第36卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.36 Suppl.1 2014年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2014 精炼渣中A仙，O3含量对弹簧钢中夹杂物的影响 周 俐四，王向红 安徽工业大学治金与资源学院，马鞍山243002 ☒通信作者，E-mail:zhouli(@ahut.cdu.cn 摘要利用Factsage热力学软件，探讨Al,0,含量对Ca0-SiO2-Al,0,-Mg0系及Ca0-Si02-A,0,-Mn0系相图低熔点区 域的影响，可知在A山20，含量（质量分数）为15%时，对应的各相图中低熔点区域面积所占百分数最大：通过研究A山20含量 对弹簧钢中夹杂物的影响，表明随着精炼渣中A山，0，含量增加，钢中带有棱角的A山，0，夹杂物增多，钢中夹杂物分布变得相对 集中.在碱度为1.2，A山，0，含量为8%时，可将夹杂物控制在相图的低熔点区域内，此时对应夹杂物形貌多为球形，且尺寸约 为5um 关键词A山203：弹簧钢：低熔点区域：精炼渣；夹杂物 分类号TF703.6 Influence of Al,O:content on inclusions in spring steel ZHOU Li,WANG Xiang-hong School of Metallurgy and Resource,Anhui University of Technology,Ma'anshan 234002,China Corresponding author,E-mail:zhouli@ahut.edu.cn ABSTRACT The composition of inclusions in low melting point area of Cao-SiO2Al2O,-Mgo system and Cao-SiO2Al2O,-MnO sys- tem was analyzed by thermodynamic calculation,and the influence of Al,O,content on inclusions in steel was studied.It is found that, at the Al content of 15wt%,the corresponding low melting point area of phase diagram takes the largest percentage.The angular Al2O inclusions increase by the increase of Al2O content,and the distribution of inclusions in steel becomes relatively concentrated. In the basicity of 1.2 and the AlO content of 8wt%,the inclusions can be controlled in low melting point area of phase diagram,the corresponding shape of inclusions is spherical with the size of about 5 um. KEY WORDS Al2O,;spring steel:low melting point area:refining slag:inclusions 弹簧钢在工作中承受外界周期性交变应力，疲 性能十分有害B.本文选取硅锰脱氧的弹簧钢作 劳断裂是最主要的破坏形式.以钢中大颗粒脆性夹 为研究对象，首先借助Factsage热力学软件，探讨 杂物为疲劳源诱发的疲劳裂纹的扩展，最终导致弹 Al203含量对Ca0-Si02-Al,03-Mg0系及Ca0- 簧断裂是弹簧失效的主要原因之一.像A,0,这种 SiO2一Al,O3-Mn0系相图低熔点区域的影响，通过 既硬又难于变形的夹杂物是弹簧钢疲劳寿命缩短和 实验研究A山，O3含量对弹簧钢中夹杂物的影响 疲劳强度降低的主要原因-.目前在治炼高碳弹 簧钢过程中，根据不同脱氧剂选择不同的精炼渣系， 1A山，O3含量对相图低熔点区域的影响 对于A1脱氧的弹簧钢通常选用高碱度、高A山，O3含 量的精炼渣系，而对于硅锰脱氧的弹簧钢，则采用低 目前生产的弹簧钢对非金属夹杂物要求非常严 碱度、低A山，0，含量的精炼渣系，从而使弹簧钢生成 格，除了对非金属夹杂物的尺寸和数量有着严格的 低熔点塑性夹杂物.虽然在使用高碱度、高A山203 要求之外，对非金属夹杂物的性能要求越来越高，即 含量的精炼渣系脱硫效果明显，但是，钢中容易形成 要求钢中非金属夹杂物尽可能多的为变形能力较好 高熔点、难于变形的镁铝尖晶石等夹杂物，对弹簧钢 的塑性夹杂物6).对于用硅锰脱氧的弹簧钢，钢中 收稿日期：2013-10-23 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.s1.033:http:/jourals.ustb.edu.cn
