巨建濤，郭艷萍，折 媛，張朝暉

（西安建筑科技大學(xué) 冶金工程學(xué)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(guò)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(diǎn)塑性?shī)A雜物［1］。因?yàn)榈腿埸c(diǎn)塑性?shī)A雜物能隨基體一起延伸并與基體保持良好的結(jié)合，使夾雜物與鋼基體界面的應(yīng)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(xué)軟件以吉布斯自由能最小化方法進(jìn)行有關(guān)化學(xué)平衡和相平衡計(jì)算，可以對(duì)指定成分的相圖、優(yōu)勢(shì)區(qū)圖等進(jìn)行計(jì)算與分析［4－5］。利用FactSage熱力學(xué)軟件進(jìn)行有益夾雜物成分設(shè)計(jì)和優(yōu)化可以取得預(yù)期的效果。

利用FactSage熱力學(xué)軟件對(duì)42CrMoA鋼中常見(jiàn)的 CaO－SiO2－MgO－Al2O3四元系夾雜物低熔點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行計(jì)算與分析，在確定最大低熔點(diǎn)區(qū)域的基礎(chǔ)上，探討了形成低熔點(diǎn)塑性?shī)A雜物時(shí)鋼水的成分要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)低熔點(diǎn)塑性?shī)A雜物成分的有效控制。

1 基本熱力學(xué)數(shù)據(jù)

42CrMoA鋼化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 42CrMoA鋼的化學(xué)成分%

根據(jù)鋼液的化學(xué)成分，鋼液亨利活度計(jì)算公式為

式中，ai、fi、wi分別為溶質(zhì)i的活度、活度系數(shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)。鋼液中相關(guān)的元素亨利活度系數(shù)計(jì)算式為

式中：i、j、k代表不同的溶質(zhì)分別為一階、二階相互作用系數(shù)。這里忽略了二階相互作用系數(shù)對(duì)fi的影響。1 600℃下各元素的活度相互作用系數(shù)見(jiàn)表2［6］。

表2 鋼液中元素相互作用系數(shù)（1 600℃）

2 熱力學(xué)計(jì)算與分析

2．1 CaO－SiO2－MgO－Al2O3 系夾雜物低熔點(diǎn)區(qū)域計(jì)算

采用FactSage軟件中的相圖模塊對(duì)CaOSiO2－MgO－Al2O3夾雜物的熔點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，為夾雜物的高溫物性提供相關(guān)數(shù)據(jù)［7－8］。圖1為Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、10%、20%、30%時(shí)的CaO－SiO2－MgO－Al2O3系夾雜物低熔點(diǎn)區(qū)域（以熔點(diǎn)小于1 400℃為低熔點(diǎn)基準(zhǔn)）。

圖1 Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)CaO－SiO2－MgO－Al2O3系夾雜物低熔點(diǎn)區(qū)域的影響

由圖1看出：當(dāng)w（Al2O3）為0%時(shí)，夾雜物的成分控制在50%～62．5%SiO2、5%～27．5%MgO、15%～40%CaO范圍內(nèi)可以獲得低熔點(diǎn)區(qū)域；隨w（Al2O3）增大，低熔點(diǎn)區(qū)逐漸擴(kuò)大，w（Al2O3）達(dá)到20%時(shí)，低熔點(diǎn)夾雜物的成分?jǐn)U大為0～30%MgO、40%～88%SiO2、0～50%CaO，此時(shí)的低熔點(diǎn)區(qū)域最大；再繼續(xù)增大w（Al2O3），低熔點(diǎn)區(qū)逐漸減少，說(shuō)明高w（Al2O3）條件不利于形成低熔點(diǎn)塑性?shī)A雜物。圖2為不同Al2O3、CaO、SiO2、MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低熔點(diǎn)區(qū)面積的影響。可以看出：隨w（Al2O3）增大，低熔點(diǎn)區(qū)域先增大后減小，w（Al2O3）達(dá)到20%時(shí)，低熔點(diǎn)區(qū)域最大；w（CaO）在0～50%之間逐漸增大時(shí)，低熔點(diǎn)區(qū)域先增大后減小，w（CaO）為30%時(shí)，低熔點(diǎn)區(qū)域最大；w（SiO2）為5%時(shí)，低熔點(diǎn)區(qū)域最大，w（SiO2）達(dá)到20%時(shí)，低熔點(diǎn)區(qū)域接近于0%，說(shuō)明w（SiO2）的變化對(duì)低熔點(diǎn)區(qū)域影響不大；w（MgO）在較小范圍（0～10%）內(nèi)逐漸增大時(shí)，低熔點(diǎn)區(qū)域呈線性增大，說(shuō)明在該范圍內(nèi)適當(dāng)提高w（MgO）有利于獲得較大的低熔點(diǎn)區(qū)域。

