巨建涛，郭艳萍，折 媛，张朝晖

（西安建筑科技大学 冶金工程学院，陕西 西安 710055）

脆性不变形夹杂物是造成42CrMoA钢疲劳断裂的主要原因，精炼过程中要合理控制42CrMoA钢中夹杂物的成分，使尽可能生成低熔点塑性夹杂物［1］。因为低熔点塑性夹杂物能随基体一起延伸并与基体保持良好的结合，使夹杂物与钢基体界面的应力集中程度降低，因而可以明显改善钢材的疲劳性能［2－3］。

FactSage热力学软件以吉布斯自由能最小化方法进行有关化学平衡和相平衡计算，可以对指定成分的相图、优势区图等进行计算与分析［4－5］。利用FactSage热力学软件进行有益夹杂物成分设计和优化可以取得预期的效果。

利用FactSage热力学软件对42CrMoA钢中常见的 CaO－SiO2－MgO－Al2O3四元系夹杂物低熔点区域进行计算与分析，在确定最大低熔点区域的基础上，探讨了形成低熔点塑性夹杂物时钢水的成分要求，进而实现对低熔点塑性夹杂物成分的有效控制。

1 基本热力学数据

42CrMoA钢化学成分见表1。

表1 42CrMoA钢的化学成分%

根据钢液的化学成分，钢液亨利活度计算公式为

式中，ai、fi、wi分别为溶质i的活度、活度系数和质量分数。钢液中相关的元素亨利活度系数计算式为

式中：i、j、k代表不同的溶质分别为一阶、二阶相互作用系数。这里忽略了二阶相互作用系数对fi的影响。1 600℃下各元素的活度相互作用系数见表2［6］。

表2 钢液中元素相互作用系数（1 600℃）

2 热力学计算与分析

2．1 CaO－SiO2－MgO－Al2O3 系夹杂物低熔点区域计算

采用FactSage软件中的相图模块对CaOSiO2－MgO－Al2O3夹杂物的熔点进行计算，为夹杂物的高温物性提供相关数据［7－8］。图1为Al2O3质量分数分别为0%、10%、20%、30%时的CaO－SiO2－MgO－Al2O3系夹杂物低熔点区域（以熔点小于1 400℃为低熔点基准）。

图1 Al2O3质量分数对CaO－SiO2－MgO－Al2O3系夹杂物低熔点区域的影响

由图1看出：当w（Al2O3）为0%时，夹杂物的成分控制在50%～62．5%SiO2、5%～27．5%MgO、15%～40%CaO范围内可以获得低熔点区域；随w（Al2O3）增大，低熔点区逐渐扩大，w（Al2O3）达到20%时，低熔点夹杂物的成分扩大为0～30%MgO、40%～88%SiO2、0～50%CaO，此时的低熔点区域最大；再继续增大w（Al2O3），低熔点区逐渐减少，说明高w（Al2O3）条件不利于形成低熔点塑性夹杂物。图2为不同Al2O3、CaO、SiO2、MgO质量分数对低熔点区面积的影响。可以看出：随w（Al2O3）增大，低熔点区域先增大后减小，w（Al2O3）达到20%时，低熔点区域最大；w（CaO）在0～50%之间逐渐增大时，低熔点区域先增大后减小，w（CaO）为30%时，低熔点区域最大；w（SiO2）为5%时，低熔点区域最大，w（SiO2）达到20%时，低熔点区域接近于0%，说明w（SiO2）的变化对低熔点区域影响不大；w（MgO）在较小范围（0～10%）内逐渐增大时，低熔点区域呈线性增大，说明在该范围内适当提高w（MgO）有利于获得较大的低熔点区域。

图2 Al2O3、CaO、SiO2、MgO质量分数与低熔点区域面积比例之间的关系

各组分对 CaO－SiO2－MgO－Al2O3系夹杂物低熔点区域的影响表明，当w（Al2O3）为20%时，该系夹杂物的低熔点区域最大，即此时夹杂物的熔点不会因为成分的微小变化而给熔点带来巨大变化。将42CrMoA钢的夹杂物控制在该范围内是比较容易实现的。