第 36 卷 增刊 1 2014 年 4 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 Suppl． 1 Apr． 2014 精炼渣中 Al2 O3 含量对弹簧钢中夹杂物的影响 周 俐，王向红 安徽工业大学冶金与资源学院，马鞍山 243002 通信作者，E-mail: zhouli@ ahut． edu． cn 摘 要 利用 Factsage 热力学软件，探讨 Al2O3 含量对 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 系及 CaO--SiO2 --Al2O3 --MnO 系相图低熔点区 域的影响，可知在 Al2O3 含量( 质量分数) 为 15% 时，对应的各相图中低熔点区域面积所占百分数最大; 通过研究 Al2O3 含量 对弹簧钢中夹杂物的影响，表明随着精炼渣中 Al2O3 含量增加，钢中带有棱角的 Al2O3 夹杂物增多，钢中夹杂物分布变得相对 集中． 在碱度为 1. 2，Al2O3 含量为 8% 时，可将夹杂物控制在相图的低熔点区域内，此时对应夹杂物形貌多为球形，且尺寸约 为 5 μm． 关键词 Al2O3 ; 弹簧钢; 低熔点区域; 精炼渣; 夹杂物 分类号 TF703. 6 Influence of Al2O3 content on inclusions in spring steel ZHOU Li ，WANG Xiang-hong School of Metallurgy and Ｒesource，Anhui University of Technology，Ma’anshan 234002，China Corresponding author，E-mail: zhouli@ ahut． edu． cn ABSTＲACT The composition of inclusions in low melting point area of CaO-SiO2-Al2O3-MgO system and CaO-SiO2-Al2O3-MnO system was analyzed by thermodynamic calculation，and the influence of Al2O3 content on inclusions in steel was studied． It is found that， at the Al2O3 content of 15wt% ，the corresponding low melting point area of phase diagram takes the largest percentage． The angular Al2O3 inclusions increase by the increase of Al2O3 content，and the distribution of inclusions in steel becomes relatively concentrated． In the basicity of 1. 2 and the Al2O3 content of 8wt% ，the inclusions can be controlled in low melting point area of phase diagram，the corresponding shape of inclusions is spherical with the size of about 5 μm． KEY WOＲDS Al2O3 ; spring steel; low melting point area; refining slag; inclusions 收稿日期: 2013--10--23 DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． s1． 033; http: / /journals． ustb． edu． cn 弹簧钢在工作中承受外界周期性交变应力，疲 劳断裂是最主要的破坏形式． 以钢中大颗粒脆性夹 杂物为疲劳源诱发的疲劳裂纹的扩展，最终导致弹 簧断裂是弹簧失效的主要原因之一． 像 Al2O3 这种 既硬又难于变形的夹杂物是弹簧钢疲劳寿命缩短和 疲劳强度降低的主要原因［1--2］． 目前在冶炼高碳弹 簧钢过程中，根据不同脱氧剂选择不同的精炼渣系， 对于 Al 脱氧的弹簧钢通常选用高碱度、高 Al2O3 含 量的精炼渣系，而对于硅锰脱氧的弹簧钢，则采用低 碱度、低 Al2O3 含量的精炼渣系，从而使弹簧钢生成 低熔点塑性夹杂物． 虽然在使用高碱度、高 Al2O3 含量的精炼渣系脱硫效果明显，但是，钢中容易形成 高熔点、难于变形的镁铝尖晶石等夹杂物，对弹簧钢 性能十分有害［3--5］． 本文选取硅锰脱氧的弹簧钢作 为研究对象，首先借助 Factsage 热力学软件，探讨 Al2O3 含 量 对 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 系 及 CaO-- SiO2 --Al2O3 --MnO 系相图低熔点区域的影响，通过 实验研究 Al2O3 含量对弹簧钢中夹杂物的影响． 1 Al2O3 含量对相图低熔点区域的影响 目前生产的弹簧钢对非金属夹杂物要求非常严 格，除了对非金属夹杂物的尺寸和数量有着严格的 要求之外，对非金属夹杂物的性能要求越来越高，即 要求钢中非金属夹杂物尽可能多的为变形能力较好 的塑性夹杂物［6--7］． 对于用硅锰脱氧的弹簧钢，钢中
