電爐生產(chǎn)16MnCr5 滲碳鋼夾雜物分析

胡保全，王延忠，牛晉川

（中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西，太原 030051）

凸輪軸是各類發(fā)動機(jī)上的關(guān)鍵零件之一，承受一定的載荷和經(jīng)受長時(shí)間的磨損，其性能好壞直接影響發(fā)動機(jī)的質(zhì)量和使用壽命。因此，要求凸輪軸材料具有高的表面硬度和良好的淬透性及優(yōu)良的強(qiáng)韌性，以提高凸輪軸的耐磨性、彎曲強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及耐腐蝕能力。為保證大功率發(fā)動機(jī)用凸輪軸的性能要求，凸輪軸用料必須具有高的純潔度，因此生產(chǎn)高品質(zhì)凸輪軸滲碳鋼必須嚴(yán)格控制鋼中的夾雜物數(shù)量和形態(tài)，特別是嚴(yán)格控制氧化物和硫化物夾雜數(shù)量和形態(tài)，通過優(yōu)化冶金工藝來提高16Mn-Cr5 鋼冶金質(zhì)量。本文對16MnCr5 滲碳鋼夾雜物及相分析進(jìn)行了研究

1 工藝流程

16MnCr5 冶金生產(chǎn)工藝流程：1 t 電爐→LF 精煉→連鑄→連軋，化學(xué)成分控制目標(biāo)見表1，其中滲碳鋼軋材夾雜物評級要求，A+B+C+D 細(xì)系之和小于5.5，晶粒度≥6 級。

表1 16MnCr5 滲碳鋼目標(biāo)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2 研究方法

鋼液采樣使用吊罐（φ40 mm×50 mm）分別取冶金過程中的渣樣和鋼樣，吊罐鋼樣經(jīng)鍛造加工，取樣進(jìn)行樣品電解，分析鋼中氧化物夾雜的種類和質(zhì)量分?jǐn)?shù)，取軋材進(jìn)行相分析，分析析出物的類型和含量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 精煉化學(xué)成分

表2 是16MnCr5 滲碳鋼精煉化學(xué)成分，結(jié)果符合目標(biāo)成分范圍。

3.2 夾雜物分析

表3 為滲碳鋼材夾雜物檢驗(yàn)及晶粒度評定結(jié)果，從表中可以看出，鋼材中基本消除了粗系夾雜物，夾雜物A+B+C+D 細(xì)系之和小于5.5.晶粒度評級達(dá)到8 級以上，見圖1.

表2 16MnCr5 滲碳鋼精煉化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表3 16MnCr5 滲碳鋼軋材夾雜物檢測結(jié)果及晶粒度評級結(jié)果

圖1 16MnCr5 滲碳鋼軋材晶粒形貌

采用圖像分析儀分析30 個視場中夾雜物數(shù)目，夾雜物數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4.30 個視場區(qū)域的總面積為4 276 458μm2，面積比率為夾雜物顆?？偯娣e與30 個視場總面積之比。

表4 16MnCr5 滲碳鋼軋材夾雜物數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

取滲碳鋼軋材進(jìn)行小樣電解，分析得到16Mn-Cr5 滲碳鋼中夾雜物大體分為3 類：氧化物、硫化物和M（C，N）及AlN 析出物，這3 類夾雜有的是單獨(dú)存在，有的是多相混雜，各夾雜物及析出相成分含量見表5.

綜合分析可得，鋼中M（C，N）化合物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.066%，α-MnS 的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動范圍在0.004 3%～0.009 6%，說明鋼中硫含量的控制尚有較大波動，AlN 的析出相較低，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.000 9%.在氧化物夾雜中，Al2O3占總量的67.6%.這說明鋼中主要的氧化物夾雜是Al2O3.

表5 16MnCr5 齒輪鋼軋材析出相分析結(jié)果及氧化物夾雜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

4 結(jié)果分析

4.1 氧化物夾雜

1）氧化物夾雜的種類

一般來說，鋼中常見的氧化物夾雜為CaO、Al2O3、MnO、FeO 和SiO2等，而各種氧化物數(shù)量多少，主要取決于煉鋼的脫氧方式[1-3]，應(yīng)用鋁脫氧工藝降低鋼中氧含量產(chǎn)生的夾雜物通常以Al2O3脆性夾雜物為主，而Al2O3的產(chǎn)生主要是脫氧產(chǎn)物所致，16MnCr5 的研制采用了鋁深脫氧工藝，因此，降低鋼中Al2O3夾雜是控制16MnCr5 滲碳鋼氧化物夾雜總量的主要環(huán)節(jié)。

