白旭旭，张 敏，曾建华，杨树峰，李京社
（1.攀钢集团研究院有限公司,钒钛资源综合利用国家重点实验室,四川 攀枝花 617000；
2.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京 100083）
作为特殊钢领域中的一类常见钢种，齿轮钢主要应用于制造汽车、工程机械等机械制造业的传动部件，高质量的齿轮钢不但要有良好的强韧性、耐磨性，还需要有良好的抗冲击、抗裂纹扩展和抗疲劳性能[1−4]。非金属夹杂物的类型、数量、尺寸等是影响齿轮钢疲劳性能的重要因素，非金属夹杂物的控制是高品质齿轮钢生产的关键环节[5−8]。李涛[9]等分析了汽车齿轮钢8620RH 连铸坯中氧化物夹杂的形貌和化学成分，确定大直径尺寸的球状夹杂物来源于炉渣。蒋芳杰[10]等通过氩站、LF、VD、中间包及铸坯的系统取样，发现某厂夹杂物控制水平能够满足一般齿轮钢的质量要求。王勇[11]等发现铸坯中夹杂物主要为CaO-Al2O3-MgO 和CaO-Al2O3-SiO2复合氧化物夹杂，其中Al2O3含量（质量分数）较高，可通过适当提高精炼渣碱度或喂入适量钙线促使夹杂物充分转变为成分更加均匀的低熔点夹杂物。齿轮钢一般采用铝脱氧，钢中易生成大量的高熔点含铝夹杂物，容易导致水口结瘤及钢材性能恶化[12−16]。实际生产过程中，合理控制夹杂物形貌、成分、尺寸、数量等特性是洁净钢生产过程的关键,其控制不当会引起探伤不合格或夹杂物超标等问题。因此，掌握齿轮钢冶炼过程中夹杂物的演变规律对钢液洁净度的控制尤为重要。
笔者以国内某钢厂生产的20MnCr5 齿轮钢为研究对象，通过对冶炼过程全流程取样分析，研究了非金属夹杂物的类型、尺寸、数量变化行为及规律，对进一步控制齿轮钢中夹杂物特性、提高齿轮钢产品质量提供指导。
1.1 试验材料
某钢厂20MnCr5 齿轮钢现场的生产工艺流程为：转炉→LF 精炼→VD 精炼→中间包→连铸，主要化学成分见表1。转炉出钢之后，钢包吊送至LF工位进行精炼，精炼开始通入氩气，并加入石灰、硅灰石和萤石等进行造渣。在精炼期间向钢水中加入碳粉和低铝硅铁、中碳锰铁、低碳铬铁等对钢液成分进行微调和合金化。LF 精炼出站后进入VD，期间喂入硅钙线、Al 线等进行成分调整。精炼完成后进行浇注，经过最终轧制处理得到成品钢。为研究该钢种在冶炼生产过程中钢液成分与夹杂物的演变行为，试验共对三炉次20MnCr5 齿轮钢钢液进行连续取样，具体取样方案如表2 所示。
表1 20MnCr5 钢主要化学成分Table 1 Main chemical composition of 20MnCr5 %
表2 取样方案Table 2 Sampling plan
1.2 试验方法
全流程小吊桶样及铸坯样利用线切割进行加工，分别加工出15 mm×15 mm×15 mm 金相样及Φ5 mm×50 mm 的气体样，具体加工示意如图1 所示。
图1 试样加工示意（单位：mm）Fig.1 Schematic diagram of sample processing
切割好的金相样用磨样机进行粗磨、细磨之后用抛光机进行抛光，制好的样品放在扫描电子显微镜中进行观察，为了更准确的统计夹杂物的形貌和成分，对每个试样中观察的夹杂物数量不少于30 个。利用SEM-EDS 对夹杂物的成分进行定量分析。
试验钢化学成分分析检测在钢研纳克检测技术有限公司-国家钢铁材料测试中心进行，钢中T[O]和[N]含量利用TCH600 氧氮分析仪检测。
2.1 钢液成分变化
图2、3 分别为三炉次试验钢各工位T[O]含量和[N]含量变化情况。由图2 可见，通过全流程冶炼，氧含量最终都降低到10×10−6以下，脱氧效果明显。LF 精炼期间加入碳化硅及Al 线进行脱氧，使氧含量迅速降低。LF 精炼20 min 时，三炉次中的全氧含量分别降低到13.5×10−6、7×10−6、9.9×10−6。LF 末期，钢水中的氧含量变化波动较小。