·178* 北京科技大学学报 第36卷 的夹杂物一般为Mn0-Si02-A1,03系夹杂物和 24 Ca0SiO,一A1,0,系夹杂物两类非金属硅酸盐夹杂 物，在实际生产过程中，由于钢包受到侵蚀，故夹杂 太20 物中含有一定量的Mg0,所以本文首先讨论A山，03 三16 含量对Ca0-Si02-A山，03-Mg0系及Ca0-Si02- AL,O3-MnO系相图低熔点区域的影响 12 1.1Al203含量对Ca0Si02-Al,03-Mg0系夹 杂物低熔点区域的影响 Ca0Si02-AL,03-Mg0系夹杂物中AL,03目标 5 10 15 20 夹杂物中A山，O,含量/% 成分（质量分数）控制在约为10%~30%，本文对比 图2Ca0-SiO2-Mg0系夹杂物低熔点区域所占面积百分数随 了A山203含量（质量分数）为5%、10%、15%、20% A山20：含量（质量分数）的变化 时，对伪Ca0-SiO2-Mg0相图中低熔点区域的影 Fig.2 Change of low melting point area with different Al,O content 响.图1给出了Al,03含量为15%时，伪Ca0Si02- at Ca0-$i0,-Mgo system Mg0相图夹杂物熔点低于1400℃的低熔点区域，图 中阴影部分为低熔点区域.图2为低熔点区域所占 给出了在Al203含量为15%时，伪Ca0-Si02-Mg0 面积百分数随A山，0，含量变化的关系. 相图中夹杂物熔点低于1400℃时低熔点区域（见图 3),图4为低熔点区域所占面积百分数随A山，03含 SiO. 量（质量分数）变化的关系.从图中可以看出A山03 0.9 01 含量从0%变化到15%时，低熔点区域面积迅速增 0.8 0.2 加，当A山，03含量从15%变化到30%时，低熔点区 0.7 0.3 域面积迅速下降，综合分析得到Ca0-SiO2-AL,03- 05 0.5 Mn0系夹杂物中A山203含量为15%可以获得最有 04 利的低熔点夹杂物. 0.3 0.7 0.2 0.8 0.1 0.9 0.9 0.1 0.8 0.2 Cm00.90.80.70.6050.40.30.20.1Mg0 质量分数 0.7/ 0.3 0.4 图1AL,03含量为15%时伪Ca0Si02-Mg0低熔点区域相图 05 05 Fig.1 Low melting point area of Ca0-Si0,-Mgo phase diagram at 0.4 the Al20 content of 15wt% 0.3 0.7 0.2 0.8 从图1~2可以看出，A山，03含量从0%变化到 0.1 0.9 15%过程中，低熔点区域所占面积百分数显著增加， Ca00.90.80.70.60.50.40.30.20.1Mm0 在当A山0含量大于15%后，其低熔点区域所占面 质量分数 积百分数迅速下降.综合分析得到，控制CaO- 图3A山，03含量（质量分数）为15%时伪Ca0-Si02-Mn0低熔 Si02-AL,03-Mg0系夹杂物中A山，03含量为15% 点区域相图 时，可以获得最大的低熔点区域面积. Fig.3 Low melting point area of Cao-i0Mno phase diagram at the Al2 03 content of 15wt% 1.2Al,03含量对Ca0Si02-Al203-Mn0系夹 杂物低熔点区域的影响 2A203含量对弹簧钢中夹杂物的影响 为了研究Al,03含量对Ca0-SiO2-Al,03-Mn0 系夹杂物低熔点区域的影响，本文对比了A山，O3含 2.1实验原料 量（质量分数）为10%、15%、20%、25%、30%时，对 为了更好的研究精炼渣中氧化铝对弹簧钢中夹 伪CaO-SiO2-Mg0相图中低熔点区域的影响，并与 杂物的影响，本实验采用Si-Mn脱氧的55 SiCrA弹 不含AL,03的Ca0SiO2-Mn0相图作对比.本文仅 簧钢，其化学成分如表1所示：
北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 的夹 杂 物 一 般 为 MnO--SiO2 --A12O3 系 夹 杂 物 和 CaO--SiO2 --A12O3 系夹杂物两类非金属硅酸盐夹杂 物，在实际生产过程中，由于钢包受到侵蚀，故夹杂 物中含有一定量的 MgO，所以本文首先讨论 Al2O3 含量 对 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 系 及 CaO--SiO2 -- Al2O3 --MnO 系相图低熔点区域的影响． 1. 1 Al2O3 含量对 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 系夹 杂物低熔点区域的影响 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 系夹杂物中 Al2O3 目标 成分( 质量分数) 控制在约为 10% ～ 30% ，本文对比 了 Al2O3 含量( 质量分数) 为 5% 、10% 、15% 、20% 时，对伪 CaO--SiO2 --MgO 相图中低熔点区域的影 响． 图 1 给出了 Al2O3 含量为 15%时，伪 CaO--SiO2 -- MgO 相图夹杂物熔点低于 1400 ℃的低熔点区域，图 中阴影部分为低熔点区域． 