國內外31CrMoV9鋼成分與夾雜物特性分析

何志軍　李晶　戴雨翔　劉吉輝　趙嘯　劉曉青

(1. 北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室；2. 遼寧科技大學遼寧省化學冶金重點實驗室；3.鞍鋼集團工程技術有限公司)

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國內外31CrMoV9鋼成分與夾雜物特性分析

何志軍1,2李晶1戴雨翔2劉吉輝2趙嘯2劉曉青3

(1. 北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室；2. 遼寧科技大學遼寧省化學冶金重點實驗室；3.鞍鋼集團工程技術有限公司)

對國內外不同產地的31CrMoV9鋼進行對比研究。分析表明，國外鋼中硫、磷和總氧含量低，而國內鋼中的錳硫比低，國外鋼樣中的夾雜物數量少，尺寸小，彌散分布性強，長寬比小于1.5的夾雜物數量占總量的比例大，紡錘率大，且夾雜物的形態以球狀和類球狀居多，極少出現塊狀和條狀夾雜物，國外的夾雜物主要是以Al2O3、CaO、MnS等組成的復合夾雜物，而國內鋼樣中夾雜物分布不均勻，成分波動性較大。

31CrMoV9鋼復合夾雜物夾雜物形態

0　前言

目前，國內外諸如具有大模數、齒根厚、承受疲勞強度高的重載齒輪等大截面尺寸工件材料為了達到工件的芯部強度要求，一般都選用高淬透性鋼[1]。應用較多的20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W等材料的表面經采用滲碳淬火強化的方式后，極大提高了齒輪表面的接觸疲勞，同時芯部碳含量低，淬火后內部結構主要為低碳馬氏體的板條狀結構，因此能夠控制材料芯部強度達到35HRC以上。對于其他如內齒圈等軸類工件一般使用31CrMoV9，該鋼種系德國引進強韌兼備優質結構鋼，經調質和滲氮處理后其耐磨性、抗腐蝕性好[2-4]。國內目前也有多家廠家生產31CrMoV9鋼，然而國內廠家生產的此鋼種的綜合性能與國外相比差距較大，很難達到用戶要求，同時目前針對31CrMoV9鋼國內外有關可查的資料很少。因此，通過對國產和進口的31CrMoV9鋼成分和夾雜物特性的詳細分析，以期能夠找出該鋼種我國與國外的差異性，為企業生產過程中控制夾雜物的形態、尺寸、分布，同時提高鋼材純凈度、滿足使用性能要求提供指導。

1　國內外鋼樣成分對比分析

研究過程選取了日本、太原、上海、德國四個不同廠家生產的31CrMoV9鋼，并進行了成分分析，分析結果見表1(其中1為日本鋼樣，2為太原鋼樣，3為上海鋼樣，4為德國鋼樣)。

從表1可以看出，國內鋼樣中的易切削元素硫含量及對鋼質量影響較大的磷元素含量都高于國外鋼樣；從Als含量分析國內外鋼樣都屬于鋁脫氧鎮靜鋼，國內鋼樣的AlS較低；總氧含量國外鋼樣約為11×10-6，而國內鋼樣約為15×10-6；國內外鋼樣的氮含量基本一致；1號和4號鋼樣的錳硫比分別為21.6和25.5，2號和3號鋼樣的錳硫比分別為17.8和15.6，國內鋼樣的錳硫比相對較低，對鋼中低熔點FeS生成的抑制性較差，并對鋼材的熱塑性也有不利影響，同時也不利于改善鑄坯硫化物的形態。

表1　不同產地鋼樣成分檢測結果

2　國內外鋼樣夾雜物對比分析

2.1夾雜物形態金相分析

利用金相顯微鏡觀察4個不同產地鋼樣，每個鋼樣觀察4個視場，然后對夾雜物的數量和長寬進行統計分析，試樣中典型視場如圖1所示。

(a) 1號鋼樣夾雜物分析

(b) 2號鋼樣夾雜物分析

(c) 3號鋼樣夾雜物分析

(d) 4號鋼樣夾雜物分析

從圖1(a)中可以看出，1號鋼樣的夾雜物分布較為分散，而且其形狀多為球形，屬于比較理想的夾雜物形態。對4個視場的夾雜物數量和長寬比進行統計，共出現了467個夾雜物，其夾雜物的長寬比大部分介于1.2～1.4之間，通常認為夾雜物的長寬比小于1.5，夾雜物的形態控制較為理想[5]，當夾雜物從條帶狀轉變為球形時，鋼的塑性、韌性和疲勞強度有很大改進，同時認為夾雜物的長寬比小于1.5的總量越高，夾雜物控制的愈加理想[6-7]，1號鋼樣中長寬比小于1.5的夾雜物占其總量的55.2%。

