总氧含量对齿轮钢中非金属夹杂物的影响

为了保证齿轮钢中非金属夹杂物的控制,并确定齿轮钢经济合理的总氧含量控制目标,开展了总氧含量对齿轮钢中非金属夹杂物的影响研究。以三种不同总氧含量的Mn–Cr系齿轮钢为研究对象,利用Aspex扫描电镜、极值法、疲劳测试等不同方法研究了齿轮钢中非金属夹杂物数量、分布、尺寸等,获得了夹杂物与齿轮钢总氧含量的对应关系。在本文实验条件下,随着总氧含量的降低,钢中氧化物夹杂数量不断减小,其中5～10 μm的小尺寸夹杂物减小最明显,而10 μm以上的大尺寸夹杂物数量变化规律不明显。另外,极值法和疲劳试验结果表明,总氧含量高时（质量分数为0.0013%）,钢中最大氧化物夹杂尺寸也较大,比总氧质量分数为0.0010%和0.0005%的实验钢的最大夹杂物尺寸高10 μm以上,且当总氧含量比较低时（质量分数≤0.0010%）,实验钢总氧质量分数变化（0.0010%、0.0005%）对钢中最大夹杂物尺寸影响不大。      

夹杂物尺寸和暗光区尺寸对高强度钢千兆周期疲劳性能的影响

对SCM440和SUJ2钢进行了高达10^9次循环的千兆用期疲劳试验。千兆周期疲劳性能试验结果被分戍两组：由SCM440和二次熔炼SUJ2钢构成的一组显现出其疲劳强度高于由一次熔炼SUJ2钢构成的另一组。高疲劳强度组中的鱼眼状裂纹基本上起源于一种小的Al2O3夹杂物，而在低疲劳强度组中则完全起源于大的（Cr、Fe）3C夹杂。当夹杂物尺寸小于约10μm时，大体上暗光区尺寸随夹杂物尺寸下降而增加。当夹杂物尺寸超过10μm时，暗光区尺寸呈稳定状态。由于这种关系，当夹杂物尺寸非常小时，10^9次循环时疲劳极限与夹杂物尺寸无关。估计夹杂物尺寸在10～20μm之间时疲劳极限便失去与夹杂物尺寸的依存性。另一方面，当夹杂物尺寸超过上述尺寸时，疲劳极限取决于夹杂物尺寸及暗光区尺寸。暗光区和大夹杂物与小夹杂物相似，其△Kth取决于裂纹尺寸的1／3次方，这意味着疲劳极限取决于暗光区尺寸和大夹杂物尺寸的-1／6次方。     

疲劳性能不合格的38Si7弹簧钢夹杂物分析

  针对工业生产38Si7弹簧钢疲劳强度不合格的问题,借助光学显微镜和扫描电镜,并结合数学理论模型,从夹杂物的角度分析38Si7弹簧钢疲劳强度不合格的原因。研究结果表明：工业生产38Si7弹簧钢中的夹杂物主要组成为CaO(MgO) Al2O3 SiO2三元复合夹杂物,而且圆截面上中心区域复合夹杂物中Al2O3的含量明显低于外层复合夹杂物中Al2O3的含量;根据夹杂物等效投影面积模型得出,当疲劳失效为内部起裂时,临界夹杂物尺寸大约为6.5μm,当疲劳失效为表面起裂时,临界夹杂物尺寸大约为5.5μm。当弹簧钢中的夹杂物尺寸大于临界夹杂物尺寸时,容易造成疲劳强度失效。     

夹杂物尺寸对60Si2CrVA高强度弹簧钢的高周疲劳性能的影响

利用旋转弯曲疲劳实验,研究了3种商业生产的60Si2CrVA弹簧钢的高周疲劳破坏行为.结果表明,虽然实验料的氧含量相同,但由于钢中夹杂物尺寸的差异,使其高周疲劳性能存在明显差异.随着夹杂物尺寸的减小,实验料的疲劳寿命和疲劳强度均逐渐提高.夹杂物最为粗大的D-60料(平均夹杂物尺寸φin≈44.4μm),疲劳S-N曲线连续降低,疲劳断裂主要起源于钢中的粗大夹杂物,传统的疲劳极限消失;夹杂物最为细小的A-60料(φin≈15.4μm),疲劳断裂主要起源于表面基体,存在传统的疲劳极限.对于在低应力幅、高循环周次(约大于106)下,内部夹杂物引起的疲劳破坏,在夹杂物周围往往存在粗糙的粒状区域.     

