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