国内外31CrMoV9钢成分与夹杂物特性分析

何志军　李晶　戴雨翔　刘吉辉　赵啸　刘晓青

(1. 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室；2. 辽宁科技大学辽宁省化学冶金重点实验室；3.鞍钢集团工程技术有限公司)



国内外31CrMoV9钢成分与夹杂物特性分析

何志军1,2李晶1戴雨翔2刘吉辉2赵啸2刘晓青3

(1. 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室；2. 辽宁科技大学辽宁省化学冶金重点实验室；3.鞍钢集团工程技术有限公司)

对国内外不同产地的31CrMoV9钢进行对比研究。分析表明，国外钢中硫、磷和总氧含量低，而国内钢中的锰硫比低，国外钢样中的夹杂物数量少，尺寸小，弥散分布性强，长宽比小于1.5的夹杂物数量占总量的比例大，纺锤率大，且夹杂物的形态以球状和类球状居多，极少出现块状和条状夹杂物，国外的夹杂物主要是以Al2O3、CaO、MnS等组成的复合夹杂物，而国内钢样中夹杂物分布不均匀，成分波动性较大。

31CrMoV9钢复合夹杂物夹杂物形态

0　前言

目前，国内外诸如具有大模数、齿根厚、承受疲劳强度高的重载齿轮等大截面尺寸工件材料为了达到工件的芯部强度要求，一般都选用高淬透性钢[1]。应用较多的20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W等材料的表面经采用渗碳淬火强化的方式后，极大提高了齿轮表面的接触疲劳，同时芯部碳含量低，淬火后内部结构主要为低碳马氏体的板条状结构，因此能够控制材料芯部强度达到35HRC以上。对于其他如内齿圈等轴类工件一般使用31CrMoV9，该钢种系德国引进强韧兼备优质结构钢，经调质和渗氮处理后其耐磨性、抗腐蚀性好[2-4]。国内目前也有多家厂家生产31CrMoV9钢，然而国内厂家生产的此钢种的综合性能与国外相比差距较大，很难达到用户要求，同时目前针对31CrMoV9钢国内外有关可查的资料很少。因此，通过对国产和进口的31CrMoV9钢成分和夹杂物特性的详细分析，以期能够找出该钢种我国与国外的差异性，为企业生产过程中控制夹杂物的形态、尺寸、分布，同时提高钢材纯净度、满足使用性能要求提供指导。

1　国内外钢样成分对比分析

研究过程选取了日本、太原、上海、德国四个不同厂家生产的31CrMoV9钢，并进行了成分分析，分析结果见表1(其中1为日本钢样，2为太原钢样，3为上海钢样，4为德国钢样)。

从表1可以看出，国内钢样中的易切削元素硫含量及对钢质量影响较大的磷元素含量都高于国外钢样；从Als含量分析国内外钢样都属于铝脱氧镇静钢，国内钢样的AlS较低；总氧含量国外钢样约为11×10-6，而国内钢样约为15×10-6；国内外钢样的氮含量基本一致；1号和4号钢样的锰硫比分别为21.6和25.5，2号和3号钢样的锰硫比分别为17.8和15.6，国内钢样的锰硫比相对较低，对钢中低熔点FeS生成的抑制性较差，并对钢材的热塑性也有不利影响，同时也不利于改善铸坯硫化物的形态。

表1　不同产地钢样成分检测结果

2　国内外钢样夹杂物对比分析

2.1夹杂物形态金相分析

利用金相显微镜观察4个不同产地钢样，每个钢样观察4个视场，然后对夹杂物的数量和长宽进行统计分析，试样中典型视场如图1所示。

(a) 1号钢样夹杂物分析

(b) 2号钢样夹杂物分析

(c) 3号钢样夹杂物分析

(d) 4号钢样夹杂物分析

从图1(a)中可以看出，1号钢样的夹杂物分布较为分散，而且其形状多为球形，属于比较理想的夹杂物形态。对4个视场的夹杂物数量和长宽比进行统计，共出现了467个夹杂物，其夹杂物的长宽比大部分介于1.2～1.4之间，通常认为夹杂物的长宽比小于1.5，夹杂物的形态控制较为理想[5]，当夹杂物从条带状转变为球形时，钢的塑性、韧性和疲劳强度有很大改进，同时认为夹杂物的长宽比小于1.5的总量越高，夹杂物控制的愈加理想[6-7]，1号钢样中长宽比小于1.5的夹杂物占其总量的55.2%。

从图1(b)可以看出,钢中夹杂物分布有的部位较为集中，而有的部位则分布很少，夹杂物的弥散性差。球形夹杂物较少，而块状和条状夹杂物相对较多。对4个视场的夹杂物数量和长宽比进行统计，共出现了928个夹杂物，其夹杂物长宽比很多在1.2～1.5之间，钢样中长宽比小于1.5的夹杂物数量占总量的59.9%。

从图1(c)可以看出，3号钢样夹杂物分布情况较2号钢样更为弥散一些，且球状夹杂物数量增加，块状和条状夹杂物数量减少，但与1号样仍存在一定差距。对4个视场的夹杂物数量和长宽比进行统计，视场中共出现488个夹杂物，夹杂物的长宽比多在1.2～1.5之间，长宽比小于1.5的夹杂物数量占总量的49.1%。

从图1(d)可以看出，4号钢样其夹杂物比前几个钢样中的夹杂物更加细小，分布弥散性提高，基本为球状夹杂物，极少出现块状和条状夹杂物。对4个视场中的夹杂物数量和长宽比进行统计，共出现242个夹杂物，夹杂物长宽比在1.3～1.5分布较多，长宽比小于1.5的夹杂物数量占总量的61.9%。

