對去除馬氏體時效鋼中雜質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明，間隙元素 C，S，N，O 與其他雜質(zhì)元素對馬氏體時效鋼的韌性與塑性的影響很大。馬氏體時效鋼中 Ti(C,N)含量的增加會降低其斷裂韌度與斷面收縮率?！癡IM+ESR” 工藝的硫含量雖然更低，但是因為Ti(C,N)類夾雜物高，所以KIC低于“VIM+VAR”工藝?！癡IM+VAR”工藝純度較高，夾雜物級別都在0.5級以下，有的到零級。根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)計算去除鋼中C，Ti和Al需要平衡的氧含量，認(rèn)為在真空下熔煉馬氏體時效鋼，只有熔煉溫度在1800 ℃以上和一氧化碳分壓在PCO=0.01大氣壓下，碳氧反應(yīng)才能順利進(jìn)行，Ti的氧化物的熱力學(xué)穩(wěn)定性才能比在1600 ℃下大為降低。而真空電弧熔煉過程，熔池溫度不超過1800 ℃。只有電子束熔煉過程熔池表面溫度可控制在1850～2000 ℃，在較高真空下，[C]+[O]=CO的反應(yīng)才能有效進(jìn)行。劉憲民[23]研究“VIM+ESR”和“VIM+VAR”兩種工藝對45CrNiMoVA超高強(qiáng)度鋼冶金質(zhì)量及性能的影響,發(fā)現(xiàn)兩種冶煉工藝都能使鋼獲得高的冶金質(zhì)量和高的強(qiáng)韌性，兩種工藝冶煉的鋼，其性能和質(zhì)量無明顯的差別，均可滿足航空和航天工業(yè)的需要。同時，該文獻(xiàn)提到電渣重熔鋼的宏觀和微觀偏析最小，疏松也最小，但氧化物和硫化物級別略高，主要是由于鋼中氧含量和硫含量偏高所致。夏志新[24]和楊玉婷[25]對比研究了“EAF+VOD+VAR”和“VIM+VAR”兩種冶煉工藝對G50超高強(qiáng)度鋼韌性的影響，前者硫含量明顯低于后者，細(xì)類夾雜物的級別(硫化物和氧化物)明顯低于后者；前者韌性達(dá)到AKU2=86～88 J，KIC=130～132 MPa·m1/2，前者明顯高于后者。認(rèn)為鋼韌性改善是因為細(xì)夾雜物(主要是硫化物)較少，細(xì)夾雜物密集分布區(qū)域更少，硫化物夾雜間距較寬，延遲夾雜物形成孔洞的聚合，因此有利于韌性的改善。這一結(jié)果說明，采用帶真空處理的爐外精煉技術(shù)可以替代VIM工藝，與后部VAR相結(jié)合，可以低成本生產(chǎn)高純凈的超高強(qiáng)度鋼鑄錠。

對于4340鋼電渣重熔的研究發(fā)現(xiàn)，4340鋼采用電渣重熔可降低鋼中硫含量，提高純凈度，改善各種回火溫度下的KIC。與空氣熔煉鋼相比，電渣重熔鋼盡管每平方毫米夾雜物的數(shù)量增加，但夾雜物尺寸顯著降低，最大尺寸減小，夾雜物的體積分?jǐn)?shù)減小。與真空電弧重熔工藝相比，電渣重熔脫硫和去除夾雜物更為有效；因此與不重熔和經(jīng)真空電弧重熔鋼比較，電渣重熔的鋼改善了熱延性，提高了沖擊吸收功、KIC及疲勞極限，明顯降低了疲勞裂紋擴(kuò)展速率[26]。Li[27]通過研究VIM和ESR生產(chǎn)的40CrNi2Mo鋼的潔凈度和機(jī)械性能，發(fā)現(xiàn)VAR工藝擁有較高的純凈度和-40℃沖擊功，而純凈度對硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比等影響較小。為了對比VAR和ESR工藝，孫穎[28]分別采用“EAF+LF+VD+VAR”和“EAF+LF+VD+ESR”兩種工藝流程冶煉超高強(qiáng)度鋼，結(jié)果表明，真空自耗重熔鋼中的S,P含量明顯低于電渣重熔鋼。真空自耗重熔鋼中氧含量低于電渣重熔鋼。

從以上敘述可以看出，采用“電弧爐+真空爐外精煉”的工藝作為初煉工藝是可行性的。而采用ESR替代VAR作為終端冶煉工藝，不同研究者的結(jié)論存在矛盾，需要進(jìn)一步研究。

