总氧含量对齿轮钢中非金属夹杂物的影响

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 总氧含量对齿轮钢中非金属夹杂物的影响 何肖飞胡成飞徐乐王毛球 Effect of total oxygen on the nonmetallic inclusion of gear steel HE Xiao-fei,HU Cheng-fei,XU Le,WANG Mao-qiu 引用本文： 何肖飞，胡成飞，徐乐，王毛球.总氧含量对齿轮钢中非金属夹杂物的影响.工程科学学报，2021,43(4)：537-544.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2020.03.05.001 HE Xiao-fei.HU Cheng-fei,XU Le,WANG Mao-qiu.Effect of total oxygen on the nonmetallic inclusion of gear steel[J].Chinese Journal of Engineering,,2021,43(4h:537-544.doi:10.13374j.issn2095-9389.2020.03.05.001 在线阅读View online::https://doi..org10.13374/.issn2095-9389.2020.03.05.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 高洁净度齿轮钢中非金属夹杂物的检测方法 Detection of nonmetallic inclusion in high-strength gear steel with high cleanliness 工程科学学报.2020.42(7)：912htps:1doi.rg/10.13374.issn2095-9389.2019.07.15.005 202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 Formation mechanism of non-metallic inclusions in 202 stainless steel 工程科学学报.2019.41(12：1567htps:doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.12.18.004 增氨析氮法去除硅锰脱氧钢中夹杂物的研究 Nonmetallic inclusion removal of Si-Mn deoxidized steel by nitrogen absorption and release method 工程科学学报.2018,40(8：937 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.08.007 RH精炼过程中吹氧量对F钢洁净度的影响 Effect of oxygen blowing during RH treatment on the cleanliness of IF steel 工程科学学报.2020,42(7)：846 https:1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.07.19.002 20 CrMnTit齿轮钢的点蚀敏感性及裂纹萌生风险 Pitting sensitivity and crack initiation risk of 20CrMnTi gear steel 工程科学学报.2017,395：731 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.05.011 夹杂物对超高强度钢应力应变场的影响 Influence of inclusion on stress and strain fields in ultra-high strength steel 工程科学学报.2017,39(7)：1027htps:/1doi.org/10.13374issn2095-9389.2017.07.007

总氧含量对齿轮钢中非金属夹杂物的影响 何肖飞 胡成飞 徐乐 王毛球 Effect of total oxygen on the nonmetallic inclusion of gear steel HE Xiao-fei, HU Cheng-fei, XU Le, WANG Mao-qiu 引用本文: 何肖飞, 胡成飞, 徐乐, 王毛球. 总氧含量对齿轮钢中非金属夹杂物的影响[J]. 工程科学学报, 2021, 43(4): 537-544. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.05.001 HE Xiao-fei, HU Cheng-fei, XU Le, WANG Mao-qiu. Effect of total oxygen on the nonmetallic inclusion of gear steel[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(4): 537-544. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.05.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.05.