從圖1(b)可以看出,鋼中夾雜物分布有的部位較為集中，而有的部位則分布很少，夾雜物的彌散性差。球形夾雜物較少，而塊狀和條狀夾雜物相對較多。對4個視場的夾雜物數量和長寬比進行統計，共出現了928個夾雜物，其夾雜物長寬比很多在1.2～1.5之間，鋼樣中長寬比小于1.5的夾雜物數量占總量的59.9%。

從圖1(c)可以看出，3號鋼樣夾雜物分布情況較2號鋼樣更為彌散一些，且球狀夾雜物數量增加，塊狀和條狀夾雜物數量減少，但與1號樣仍存在一定差距。對4個視場的夾雜物數量和長寬比進行統計，視場中共出現488個夾雜物，夾雜物的長寬比多在1.2～1.5之間，長寬比小于1.5的夾雜物數量占總量的49.1%。

從圖1(d)可以看出，4號鋼樣其夾雜物比前幾個鋼樣中的夾雜物更加細小，分布彌散性提高，基本為球狀夾雜物，極少出現塊狀和條狀夾雜物。對4個視場中的夾雜物數量和長寬比進行統計，共出現242個夾雜物，夾雜物長寬比在1.3～1.5分布較多，長寬比小于1.5的夾雜物數量占總量的61.9%。

綜上分析可知，4個鋼樣中長寬比大于1.5的夾雜物所占比例國內與國外相比存在差距，在夾雜物的形態控制上國外鋼樣中的夾雜物以球狀居多，極少出現塊狀和條狀夾雜物，且分布較為均勻、數量較少，有利于提高鋼的切削性能和力學性能。而國產鋼樣的彌散度較差，塊狀和條狀夾雜物所占比例較高，夾雜物的數量也多于國外鋼樣，因此鋼的切削性能和力學性能應比國外鋼樣稍差。

2.2夾雜物SEM-EDS分析

各鋼樣的夾雜物SEM-EDS分析如圖2所示。

(a) 1號鋼樣SEM-EDS分析

(b) 2號鋼樣SEM-EDS分析

(c) 3號鋼樣SEM-EDS分析

(d) 4號鋼樣SEM-EDS分析

從圖2(a)可以看出，鋼中的夾雜物分布較為均勻，夾雜物的外形多為球形或者紡錘形，大小均小于5 μm，夾雜物為多種元素復合形成的夾雜物，主要含O、Mg、Al、S、Ca、Mn，夾雜物的構成為Al2O3-CaO-MgO-MnS系的復合夾雜物，其中MnS的成分比較高，包裹在夾雜物的外部。

從圖2(b)可以看出，鋼中的夾雜物的分布不均勻、大小不均勻且其形態控制不理想，夾雜物的形態各異，分析其成分一部分為復合夾雜物，還有一部分夾雜物的成分為MnS，其外形為三角形。

從圖2(c)可以看出，鋼中的夾雜物分布均勻性和形態控制差，長條狀夾雜物數量較多，而紡錘形夾雜物數量相對較少，夾雜物成分主要為Al2O3和MnS復合夾雜物，夾雜物中Al2O3成分比較高。

從圖2(d)可以看出，鋼中的夾雜物多為球形，或者是類球形，其尺寸比較小，夾雜物的大小都是小于5 μm，夾雜物主要由S、Ca、Al、O幾種元素組成，夾雜物主要成分為Al2O3、CaO和FeS所形成的復合夾雜物。

3　國內外鋼樣綜合分析及建議

從31CrMoV9鋼成分分析來看，與國外生產的鋼樣相比，國內鋼樣中磷、硫和總氧含量相對較高，容易降低鋼材的塑性和韌性，而鋼中的釩含量低于國外鋼種。在鋼種成分要求范圍內提高鋼中的釩含量，能夠達到增加納米尺度的MC粒子析出的體積分數、抑制MC粒子粗化的效果。國內外鋼中的氮含量基本一致，因此相對國內鋼材，國外鋼材中能夠增加V(C，N)的析出量，促進鐵素體的晶內形核，對鐵素體起到更顯著的析出強化作用，能夠增加鋼材的芯部強度。