综上分析可知，4个钢样中长宽比大于1.5的夹杂物所占比例国内与国外相比存在差距，在夹杂物的形态控制上国外钢样中的夹杂物以球状居多，极少出现块状和条状夹杂物，且分布较为均匀、数量较少，有利于提高钢的切削性能和力学性能。而国产钢样的弥散度较差，块状和条状夹杂物所占比例较高，夹杂物的数量也多于国外钢样，因此钢的切削性能和力学性能应比国外钢样稍差。

2.2夹杂物SEM-EDS分析

各钢样的夹杂物SEM-EDS分析如图2所示。

(a) 1号钢样SEM-EDS分析

(b) 2号钢样SEM-EDS分析

(c) 3号钢样SEM-EDS分析

(d) 4号钢样SEM-EDS分析

从图2(a)可以看出，钢中的夹杂物分布较为均匀，夹杂物的外形多为球形或者纺锤形，大小均小于5 μm，夹杂物为多种元素复合形成的夹杂物，主要含O、Mg、Al、S、Ca、Mn，夹杂物的构成为Al2O3-CaO-MgO-MnS系的复合夹杂物，其中MnS的成分比较高，包裹在夹杂物的外部。

从图2(b)可以看出，钢中的夹杂物的分布不均匀、大小不均匀且其形态控制不理想，夹杂物的形态各异，分析其成分一部分为复合夹杂物，还有一部分夹杂物的成分为MnS，其外形为三角形。

从图2(c)可以看出，钢中的夹杂物分布均匀性和形态控制差，长条状夹杂物数量较多，而纺锤形夹杂物数量相对较少，夹杂物成分主要为Al2O3和MnS复合夹杂物，夹杂物中Al2O3成分比较高。

从图2(d)可以看出，钢中的夹杂物多为球形，或者是类球形，其尺寸比较小，夹杂物的大小都是小于5 μm，夹杂物主要由S、Ca、Al、O几种元素组成，夹杂物主要成分为Al2O3、CaO和FeS所形成的复合夹杂物。

3　国内外钢样综合分析及建议

从31CrMoV9钢成分分析来看，与国外生产的钢样相比，国内钢样中磷、硫和总氧含量相对较高，容易降低钢材的塑性和韧性，而钢中的钒含量低于国外钢种。在钢种成分要求范围内提高钢中的钒含量，能够达到增加纳米尺度的MC粒子析出的体积分数、抑制MC粒子粗化的效果。国内外钢中的氮含量基本一致，因此相对国内钢材，国外钢材中能够增加V(C，N)的析出量，促进铁素体的晶内形核，对铁素体起到更显著的析出强化作用，能够增加钢材的芯部强度。

从夹杂物的形状、尺寸、数量和分布分析，与国内钢样相比，国外钢样中的夹杂物数量少，尺寸小，弥散分布性强，长宽比小于1.5的夹杂物数量占总量的比例大，纺锤率大，且夹杂物的形态以球状和类球状居多，极少出现块状和条状夹杂物，其原因可能是国外钢中整体成分控制严格，硫含量较低，锰硫比较高，促使硫化锰形态趋于纺锤形。从夹杂物组成分析，国外的夹杂物成分主要是以Al2O3、CaO、MnS等组成的复合夹杂物为主，而国内钢材的夹杂物的组成存在着成分的波动性。

为了缩小国内31CrMoV9钢的质量差距，提高国内此钢种的综合性能，建议生产过程采取以下措施：1)国内在生产该钢种时应提高钒元素的加入量，通过钒元素的细晶强化和析出强化两种强度机制来提高钢材的强度和韧性；2)确保钢中的硫、磷含量向下限控制；3)通过提高钢中的锰硫比改善钢中硫化物形态。

4　结论

1)国外钢中的钒含量稍高，硫、磷和总氧含量低，国内钢中的锰硫比相对较低，分别为17.8和15.6，国外钢中锰硫比含量较高，分别为21.6和25.5。

2)国外钢样中的夹杂物数量少，尺寸小，弥散分布性强，长宽比小于1.5的夹杂物数量占总量的比例大，纺锤率大，且夹杂物的形态以球状和类球状居多，极少出现块状和条状夹杂物。

3)通过能谱分析夹杂物成分，可知国内钢样与国外钢样在夹杂物的控制上存在着很大差距，国外钢样的夹杂物主要是以Al2O3、CaO、MnS等组成的复合夹杂物为主，而国内钢样中夹杂物的组成存在着较大的波动性。

[1]黄星，蒲锐. 31CrMoV9钢热处理工艺研究[J]. 机车车辆工艺，2010(4)：16-18.

[2]王耀武，张雅芹，王晓颖. 31CrMoV9 钢固溶双细化工艺研究[J].热处理，2013，28(6)：50-53.

[3]刘金鑫，冯桂萍，王连海.31CrMoV9钢调质工艺研究[J].物理测试，2011，29(2)：17-19.

[4]李鹏. Al、Ti复合脱氧对非调质钢中夹杂物及组织的影响[D].武汉：武汉科技大学，2013.

[5]杨伟宁.硫化物对中碳非调质钢组织的影响[D].上海：上海交通大学，2007.

[6]张德堂.钢中非金属夹杂物鉴别[M].北京：国防工业出版社，1991：20-35.

[7]殷瑞钰.钢的质量现代进展(下篇)特殊钢[M].北京：冶金工业出版社，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

国家自然科学基金(51474124， 51504132)，辽宁省自然科学基金(2015020192)

联系人：何志军,教授，辽宁.鞍山(114051)，辽宁科技大学辽宁省化学冶金重点实验室;2016—3—5