42CrMoA鋼CaO－SiO2－MgO－Al2O3 系夾雜物低熔點區(qū)域的控制

巨建濤，郭艷萍，折 媛，張朝暉

（西安建筑科技大學 冶金工程學院，陜西 西安 710055）

脆性不變形夾雜物是造成42CrMoA鋼疲勞斷裂的主要原因，精煉過程中要合理控制42CrMoA鋼中夾雜物的成分，使盡可能生成低熔點塑性夾雜物［1］。因為低熔點塑性夾雜物能隨基體一起延伸并與基體保持良好的結合，使夾雜物與鋼基體界面的應力集中程度降低，因而可以明顯改善鋼材的疲勞性能［2－3］。

FactSage熱力學軟件以吉布斯自由能最小化方法進行有關化學平衡和相平衡計算，可以對指定成分的相圖、優(yōu)勢區(qū)圖等進行計算與分析［4－5］。利用FactSage熱力學軟件進行有益夾雜物成分設計和優(yōu)化可以取得預期的效果。

利用FactSage熱力學軟件對42CrMoA鋼中常見的 CaO－SiO2－MgO－Al2O3四元系夾雜物低熔點區(qū)域進行計算與分析，在確定最大低熔點區(qū)域的基礎上，探討了形成低熔點塑性夾雜物時鋼水的成分要求，進而實現對低熔點塑性夾雜物成分的有效控制。

1 基本熱力學數據

42CrMoA鋼化學成分見表1。

表1 42CrMoA鋼的化學成分%

根據鋼液的化學成分，鋼液亨利活度計算公式為

式中，ai、fi、wi分別為溶質i的活度、活度系數和質量分數。鋼液中相關的元素亨利活度系數計算式為

式中：i、j、k代表不同的溶質分別為一階、二階相互作用系數。這里忽略了二階相互作用系數對fi的影響。1 600℃下各元素的活度相互作用系數見表2［6］。

表2 鋼液中元素相互作用系數（1 600℃）

2 熱力學計算與分析

2．1 CaO－SiO2－MgO－Al2O3 系夾雜物低熔點區(qū)域計算

采用FactSage軟件中的相圖模塊對CaOSiO2－MgO－Al2O3夾雜物的熔點進行計算，為夾雜物的高溫物性提供相關數據［7－8］。圖1為Al2O3質量分數分別為0%、10%、20%、30%時的CaO－SiO2－MgO－Al2O3系夾雜物低熔點區(qū)域（以熔點小于1 400℃為低熔點基準）。

圖1 Al2O3質量分數對CaO－SiO2－MgO－Al2O3系夾雜物低熔點區(qū)域的影響

由圖1看出：當w（Al2O3）為0%時，夾雜物的成分控制在50%～62．5%SiO2、5%～27．5%MgO、15%～40%CaO范圍內可以獲得低熔點區(qū)域；隨w（Al2O3）增大，低熔點區(qū)逐漸擴大，w（Al2O3）達到20%時，低熔點夾雜物的成分擴大為0～30%MgO、40%～88%SiO2、0～50%CaO，此時的低熔點區(qū)域最大；再繼續(xù)增大w（Al2O3），低熔點區(qū)逐漸減少，說明高w（Al2O3）條件不利于形成低熔點塑性夾雜物。圖2為不同Al2O3、CaO、SiO2、MgO質量分數對低熔點區(qū)面積的影響?？梢钥闯觯弘Sw（Al2O3）增大，低熔點區(qū)域先增大后減小，w（Al2O3）達到20%時，低熔點區(qū)域最大；w（CaO）在0～50%之間逐漸增大時，低熔點區(qū)域先增大后減小，w（CaO）為30%時，低熔點區(qū)域最大；w（SiO2）為5%時，低熔點區(qū)域最大，w（SiO2）達到20%時，低熔點區(qū)域接近于0%，說明w（SiO2）的變化對低熔點區(qū)域影響不大；w（MgO）在較小范圍（0～10%）內逐漸增大時，低熔點區(qū)域呈線性增大，說明在該范圍內適當提高w（MgO）有利于獲得較大的低熔點區(qū)域。

圖2 Al2O3、CaO、SiO2、MgO質量分數與低熔點區(qū)域面積比例之間的關系

各組分對 CaO－SiO2－MgO－Al2O3系夾雜物低熔點區(qū)域的影響表明，當w（Al2O3）為20%時，該系夾雜物的低熔點區(qū)域最大，即此時夾雜物的熔點不會因為成分的微小變化而給熔點帶來巨大變化。將42CrMoA鋼的夾雜物控制在該范圍內是比較容易實現的。