图 2 为低熔点区域所占 面积百分数随 Al2O3 含量变化的关系． 图 1 Al2O3 含量为 15% 时伪 CaO--SiO2 --MgO 低熔点区域相图 Fig． 1 Low melting point area of CaO-SiO2 -MgO phase diagram at the Al2O3 content of 15wt% 从图 1 ～ 2 可以看出，Al2O3 含量从 0% 变化到 15% 过程中，低熔点区域所占面积百分数显著增加， 在当 Al2O3 含量大于 15% 后，其低熔点区域所占面 积百 分 数 迅 速 下 降． 综 合 分 析 得 到，控 制 CaO-- SiO2 --Al2O3 --MgO 系夹杂物中 Al2O3 含量为 15% 时，可以获得最大的低熔点区域面积． 1. 2 Al2O3 含量对 CaO--SiO2 --Al2O3 --MnO 系夹 杂物低熔点区域的影响 为了研究 Al2O3 含量对 CaO--SiO2 --Al2O3 --MnO 系夹杂物低熔点区域的影响，本文对比了 Al2O3 含 量( 质量分数) 为 10% 、15% 、20% 、25% 、30% 时，对 伪 CaO--SiO2 --MgO 相图中低熔点区域的影响，并与 不含 Al2O3 的 CaO--SiO2 --MnO 相图作对比． 本文仅 图 2 CaO--SiO2 --MgO 系夹杂物低熔点区域所占面积百分数随 Al2O3 含量( 质量分数) 的变化 Fig． 2 Change of low melting point area with different Al2O3 content at CaO-SiO2 -MgO system 给出了在 Al2O3 含量为 15% 时，伪 CaO--SiO2 --MgO 相图中夹杂物熔点低于 1400 ℃时低熔点区域( 见图 3) ，图 4 为低熔点区域所占面积百分数随 Al2O3 含 量( 质量分数) 变化的关系． 从图中可以看出 Al2O3 含量从 0% 变化到 15% 时，低熔点区域面积迅速增 加，当 Al2O3 含量从 15% 变化到 30% 时，低熔点区 域面积迅速下降，综合分析得到 CaO--SiO2 --Al2O3 -- MnO 系夹杂物中 Al2O3 含量为 15% 可以获得最有 利的低熔点夹杂物． 图 3 Al2O3 含量( 质量分数) 为 15% 时伪 CaO--SiO2 --MnO 低熔 点区域相图 Fig． 3 Low melting point area of CaO-SiO2 -MnO phase diagram at the Al2O3 content of 15wt% 2 Al2O3 含量对弹簧钢中夹杂物的影响 2. 1 实验原料 为了更好的研究精炼渣中氧化铝对弹簧钢中夹 杂物的影响，本实验采用 Si--Mn 脱氧的 55SiCrA 弹 簧钢，其化学成分如表 1 所示: ·178·
增刊1 周俐等：精炼渣中A山，0，含量对弹簧钢中夹杂物的影响 ·179· 每组实验秤取钢样约为300g,渣样为钢样的15% 50 (质量分数).实验时将称好的钢样放入坩埚中，同 时在炉管的底部通入高纯的氩气进行气氛保护.将 40 装有钢样的坩埚放到高温炉内，当钢样全部融化后， 30. 高温炉显示温度在1600℃恒定后，将实验预熔称好 的精炼渣投放到坩埚，待渣样全部熔化后，开始计 20 时，在顶渣熔化后的30min将坩埚提取放置空冷， 10 而后将钢渣水冷分离。将实验取得的钢样进行切 割，部分进行化学成分检测，部分进行金相镶样，将 0 10152025 30 夹杂物中山，0，含量/ 镶好后的钢样进行打磨抛光处理，采用JSM一 图4Ca0SiO2-Mn0系夹杂物低熔点区域所占面积百分数随 6480LV型扫描电镜观察夹杂物形貌及成分， A山，03含量（质量分数）变化 2.4结果分析与讨论 Fig.4 Change of low melting point area with different Al content 2.4.1碱度1.0条件下，不同A山203含量对钢中非 at Ca0-Si0,-Mn0 system 金属夹杂物形貌的影响 表155 SiCrA化学成分（质量分数） 图5为精炼渣碱度为1.0时，不同A山，03含量 Table 1 Chemical composition of 55SiCrA (质量分数)下钢中检测到的典型夹杂物形貌.从图 C Mn Cr Als 5中1#-Z1形貌可以看出，A山，03夹杂为尖角形状， 0.5301.5000.7000.0080.0030.6900.005 MnS为球形，夹杂物尺寸大于5um,复合夹杂物近 似于球形，尺寸在10um以下，多数不含有Mg, 2.2精炼渣的配制 A山203含量（质量分数）都在30%以上.与1#-Z1相 本实验配制精炼渣使用纯化学试剂Ca0、Si02、 比，2#-Z2钢样中夹杂物尺寸有变小趋势，复合夹杂 AL,03、MgO配制而成.表2是按预定组配制精炼渣 物中MnS含量降低，A山，03含量大大升高，大部分 的化学成分，共5组渣样，每组渣样按比例混合均匀 后置于1600℃石墨坩埚中预熔.冷却后的渣样破 A山，0，含量在50%以上，这可能是由于精炼渣中 AL,0,含量增加导致其复合型夹杂物中A山，03含量 碎成小块，备用. 增加.