轴承钢脱氧特性

( 12 ) 2 7 ・a[A l] ・a[ Si] ・a[O ] 设析出相为纯物质 , 所以其活度为 1, 将有关活度系数带入式 ( 7 ) ～ ( 12 ) 可到到 1823 K 下的氧 、 钙和铝 活度和浓度的关系 , 如表 3 所示 。
表 3 1823K下的氧活钙与钙活度和铝浓度的关系
成分 含量
C 0. 96 Si 0. 20 Mn 0. 30 P 0. 01 S 0. 005 Cr 1. 40 Al 0. 025 Ni 0. 01 C 0. 016
利用活度系数计算相关的元素相互作用系数大 ei 计算结果如表 2 所示 。
j [ 2, 3 ]
及相关元素的亨利活度系数式 lgfi = ∑ei [ j]计算 ,
轴承钢脱氧特性
王洪利 ,张虎成 ,刘宪明 ,王硕明
1 1 2 1
(11 河北理工大学学 ,冶金与能源学院河北 唐山 063009; 21石家庄钢铁公司技术中心 ,河北 石家庄 050031)
关键词 : 轴承钢 ; 脱氧 ; 热力学 摘 要 : 轴承钢一般采用铝 、 硅铁脱氧 ,根据己知的热力学数据 ,通过钢液与脱氧产物之间的化 学平衡 ,用热力学方法计算钢液脱氧时可能析出的一次脱氧产物的平衡组成与钢液成分之间 的关系 ,为夹杂物的形成 、 夹杂物的形态控制或去除提供理论依据 。 中图分类号 : TF 71315 文献标识码 : A
-2 -4
25
1823K
备注
( 19) ( 20) ( 21) ( 22) ( 23) ( 24) ( 25) ( 26) ( 27)
= 2178 × 1 = 0. 97 = 0. 012 = 5. 142 = 0. 063 = 61. 4
1 /8 5 /12 a [-Ca ] ・ [ A l] /3 a1 [ Ca ]
KSiO 2 = KA i2O 3 = KA 3S2 = KCS = KCA S2 = KC 2A S2 = aSiO 2 a[ Si] ・a[O ] aA l2O 3 a
2 [ A l] 2
( 7) ( 8) ( 9) ( 10 ) ( 11 )
・a[ O ]
2 13
3
a3A l2O 3・2SiO 2 a
温 度 成 分
SiO 2 A l2 O 3 A l3 S2 CS CAS2 C2 AS2
a [O ] = 5109 × 10 - 3 a [O ] = 1153 × 10 - 5 [ A l] a [O ] = 8. 12 × 10 a [O ] = 9199 × 10 a [O ] = 1158 × 10 a [O ] = 2157 × 10
中溶解铝 [A l ]含量高于 1715 × 10 时将会生成 A l2 O3 。当溶解铝 [A l ]含量小于 1715 × 10 低也会生成 A l2 O3 。
- 6 - 6 - 6
- 6
, 如果钙活度过
- 6
石钢采用铝 、 硅脱氧不进行钙处理的生产条件下 ,钢中 [A l ] = 300 × 10 ～200 × 10 , a[O ] = 1158 × 10 - 6 ～2107 × 10 ( 1823K) ,且在钢液中钙含量极低 ,不会生成假硅灰石 、 莫来石和钙斜长石 ,只能是 A l2 O3 。 石钢不采用 Ca 处理是为了避免用 Ca 合金脱氧时 ,生成点状不变形铝酸钙夹杂 , 由于点状夹杂物的大 [1] 量存在 ,致使钢的疲劳寿命降得很低 。在溶解铝 [ A l ]含量很高 , 如 [A l ] = 0. 02%时 , 生成铝酸钙所需的 - 6[ 4 ] [ 5, 6 ] a[ Ca ]为 20 × 10 。文献 研究表明 ,钢中 Ca /A l = 0 ～012 时 ,钙不参与脱氧 、 脱硫 ,而是铝参与脱氧 。显 然 ,石钢生产钢中 。 a[ Ca ]要低的多 。所以脱氧产物不会生成钙的铝酸盐类点状夹杂 。 当采用铝 、 硅铁脱氧时 ,应避免形成液体的锰铝硅酸盐 ,这种夹杂物很不稳定 ,容易残留于钢中 ,而固体 A l2 O3 、 SiO2 夹杂要比液态硅酸盐容易去除的多 。一般脱氧剂加入顺序先硅后铝 , 钢中氧化物夹杂含量要低 一些 。 鉴于轴承钢上述特点 ,脱氧过程中首先要解决如何避免形成液态硅酸盐 。其次是促使 A l2 O3 夹杂在钢