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 高洁净度齿轮钢中非金属夹杂物的检测方法 Detection of nonmetallic inclusion in high-strength gear steel with high cleanliness 工程科学学报. 2020, 42(7): 912 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.15.005 202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 Formation mechanism of non-metallic inclusions in 202 stainless steel 工程科学学报. 2019, 41(12): 1567 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.18.004 增氮析氮法去除硅锰脱氧钢中夹杂物的研究 Nonmetallic inclusion removal of Si-Mn deoxidized steel by nitrogen absorption and release method 工程科学学报. 2018, 40(8): 937 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.08.007 RH精炼过程中吹氧量对IF钢洁净度的影响 Effect of oxygen blowing during RH treatment on the cleanliness of IF steel 工程科学学报. 2020, 42(7): 846 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.19.002 20CrMnTi齿轮钢的点蚀敏感性及裂纹萌生风险 Pitting sensitivity and crack initiation risk of 20CrMnTi gear steel 工程科学学报. 2017, 39(5): 731 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.05.011 夹杂物对超高强度钢应力应变场的影响 Influence of inclusion on stress and strain fields in ultra-high strength steel 工程科学学报. 2017, 39(7): 1027 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.007

工程科学学报.第43卷，第4期：537-544.2021年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.4:537-544,April 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.05.001;http://cje.ustb.edu.cn 总氧含量对齿轮钢中非金属夹杂物的影响 何肖飞⑧，胡成飞，徐乐，王毛球 钢铁研究总院特殊钢研究所.北京100081 ☒通信作者，E-mail:xiaofei6423@126.com 摘要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Aspx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5~10m的小尺寸夹杂物减小最明显，而10m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10um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 关键词齿轮钢：总氧：非金属夹杂物：最大尺寸：极值法 分类号TF4 Effect of total oxygen on the nonmetallic inclusion of gear steel HE Xiao-fe,HU Cheng-fei,XU Le,WANG Mao-qiu Institute of Special Steels,Central Iron and Steel Research Institute,Beijing 100081,China Corresponding author,E-mail:xiaofei6423@126.com ABSTRACT It is an important symbol of the metallurgical quality level of special steel for inclusion controlling,which can improve the service performance of special steel to a greater extent.As a typical steel grade,gear steel,in the special steel field,is also required strictly in controlling of inclusions.It is known that total oxygen content can reflect the level of inclusions