图5中4#-Z4钢样多为较小的棱形A山，03夹 表2精炼渣化学成分（质量分数） 杂，复合型球状夹杂物较少，且尺寸约在2~3μm. Table 2 Composition of slag 2.4.2碱度1.2条件下，不同A山03含量对钢中非 试样 Al203 Mgo 碱度，R(Ca0/Si0,) 金属夹杂物形貌的影响 1#-Z1 8 图6为精炼渣碱度为1.2，不同A1203含量（质 2#-72 10 1.0 量分数)下钢中检测到的典型夹杂物形貌.在5#一 4#-74 15 5#-75 8 Z5钢样中检测到的夹杂物多为球状，在Al-Si-Mn一 1.2 S0系夹杂物外围包裹着一层MnS,夹杂物尺寸在 6#-76 10 5 5um以下，同时检测到有少量单独生长的MnS夹杂 2.3实验方法及设备 存在.6#-Z6钢样中检测的夹杂物类型为A1-Si一 钢一渣反应平衡实验在硅钼管式炉内进行的， Ca-Mn0系，可能由于精炼渣中A山O3含量增加， 采用外套石墨的Al,03坩埚（中内=50mm×78mm）, 导致在钢样检测中出现单独生长的AL,0,夹杂，且 9 um 9 um 10m 10 gm 图5钢中非金属夹杂物典型形貌.(a)1#-Z1:(b)1#-Z1:(c)2#-Z1:(d)4#-Z4 Fig.5 Typical morphology of non-metallic inclusions in steel:(a)1#-Z1:(b)1#Z1:(c)2#-Z1:(d)4#-74
增刊 1 周 俐等: 精炼渣中 Al2O3含量对弹簧钢中夹杂物的影响 图 4 CaO--SiO2 --MnO 系夹杂物低熔点区域所占面积百分数随 Al2O3 含量( 质量分数) 变化 Fig． 4 Change of low melting point area with different Al2O3 content at CaO-SiO2 -MnO system 表 1 55SiCrA 化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of 55SiCrA % C Si Mn P S Cr Als 0. 530 1. 500 0. 700 0. 008 0. 003 0. 690 0. 005 2. 2 精炼渣的配制 本实验配制精炼渣使用纯化学试剂 CaO、SiO2、 Al2O3、MgO 配制而成． 表 2 是按预定组配制精炼渣 的化学成分，共 5 组渣样，每组渣样按比例混合均匀 后置于 1600 ℃ 石墨坩埚中预熔． 冷却后的渣样破 碎成小块，备用． 表 2 精炼渣化学成分( 质量分数) Table 2 Composition of slag % 试样 Al2O3 MgO 碱度，Ｒ( CaO/SiO2 ) 1#--Z1 8 2#--Z2 10 8 1. 0 4#--Z4 15 5#--Z5 8 8 1. 2 6#--Z6 10 5 图 5 钢中非金属夹杂物典型形貌． ( a) 1#--Z1; ( b) 1#--Z1; ( c) 2#--Z1; ( d) 4#--Z4 Fig． 5 Typical morphology of non-metallic inclusions in steel: ( a) 1#-Z1; ( b) 1#-Z1; ( c) 2#-Z1; ( d) 4#-Z4 2. 3 实验方法及设备 钢--渣反应平衡实验在硅钼管式炉内进行的， 采用外套石墨的 Al2O3 坩埚( 内 = 50 mm × 78 mm) ， 每组实验秤取钢样约为 300 g，渣样为钢样的 15% ( 质量分数) ． 实验时将称好的钢样放入坩埚中，同 时在炉管的底部通入高纯的氩气进行气氛保护． 将 装有钢样的坩埚放到高温炉内，当钢样全部融化后， 高温炉显示温度在 1600 ℃恒定后，将实验预熔称好 的精炼渣投放到坩埚，待渣样全部熔化后，开始计 时，在顶渣熔化后的 30 min 将坩埚提取放置空冷， 而后将钢渣水冷分离． 将实验取得的钢样进行切 割，部分进行化学成分检测，部分进行金相镶样，将 镶好后的钢样进行打磨抛光处理，采 用 JSM-- 6480LV 型扫描电镜观察夹杂物形貌及成分． 2. 4 结果分析与讨论 2. 4. 1 碱度 1. 0 条件下，不同 Al2O3 含量对钢中非 金属夹杂物形貌的影响 图 5 为精炼渣碱度为 1. 0 时，不同 Al2O3 含量 ( 质量分数) 下钢中检测到的典型夹杂物形貌． 从图 5 中 1#--Z1 形貌可以看出，Al2O3 夹杂为尖角形状， MnS 为球形，夹杂物尺寸大于 5 μm，复合夹杂物近 似于 球 形，尺 寸 在 10 μm 以 下，多 数 不 含 有 Mg， Al2O3 含量( 质量分数) 都在 30% 以上． 与 1#--Z1 相 比，2#--Z2 钢样中夹杂物尺寸有变小趋势，复合夹杂 物中 MnS 含量降低，Al2O3 含量大大升高，大部分 Al2O3 含量 在 50% 以 上，这可能是由于精炼渣 中 Al2O3 含量增加导致其复合型夹杂物中 Al2O3 含量 增加． 图 5 中 4#--Z4 钢样多为较小的棱形 Al2O3 夹 杂，复合型球状夹杂物较少，且尺寸约在 2 ～ 3 μm． 2. 4. 2 碱度 1. 2 条件下，不同 Al2O3 含量对钢中非 金属夹杂物形貌的影响 图 6 为精炼渣碱度为 1. 2，不同 Al2O3 含量( 质 量分数) 下钢中检测到的典型夹杂物形貌． 在 5#-- Z5 钢样中检测到的夹杂物多为球状，在 Al--Si--Mn-- S--O 系夹杂物外围包裹着一层 MnS，夹杂物尺寸在 5 μm 以下，同时检测到有少量单独生长的 MnS 夹杂 存在． 6#--Z6 钢样中检测的夹杂物类型为 Al--Si-- Ca--Mn--O 系，可能由于精炼渣中 Al2O3 含量增加， 导致在钢样检测中出现单独生长的 Al2O3 夹杂，且 ·179·