2 000 MPa高强度钢的超高周疲劳破坏行为

通过USF-2000超声波疲劳试验机研究了500 kg真空感应炉+电渣重熔冶炼的2000 MPa高强度钢(%:0.45C、2.0Si、0.9Cr、0.001S、0.005P、0.026Al、0.001 5O、0.002 8N)在共振频率20 kHz、载荷比R=-1,共振间隙150 ms时的超高周疲劳破坏行为。结果发现,疲劳裂纹大部分起源于钢中非金属夹杂物(夹杂平均尺寸12.3μm),钢的疲劳强度和寿命随夹杂物增大而降低;内部夹杂物引起的疲劳破坏往往呈鱼眼型;随疲劳断口裂纹源夹杂物处应力场强度因子ΔK_inc的减小,钢的疲劳寿命N_f增加。     

齿轮钢锻件关键区域氧化物和硫化物夹杂的分布特征

齿轮是机械传动的关键结构部件,为了改善齿轮的服役性能,提高疲劳寿命,需要清楚齿轮钢中的夹杂物类型、数量、尺寸、分布。采用夹杂物自动扫描仪、氧含量分析手段、扫描电镜对齿轮钢锻件不同位置进行夹杂物评估。结果表明:铸件中心位置TO质量分数较高,为10×10~(-6),对应小尺寸夹杂物数量较多,而大尺寸夹杂物在关键区域的分布较多。钢中氧化物夹杂主要为Al_2O_3、Al_2O_3复合类的尖晶石和钙铝酸盐复合夹杂物,且尺寸较大,分布不均匀,对齿轮钢关键区域的影响较大。钢中硫化物夹杂分布均匀,尺寸较小,热力学计算表明,该类夹杂在凝固过程中凝固率g0.44时,MnS开始析出,通过控制硫化物夹杂析出及分布有助于改善齿轮钢质量。     

齿轮钢锻件关键区域氧化物和硫化物夹杂的分布特征

齿轮是机械传动的关键结构部件,为了改善齿轮的服役性能,提高疲劳寿命,需要清楚齿轮钢中的夹杂物类型、数量、尺寸、分布。采用夹杂物自动扫描仪、氧含量分析手段、扫描电镜对齿轮钢锻件不同位置进行夹杂物评估。结果表明:铸件中心位置TO质量分数较高,为10×10^-6,对应小尺寸夹杂物数量较多,而大尺寸夹杂物在关键区域的分布较多。钢中氧化物夹杂主要为Al₂O₃、Al₂O₃复合类的尖晶石和钙铝酸盐复合夹杂物,且尺寸较大,分布不均匀,对齿轮钢关键区域的影响较大。钢中硫化物夹杂分布均匀,尺寸较小,热力学计算表明,该类夹杂在凝固过程中凝固率g>0.44时,MnS开始析出,通过控制硫化物夹杂析出及分布有助于改善齿轮钢质量。     

80 t转炉-钢包吹氩-连铸冶炼过程对Q235A钢气体夹杂含量的影响

检测和分析了80 t顶底复吹转炉-钢包吹氩-连铸流程冶炼Q235A钢(0.14%～0.22%C、0.30%～0.65%Mn)在转炉终点、转炉出钢过程合金化后、钢包吹氩、中间包、钢水和铸坯中的氧、氮和夹杂物含量.结果表明,转炉终点氧含量为350×10-6,加脱氧剂和合金化后,氧含量降低42%,经钢包吹氩,钢中氧含量进一步降低,铸坯中平均氧含量25×10-6;钢中氮含量由转炉终点20×10-6增至铸坯40×10-6;钢包加脱氧剂、合金化后吹氩,钢中可去除约50%夹杂物,使铸坯中夹杂物含量≤45×10-6,一般夹杂尺寸≤10μm,最大尺寸为20μm.     