[3 ] A i2 O3 ・Si O2 )和假硅灰石 ( CaO ・SiO2 )等 。根据文献 的有关化学反应 , 可得到如下脱氧反应 :
[ Si ] + 2 [O ] = SiO2 ( s) ΔG = - 581900 + 221. 8T
收稿日期 : 2006 2 05 2 20
( 1)
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河北理工大学学报 (自然科学版 ) 第 29 卷
SiO 2 与 A 3 S2 A l2 O 3 与 A 3 S2 A l2 与 CS A l2 O 3 与 CAS2 A 3 S2 与 CS A 3 S2 与 CAS2 CS与 CAS2 C2 AS与 CAS2 CS与 C2 AS 1. 28 × 10 - 4 [ A l] = 2193 × 10
a [ Ca ] ・ [ A l ]
j
j
表 2 1823 K时亨利活度系数 fi
温度系数 数 值
fC fS i fA i
1. 30
1. 58
1. 23
2 钢中铝钙含量对析出夹杂物相组成的影响
在 CaO - A i2 O3 - SiO2 三元系中 ,当钢中溶解一定量的铝 、 硅和很低的钙时可能析出的脱氧产物为刚玉
(A i2 O3 ) 、 磷石英 ( SiO2 ) 、 莫来石 ( 3A l3 2O3 ・ 2SiO2 ) 、 钙斜长石 ( CaOA l2 O3 ・ 2SiO2 ) 、 钙铝黄长石 ( 2CaO ・
[ 7, 8 ]
26
河北理工大学学报 (自然科学版 ) 第 29 卷
中排除的问题 ,即如何发挥钢包流场和中间包流场去除夹杂的冶金作用显得尤为重要 。再者是解决最终滞 留在钢中的微小 A l2 O3 夹杂与其它脱氧产物 , 通过钢液搅拌形成复合的塑性夹杂或形成塑性夹杂包围于 A l2 O3 之外的复合夹杂 ,以缓解热加工过程中钢基体的应力 , 从而避兔夹杂物与基体界面上微裂纹的产生 , 提高钢的疲劳寿命 。
・[ A l ]
- 6 /13
1 /8 11 /52 a [-Ca ] ・ [ A l] /24 a5 [ Ca ]
・[ A l ]
- 1 /4
9 /56 - 1 /28 a [-Ca ] ・ [ A l] /21 a1 [ Ca ] ・ [ A l ] - 2 /7
= 3. 890
根据式
( 19 ) ～ ( 27 )可绘出如图 1、 图 2 所示结果 。图 1 是 1823K生成磷石英 ( SiO2 ) 、 莫来石 ( 3A l2 O3 ・
2 [A l] + 3 [O ] = A l2 O3 ( S)
ΔG = - 1202000 + 38613T
6 [A l ] + 2 [ Si ] + 13 [O ] = 3A l2 O3 ・2SiO2
( 2) ( 3) ( 4) ( 5)
( 6)
ΔG = - 4777415413 + 1592T [ Ca ] + [ Si ] + 3 [O ] = CaO ・SiO2 ΔG = - 1301477 + 359. 73T [ Ca ] + 2 [A l ] + 2 [ Si ] + 8 [O ] = CaO ・A l2 O3 ・2SiO2 ΔG = - 3088133 + 9421883T 2 [ Ca ] + 2 [A l ] + 2 [ Si ] + 8 [O ] = 2CaO ・A l2 O3 ・2SiO2 ΔG = - 3190946 + 861123T 根据方程 ΔG = - R T ln Kp , 可写出以上各式的反应平衡常数 :
3 结论
( 1 ) 石钢采用铝 、 硅脱氧不进行钙处理的生产条件下 , 钢中 [ A l ] = 200 × 10- 6～300 × 10- 6
, a[O ] = 1158 ×
～2107 × 10 ( 1823K) ,且在钢液中钙含量极低 ,不会生成假硅灰石 、 莫来石和钙斜长石 ,只能是 A l2 O3 。 ( 2 )当采用铝 、 硅铁脱氧时 ,应避免形成液体的锰铝硅酸盐 ,这种夹杂物很不稳定 ,容易残留于钢中 , 而 固体 A l2 O3 、 SiO2 夹杂要比液态硅酸盐容易去除的多 。一般脱氧剂加入顺序先硅后铝 , 钢中氧化物夹杂含量