图2 三炉次试验钢各工位氧含量变化Fig.2 Change of oxygen content in each station of three heats test steel
第一、二炉中包中期钢中的T[O]含量比VD破空时有所升高，说明在浇注过程中钢水可能发生了一定的二次氧化。第三炉次中间包中期氧含量降低，说明浇注过程中氧化物夹杂进一步上浮去除，铸坯中的氧含量平均只有7.43×10−6。
由图3 可见，LF 精炼20 min 后，第一、二炉钢中的[N]含量均降低，而第三炉次中钢水的[N]含量由91.2×10−6增加到了118×10−6，第三炉次试验钢中的[N]含量均明显增加，这可能是由于吹氩控制不当造成。LF 精炼结束时的[N]含量分别为130×10−6、130×10−6、123×10−6。VD 过程[N]含量都有一定程度的降低，到中包中期时，第一、三炉次的[N]含量基本不变，第二炉略微降低，变化很小。最终铸坯中的[N]含量分别为114×10−6、108×10−6、113×10−6，均满足控制要求。
图3 三炉次各工位氮含量变化Fig.3 Change of nitrogen content in each station of three heats
2.2 非金属夹杂物的演变
2.2.1 钢中非金属夹杂物成分和形貌变化
图4 为LF 精炼过程中典型夹杂物的SEM 面扫描分析结果，由图4 可知，在LF 进站时，主要夹杂物为Al2O3-MnS 复合夹杂物，其中还分布了大量的MnS 夹杂物；
精炼20 min 后取样，观察到Al2O3-MgO-MnS 复合夹杂物和Al2O3夹杂物；
LF 末期，钢中夹杂物主要为MnS、Al2O3-MnS、Al2O3、Al2O3-MgO-MnS 夹杂物。
图4 LF 精炼过程典型夹杂物扫描结果Fig.4 Scanning results of typical inclusions in LF refining process
图5 为VD 精炼过程中夹杂物的变化。在VD精炼期间主要在VD 破空及VD 末期取小吊桶样。VD 破空后，主要观察到的夹杂物为MnS 夹杂物和呈近球形的以Al2O3为核心MnS 包裹的复合夹杂物，还有许多镁铝尖晶石，镁铝尖晶石中有的有少量CaO，有的有少量MnS，但主要成分为镁铝尖晶石。而到了VD 末期，复合夹杂物中出现了SiO2和CaS，这是由于VD 期间喂入了硅钙线，导致钢中硅钙含量有所增加，产生了含SiO2的夹杂物，其中硅的含量比较低。
图5 VD 精炼过程典型夹杂物扫描结果Fig.5 Scanning results of typical inclusions in VD refining process
图6 为中间包的典型夹杂物及面扫描结果。中间包中期对钢水进行取样，MnS 夹杂物仍是主要的夹杂物，镁铝尖晶石中包含Ca、Mn、S 元素，可见Ca 与O 反应的较少，主要形成了CaS。
图6 中间包中期典型夹杂物扫描结果Fig.6 Scanning results of typical inclusions in tundish
铸坯中的典型夹杂物见图7、8。铸坯中布有大量的MnS 夹杂物，主要呈链状，钢中的Al2O3-MnS复合夹杂物主要以Al2O3为核心，尺寸较小，Al2O3-MgO-MnS 复合夹杂物尺寸小于5 μm，主要呈近球形，Al2O3-MgO-MnS-CaS 复合夹杂物也呈球形与近球形，尺寸也大多小于5 μm。
图7 铸坯中Al2O3-MnS 夹杂Fig.7 Scanning results of Al2O3-MnS inclusions in slab