图3 1 600℃条件下CaO－SiO2－MgO－20%Al2O3系中不同氧化物的等活度线

2．2 CaO－SiO2－MgO－20%Al2O3系夹杂物活度计算

图3是在1 600 ℃条件下，CaO－SiO2－MgO－20%Al2O3系夹杂物达到平衡时各组元CaO、SiO2、MgO、Al2O3的等活度图。w（MgO）在30%以内变化时，α（CaO）的变化不明显；w（MgO）一定时，随碱度R（CaO／SiO2）升高，CaO活度逐渐增大；可见，将α（CaO）控制在0．001～0．1之间有利于获得低熔点夹杂物。随w（MgO）增大，α（SiO2）增大；w（MgO）一定时，α（SiO2）随R升高而基本不变；因此，将α（SiO2）控制在0．001～0．009范围内有助于将夹杂物成分控制在低熔点区域内，但可控范围较窄。随w（MgO）增大，α（MgO）逐渐增大；w（MgO）一定时，随 R减小，α（MgO）减小；此外，MgO组元可以降低夹杂物的熔点、扩大低熔点区域；因此在0．005～0．09区间内适当提高α（MgO）有助于将夹杂物成分控制在低熔点区域内。通过降低碱度，减小w（MgO），可以增大α（Al2O3），可见，将α（Al2O3）控制在0．001～0．09范围内可使夹杂物成分落在低熔点区的中心区域。

综上所述，在1 600℃精炼温度下，若使42CrMoA钢中的夹杂物成分尽量落在CaO－SiO2－MgO－20%Al2O3低熔点区域内，各氧化物的活度应分别控制在 CaO 0．001～0．1、SiO20．001～ 0．009、MgO 0．001 ～ 0．09、Al2O30．001～0．09范围内。

2．3 钢液中［O］和［Al］的确定

假定渣－钢平衡时夹杂物成分与钢渣一致，夹杂物可视为微小的炉渣体系。在42CrMoA钢中，［C］＝0．45%，［Si］＝0．25%，［Mn］＝0．85%时，由表1、2及图3可分别绘制出钢中［O］、［Al］与 CaO－SiO2－MgO－20%Al2O3夹杂物平衡时的等浓度图，结果如图4所示。可以看出：随w（MgO）降低，R减小，钢液中溶解的［O］和［Al］逐渐增大；w（MgO）一定时，随低熔点区夹杂物R的升高，形成低熔点夹杂物所对应的钢液中溶解的［O］和［Al］不断降低，这在生产上容易控制。因此，在保证夹杂物尽量落在低熔点区域内，同时考虑到42CrMoA钢对氧含量的要求，应控制［O］在（5～15）×10－6、［Al］在（1～13）×10－6范围内。

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

3 结论

在1 600℃温度下，要使42CrMoA钢中的夹杂物成分尽量落在 CaO－SiO2－MgO－20%Al2O3系夹杂物的低熔点区域内，各氧化物的活度范围应为CaO 0．001～0．1、SiO20．001～0．009、MgO 0．001～0．09、Al2O30．001～0．09。将钢液中的［O］和 ［Al］分别控制在 （5～15）×10－6和（1～13）×10－6范围内，有利于42CrMoA钢生成低熔点的CaO－SiO2－MgO－20%Al2O3系夹杂物。

［1］柴国强，王福明，付军，等．高碳硬线钢82B中 Al2O3－SiO2－MgO－CaO－MnO系夹杂物塑性化控制［J］．北京科技大学学报，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］王新华，陈斌，姜敏，等．渣－钢反应对高强度合金结构钢中生成较低熔点非金属夹杂物的影响［J］．钢铁，2008，43（12）：28－32．

［4］金利玲，王海涛，许中波，等．帘线钢 CaO－SiO2－Al2O3－MnO系夹杂物的成分控制［J］．北京科技大学学报，2007，29（4）：377－381．

［5］张博，王福明，李长荣，等．不同温度下60Si2MnA弹簧钢中低熔点夹杂物生成热力学［J］．北京科技大学学报，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，毛红．CaO－SiO2－Al2O3－MgO－TiO2钢渣体系熔化性能［J］．北京科技大学学报，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．