2.2VIM冶煉工藝的改進(jìn)

薛正良開展了一系列真空感應(yīng)爐中脫氧動力學(xué)、爐襯與鋼液的相互作用等研究[29-31]。結(jié)果表明，在真空感應(yīng)熔煉過程中，通過透氣磚向熔池吹氬，可以實(shí)現(xiàn)在較低的真空度下熔煉超低氧鋼，以及有效去除鋼中的氧化物夾雜顆粒。在超低氧范圍內(nèi)(Olt;5×10-6)精煉鋼液時，避免爐襯分解對鋼液供氧是關(guān)鍵。爐襯材質(zhì)一定時，爐襯是否向鋼液供氧決定于精煉時的真空度和鋼液溫度。對氧化鈣質(zhì)爐襯而言，欲避免爐襯向鋼液供氧，為了提高在超低氧范圍內(nèi)碳脫氧速率，應(yīng)選擇淺平的熔池，并加強(qiáng)熔池攪拌，提高鋼液中氧的表觀傳質(zhì)系數(shù)。

近年來，東北大學(xué)也開展了VIM用坩堝材料及VIM新工藝對純凈度的影響研究。研究表明CaO坩堝熱穩(wěn)定性受熔煉溫度波動影響小，且只有當(dāng)體系壓力低于5 Pa時，CaO坩堝受溫度的影響才比較明顯；而在體系壓力10～30 Pa時，MgO坩堝熱穩(wěn)定性受溫度影響已十分明顯；在1700 ℃下進(jìn)行高溫精煉脫氮能將氮含量降低到6×10-6，底吹氬脫氮能將氮含量降低至6×10-6，延長精煉時間能將氮含量降至更低。通過以上研究發(fā)現(xiàn)，在VIM過程中采用底吹氬氣精煉工藝，氬氣攪拌改善了脫氮的動力學(xué)條件，脫氮速率常數(shù)增大，可以進(jìn)一步去除鋼中氣體含量，縮短真空精煉時間。

范長剛和董瀚等指出突破低合金超高強(qiáng)度鋼韌性不高的難題應(yīng)從冶煉入手，提高鋼的潔凈度和組織均勻度，達(dá)到超純凈、高均勻度水平，S,P,O,N,H總量小于50×10-6。對難以去除的夾雜物進(jìn)行改性或無害化處理是實(shí)現(xiàn)高韌化的前提和基礎(chǔ)。而通過控制軋制、控制冷卻技術(shù)，配合晶粒細(xì)化和軋后直接淬火等方法，可有效地細(xì)化晶粒、改善夾雜物的分布、提高板條馬氏體的比例，是實(shí)現(xiàn)低合金超高強(qiáng)度鋼高韌化的有效手段[32]。

綜上可以看出，盡管目前大部分超高強(qiáng)度鋼均是采用“VIM+VAR”工藝生產(chǎn)的，其中以VIM應(yīng)用最為廣泛。同時，很多文獻(xiàn)都注意到了ESR的優(yōu)勢，并且還有些引入了“EAF+LF+VD或VOD流程”替代VIM進(jìn)行生產(chǎn)，在保證純凈度的前提下，可以有效地降低生產(chǎn)成本。

3 超高強(qiáng)度鋼中夾雜物對性能的影響及控制

近些年來，國內(nèi)外在超高強(qiáng)度鋼純凈度控制方面已經(jīng)取得了較好效果，但鋼中仍不可避免地存在非金屬夾雜物。夾雜物作為鋼中的脫氧產(chǎn)物或析出物，對鋼的性能有重要影響，超高強(qiáng)度鋼中夾雜物的作用和影響則更為顯著。

國外對于AF1410鋼的研究認(rèn)為，AF1410鋼的KIC與夾雜物特征參數(shù)X0(RV/Rt)/R0成正比。La2O2S夾雜物間距的加大改善了鋼的KIC性能。這種夾雜物間距的增大不是因為夾雜物體積分?jǐn)?shù)的降低而是因為夾雜物平均尺寸的增加。(RV/Rt)越大，KIC越高。X0為平均三維最鄰近夾雜物間的平均距離。RV為韌窩半徑，Rt是韌窩。(RV/Rt)是韌窩長大因子。R0是平均夾雜物半徑[33- 34]。AF1410鋼中夾雜物體積分?jǐn)?shù)越少、粒子3-D間距越大、并且韌窩長大因子越大，鋼的韌性越好[35]。對AerMet100鋼的研究也表明，韌性的變化主要受夾雜物含量的影響，夾雜物體積分?jǐn)?shù)越低，夾雜物間距越大，導(dǎo)致韌窩長大因子增加，顯著提高斷裂韌度。氧硫化物或稀土氧磷化物是主要韌窩的形核位置，不溶解的碳化物也可以作為主要韌窩的形核位置?？赏ㄟ^優(yōu)化夾雜物來改善AerMet100鋼的沖擊性能。