to some extent.Since the 1980s,ultralow oxygen has become a direction for the development of special steel.To guarantee controlling of nonmetallic inclusions and determine a reasonable control target of total oxygen content in the gear steel,the effect of total oxygen content on nonmetallic inclusions in gear steel was studied.In this study,three kinds of Mn-Cr-system gear steels with different oxygen content were selected as research objects.The number,distribution,and size of nonmetallic inclusions in these gear steels were studied using an Aspex scanning electron microscope (Aspex SEM),the extreme value method,and fatigue test.The relationship between inclusions and the total oxygen content of gear steel was obtained.Under the experimental condition,with the decrease in total oxygen content,the density of the number of oxide inclusions decreases continuously,among which 5-10 um small inclusions decrease most obviously.In contrast, the number density of large inclusions above 10 um does not change obviously.Moreover,the results of the extreme value method and fatigue test show that when total oxygen mass fraction is high (0.0013%),the size of maximum oxide inclusion in the steel is relatively large,which is more than 10 um higher than the inclusion in .0010%or0.0005%total oxygen steel.Simultaneously,when total oxygen mass fraction is low (0.0010%),the change of total oxygen mass fraction (0.0010%and 0.0005%)has little effect on the maximum inclusion size in steel. 收稿日期：2020-03-05 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFB0300102)

总氧含量对齿轮钢中非金属夹杂物的影响 何肖飞苣，胡成飞，徐    乐，王毛球 钢铁研究总院特殊钢研究所，北京 100081 苣通信作者，E-mail：xiaofei6423@126.com 摘    要    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. 关键词    齿轮钢；总氧；非金属夹杂物；最大尺寸；极值法 分类号    TF4 Effect of total oxygen on the nonmetallic inclusion of gear steel HE Xiao-fei苣 ，HU Cheng-fei，XU Le，WANG Mao-qiu Institute of Special Steels, Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081, China 苣 Corresponding author, E-mail: xiaofei6423@126.com ABSTRACT    It is an important symbol of the metallurgical quality level of special steel for inclusion controlling, which can improve the service performance of special steel to a greater extent. As a typical steel grade, gear steel, in the special steel field, is also required strictly in controlling of inclusions. It is known that total oxygen content