圖3 1 600℃條件下CaO－SiO2－MgO－20%Al2O3系中不同氧化物的等活度線

2．2 CaO－SiO2－MgO－20%Al2O3系夾雜物活度計算

圖3是在1 600 ℃條件下，CaO－SiO2－MgO－20%Al2O3系夾雜物達到平衡時各組元CaO、SiO2、MgO、Al2O3的等活度圖。w（MgO）在30%以內變化時，α（CaO）的變化不明顯；w（MgO）一定時，隨堿度R（CaO／SiO2）升高，CaO活度逐漸增大；可見，將α（CaO）控制在0．001～0．1之間有利于獲得低熔點夾雜物。隨w（MgO）增大，α（SiO2）增大；w（MgO）一定時，α（SiO2）隨R升高而基本不變；因此，將α（SiO2）控制在0．001～0．009范圍內有助于將夾雜物成分控制在低熔點區(qū)域內，但可控范圍較窄。隨w（MgO）增大，α（MgO）逐漸增大；w（MgO）一定時，隨 R減小，α（MgO）減??；此外，MgO組元可以降低夾雜物的熔點、擴大低熔點區(qū)域；因此在0．005～0．09區(qū)間內適當提高α（MgO）有助于將夾雜物成分控制在低熔點區(qū)域內。通過降低堿度，減小w（MgO），可以增大α（Al2O3），可見，將α（Al2O3）控制在0．001～0．09范圍內可使夾雜物成分落在低熔點區(qū)的中心區(qū)域。

綜上所述，在1 600℃精煉溫度下，若使42CrMoA鋼中的夾雜物成分盡量落在CaO－SiO2－MgO－20%Al2O3低熔點區(qū)域內，各氧化物的活度應分別控制在 CaO 0．001～0．1、SiO20．001～ 0．009、MgO 0．001 ～ 0．09、Al2O30．001～0．09范圍內。

2．3 鋼液中［O］和［Al］的確定

假定渣－鋼平衡時夾雜物成分與鋼渣一致，夾雜物可視為微小的爐渣體系。在42CrMoA鋼中，［C］＝0．45%，［Si］＝0．25%，［Mn］＝0．85%時，由表1、2及圖3可分別繪制出鋼中［O］、［Al］與 CaO－SiO2－MgO－20%Al2O3夾雜物平衡時的等濃度圖，結果如圖4所示?？梢钥闯觯弘Sw（MgO）降低，R減小，鋼液中溶解的［O］和［Al］逐漸增大；w（MgO）一定時，隨低熔點區(qū)夾雜物R的升高，形成低熔點夾雜物所對應的鋼液中溶解的［O］和［Al］不斷降低，這在生產上容易控制。因此，在保證夾雜物盡量落在低熔點區(qū)域內，同時考慮到42CrMoA鋼對氧含量的要求，應控制［O］在（5～15）×10－6、［Al］在（1～13）×10－6范圍內。

圖4 1 600℃條件下，CaO－SiO2－MgO－20%Al2O3 四元系平衡等［O］線，×10－6和等［Al］線，×10－6

3 結論

在1 600℃溫度下，要使42CrMoA鋼中的夾雜物成分盡量落在 CaO－SiO2－MgO－20%Al2O3系夾雜物的低熔點區(qū)域內，各氧化物的活度范圍應為CaO 0．001～0．1、SiO20．001～0．009、MgO 0．001～0．09、Al2O30．001～0．09。將鋼液中的［O］和 ［Al］分別控制在 （5～15）×10－6和（1～13）×10－6范圍內，有利于42CrMoA鋼生成低熔點的CaO－SiO2－MgO－20%Al2O3系夾雜物。

［1］柴國強，王福明，付軍，等．高碳硬線鋼82B中 Al2O3－SiO2－MgO－CaO－MnO系夾雜物塑性化控制［J］．北京科技大學學報，2010，32（6）：730－734．

［2］Mimura T．Control of Inclusions in Tire Cord Steel and Valve Spring Steel［A］．Technology for Control of Nonmetallic Inclusions and Production of Clean Steel［C］．Nago－ya：ISIJ，2005：127．

［3］王新華，陳斌，姜敏，等．渣－鋼反應對高強度合金結構鋼中生成較低熔點非金屬夾雜物的影響［J］．鋼鐵，2008，43（12）：28－32．

［4］金利玲，王海濤，許中波，等．簾線鋼 CaO－SiO2－Al2O3－MnO系夾雜物的成分控制［J］．北京科技大學學報，2007，29（4）：377－381．

［5］張博，王福明，李長榮，等．不同溫度下60Si2MnA彈簧鋼中低熔點夾雜物生成熱力學［J］．北京科技大學學報，2011，33（3）：281－288．

［6］Kishi M，Inoue R，Suito H．Thermodynamics of Oxygen and Nitrogen in Liquid Fe－20%Cr Alloy Equilibrated With Titania－Based Slags［J］．ISIJ Int，1994，34（11）：859．

［7］徐冉，宋波，毛紅．CaO－SiO2－Al2O3－MgO－TiO2鋼渣體系熔化性能［J］．北京科技大學學報，2010，32（11）：1422－1427．

［8］Li H X，Yoshihiko Ninomiya，Dong Z B，et al．Application of the Fact Sage to Predict the Ash Melting Behavior in Reducing Conditions［J］．Chinese J Chem Eng，2006，14（6）：784－789．