國外有研究[36]采用硅鈣處理工藝對4340鋼中的硫化物進(jìn)行變性處理，通過控制Ca/S≈3，將帶狀MnS夾雜物變性成顆粒狀CaS，使KIC提高了約37 MPa·m1/2。對比研究Mn，La，Ti加入后鋼中硫化物的形態(tài)及其對Hy180[37]及AF1410[38]鋼性能的影響。結(jié)果表明，La2O2S比Ti2CS 和MnS夾雜物更有利于改善KIC性能。 Zeng[39]研究MA250鋼中8～10 μm TiN夾雜物對性能測試過程中裂紋萌生和擴(kuò)展的影響機(jī)理，發(fā)現(xiàn)TiN夾雜物對抗拉強(qiáng)度和疲勞性能都有害。

國內(nèi)李靜媛等[40]以D6AC超高強(qiáng)度鋼為研究對象，研究了夾雜物對韌性的影響，發(fā)現(xiàn)在相近的組織與晶粒度的情況下，夾雜物的數(shù)量越多，鋼的韌性越差，并且降低的程度跟夾雜物的類型有關(guān)。材料在受力時，微裂紋首先于夾雜物處形核，夾雜物之間間距越小，微裂紋聚合長大得越快。郭峰[41]的研究也表明，對于高Co-Ni 超高強(qiáng)度鋼，夾雜物的平均間距與材料臨界裂紋尖端張開位移成正比，增大平均間距，減小夾雜物體積分?jǐn)?shù)有利于提高超高強(qiáng)度鋼的斷裂韌度。王習(xí)術(shù)等[42]采用掃描電鏡原位觀測了數(shù)微米大小夾雜物對超高強(qiáng)度鋼疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展的影響，并用有限元法解釋了夾雜物尺寸和形狀對疲勞裂紋萌生及初期擴(kuò)展的影響程度，得到了超高強(qiáng)度鋼低周疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展特性和夾雜物對疲勞破壞的關(guān)鍵尺寸的估計值。

王承等[43]系統(tǒng)地研究了稀土鑭對低合金超高強(qiáng)度鋼潔凈度的影響規(guī)律，考察分析了稀土鑭對夾雜物的變質(zhì)規(guī)律，分析了VIM熔煉過程影響鋼中O,S和稀土含量的因素。

圖1為不同鑭含量300M鋼中氧含量和硫含量的變化。從圖1中可以看出，鋁脫氧后，鋼中氧含量很低，鑭將鋼中的氧含量從0.0006%進(jìn)一步降低到0.0002%；當(dāng)鋼液中的氧含量非常低時，脫氧的難度就更大，說明稀土鑭具有很強(qiáng)的脫氧能力，能在低氧含量時對鋼液進(jìn)行深度脫氧。同時，0.009%的鑭含量就將鋼中的硫含量從0.0091%降到了0.0012%，顯著地降低了鋼中的硫含量，表明稀土鑭具有極強(qiáng)的脫硫能力，添加微量的鑭就能將鋼中的硫含量降到很低。

在利用真空感應(yīng)爐冶煉稀土處理鋼實(shí)驗時，諸多因素影響著鋼中的氧含量、硫含量和稀土含量。鋼中的氧含量和硫含量與稀土的含量存在著平衡關(guān)系，鋼中的稀土含量會影響氧、硫含量。另外，在冶煉過程中，添加稀土前的氧含量(即預(yù)脫氧效果)、坩堝的表面情況、爐子的漏率和稀土的純凈度等因素都會影響鋼中的氧含量。此外，爐子的漏率、稀土的純度、原料中的硫含量及熔煉溫度影響著鋼中的硫含量。熔煉溫度過高，不利于脫硫。