can reflect the level of inclusions to some extent. Since the 1980s, ultralow oxygen has become a direction for the development of special steel. To guarantee controlling of nonmetallic inclusions and determine a reasonable control target of total oxygen content in the gear steel, the effect of total oxygen content on nonmetallic inclusions in gear steel was studied. In this study, three kinds of Mn–Cr-system gear steels with different oxygen content were selected as  research  objects.  The  number,  distribution,  and  size  of  nonmetallic  inclusions  in  these  gear  steels  were  studied  using  an  Aspex scanning electron microscope (Aspex SEM), the extreme value method, and fatigue test. The relationship between inclusions and the total oxygen content of gear steel was obtained. Under the experimental condition, with the decrease in total oxygen content, the density of the number of oxide inclusions decreases continuously, among which 5–10 μm small inclusions decrease most obviously. In contrast, the number density of large inclusions above 10 μm does not change obviously. Moreover, the results of the extreme value method and fatigue test show that when total oxygen mass fraction is high (0.0013%), the size of maximum oxide inclusion in the steel is relatively large, which is more than 10 μm higher than the inclusion in 0.0010% or 0.0005% total oxygen steel. Simultaneously, when total oxygen mass fraction is low (≤0.0010%), the change of total oxygen mass fraction (0.0010% and 0.0005%) has little effect on the maximum inclusion size in steel. 收稿日期: 2020−03−05 基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2016YFB0300102） 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期：537−544，2021 年 4 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 4: 537−544, April 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.05.001; http://cje.ustb.edu.cn

538 工程科学学报，第43卷，第4期 KEY WORDS gear steel;total oxygen;nonmetallic inclusion;maximum size;extreme value method 作为特殊钢领域中的一类常见钢种，齿轮钢 水，随后通过连续铸造，最终获得了总氧含量比较理 主要用于制作各类机械设备的齿轮传动部件，服 想的齿轮钢棒材.