高真空电弧熔炼调控氧含量对不同精炼工艺及脱氧剂钢中夹杂物与力学性能的影响机制

本文通过高真空电弧熔炼(VAM)调控钢中氧含量，系统研究了不同精炼工艺（电渣重熔ESR/真空吹氧脱碳VOD）及脱氧剂（Al/Si-Mn）对马氏体不锈钢(440C/440M)中碳化物、非金属夹杂物(NMIs)及力学性能的影响。结果表明：VAM重熔可细化碳化物并提升抗拉强度与硬度；低氧(<20 ppm)降低夹杂物密度，高氧(>80 ppm)则显著增加，但疲劳性能同时受Al2O3与SiO2夹杂类型调控——Al脱氧钢中Al2O3夹杂密度升高会显著降低疲劳寿命，而Si/Mn脱氧钢对SiO2夹杂不敏感。

　　

Highlight

本研究创新性地采用高真空电弧熔炼(VAM)技术，通过精准调控氧含量（低氧组<20 ppm vs 高氧组>80 ppm），揭示了氧含量与精炼工艺（ESR/VOD）、脱氧剂（Al/Si-Mn）对马氏体不锈钢中"隐形杀手"——非金属夹杂物(NMIs)和碳化物的协同作用机制。

Material and processing

实验选用440C（经ESR精炼）与440M（经VOD精炼+三种脱氧工艺）马氏体不锈钢。通过VAM重熔实现氧含量的"精准手术"：低氧组如"清道夫"般清除杂质，高氧组则人为引入可控氧环境，为后续显微组织与力学性能的"基因解码"奠定基础。

Chemical analysis

采用LECO分析仪与OES（光学发射光谱）对铸锭进行"元素普查"，发现VAM重熔后氧含量呈现两极分化趋势，犹如"分子剪刀"般重塑了材料内部的化学微环境。

Conclusions

1. 1.

   碳化物"瘦身计划"成功：VAM重熔使碳化物尺寸显著细化，抗拉强度与硬度同步提升；

2. 2.

   夹杂物的"双面人格"：低氧组夹杂物密度温和下降，高氧组则剧烈反弹，但疲劳性能更取决于夹杂物"身份证"——Al脱氧钢中硬质Al₂O₃夹杂是疲劳裂纹的"优先孵化器"，而Si/Mn脱氧钢中SiO₂夹杂则表现温和。

CRediT authorship contribution statement

研究团队采用"多学科会诊"模式：Chun-Hway Hsueh教授负责"战略指挥"（监督与基金获取），Jyun-Hua Chang进行"方案设计"（概念化），Wan-Yi Lin完成"精准操作"（实验执行与数据分析）。