·180 北京科技大学学报 第36卷 (a) 10μm 10μm 104m 图6钢中非金属夹杂物典型形貌.(a)5#-75:(b)6#-Z6:(c)6#-76 Fig.6 Typical morphology of non-metallic inclusions in steel:(a)5#75:(b)6#-76:(c)6#-76 尺寸较大.在钢中酸溶铝含量为35×10-6，钢中酸 溶铝含量过高，会增加凝固过程中钢的二次氧化，从 0.9 0.1 而产生滞留在钢中AL,03夹杂 0.8/ 0.2 2.4.3A山203含量对弹簧钢中夹杂物分布的影响 0.7 0.3 利用Factsage热力学软件绘制伪A山20，一SiO2一 质量分数 6 130 500 0.4 Ca0三元相图，并将实验中1#-Z1钢样、2#-Z2钢样 0.5 中夹杂物成分标注汇总，如图7和图8所示.可以 0.4 0.6 看出，随着渣中A山，0，含量增加，夹杂物的分布趋于 0.3/ 0.7 0.4 0.8 集中，1#-Z1钢样中氧化物夹杂物主要落在钙长石 0.1 与刚玉两相交界处，即氧化物夹杂物中Si02含量(w 1400 SA1,0 (Si02),质量分数)≈40%、Ca0含量(w(Ca0),质 0.90.80.70.6050.40.30.20.1 质量分数 量分数)≈20%、A山，03含量(w(AL,03),质量分数) 图82#-Z2钢伪A山203-Si02Ca0三元相图 ≈40%.非金属夹杂物熔点大部分在1600~1800 Fig.8 Phase diagram of Ca0-Al20:-Si0,system in No.2#-72 steel ℃，成分分布并没有落于理论计算中的低熔点区域， 其中部分夹杂物中A山，03含量大于40%，己经超出 Mn0三元相图，将实验5#-Z5钢样、6#-Z6钢样中 了夹杂物塑性区理论计算结果，因此此钢样夹杂物 夹杂物成分标注汇总，如图9和图10所示.从图9 塑性控制并不良好.从相图8中可以看出2#-Z2复 中可以看出，5#-Z5钢样中的夹杂物基本落于锰铝 合型夹杂物基本都落于刚玉相区，其熔点大部分为 榴石周边附近，熔点在1300℃.夹杂物中Al203含 1800~1900℃之间.可见，高含量的A山，03精炼渣 量相比此前所做钢样中含量均有降低.此钢样中 可能有利于生成A山，O3含量较高的高熔点的夹杂 的夹杂物几乎全部落于Al203-SiO2-Mn0系相图 物，所以要控制精炼渣中A山，O,含量，以获得低熔点 的塑性成分区域内，此类夹杂物塑性控制良好.图 的塑性夹杂物 10中6#-Z6钢样夹杂物成分分布在莫来石相区， 利用Factsage热力学软件绘制伪AL,03-SiO2一 其熔点在1600~1800℃之间，随着精炼渣中A山20， Sio 0.9 0.9 0.1 0& 00 02 0.8 0.2 0> 0.3 07 0.3 1500 04色 0.6 04 500 05 质量分数 0.5/ 06 0.5 0.6 04 30 0.6 03 0.7 03 4400 70 1800 0.7 0.1 1900 0.8 0.2/ 1500 0.1 600 900 0.8 0.9 1409 0.90.80.7 0.6050.40.3020.1 SALO. 0.9 0.8 0.7 0.605040.3020.1A1,0 质量分数 质量分数 图71#-Z1钢伪Al203Si02Ca0三元相图 图95#-Z5伪A山203-Si02-Mn0三元夹杂物分布相图 Fig.7 Phase diagram of Ca0-Al2 038i02 system in No.1#Z1 steel Fig.9 Phase diagram of Al,O-Si0,-MnO system in No.5#-75 steel
北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 6 钢中非金属夹杂物典型形貌． ( a) 5#--Z5; ( b) 6#--Z6; ( c) 6#--Z6 Fig． 6 Typical morphology of non-metallic inclusions in steel: ( a) 5#-Z5; ( b) 6#-Z6; ( c) 6#-Z6 尺寸较大． 在钢中酸溶铝含量为 35 × 10 － 6 ，钢中酸 溶铝含量过高，会增加凝固过程中钢的二次氧化，从 而产生滞留在钢中 Al2O3 夹杂． 2. 4. 3 Al2O3 含量对弹簧钢中夹杂物分布的影响 利用 Factsage 热力学软件绘制伪 Al2O3 --SiO2 -- CaO 三元相图，并将实验中 1#--Z1 钢样、2#--Z2 钢样 中夹杂物成分标注汇总，如图 7 和图 8 所示． 