根据研究内容，本文选择了3炉不 役过程中承受冲击、扭转等综合疲劳应力，因此， 同总氧含量（质量分数为0.0013%、0.0010%、0.0005%） 对钢材强度、抗冲击、抗裂纹扩展和抗疲劳性能 的齿轮钢棒材，棒材规格为中50mm,除总氧含量外， 等要求非常高，尤其是抗疲劳性能刃由于疲劳 其他化学成分基本一致，具体成分见表1所示，其中 破坏通常起源于钢中缺陷位置，尤其非金属夹杂 O采用脉冲加热惰气熔融-红外吸收法测定 物位置，因此，齿轮钢对夹杂物控制具有较高的要 求，包括夹杂物数量、尺寸和分布等B-刀 表1实验钢的化学成分（质量分数） 氧含量在一定程度上反映了夹杂物的控制水 Table 1 Chemical composition ofexperimental steel % 平，为提升特殊钢产品性能，超低氧成为特殊钢生 Steel No.C Si Mn Cr Al Ti 0 产和发展的一个方向).20世纪80年代，以山阳 0.180.071.231.210.020.001<0.015<0.0350.0013 特殊钢、爱知制钢等为代表的日本特殊钢厂成功 0.170.071.221.220.03<0.0010.0150.0350.0010 开发了超低氧生产技术，可将轴承、轴件等特殊钢 0.170.071.241.240.03<0.0010.015<0.0350.0005 总氧含量（质量分数）降低至0.0007%以下0- 国内钢厂及科研院所也先后开展了大量超低氧含 1.2 非金属夹杂物检测方案 量控制研究工作，涉及钢种包括轴承钢、车轮钢、 为研究不同总氧含量齿轮钢中非金属夹杂物 车轴钢、齿轮钢、弹簧钢等1，国内高水平钢厂 及总氧含量对非金属夹杂物的影响，在金相试样 氧含量已可实现0.0010%以下稳定控制，部分钢 和疲劳断口上分别进行夹杂物检测分析 种可以达到0.0005%的超低氧水平例 金相试样切样位置在齿轮钢棒材横截面 氧含量降低对材料性能有明显改善，尤其疲 R/2附近，金相试样尺寸20mm×10mm×10mm, 劳性能20，而夹杂物是影响疲劳性能的重要因素， 在对金相试样观察面磨抛后，采用Aspex扫描电 针对超低氧特殊钢中夹杂物形成、析出、分布等 镜对金相试样进行非金属夹杂物检测，金相试样 已有大量研究-2刘，但氧含量高低对夹杂物数量、 取样方案及非金属夹杂物检测方案见图1所示 尺寸和分布的定量研究很少，北京科技大学于会 疲劳试样切取位置同样是在齿轮钢棒材 香采用Aspex扫描电镜研究了钢中总氧和非金 2位置，疲劳试样切好后需经渗碳热处理并精加 属夹杂物的定量关系，但针对的是不同氧含量的 工，之后安装到旋弯疲劳试验机上开展疲劳试验， 多个钢种，氧含量变化较大，并且不是同工艺条 疲劳试样在疲劳载荷下发生疲劳断裂，随后切取 件.齿轮钢作为特殊钢领域中一典型钢种，其夹杂 疲劳试样断口，并在扫描电镜下观察断口，统计分 物要求严格，在氧含量控制方面，GB/T5216中提出 析各疲劳断口发现的夹杂物，研究其与钢中总氧 钢中氧含量（质量分数）应不大于0.002%，而对于 的关系 更低氧含量控制并不明确，不同氧含量齿轮钢中 夹杂物情况也未见系统研究，而通过研究氧含量 2实验结果 对夹杂物的影响，可为齿轮钢生产中氧含量控制 2.1钢中非金属夹杂物类型及形貌 目标设定提供借鉴 根据扫描电镜检测，实验钢中主要有三种类 1 实验材料及方案 型非金属夹杂物，分别为氧化物夹杂、硫化物夹杂 以及两者的复合型夹杂物，它们的典型形貌如图2 1.1实验材料 所示.除以上三类主要夹杂物外，还发现极个别的 实验用材料为工业生产的Mn-Cr系齿轮钢棒 含Ti夹杂物，包括MnS+Ti和Oxide+Ti类夹杂物， 材，其生产工艺为“BOF→LF+RH→连铸→轧制→成 此类含Ti夹杂物中Ti的质量分数都在3%以下， 品棒材”，生产过程中采用A1脱氧工艺，包括转炉出 考虑到此类夹杂物数量极少、T含量极低，在夹杂 钢过程中加A!脱氧和LF精炼时向渣面加铝粒等脱 物分析时，分别将其归类到硫化物和氧化物夹杂 氧，同时利用高碱度精炼渣进行渣-钢精炼，并配合真 物中.基于脱氧和夹杂物去除理论，总氧含量主要 空处理和合适的底吹搅拌，获得精炼成分合格的钢 影响钢中氧化物夹杂，并且氧化物夹杂对齿轮钢

KEY WORDS    gear steel；total oxygen；nonmetallic inclusion；maximum size；extreme value method 作为特殊钢领域中的一类常见钢种，齿轮钢 主要用于制作各类机械设备的齿轮传动部件，服 役过程中承受冲击、扭转等综合疲劳应力，因此， 对钢材强度、抗冲击、抗裂纹扩展和抗疲劳性能 等要求非常高，尤其是抗疲劳性能[1–2] . 由于疲劳 破坏通常起源于钢中缺陷位置，尤其非金属夹杂 物位置，因此，齿轮钢对夹杂物控制具有较高的要 求，包括夹杂物数量、尺寸和分布等[3–7] . 氧含量在一定程度上反映了夹杂物的控制水 平，为提升特殊钢产品性能，超低氧成为特殊钢生 产和发展的一个方向[8–9] . 20 世纪 80 年代，以山阳 特殊钢、爱知制钢等为代表的日本特殊钢厂成功 开发了超低氧生产技术，可将轴承、轴件等特殊钢 总氧含量（质量分数）降低至 0.0007% 以下[10– 14] . 国内钢厂及科研院所也先后开展了大量超低氧含 量控制研究工作，涉及钢种包括轴承钢、车轮钢、 车轴钢、齿轮钢、弹簧钢等[15–18] ，国内高水平钢厂 氧含量已可实现 0.0010% 以下稳定控制，部分钢 种可以达到 0.0005% 的超低氧水平[19] . 氧含量降低对材料性能有明显改善，尤其疲 劳性能[20] ，而夹杂物是影响疲劳性能的重要因素， 针对超低氧特殊钢中夹杂物形成、析出、分布等 已有大量研究[21–24] ，但氧含量高低对夹杂物数量、 尺寸和分布的定量研究很少，北京科技大学于会 香[25] 采用 Aspex 扫描电镜研究了钢中总氧和非金 属夹杂物的定量关系，但针对的是不同氧含量的 多个钢种，氧含量变化较大，并且不是同工艺条 件. 齿轮钢作为特殊钢领域中一典型钢种，其夹杂 物要求严格，在氧含量控制方面，GB/T5216 中提出 钢中氧含量（质量分数）应不大于 0.002%，而对于 更低氧含量控制并不明确，不同氧含量齿轮钢中 夹杂物情况也未见系统研究，而通过研究氧含量 对夹杂物的影响，可为齿轮钢生产中氧含量控制 目标设定提供借鉴. 