在低合金超高強(qiáng)度鋼中加入稀土鑭，考察鑭對鋼中夾雜物的變性效果表明[44]：未添加稀土?xí)r，鋼中的夾雜物主要為MnS和Al2O3-MnS夾雜物；鑭處理后，鋼中的夾雜物主要為La-O-S夾雜、LaS夾雜、La-O-S-P-S復(fù)合夾雜物和La-S-P-As復(fù)合夾雜物，且隨著鋼中氧含量的降低，含有磷和砷的稀土夾雜物的含量增多。另外，夾雜物的平均直徑隨著鋼中稀土La含量的增加而增加，但是隨著鋼中稀土La含量的增加，夾雜物的數(shù)量密度減小。鋼中典型非金屬夾雜物的類型和形貌如圖2所示，其中譜線是對應(yīng)夾雜物的EDS成分分析譜線。

添加稀土鑭的300M鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均高于未添加鑭的300M鋼，但提高的幅度不大，而鑭含量在一定范圍內(nèi)，伸長率、收縮率和沖擊韌性隨著鑭含量的增加顯著升高，說明添加稀土鑭可以明顯改善300M鋼的塑性。

可見，通過改善夾雜物的性質(zhì)提高鋼的韌性已經(jīng)成為眾多研究者的共識，并且得到的硫氧化物或稀土硫化物等是對性能危害相對較小的夾雜物種類。

4 結(jié)束語

(1)由于我國原材料水平較低，雖然超高強(qiáng)度鋼走出了一條“原材料提純+VIM+VAR”的工藝路線，但此工藝路線目前還不能用于超高強(qiáng)度不銹鋼。需要探索新的工藝路線來解決高合金超高強(qiáng)度鋼中Al，Ti控制的瓶頸問題。

(2)采用“EAF+LF(VD)+MC”工藝流程生產(chǎn)含V,Cr,Mo的VIM用純凈金屬原料，再經(jīng)過“VIM+VAR”雙真空生產(chǎn)高合金超高強(qiáng)度鋼，對鋼中雜質(zhì)元素的控制取得了良好的效果，為我國高合金超高強(qiáng)度鋼尤其是超高強(qiáng)度不銹軸承齒輪鋼的高純凈熔煉開辟了一條新的工藝路線。

(3)雖然目前大部分超高強(qiáng)度鋼均是采用“VIM+VAR”工藝生產(chǎn)的，但是很多文獻(xiàn)報道都研究了ESR的優(yōu)勢，并且有些還引入了“EAF+LF+VD或VOD”常規(guī)特殊鋼流程替代VIM進(jìn)行生產(chǎn)，可以在保證純凈度的前提下，顯著降低其生產(chǎn)成本，是一個發(fā)展方向。

(4)改善夾雜物可以提高鋼的韌性已經(jīng)成為眾多研究者的共識，硫氧化物或稀土硫化物等是對性能危害相對較小的夾雜物種類。

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(責(zé)任編輯：徐永祥)

HighPuritySmeltingTechnologyforUltra-highStrengthSteels

JIANG Zhouhua1, GONG Wei1, WANG Cheng1, ZHAN Dongping1, WANG Rui2

(1.School of Metallurgy,Northeastern University,Shenyang 110819,China；2.Fushun Special Steel Co.,Ltd,Fushun 113001,Liaoning,China)

Ultra-high strength steel with high tensile strength,good toughness,high specific strength,modulus and other characteristics are widely used in aviation,aerospace and national defense and other fields.Ultra-high strength steel is preferred material for aircraft and aero-engines and other aviation equipments.The application of ultra-high strength steel represents a country's highest level of steel research and production,and it is also an important symbol of the development of national science and technology and national defense industry.The development and application of high purity smelting technology for manufacture of ultra-high strength steels at domestic and overseas is briefly reviewed in the paper,and then the control ability about the impurity elements such as S,P,O and N in typical ultra-high strength steels,and the research status and development trend of non-metallic inclusions control are discussed.The progress in research work of high purity smelting technology for ultra-high strength steels carried out by the authors in recent years has been introduced,it shows that the control level of impurity elements and non-metallic inclusion has been greatly improved,and it also creates a new route for China to manufacture the ultra-high strength steel with high alloy,especially with high purity for ultra-high strength stainless steel,bearing steel and gear steel.Finally,the development direction of high purity smelting technology of ultra-high strength steel in China is pointed out.

ultra-high strength steel;high purity smelting;impurity elements;non-metallic inclusions

10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000147

TG142

A

1005-5053(2017)06-0007-09

2017-08-04；

2017-09-14

姜周華(1963—)，男，博士，教授，主要從事特殊鋼冶金研究，(E-mail)jiangzh63@163.com。