從夾雜物的形狀、尺寸、數量和分布分析，與國內鋼樣相比，國外鋼樣中的夾雜物數量少，尺寸小，彌散分布性強，長寬比小于1.5的夾雜物數量占總量的比例大，紡錘率大，且夾雜物的形態以球狀和類球狀居多，極少出現塊狀和條狀夾雜物，其原因可能是國外鋼中整體成分控制嚴格，硫含量較低，錳硫比較高，促使硫化錳形態趨于紡錘形。從夾雜物組成分析，國外的夾雜物成分主要是以Al2O3、CaO、MnS等組成的復合夾雜物為主，而國內鋼材的夾雜物的組成存在著成分的波動性。

為了縮小國內31CrMoV9鋼的質量差距，提高國內此鋼種的綜合性能，建議生產過程采取以下措施：1)國內在生產該鋼種時應提高釩元素的加入量，通過釩元素的細晶強化和析出強化兩種強度機制來提高鋼材的強度和韌性；2)確保鋼中的硫、磷含量向下限控制；3)通過提高鋼中的錳硫比改善鋼中硫化物形態。

4　結論

1)國外鋼中的釩含量稍高，硫、磷和總氧含量低，國內鋼中的錳硫比相對較低，分別為17.8和15.6，國外鋼中錳硫比含量較高，分別為21.6和25.5。

2)國外鋼樣中的夾雜物數量少，尺寸小，彌散分布性強，長寬比小于1.5的夾雜物數量占總量的比例大，紡錘率大，且夾雜物的形態以球狀和類球狀居多，極少出現塊狀和條狀夾雜物。

3)通過能譜分析夾雜物成分，可知國內鋼樣與國外鋼樣在夾雜物的控制上存在著很大差距，國外鋼樣的夾雜物主要是以Al2O3、CaO、MnS等組成的復合夾雜物為主，而國內鋼樣中夾雜物的組成存在著較大的波動性。

[1]黃星，蒲銳. 31CrMoV9鋼熱處理工藝研究[J]. 機車車輛工藝，2010(4)：16-18.

[2]王耀武，張雅芹，王曉穎. 31CrMoV9 鋼固溶雙細化工藝研究[J].熱處理，2013，28(6)：50-53.

[3]劉金鑫，馮桂萍，王連海.31CrMoV9鋼調質工藝研究[J].物理測試，2011，29(2)：17-19.

[4]李鵬. Al、Ti復合脫氧對非調質鋼中夾雜物及組織的影響[D].武漢：武漢科技大學，2013.

[5]楊偉寧.硫化物對中碳非調質鋼組織的影響[D].上海：上海交通大學，2007.

[6]張德堂.鋼中非金屬夾雜物鑒別[M].北京：國防工業出版社，1991：20-35.

[7]殷瑞鈺.鋼的質量現代進展(下篇)特殊鋼[M].北京：冶金工業出版社，1995：104-115.

ANALYSIS ON THE COMPOSITION AND CHARACTERISTIC OF THE INCLUSION OF 31CrMoV9 STEEL FROM DOMESTIC AND ABROAD

He Zhijun1，2Li Jing1Dai Yuxiang2Liu Jihui2Zhao Xiao2Liu Xiaoqing3

(1.State Key Laboratory of Advanced Metallurgy ，University of Science and Technology Beijing；2. University of Science and Technology Liaoning, Key Lab of Liaoning Province for Chemical Metallurgy；3. Ansteel Group Engineering Technology Co., Ltd)

In this paper, the comparative study about 31CrMoV9 steel from domestic and abroad is done. The results shows that the sulphur, phosphorus and total oxygen content from abroad samples are a bit lower than that from domestic, and the manganese-sulphurratio of domestic samples is a bit lower. The inclusion of abroad samples are less in number, small in size and strong in dispersive distribution, compared to the domestic samples. The proportion of inclusion of abroad samples which length and width ratio less than 1.5 are more, and their shapes are tend to spindle-shaped. The shape of inclusions of abroad samples are more sphericalorapproximatespherical, rarely appear massive and strip inclusions. The inclusions composition of abroad samples are mainly composed of Al2O3, MnS and CaO, but the inclusions of domestic samples are uneven distribution and the volatility of the components.

31CrMoV9 steelcomplex inclusioninclusion morphology

國家自然科學基金(51474124， 51504132)，遼寧省自然科學基金(2015020192)

聯系人：何志軍,教授，遼寧.鞍山(114051)，遼寧科技大學遼寧省化學冶金重點實驗室;2016—3—5