1    实验材料及方案 1.1    实验材料 实验用材料为工业生产的 Mn–Cr 系齿轮钢棒 材，其生产工艺为“BOF→LF+RH→连铸→轧制→成 品棒材”，生产过程中采用 Al 脱氧工艺，包括转炉出 钢过程中加 Al 脱氧和 LF 精炼时向渣面加铝粒等脱 氧，同时利用高碱度精炼渣进行渣-钢精炼，并配合真 空处理和合适的底吹搅拌，获得精炼成分合格的钢 水，随后通过连续铸造，最终获得了总氧含量比较理 想的齿轮钢棒材. 根据研究内容，本文选择了 3 炉不 同总氧含量（质量分数为 0.0013%、0.0010%、0.0005%） 的齿轮钢棒材，棒材规格为 ϕ50 mm，除总氧含量外， 其他化学成分基本一致，具体成分见表 1 所示，其中 O 采用脉冲加热惰气熔融−红外吸收法测定. 表 1 实验钢的化学成分 (质量分数) Table 1   Chemical composition of experimental steel % Steel No. C Si Mn Cr Al Ti P S O 1 0.18 0.07 1.23 1.21 0.02 <0.001 <0.015 <0.035 0.0013 2 0.17 0.07 1.22 1.22 0.03 <0.001 <0.015 <0.035 0.0010 3 0.17 0.07 1.24 1.24 0.03 <0.001 <0.015 <0.035 0.0005 1.2    非金属夹杂物检测方案 为研究不同总氧含量齿轮钢中非金属夹杂物 及总氧含量对非金属夹杂物的影响，在金相试样 和疲劳断口上分别进行夹杂物检测分析. 金相试样切样位置在齿轮钢棒材横截 面 R/2 附近，金相试样尺寸 20 mm × 10 mm × 10 mm， 在对金相试样观察面磨抛后，采用 Aspex 扫描电 镜对金相试样进行非金属夹杂物检测，金相试样 取样方案及非金属夹杂物检测方案见图 1 所示. 疲劳试样切取位置同样是在齿轮钢棒 材 R/2 位置，疲劳试样切好后需经渗碳热处理并精加 工，之后安装到旋弯疲劳试验机上开展疲劳试验， 疲劳试样在疲劳载荷下发生疲劳断裂，随后切取 疲劳试样断口，并在扫描电镜下观察断口，统计分 析各疲劳断口发现的夹杂物，研究其与钢中总氧 的关系. 2    实验结果 2.1    钢中非金属夹杂物类型及形貌 根据扫描电镜检测，实验钢中主要有三种类 型非金属夹杂物，分别为氧化物夹杂、硫化物夹杂 以及两者的复合型夹杂物，它们的典型形貌如图 2 所示. 除以上三类主要夹杂物外，还发现极个别的 含 Ti 夹杂物，包括 MnS+Ti 和 Oxide+Ti 类夹杂物， 此类含 Ti 夹杂物中 Ti 的质量分数都在 3% 以下， 考虑到此类夹杂物数量极少、Ti 含量极低，在夹杂 物分析时，分别将其归类到硫化物和氧化物夹杂 物中. 基于脱氧和夹杂物去除理论，总氧含量主要 影响钢中氧化物夹杂，并且氧化物夹杂对齿轮钢 · 538 · 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期

何肖飞等：总氧含量对齿轮钢中非金属夹杂物的影响 539· 10 Iniclusion detection 2 20 Unit:mm 20 图1非金属夹杂物试样取样及检测方案 Fig.1 Sampling and detection scheme of nonmetallic inclusions (a) 10 um (b) 10μm(c) 10 um(d) 20 um (e) 10 um 图2实验钢中非金属夹杂物类型及典型形貌.(a,(b),(c)氧化物夹杂：(d)硫化物夹杂：(e)复合型夹杂物 Fig.2 Types and typical morphology of nonmetallic inclusions in test steels:(a),(b),(c)oxide inclusion;(d)sulfide inclusion;(e)oxide-sulfide complex inclusion 疲劳性能危害更大，而复合夹杂物由于塑性MS 示为三类氧化物夹杂及典型EDS(Energy dispersive 包裹在外，危害较小，因此，本论文主要针对氧化 spectroscopy)能谱分析结果，从中可以看出，三类 物夹杂开展研究.实验钢中的氧化物夹杂形貌主 氧化物夹杂中A12O3的峰值最高，氧化物夹杂成分 要为块状，在电镜下呈现深黑色 是以AlO3为主的 2.2钢中氧化物夹杂及成分 如图4所示为不同实验钢中氧化物夹杂在 在实验钢中大致存在三类非金属氧化物夹杂， CaO-Mg0-Al2O3三元相图中的成分分布，从图中 分别为Al203、Mg0-Al2O3、CaO-Al2O3,如图3所 可以看出，不同总氧含量实验钢中氧化物夹杂成 8691(a) ALO: 5931b) MgO.AL,O, 6518 4448 4345 2965 Mo 0 2173 0 1483 0 1.28 2.56 3.84 1.28 2.56 3.84 Energy/keV Energy/keV 4627 (c) Al CaO-AL,O; 3470 州 1157 0 A Mg Ca 0 0 1.28 2.56 3.84 Energy/keV 图3三类非金属氧化物夹杂典型能谱.(a)Al2O3:(b)Mg0-AO3:(c)CaO-Al203 Fig.3 Typical EDS of three kinds of nonmetallic oxide inclusions:(a)Al2O;(b)MgO-Al2O:(c)CaO-Al2O;