-5 -7 -5 -7 - 2 /3 - 6 /13
1823K
备注
( 13) ( 14) ( 15) ( 16) ( 17) ( 18)
[ A l]
1 /3 a [-Ca ]
1 /8 - 1 /4 a [-Ca ] ・ [ A l] 2 /7 - 2 /7 a [-Ca ] ・ [ A l]
根据式
6 [A l ]
・a[ Si ] a[O ]
3
aCaO・SiO 2 a[ Ca ] ・a[ Si] ・a[O ] aCaO・ A l2O 3 ・ 2SiO 2
2 2 8
a[ Ca ] ・a[ A l] ・a[ Si ] ・a[ O ] a2CaO・ A l2O 3 ・ 2SiO 2 a
2 [ Ca ]
SiO2 夹杂要比液态硅酸盐容易去除的多 。如何制定脱氧制度 , 脱氧剂加入顺序如何 , 如何更有利于夹杂物
上浮缺乏研究 。
1 钢液与夹杂物反应的有关热力学数据
根据石钢目前实际生产 ,热力学计算选择的 GC r15 轴承钢化学成分如表 1 所示 ,温度为 1823K。
表 1 选取的 GCr15 轴承钢化学成分 (质量百分比 , % )
( 13 ) ～ ( 18 )可计算出钢中铝和钙的浓度或活度对析出组成的影响 。不同温度下各种夹杂物等氧
活度的关系式计算结果如表 4 所示 。
第 3 期 王洪利 ,等 : 轴承钢脱氧特性
表 4 1823K时各种夹杂物等氧活度时的关系式计算结果
温 度 成 分
0 引言
轴承钢脱氧有一定的特点 ,采用不采用 Ca 处理要根据本厂具体情况而定 , 石钢为了避免用 Ca 合金脱 氧时 ,生成点状不变形铝酸钙夹杂 ,致使钢的疲劳寿命降得很低
[1]
,而采用硅 、 铝脱氧 。当采用硅 、 铝铁脱氧
时 ,如何避免形成液体的锰铝硅酸盐非常关键 ,由于这种夹杂物很不稳定 , 容易残留于钢中 , 而固体 A l2 O3 、
第 29 卷 第 3期 2007 年 8 月
河北理工大学学报 (自然科学版 ) Journa l of Hebe i Polytechn ic Un iversity (Natural Science Edition )
Vol129 No13 Aug . 2007
文章编号 : 1674 2 0262 (2007) 03 2 0023 2 04
当溶解铝al含量小于171510如果钙活度过低也会生成al石钢采用铝硅脱氧不进行钙处理的生产条件下钢中al30010200101158102107101823k且在钢液中钙含量极低不会生成假硅灰石莫来石和钙斜长石只能是al石钢不采用ca处理是为了避免用ca合金脱氧时生成点状不变形铝酸钙夹杂由于点状夹杂物的大量存在致使钢的疲劳寿命降得很低al含量很高如al2010研究表明钢中caal0012时钙不参与脱氧脱硫而是铝参与脱氧
- 6 /13
, 1. 28 × 10
- 6
< [A l ] < 2. 93 × 10 时会生成莫
- 6
来石 ,当钢液中溶解铝 [A l] > 2. 93 × 10 时则脱氧产物为刚玉 。 - 6 - 6 - 6 - 6 石钢实际生产钢中 [ A l ] = 200 × 10 ～300 × 10 , a[ O ] = 11585 × 10 ～ 2107 × 10 ( 1823K) , a[O ] =
0175 × 10
- 6
～0199 × 10
- 6
( 1773K) 。石钢生产条件下脱氧产物为刚玉 。
图 1 溶解铝 [A l ]对脱氧产物组成的影响 图 2 钙含量对轴承钢脱氧产物组成的影响 在钢中有钙存在的情况下 ,即便含量很低 , 所生成的夹杂物的成分也将发生变化 。图 2 是 1823K时钢 液中有钙存在的情况下所生成的夹杂物组成与钢液中溶解铝 [A l ]和钙活度 a[ Ca ] 的关系 。由图可见 ,当钢液
- 5
- 6 2SiO2 )和刚玉 (A i2 O3 )时 ,钢中溶解铝 [A l ]和氧活度 a[O ] 的条件 。由图可见当 a[ O ] > 50. 9 × 10 , [ A l ] < 1.
28 × 10 时脱氧产物为磷石英 ,当 a[O ] > 8. 12 × 10
- 6
- 6
[A l ]