可以 看出，随着渣中 Al2O3 含量增加，夹杂物的分布趋于 集中，1#--Z1 钢样中氧化物夹杂物主要落在钙长石 与刚玉两相交界处，即氧化物夹杂物中 SiO2 含量( w ( SiO2 ) ，质量分数) ≈ 40% 、CaO 含量( w( CaO) ，质 量分数) ≈20% 、Al2O3 含量( w( Al2O3 ) ，质量分数) ≈40% ． 非金属夹杂物熔点大部分在 1600 ～ 1800 ℃，成分分布并没有落于理论计算中的低熔点区域， 其中部分夹杂物中 Al2O3 含量大于 40% ，已经超出 了夹杂物塑性区理论计算结果，因此此钢样夹杂物 塑性控制并不良好． 从相图 8 中可以看出 2#--Z2 复 合型夹杂物基本都落于刚玉相区，其熔点大部分为 1800 ～ 1900 ℃ 之间． 可见，高含量的 Al2O3 精炼渣 可能有利于生成 Al2O3 含量较高的高熔点的夹杂 物，所以要控制精炼渣中 Al2O3 含量，以获得低熔点 的塑性夹杂物． 图 7 1#--Z1 钢伪 Al2O3 --SiO2 --CaO 三元相图 Fig． 7 Phase diagram of CaO-Al2O3 -SiO2 system in No． 1#-Z1 steel 利用 Factsage 热力学软件绘制伪 Al2O3 --SiO2 -- 图 8 2#--Z2 钢伪 Al2O3 --SiO2 --CaO 三元相图 Fig． 8 Phase diagram of CaO-Al2O3 -SiO2 system in No． 2#-Z2 steel MnO 三元相图，将实验 5#--Z5 钢样、6#--Z6 钢样中 夹杂物成分标注汇总，如图 9 和图 10 所示． 从图 9 中可以看出，5#--Z5 钢样中的夹杂物基本落于锰铝 榴石周边附近，熔点在 1300 ℃ ． 夹杂物中 Al2O3 含 图 9 5#--Z5 伪 Al2O3 --SiO2 --MnO 三元夹杂物分布相图 Fig． 9 Phase diagram of Al2O3 -SiO2 -MnO system in No． 5#-Z5 steel 量相比此前所做钢样中含量均有降低． 此钢样中 的夹杂物几乎全部落于 Al2O3 --SiO2 --MnO 系相图 的塑性成分区域内，此类夹杂物塑性控制良好． 图 10 中 6#--Z6 钢样夹杂物成分分布在莫来石相区， 其熔点在 1600 ～ 1800 ℃ 之间，随着精炼渣中 Al2O3 ·180·
增刊1 周俐等：精炼渣中A山，0，含量对弹簧钢中夹杂物的影响 ·181· 含量增加，夹杂物成分分布偏离塑性夹杂物成分 (3)随着精炼渣中A山，03含量的增加，钢中夹杂 区域. 物分布变得相对集中.在碱度为1.2时，A山03含量 Sio. 为8%时，可将夹杂物控制在相图的低熔点区域内， 0.9 0 此时对应夹杂物形貌多为球形，且尺寸在5m.故 本文所得适宜的精炼渣系的碱度应在1.2左右， 0.8 0.2 Al203含量约为8%. 0.7 1600 0.3 0.4 参考文献 0.5 69 [Xue Z L.Li Z B.Zhang J W.Inclusion control for spring steel 0.4 0.6 production /Asia Steel International Conference 2000.Beijing, 0.3 1500 07 2000:527 0.2 1600 1900 0.8 Xing X Q,Li J Q.Progress of the research on ultrahigh strength 0.1 2000 0.9 steel wire for steel cord.Met Prod,1999,25(6):7 (邢献强，李居强.钢帘线用超高强度钢丝的研究进展.金属 MnO 0.90.80.70.60.50.40.30.20.1A,0, 制品，1999,25(6)：7) 质量分数 B]Zou X Y,Zhang W,Wang Z Y,et al.Influence of basicity and 图106#-Z6伪Al203Si02-Mn0三元夹杂物分布相图 Al2O content on BF slag property.Angang Technol,2008,352 Fig.10 Phase diagram of Al,0:$i0,-MnO system in No.6#26 (4):20 steel (邹祥字，张伟，王再义，等.碱度和A203含量对高炉渣性 能的影响.鞍钢技术，2008,352(4)：20) 3结论 4] Kawakami K,Taniguchi T,Nakashima K.Tetsu-to-Hagane, 2007,12:741 (1)通过热力学软件计算得到，在Ca0-Si02一 [5]Hong G H,Yang S H,Xiao B,et al.Domestic situation and de- Al,03-Mg0系及Ca0-Si02-Al203-Mn0相图中， velopment prospects of spring steel production.Mod Metall,2009, 随着A山，03含量（质量分数）的增加，低熔点区域面 37(1):1 (洪国华，杨顺虎，肖波，等.国内外弹簧钢的生产现状和发 积所占百分数是先增大后减少：当A山，0，含量为 展前景.