疲劳性能危害更大，而复合夹杂物由于塑性 MnS 包裹在外，危害较小，因此，本论文主要针对氧化 物夹杂开展研究. 实验钢中的氧化物夹杂形貌主 要为块状，在电镜下呈现深黑色. 2.2    钢中氧化物夹杂及成分 在实验钢中大致存在三类非金属氧化物夹杂， 分别为 Al2O3、MgO–Al2O3、CaO–Al2O3，如图 3 所 示为三类氧化物夹杂及典型 EDS（Energy dispersive spectroscopy）能谱分析结果，从中可以看出，三类 氧化物夹杂中 Al2O3 的峰值最高，氧化物夹杂成分 是以 Al2O3 为主的. 如图 4 所示为不同实验钢中氧化物夹杂在 CaO–MgO–Al2O3 三元相图中的成分分布，从图中 可以看出，不同总氧含量实验钢中氧化物夹杂成 Unit: mm 20 10 20 Inclusion detection 10 图 1    非金属夹杂物试样取样及检测方案 Fig.1    Sampling and detection scheme of nonmetallic inclusions (a) 10 μm (b) 10 μm (c) 10 μm (d) 20 μm (e) 10 μm 图 2    实验钢中非金属夹杂物类型及典型形貌. （a），（b），（c）氧化物夹杂；（d）硫化物夹杂；（e）复合型夹杂物 Fig.2    Types and typical morphology of nonmetallic inclusions in test steels: (a), (b), (c) oxide inclusion; (d) sulfide inclusion; (e) oxide–sulfide complex inclusion 0 3.84 2.56 Energy/keV Intensity Mg S O Al Al2O3 1.28 0 8691 6518 4345 2173 (a) Energy/keV Intensity 0 3.84 2.56 S Mg O Al MgO·Al2O3 1.28 0 5931 4448 2965 1483 (b) Energy/keV Intensity 0 3.84 2.56 S Ca Mg O Al CaO·Al2O3 1.28 0 4627 3470 2313 1157 (c) 图 3    三类非金属氧化物夹杂典型能谱. （a）Al2O3；（b）MgO–Al2O3：（c）CaO–Al2O3 Fig.3    Typical EDS of three kinds of nonmetallic oxide inclusions: (a) Al2O3 ; (b) MgO–Al2O3 : (c) CaO–Al2O3 何肖飞等： 总氧含量对齿轮钢中非金属夹杂物的影响 · 539 ·

540 工程科学学报，第43卷，第4期 (a) -1873 K liquidus 40 6 -1873 K liquidus 40 (M w(CaO)/% 40 w(Mg 20 20 60 60 0 田喝 40 60 80 100 40 60 80 100 W(ALO:% 1w(A2O3)/% (c) -1873 K liquidus 40 (CaO)/% 40 W(M 9 60 00 9线 40 60 80 w(Al2O3)/9% 图4不同总氧含量实验钢中氧化物夹杂物成分分布.(a)1号钢：(b)2号钢：(c)3号钢 Fig.4 Composition distribution of oxide inclusions in different total oxygen content steels:(a)Steel No.1;(b)Steel No.2;(c)Steel No.3 分基本一致，主要都是集中在A2O3附近，除纯 3分析与讨论 Al2O3夹杂物外，都是高Al2O3含量的Mg0-Al2O3、 3.1总氧含量对钢中夹杂物数量密度的影响 CaO-Al2O,(-MgO)复合夹杂物，并且除个别夹杂 根据表1及表2数据作图，如图5所示为获得 物外，Al2O3的质量分数基本在85%以上，Ca0和 的试样钢总氧含量与氧化物夹杂数量密度的关 Mg0的质量分数基本在10%以下 系.可以看出，随着氧含量的降低，单位面积上氧 2.3钢中氧化物夹杂数量密度 化物夹杂的数量大幅度减少，总氧质量分数为 根据Aspex扫描电镜分析结果，经统计计算获 0.0013%的实验钢中，单位面积上氧化物夹杂数量 得各试样钢中不同尺寸范围(5~10m、10~15m、 达到了1.69mm2,总氧质量分数为0.0010%的实 15~20μm,≥20m)非金属氧化物夹杂的数量密 验钢中，单位面积上氧化物夹杂数量为0.83mm2, 度，见表2.根据成分各粒级下夹杂物基本还是以 减少一半数量，而总氧质量分数为0.0005%的实验 高A1,O3的复合夹杂物为主，其中Mg0-Al2O3尖 钢中，单位面积上氧化物夹杂的数量只有0.07mm2, 品石类夹杂相对较少.由表2可以看出，绝大多数 夹杂物数量实现大幅度降低 氧化物夹杂尺寸都在15um以下，数量密度在 随着总氧含量的降低，氧化物夹杂物数量减 0.07~1.59mm2,占比80%以上，而尺寸≥15um的 小最明显的为5~10m的小尺寸夹杂物，而大尺 夹杂物数量密度在0~0.16mm2,大尺寸夹杂物数 寸氧化物夹杂降低相对较小，并且不是特别明显， 量相对较少.三炉不同总氧含量实验钢在电镜下 尤其是从0.0013%降低到0.0010%，这可能与大尺 观察到的夹杂物数量密度变化比较明显，考虑到 寸夹杂物数量相对较少，统计学意义上可靠性相 三炉实验钢冶炼时脱氧等工艺一致，三炉实验钢 对较低有关. 