供稿|袁義義, 江勇, 王旭明, 勾立爭(zhēng)/ YUAN Yi-yi, JIANG Yong, WANG Xu-ming, GOU Li-zheng

DC01鋼中夾雜物析出的熱力學(xué)分析

Thermodynamics Analysis of Inclusion Precipitation in DC01 Steel

供稿|袁義義1, 江勇1, 王旭明1, 勾立爭(zhēng)2/ YUAN Yi-yi1, JIANG Yong1, WANG Xu-ming1, GOU Li-zheng2

內(nèi)容導(dǎo)讀

完善了FactSage數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)，并用該軟件的模型系統(tǒng)分析了DC01鋼中夾雜物的析出行為，得出了隨著稀土添加量、初始氧含量與硫含量的增加，鋼中夾雜物類(lèi)型及數(shù)量的變化規(guī)律。在本文計(jì)算條件下，DC01鋼中的夾雜物主要為Al2O3、MnS及AlN，其中MnS與AlN在固相中析出。為保證鋼中夾雜物的細(xì)小彌散分布，稀土添加量應(yīng)在0.038%以上；在稀土添加量為0.03%條件下，則需保證鋼中的氧含量低于0.0016%，硫含量低于0.004%。

DC01鋼中夾雜物析出的熱力學(xué)分析DC01鋼作為典型的沖壓用鋼，為諸多沖壓件材料的首選。但是在連鑄、冷軋及沖壓過(guò)程中，鋼中的夾雜物嚴(yán)重影響沖壓后的形貌及其使用性能[1]。鋼中添加適量稀土元素可明顯改善夾雜物的類(lèi)型及尺寸，使夾雜物細(xì)小彌散分布[2,3]，從而改善鋼的力學(xué)性能與加工性能。FactSage軟件以其數(shù)據(jù)庫(kù)豐富、計(jì)算功能強(qiáng)大等優(yōu)勢(shì)在冶金行業(yè)中廣泛應(yīng)用[4]。其中Equilib模塊可較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)鋼液冷卻及凝固過(guò)程中夾雜物的類(lèi)型及數(shù)量。基于此，本文通過(guò)調(diào)整DC01的成分，利用FactSage熱力學(xué)軟件系統(tǒng)研究了DC01鋼凝固過(guò)程中夾雜物的析出行為。研究工作為鋼中夾雜物類(lèi)型的控制及新產(chǎn)品的研發(fā)提供理論依據(jù)。

計(jì)算方法及驗(yàn)證

FactSage整體采用系統(tǒng)內(nèi)絕對(duì)吉布斯自由能最小作為平衡終點(diǎn)的判斷依據(jù)。吉布斯自由能計(jì)算則按照系統(tǒng)中相的存在狀態(tài)而采用相應(yīng)的模型進(jìn)行計(jì)算[5,6]。由于FactSage數(shù)據(jù)庫(kù)中有關(guān)稀土元素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)較少，本文特別補(bǔ)充了Ce2O2S與Ce2Si2O7的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，如表1所示。其中Ce2Si2O7的熔點(diǎn)為1762℃，在煉鋼溫度下為純固相，且考慮到標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能的表達(dá)式可寫(xiě)成ΔGΘ=A+BT形式，在此將其熱力學(xué)數(shù)據(jù)從1000 K線(xiàn)性擴(kuò)展到煉鋼溫度以下。

表1 稀土化合物補(bǔ)充熱力學(xué)數(shù)據(jù)

為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算結(jié)果的可靠性，利用FactSage中模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)中有關(guān)稀土鋼實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如表2所示。

表2 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

可以看出，F(xiàn)actSage模型計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。其中由于Cr4C在鋼中很難發(fā)現(xiàn)，而稍有出入。因此，可以利用FactSage進(jìn)一步考察本文DC01鋼中的夾雜物析出行為。

以現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的DC01鋼化學(xué)成分為基準(zhǔn)(見(jiàn)表3)，分析了該鋼種凝固過(guò)程中夾雜物的析出行為，并通過(guò)調(diào)整鋼中的氧硫含量及稀土Ce的添加量，系統(tǒng)考察DC01鋼中夾雜物類(lèi)型及數(shù)量的變化行為，以便為DC01鋼產(chǎn)品質(zhì)量的改善提供理論參考。

表3 計(jì)算用鋼的化學(xué)成分

計(jì)算結(jié)果與討論

圖1為DC01鋼在冷卻及凝固過(guò)程中夾雜物的析出行為。從圖中可以看出，DC01鋼中析出的夾雜物主要為Al2O3、MnS以及AlN。其中Al2O3在液相中以及形成，且凝固過(guò)程中由于相變的影響，在液相線(xiàn)溫度處Al2O3夾雜物的含量略有增加。MnS與AlN夾雜均在固相中形成。MnS在1300℃時(shí)開(kāi)始析出，并且隨著鋼液溫度的降低其含量逐漸增加，最終達(dá)到析出平衡狀態(tài)。而AlN夾雜在稍低的溫度，1075℃時(shí)析出，其含量也逐漸增加，并達(dá)到平衡。

