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(yáng)110004)

齒輪是汽車的重要零部件之一，起著傳遞動(dòng)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(hào)鋼20CrMnTi是目前國(guó)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(guó)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(guò)超低氧冶煉來(lái)提高鋼材純凈度〔2〕，減少鋼中大尺寸夾雜物。部分研究通過(guò)復(fù)合脫氧、真空處理、高堿度渣精煉等技術(shù)實(shí)現(xiàn)超低氧含量的控制〔3-5〕。日本山陽(yáng)特殊鋼〔6〕發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼中T.O降至5×10-6時(shí)，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(duì)于鋼中大尺寸夾雜物來(lái)源還不明確， Liu等人〔7〕認(rèn)為含Ca大尺寸夾雜物主要來(lái)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(gè)來(lái)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(shí)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(lái)源于鋼包水口的引流砂。本文針對(duì)國(guó)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(wèn)題進(jìn)行研究，探究大尺寸夾雜物的來(lái)源，為企業(yè)生產(chǎn)工藝提升提供指導(dǎo)和借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)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(jī)6流方坯連鑄機(jī)，拉速為1.8 m/min，鑄坯斷面為160 mm×160 mm，鑄坯成分見(jiàn)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(gè)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(guò)鑲樣機(jī)將金相樣試樣進(jìn)行鑲嵌，再用砂紙對(duì)每塊試樣進(jìn)行打磨、拋光，制樣后采用ASPEX 掃描電鏡對(duì)試樣光面的夾雜物(>1 μm)進(jìn)行自動(dòng)掃描統(tǒng)計(jì)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(zhǎng)寬比等信息在內(nèi)的文件，同時(shí)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(duì)其成分和尺寸進(jìn)行更為精確的分析。

2 實(shí)驗(yàn)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(duì)鋼中>1 μm非金屬夾雜物尺寸和數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，圖2為鑄坯不同位置單位面積夾雜物個(gè)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(gè)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(duì)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(jì)結(jié)果。可以看出，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?yàn)閮?nèi)弧表面冷卻速率較大，夾雜物還未發(fā)生聚集或長(zhǎng)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(guò)8 μm，未發(fā)現(xiàn)超過(guò)10 μmTiN夾雜物，因?yàn)門iN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(guò)程中會(huì)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(zhǎng)大。鑄坯內(nèi)弧表面到中心氧化物平均尺寸不超過(guò)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(shí)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(shí)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(lái)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(lái)源仍不清晰。為進(jìn)一步研究鑄坯中大尺寸氧化物夾雜來(lái)源，對(duì)鑄坯中不同尺寸氧化物夾雜各成分含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(shí)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(gè)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(gè)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(jiàn)圖4)非常接近，因?yàn)檫@部分夾雜物可能來(lái)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(lái)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(guò)程鑄坯中夾雜物的熱力學(xué)計(jì)算分析

圖5為利用Therm-Calc軟件得出的夾雜物計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，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(shí)全部轉(zhuǎn)化為CaO·Al2O3，約在1 360℃時(shí)全部轉(zhuǎn)化為CaO·2Al2O3。從掃描的檢測(cè)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(shuō)明發(fā)生了如上轉(zhuǎn)變，但因?yàn)閮纱无D(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(shí)從檢測(cè)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?yàn)榱蚧锒嘣谀糖把匚龀?，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(huì)對(duì)鋼液中的S產(chǎn)生吸引，進(jìn)而生成CaS包裹在外層。同時(shí)從圖中計(jì)算結(jié)果還可以看出，與檢測(cè)結(jié)果一致，鋼中可以單獨(dú)生成TiN類夾雜物。

圖5 夾雜物計(jì)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?yàn)閮?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(guò)8 μm，因?yàn)門iN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(guò)程中會(huì)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(zhǎng)大。鑄坯內(nèi)弧表面到中心氧化物平均尺寸不超過(guò)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(jì)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(lái)源于卷渣，是夾渣顆粒和小尺寸夾雜物聚集的產(chǎn)物。