中自由氧含量差别不大，总氧含量的差异可能主 32总氧含量对钢中夹杂物分布的影响 要源自于氧化物夹杂的多少，这可能是检测三炉 根据Aspex扫描电镜统计出的数据，利用夹杂 实验钢夹杂物差别的原因 物在坐标轴上的位置绘制各实验钢中氧化物夹杂 二维分布图，如图6所示.从图中可以看出，随着 表2实验钢中氧化物夹杂数量密度 总氧含量的降低，夹杂物数量明显减少，在相同大 Table 2 Number density of oxide inclusions in test steels mm 小视场中，总氧含量高的氧化物夹杂物数量多且 Steel No.5-10 um 10-15 um 15-20 um 20 Hm Total 分布密集，随着总氧含量降低，视场中氧化物夹杂 1 1.47 0.12 0.03 0.07 1.69 物的数量减少且分布稀疏. 2 0.54 0.13 0.12 0.04 0.83 3.3总氧含量对钢中夹杂物尺寸的影响 0.06 0.01 0 0 0.07 从3.1节分析可知，总氧含量对小尺寸夹杂物

分基本一致 ，主要都是集中在 Al2O3 附近 ，除纯 Al2O3 夹杂物外，都是高 Al2O3 含量的 MgO–Al2O3、 CaO–Al2O3 (–MgO) 复合夹杂物，并且除个别夹杂 物外，Al2O3 的质量分数基本在 85% 以上，CaO 和 MgO 的质量分数基本在 10% 以下. 2.3    钢中氧化物夹杂数量密度 根据 Aspex 扫描电镜分析结果，经统计计算获 得各试样钢中不同尺寸范围（5～10 μm、10～15 μm、 15～20 μm，≥20 μm）非金属氧化物夹杂的数量密 度，见表 2. 根据成分各粒级下夹杂物基本还是以 高 Al2O3 的复合夹杂物为主，其中 MgO–Al2O3 尖 晶石类夹杂相对较少. 由表 2 可以看出，绝大多数 氧化物夹杂尺寸都 在 15 μm 以下 ，数量密度 在 0.07～1.59 mm–2，占比 80% 以上，而尺寸≥15μm 的 夹杂物数量密度在 0～0.16 mm–2，大尺寸夹杂物数 量相对较少. 三炉不同总氧含量实验钢在电镜下 观察到的夹杂物数量密度变化比较明显，考虑到 三炉实验钢冶炼时脱氧等工艺一致，三炉实验钢 中自由氧含量差别不大，总氧含量的差异可能主 要源自于氧化物夹杂的多少，这可能是检测三炉 实验钢夹杂物差别的原因. 表 2 实验钢中氧化物夹杂数量密度 Table 2   Number density of oxide inclusions in test steels mm–2 Steel No. 5–10 μm 10–15 μm 15–20 μm ≥20 μm Total 1 1.47 0.12 0.03 0.07 1.69 2 0.54 0.13 0.12 0.04 0.83 3 0.06 0.01 0 0 0.07 3    分析与讨论 3.1    总氧含量对钢中夹杂物数量密度的影响 根据表 1 及表 2 数据作图，如图 5 所示为获得 的试样钢总氧含量与氧化物夹杂数量密度的关 系. 可以看出，随着氧含量的降低，单位面积上氧 化物夹杂的数量大幅度减少 ，总氧质量分数为 0.0013% 的实验钢中，单位面积上氧化物夹杂数量 达到了 1.69 mm–2，总氧质量分数为 0.0010% 的实 验钢中，单位面积上氧化物夹杂数量为 0.83 mm–2 ， 减少一半数量，而总氧质量分数为 0.0005% 的实验 钢中，单位面积上氧化物夹杂的数量只有 0.07 mm–2 ， 夹杂物数量实现大幅度降低. 随着总氧含量的降低，氧化物夹杂物数量减 小最明显的为 5～10 μm 的小尺寸夹杂物，而大尺 寸氧化物夹杂降低相对较小，并且不是特别明显， 尤其是从 0.0013% 降低到 0.0010%，这可能与大尺 寸夹杂物数量相对较少，统计学意义上可靠性相 对较低有关. 3.2    总氧含量对钢中夹杂物分布的影响 根据 Aspex 扫描电镜统计出的数据，利用夹杂 物在坐标轴上的位置绘制各实验钢中氧化物夹杂 二维分布图，如图 6 所示. 从图中可以看出，随着 总氧含量的降低，夹杂物数量明显减少，在相同大 小视场中，总氧含量高的氧化物夹杂物数量多且 分布密集，随着总氧含量降低，视场中氧化物夹杂 物的数量减少且分布稀疏. 3.3    总氧含量对钢中夹杂物尺寸的影响 从 3.1 节分析可知，总氧含量对小尺寸夹杂物 (b) w(CaO)/% w(MgO)/% 40 60 80 100 0 20 40 1873 K liquidus w(Al2O3 )/% 40 60 w(CaO)/% w(MgO)/% 40 60 80 100 0 20 40 w(Al2O3 )/% 40 60 (c) 1873 K liquidus (a) w(CaO)/% w(MgO)/% 40 60 80 100 0 20 40 w(Al2O3 )/% 40 60 1873 K liquidus 图 4    不同总氧含量实验钢中氧化物夹杂物成分分布. （a）1 号钢；（b）2 号钢；（c）3 号钢 Fig.4    Composition distribution of oxide inclusions in different total oxygen content steels: (a) Steel No.1; (b) Steel No.2; (c) Steel No.3 · 540 · 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期