圖1 DC01鋼凝固過(guò)程中夾雜物的析出行為

圖2 表示鈰添加量對(duì)DC01鋼凝固組織中夾雜物類(lèi)型及含量的影響。由圖可知，隨著鈰含量的增加，DC01鋼中的夾雜物由Al2O3、MnS、AlN向Ce2O2S、CeS、CeN轉(zhuǎn)變。當(dāng)鈰添加量小于0.02%時(shí)，MnS逐漸向Ce2S3轉(zhuǎn)變；當(dāng)鈰添加量大于0.02%時(shí)，MnS夾雜完全消失，鋼中開(kāi)始析出Ce2O2S。由于Ce2O2S降低的生成吉布斯自由能，此時(shí)隨著鈰添加量的增加，Ce2O2S將奪取Ce2S3與Al2O3中的S與O，從而其含量不斷增加，并在鈰添加量為0.038%時(shí)達(dá)到析出平衡。從圖中還可以看出，隨著稀土添加量的增加稀土硫化物的轉(zhuǎn)變順序?yàn)椋篊e2S3→Ce3S4→CeS。在較高鈰添加量下，鋼中的AlN還將向CeN轉(zhuǎn)變。在本實(shí)驗(yàn)條件(氧硫含量)下，較高鈰添加量下，鋼中穩(wěn)定存在的夾雜物將全部為稀土夾雜物Ce2O2S、CeS、CeN，從而有利于鋼中夾雜物的細(xì)小彌散分布，達(dá)到改善產(chǎn)品質(zhì)量與性能的目的。

圖2 鈰添加量對(duì)DC01鋼凝固組織中夾雜物的影響([%O]=0.003，[%S]=0.007)

為了進(jìn)一步達(dá)到指導(dǎo)生產(chǎn)的目的，還計(jì)算分析了當(dāng)鈰添加量為0.03%時(shí)，鋼中初始氧含量與硫含量的控制變量。圖3為初始氧含量對(duì)DC01鋼中夾雜物的影響。從圖中看以看出，當(dāng)氧含量超過(guò)0.0016%時(shí)，鋼中的夾雜物類(lèi)型已基本穩(wěn)定，但此時(shí)鋼中將會(huì)逐漸產(chǎn)生大量的Al2O3夾雜物，從而不利于產(chǎn)品質(zhì)量的控制。在較低氧含量，即小于0.0016%時(shí)，鋼中的夾雜物主要為稀土夾雜物：CeS、Ce3S4、Ce2S3、Ce2O2S，且CeS與Ce2S3不能同時(shí)存在。

圖3 氧含量對(duì)DC01鋼凝固組織中夾雜物的影響([%S]=0.007)

同樣，圖4表示DC01鋼中夾雜物的類(lèi)型及含量隨初始硫含量的變化情況。由圖可知，隨著鋼中硫含量的增加，夾雜物由Ce2O3、CeN向Ce2O2S、Ce2S3、Al2O3轉(zhuǎn)變。在較低硫含量條件下(小于0.003%時(shí))，鋼中的夾雜物主要為Ce2O3、CeN與Ce2O2S。當(dāng)鋼中硫含量超過(guò)0.004%時(shí)，鋼中開(kāi)始析出Al2O3夾雜物，而不利于產(chǎn)品質(zhì)量的改善。從圖中還可以看出隨著鋼中硫含量的增加，CeS與Ce3S4夾雜物先析出后消失，最終均轉(zhuǎn)變成Ce2S3夾雜物，這與隨著鈰添加量增加稀土硫化物的變化順序也是一致的，因?yàn)檩^高的稀土添加量同樣也意味著鋼中的硫含量較低。

結(jié)束 語(yǔ)

本文給出了DC01鋼中夾雜物的析出及變化規(guī)律。當(dāng)前鋼中的主要夾雜物為Al2O3、MnS及AlN。隨著鈰含量的增加，DC01鋼中的夾雜物由Al2O3、MnS、AlN向Ce2O2S、CeS、CeN轉(zhuǎn)變。隨著鋼中硫含量的增加，夾雜物由Ce2O3、CeN向Ce2O2S、 Ce2S3、Al2O3轉(zhuǎn)變。為保證鋼中夾雜物的細(xì)小彌散分布，稀土添加量應(yīng)高于0.038%；若稀土添加量為0.03%，則需保證鋼中的氧含量低于0.0016%，硫含量低于0.004%。

圖4 硫含量對(duì)DC01鋼凝固組織中夾雜物的影響([%O]=0.003)

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袁義義(1987—)，男，工程師，鋼材質(zhì)量控制，E-mail: yyy1987414@163.com。

1. 寶山鋼鐵股份有限公司，上海 20941；2. 中國(guó)冶金科工集團(tuán)有限公司，上海 200900

10.3969/j.issn.1000-6826.2014.01.15