圖2 Al2O3、CaO、SiO2、MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)與低熔點(diǎn)區(qū)域面積比例之間的關(guān)系

各組分對(duì) CaO－SiO2－MgO－Al2O3系夾雜物低熔點(diǎn)區(qū)域的影響表明，當(dāng)w（Al2O3）為20%時(shí)，該系夾雜物的低熔點(diǎn)區(qū)域最大，即此時(shí)夾雜物的熔點(diǎn)不會(huì)因?yàn)槌煞值奈⑿∽兓o熔點(diǎn)帶來(lái)巨大變化。將42CrMoA鋼的夾雜物控制在該范圍內(nèi)是比較容易實(shí)現(xiàn)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(jì)算

圖3是在1 600 ℃條件下，CaO－SiO2－MgO－20%Al2O3系夾雜物達(dá)到平衡時(shí)各組元CaO、SiO2、MgO、Al2O3的等活度圖。w（MgO）在30%以內(nèi)變化時(shí)，α（CaO）的變化不明顯；w（MgO）一定時(shí)，隨堿度R（CaO／SiO2）升高，CaO活度逐漸增大；可見(jiàn)，將α（CaO）控制在0．001～0．1之間有利于獲得低熔點(diǎn)夾雜物。隨w（MgO）增大，α（SiO2）增大；w（MgO）一定時(shí)，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(nèi)有助于將夾雜物成分控制在低熔點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，但可控范圍較窄。隨w（MgO）增大，α（MgO）逐漸增大；w（MgO）一定時(shí)，隨 R減小，α（MgO）減??；此外，MgO組元可以降低夾雜物的熔點(diǎn)、擴(kuò)大低熔點(diǎn)區(qū)域；因此在0．005～0．09區(qū)間內(nèi)適當(dāng)提高α（MgO）有助于將夾雜物成分控制在低熔點(diǎn)區(qū)域內(nèi)。通過(guò)降低堿度，減小w（MgO），可以增大α（Al2O3），可見(jiàn)，將α（Al2O3）控制在0．001～0．09范圍內(nèi)可使夾雜物成分落在低熔點(diǎn)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(diǎn)區(qū)域內(nèi)，各氧化物的活度應(yīng)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(nèi)。

2．3 鋼液中［O］和［Al］的確定

假定渣－鋼平衡時(shí)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(shí)，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(shí)的等濃度圖，結(jié)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(shí)，隨低熔點(diǎn)區(qū)夾雜物R的升高，形成低熔點(diǎn)夾雜物所對(duì)應(yīng)的鋼液中溶解的［O］和［Al］不斷降低，這在生產(chǎn)上容易控制。因此，在保證夾雜物盡量落在低熔點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，同時(shí)考慮到42CrMoA鋼對(duì)氧含量的要求，應(yīng)控制［O］在（5～15）×10－6、［Al］在（1～13）×10－6范圍內(nèi)。

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(jié)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(diǎn)區(qū)域內(nèi)，各氧化物的活度范圍應(yīng)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(nèi)，有利于42CrMoA鋼生成低熔點(diǎn)的CaO－SiO2－MgO－20%Al2O3系夾雜物。

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