高洁净度齿轮钢中非金属夹杂物的检测方法

研究了一种方便可靠的夹杂物评估方法:利用合适电化学充氢后的拉伸试样获取夹杂物并与极值统计法相结合估算不同体积钢中非金属夹杂物的最大尺寸并预测疲劳强度。研究选用工业生产的高洁净度20Cr2Ni4A齿轮钢,将淬火+低温回火态的标准拉伸试样进行电化学充氢,使拉伸断口由于氢脆现象存在一些以粗大非金属夹杂物为中心的脆性平台,从而可方便快捷地在扫描电子显微镜下对夹杂物的类型、尺寸和分布进行检测,并利用极值统计法对钢中的最大夹杂物尺寸进行评估。为了验证该方法的准确性,采用传统金相法和旋转弯曲疲劳试验对钢中非金属夹杂物进行了检测,结果表明,使用本文所提出的夹杂物评估方法预测的钢中最大夹杂物尺寸及疲劳强度与疲劳试验结果相吻合。因此,该方法有望成为预测高洁净度高强度钢中最大夹杂物尺寸及其疲劳强度的一种有效方法。      

超低碳钢钢中夹杂物的研究

为控制超低碳钢中的簇状夹杂物,对超低碳钢中的夹杂物和与全氧含量的关系进行了研究.钢中的夹杂物主要是Al2O3夹杂和Al2O3-TiN复合夹杂,独立夹杂物尺寸大部分小于10 μm.铸坯中w(TO)小于0.003 0%时,钢中仍存在簇状Al2O3夹杂;Al2O3簇状夹杂物与铸坯中全氧含量没有直接关系,所以钢中的全氧含量不能完全代表钢中夹杂物的水平.钢中的簇状Al2O3夹杂物与RH脱碳结束活度氧有关,要控制超低碳钢中簇状Al2O3夹杂物必须稳定生产工艺,减少RH加铝升温,使RH脱碳结束活度氧保持在一定范围.     

精炼渣和氧含量对钢帘线盘条夹杂物和断丝指数的影响

试验研究了钢厂BOF-LF-CC-高速线材轧制流程LF二元精炼渣60CaO-40SiO₂、[O]27×10^-6,和三元精炼渣47.5~50.2CaO-41.8~45.7SiO₂-5~8 Al₂O₃、[O]12×10^-6~14×10^-6 对φ5.5 mm盘条中夹杂物种类、形貌、尺寸和数量的影响以及拉丝合股过程断丝指数的影响。结果表明,[O]较高、采用二元渣系精炼的盘条中夹杂物尺寸一般存7μm以上数量较多,Al₂O₃含量较高,且集中在盘条表面深度1 mm以内,断丝指数为2.5; [O]较低,采用三元渣系精炼的盘条中夹杂物SiO₂含量较高,Al₂O₃含量较低,大部分夹杂物尺寸为~5μm,盘条表面没有较大尺寸的夹杂物,断丝指数为1.0~1.5,所以F采用含5%Al₂O₃的三元渣精炼,控制[O]≤15×10^-6,降低钢中夹杂物数量和尺寸可显著改善钢帘线的拉拔性能。      

EAF-LF(VD)-CC工艺生产石油管线钢39Mn2V 纯净度的分析

分析和研究了EAF-LF(VD)-CC各工序39Mn2V钢的T[O] 和[N] 以及钢中非金属夹杂物。结 果表明,LF(VD) 后T[O] 为28×10^-6,铸坯T[O] 为(8~10)×10^-6 ;钢中夹杂物主要为Al₂O₃、MnS、球形铝酸 钙,尺寸≤20 μm。铸坯存在一些80~300 μm 夹杂物,主要来源于二次氧化、耐火材料侵蚀和结晶器卷渣。     

石油套管钢LF精炼过程T[O]和夹杂物的控制

通过对100 t LF精炼37Mn5套管钢时1 540～1580℃钢水中稳定氧化物夹杂含量与T[O]的关系以及钢-渣平衡时渣碱度对钢中活性氧含量影响的分析,提出降低钢中T[O]和夹杂物含量的改进工艺措施。热力学计算和试验结果表明,当[Al]s为0.03%～0.04%,精炼渣碱度为3,(CaO)/(Al₂O₃)=3～3.5时,37Mn5钢中的氧含量降到10×10^-6,管材基本消除了粗系夹杂,细系夹杂A+B+C+D≤5.0级,达到使用要求。     