2）氧化物夾雜的形態(tài)和控制

鋼中非金屬夾雜物即使含量很低，不利的外形也足以顯著影響材料的力學(xué)性能，降低材料的質(zhì)量。鋼中含有大量的Al2O3脆性夾雜會引起應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，會導(dǎo)致材料斷裂[4]，對材料疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性產(chǎn)生不良影響，因此，必須嚴(yán)格控制。經(jīng)顯微分析，16MnCr5 鋼中存在的氧化物夾雜近似球狀，這種形態(tài)不會對材料力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響，如圖2 所示。

減少鋼中氧化物夾雜物的主要方法是降低鋼中[T.0]質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如圖3 所示。隨著鋼中[T.0]質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，鋼中氧化物夾雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)相應(yīng)降低。

為了控制鋼中[T.O]含量，在冶煉工藝的各個工序中采取措施，嚴(yán)控鋼水中[T.O]含量，在電爐出鋼過程中加電石、硅鋁鋇和鋼芯鋁進(jìn)行復(fù)合脫氧，在LF 精煉過程中加鋁粉和電石進(jìn)行最終脫氧，在LF出站喂硅-鈣線改質(zhì)，輕吹A(chǔ)r 氣使夾雜物充分上浮，顯著降低煉鋼過程[T.O]含量，使鋼中的氧化物夾雜總量也隨之降低。

4.2 硫化物夾雜

圖2 16MnCr5 滲碳鋼軋材中氧化物夾雜形貌

圖3 16MnCr5 滲碳鋼氧化物夾雜與w（T.O）的對應(yīng)關(guān)系

1）硫化物夾雜種類和形態(tài)

鋼中的硫化物夾雜物類型主要以FeS、MnS 和M（C，S）夾雜物為主，形態(tài)通常呈細(xì)條狀。鋼中硫化物夾雜通常與其他夾雜相交疊在一起，且MnS 大多與Fe3C 混合在一起[5]，少許與M（C，S）混合。本實(shí)驗(yàn)通過對軋材金相分析，硫化物夾雜在鋼中呈斷續(xù)細(xì)條狀，如圖4 所示。

2）硫化物夾雜的控制

硫是鋼中的有害元素，硫的最大危害是引起鋼的熱脆，其次降低鋼的焊接性、塑性、韌性和耐腐性[6-8]，但硫能提高鋼的切削加工性。為確保滲碳鋼的力學(xué)性能，鋼中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要控制在0.035%以下，如果質(zhì)量要求更高，則需要控制在0.025%以下，達(dá)到高級優(yōu)質(zhì)鋼標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 為分析得到的夾雜物總含量和采用圖像分析儀分析30 個視場中夾雜物總顆粒數(shù)與鋼中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線。圖中表明，鋼中硫含量越高，夾雜物數(shù)量會越多，而且以寬度小于0.1μm 的微線型夾雜存在。

圖4 16MnCr5 滲碳鋼軋材中硫化物夾雜形貌

圖5 16MnCr5 滲碳鋼硫化物夾雜與w（S）的對應(yīng)關(guān)系

研究表明，當(dāng)[Al]質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜0.03%，[S]質(zhì)量分?jǐn)?shù)為＜0.03%時(shí)，通過鈣處理可使夾雜變性為鈣鋁酸鹽，若對[Al]、[S]含量較高的鋼水直接進(jìn)行鈣處理難以達(dá)到變性目的。因此，在鋼水中[Al]、[S]含量較低的情況下進(jìn)行鈣處理，方可取得預(yù)期目的。通常在精煉渣脫硫能力很好的狀況下，且精煉鋼水經(jīng)過充分脫氧，鋼水中的[S]很容易脫除到0.01%以下，此時(shí)再進(jìn)行鈣處理，可以把Al2O3夾雜較容易地變性為液態(tài)鈣鋁酸鹽。隨后再進(jìn)行充分的軟吹攪拌，使夾雜物團(tuán)聚、上浮長大，同時(shí)還可采取措施使鋼水中溶解的殘[Ca]盡可能排出，此時(shí)再喂硫線，把鋼水中[S]含量調(diào)整到需要目標(biāo)。

5 結(jié)論

1）16MnCr5 滲碳鋼研制基本消除了粗系夾雜，夾雜物中A+B+C+D 細(xì)系之和小于5.5，晶粒度大于8 級。

2）電爐生產(chǎn)的16MnCr5 滲碳鋼中夾雜物主要是硫化物、氧化物夾雜。氧化物夾雜主要以脫氧產(chǎn)物為主，夾雜物類型主要是Al2O3脆性夾雜，形態(tài)呈球狀。鋼中氧化物夾雜總量隨鋼中氧含量的增大而增大，采用鋁深脫氧工藝可有效控制鋼中氧含量。

3）硫化物夾雜通常與其他夾雜物混雜存在，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨鋼中硫含量的增大而增大。當(dāng)[S]質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.003%增大到0.018%時(shí)，鋼中硫化物夾雜總量顯著增加，且其形態(tài)通常以微細(xì)條狀形式存在。