图8 铸坯中Al2O3-CaS-MnS 夹杂Fig.8 Scanning results of Al2O3-CaS-MnS inclusions in slab
2.2.2 全流程中夹杂物尺寸、数量变化
各试样中的夹杂物数量的统计结果如图9 所示。由图9 可知，LF 精炼过程中夹杂物的数量变化较小，在精炼20 min 时分别由进站时的291、241、235 个/mm2降低到102、193、150 个/mm2。VD 终点与VD 破空相比，第二、三炉中的夹杂物数量增多，可能与破空后喂料有关。中包中期时夹杂物数量有所减少，最终铸坯中夹杂物数量均小于290 个/mm2。
图9 三炉次各阶段夹杂物的数量变化Fig.9 Variation of inclusion quantity density in each stage of three heats
随着精炼的进行，钢液中夹杂物的平均尺寸都较小，均在3 μm 以下，铸坯中的平均尺寸最大，如图10 所示。在LF 精炼期间，三炉次各阶段夹杂物的平均尺寸变化趋势略有不同，第一炉LF 末期夹杂物平均尺寸最小，为1.14 μm，其他两炉均大于1.5 μm。在VD 终点时，三炉次平均尺寸较接近，从VD 终点到最终铸坯，夹杂物的平均尺寸呈上升趋势，最终也低于3.0 μm，夹杂物多为小尺寸夹杂。
图10 三炉次各阶段夹杂物平均尺寸变化Fig.10 Average size change of inclusions in each stage of three heats
表3 是不同炉次各阶段夹杂物的尺寸分布，由表3 可知，每炉次钢中小于3.0 μm 的夹杂物均大于50%，大于5.0 μm 的夹杂物所占比例很小，中包中期时大于2 μm 的夹杂物明显增多，这可能跟二次氧化有关。最终铸坯里的小尺寸夹杂物占的比例较高，大于5 μm 的夹杂物也增多。三炉次全流程取样分析夹杂物，可以看出铸坯中小于2 μm 的夹杂物与其他冶炼阶段小于2 μm 夹杂物所占比例相比，其所占比例最小，小于50%，铸坯中大于5 μm的夹杂物的比例也比其它阶段高，可能是因为夹杂物聚集来不及长大造成的。
表3 不同炉次各阶段夹杂物的尺寸分布Table 3 The size distribution of inclusions in different furnaces at each stage
综合上述分析，发现该钢厂20MnCr5 齿轮钢成品钢中的T[O]含量均控制在10×10−6以下，控制水平较高，[N]含量也符合冶炼要求。通过SEM-EDS观察，发现钢中MnS 夹杂物主要沿晶界析出，还存在大量不规则的MnS 夹杂物，需对其进行进一步控制。而且钢中生成了很多含镁铝尖晶石的复合夹杂，D 类夹杂等级较高，可通过调控精炼渣或者减少耐火材料的侵蚀进行控制。
1）经过对全流程冶炼研究，可知钢中非金属夹杂物主要有：Al2O3-MgO-MnS 夹杂物、Al2O3-MgOCaS 夹杂物和Al2O3-MgO-CaS-MnS 夹杂物，其中Al2O3所占比例高于80%，铸坯中的复合夹杂物尺寸较小，氧化物主要呈球形、近似球形，其中还有大量不规则MnS 夹杂物。
2）20MnCr5 齿轮钢冶炼过程中夹杂物的尺寸都很小，每炉次钢中小于3.0 μm 的夹杂物均大于50%，大于5.0 μm 的夹杂物所占比例很小。
3）通过SEM-EDS 观察，发现钢中MnS 夹杂物主要沿晶界析出，还存在大量不规则的MnS 夹杂物，需对其进行进一步控制。而且钢中生成了很多含镁铝尖晶石的复合夹杂，这种D 类夹杂等级较高，可通过调控精炼渣或者减少耐火材料的侵蚀进行改善。
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