120t BOF-LF-VD-CC流程冶炼的20CrMnTi齿轮钢氧含量和夹杂物特性

采用全流程系统取样的方式,对120 t BOF-LF-VD-CC工艺生产20CrMnTi齿轮钢中氧含量和夹杂物特性的演变规律进行系统的分析和研究。实验结果表明,采用铝脱氧和高碱度[(CaO)/(SiO₂)=3.8～7]还原渣工艺,能使铸坯中T[O]低于20×10^-6;中间包钢水中平均T[O]增加6×10^-6;齿轮钢冶炼过程中,夹杂物完成了Al₂O₃→Al₂O₃-MgO→Al₂O₃-CaO-MgO的转变。     

钢轨A类非金属夹杂的析出分析研究

通过对钢轨A类非金属夹杂进行不同深度、不同位置的取样检测,发现钢轨A类非金属夹杂评级结果存在一定偶然性。以U75V为例进一步采用Factsage热力学数值模拟及析出热力学理论对MnS非金属夹杂的析出过程进行分析;结合连铸过程钢液冷却凝固特性及实际统计、检测结果对MnS非金属夹杂的析出进行验证,最终得出MnS析出于钢液近乎完全凝固,且主要由于S、Mn偏析形成微区高溶质浓度而析出。以降低钢液氧、氮含量为基础,降低钢液硫含量、夹杂变性处理及铸坯内部质量优化可以抑制MnS非金属夹杂的析出及轧制形变。     

82B硬线钢中夹杂物热力学分析及控制

对82B硬线钢中夹杂物的形成条件进行了热力学理论计算,结果表明:采用低碱度渣时,钢液中[Al]S随着夹杂物中wCaO/wSiO2比值和Al_2O_3含量增大而增加,为把CaO-SiO2-Al_2O_3夹杂物控制在塑性区,钢液中[Al]S应小于6×10~(-6)。实际控制结果表明,按照热力学计算结果控制精炼炉渣成分(控制顶渣中的Al_2O_3含量低于10%),同时保证充足的软吹条件(合适的氩气流量和大于15 min的软吹时间),可以达到夹杂物控制目标。     

改善低碳高硫易切削钢切削性能的工艺实践

在分析影响易切削钢AISI 1215切削性能因素的基础上,通过将钢中的碳含量从0.094%降至0.072%, LF精炼用硅锰脱氧,控制LF终点游离[o]60×10^-6~80×10^-6,140 mm×140 mm坯结晶器水流量从1 900~2 050 L/min降至1700~1 850 L/min,二冷区比水量由1.15 L/kg降至0.90 L/kg,优化轧制工艺使硫化物平均直径由原来的2.09μm增加至3.11μm等工艺措施,使低碳高硫(0.072%C,0.365%S)易切削钢盘条的切削性能明显提高,零件表面粗糙度为2μm左右,满足用户要求。     

精炼渣对轴承钢中氧含量和夹杂物的影响

采用MoSi₂电阻炉在MgO质坩埚内进行了精炼渣成分(%:47～64CaO、13～23SiO₂、15～25Al₂O₃、5～10MgO、0～8CaF₂;CaO/SiO₂=2.0～4.5)对0.95%C-1.50%Cr GCr15轴承钢中氧含量和夹杂物的影响的实验研究。实验中发现,随精炼渣碱度CaO/SiO₂由2增加至4.5,钢液中的终点全氧含量由20×10^-6降至11×10^-6,夹杂物的总数量、总面积和平均半径减小。适当提高Al₂O₃含量或添加CaF₂,减少MgO含量,可以显著提高炉渣吸附夹杂物的速度和能力。低碱度渣精炼的钢液中夹杂物成分含有≥20%SiO₂,塑性较好,夹杂物的尺寸为15～20μm。高碱度渣精炼的钢液中典型的夹杂物是氧化铝和铝镁尖晶石等脆性夹杂物,尺寸≤5μm。