现代治金，2009,37(1)：1) 15%时，对应的各相图中低熔点区域面积所占百分 6] Xu D X,Yin Z D.The tendency to high strength of spring steel 数最大 and the effeet of alloying elements.Iron Steel,2004,39(1):67 (2)钢样中检测到夹杂物类型多为椭球形复合 (徐德祥，尹钟大.高强度弹簧钢的发展现状和趋势.钢铁 夹杂.随着精炼渣中A山03含量增加，钢中带有棱 2004,39(1):67) 角的A山，03夹杂物增多，高含量的A山，03精炼渣可 [7]Hui W J,Dong H,Weng Y Q.Development trend of high strength steels used for automotive suspension coil spring.J fron Steel Res, 能有利于生成A山，03含量较高的高熔点的夹杂物， 2001,13(2):67 所以要控制精炼渣中A山，03含量，以获得低熔点的 (惠卫军，董瀚，翁宇庆.汽车悬挂弹簧用钢的发展动向.钢 塑性夹杂物. 铁研究学报，2001,13(2)：67)
增刊 1 周 俐等: 精炼渣中 Al2O3含量对弹簧钢中夹杂物的影响 含量增加，夹杂物成分分布偏离塑性夹杂物成分 区域． 图 10 6#--Z6 伪 Al2O3 --SiO2 --MnO 三元夹杂物分布相图 Fig． 10 Phase diagram of Al2O3 -SiO2 -MnO system in No． 6 #-Z6 steel 3 结论 ( 1) 通过热力学软件计算得到，在 CaO--SiO2 -- Al2O3 --MgO 系及 CaO--SiO2 --Al2O3 --MnO 相图中， 随着 Al2O3 含量( 质量分数) 的增加，低熔点区域面 积所占百分数是先增大后减少; 当 Al2O3 含 量 为 15% 时，对应的各相图中低熔点区域面积所占百分 数最大． ( 2) 钢样中检测到夹杂物类型多为椭球形复合 夹杂． 随着精炼渣中 Al2O3 含量增加，钢中带有棱 角的 Al2O3 夹杂物增多，高含量的 Al2O3 精炼渣可 能有利于生成 Al2O3 含量较高的高熔点的夹杂物， 所以要控制精炼渣中 Al2O3 含量，以获得低熔点的 塑性夹杂物． ( 3) 随着精炼渣中 Al2O3 含量的增加，钢中夹杂 物分布变得相对集中． 在碱度为 1. 2 时，Al2O3 含量 为 8% 时，可将夹杂物控制在相图的低熔点区域内， 此时对应夹杂物形貌多为球形，且尺寸在 5 μm． 故 本文所得适宜的精炼渣系的碱度应在 1. 2 左右， Al2O3 含量约为 8% ． 参 考 文 献 ［1］ Xue Z L，Li Z B，Zhang J W． Inclusion control for spring steel production / / Asia Steel International Conference 2000． Beijing， 2000: 527 ［2］ Xing X Q，Li J Q． Progress of the research on ultrahigh strength steel wire for steel cord． Met Prod，1999，25( 6) : 7 ( 邢献强，李居强． 钢帘线用超高强度钢丝的研究进展． 金属 制品，1999，25( 6) : 7) ［3］ Zou X Y，Zhang W，Wang Z Y，et al． Influence of basicity and Al2O3 content on BF slag property． Angang Technol，2008，352 ( 4) : 20 ( 邹祥宇，张伟，王再义，等． 碱度和 A12O3 含量对高炉渣性 能的影响． 鞍钢技术，2008，352( 4) : 20) ［4］ Kawakami K， Taniguchi T， Nakashima K． Tetsu-to-Hagane， 2007，12: 741 ［5］ Hong G H，Yang S H，Xiao B，et al． Domestic situation and development prospects of spring steel production． Mod Metall，2009， 37( 1) : 1 ( 洪国华，杨顺虎，肖波，等． 国内外弹簧钢的生产现状和发 展前景． 现代冶金，2009，37( 1) : 1) ［6］ Xu D X，Yin Z D． The tendency to high strength of spring steel and the effect of alloying elements． Iron Steel，2004，39( 1) : 67 ( 徐德祥，尹钟大． 高强度弹簧钢的发展现状和趋势． 钢铁， 2004，39( 1) : 67) ［7］ Hui W J，Dong H，Weng Y Q． Development trend of high strength steels used for automotive suspension coil spring． J Iron Steel Ｒes， 2001，13( 2) : 67 ( 惠卫军，董瀚，翁宇庆． 汽车悬挂弹簧用钢的发展动向． 钢 铁研究学报，2001，13( 2) : 67) ·181·