基于計算機技術的鎢系耐磨鑄鐵鐵水中錳變化模擬研究

霍一飛

（西安航空職業技術學院航空維修工程學院，陜西西安，710089）

因行業應用的差別，鋼鐵產品在材料性質、形狀及耐久性等方面有不同的要求。如滾動接觸疲勞（Rolling Contact Fatigue，簡稱RCF）是鐵軌鋼生產過程中的一個重要問題，經常出現在材料中的非金屬的Al2O3，SiO2和MnS夾雜物對軌道的RCF耐久性有負面影響，包含Ca，Al，O和Si的大而脆的夾雜物可以在接頭表面下引發臨界裂紋，這是由于這些元素的參雜物在產品形狀發生變化時不與基體一致地變形。在這種情況下，裂紋可能傳播，造成材料的永久性損壞；大的非金屬夾雜物，例如Al2O3和SiO2是比較小的可能引發裂化的夾雜物[1-3]。相關研究表明，非金屬夾雜物在軋制過程中不會均勻變形，而純MnS夾雜物在扎制過程中會沿軋制方向變形。在含有錳硫的復雜夾雜物情況下，變形明顯不同于純MnS，在這種情況下，變形可能導致夾雜物的變平和伸長，并且在存在脆性相時可能出現裂紋。

在鑄鐵生產過程中要嚴格控制錳含量，因為錳直接影響不同負載條件下機械切口的阻力，實際在鑄造過程中錳的變化是隨著各種化合物的形成沉積，從而影響最終產品的韌性，如MnS析出不僅降低了鋼的力學性能，而且在焊接作業過程中也會在晶界上引起氫的積累，形成微堆，因此控制錳元素的前提是嚴格控制各種錳化合物的含量。本文利用計算機仿真技術對錳元素在鎢系耐磨鑄鐵鐵水中的變化進行仿真模擬，利用Matsumiya偏析模型對目標含量進行動態分析。

1 微觀偏析原理

在鑄鐵鑄造過程中的元素組成的微觀偏析會帶來一些對產品質量附加的特征（如易斷裂、切割面不光滑等），除非進行其他的熱操作來使鐵水組分的濃度更均勻。如果受到控制，夾雜物對形成沉淀和形成所需的結構具有決定性的影響，如液態氧化硫化物溶液中硫化錳的析出主要是在鋼的凝固過程中形成的，這種現象主要受非金屬相形成的熱力學判據和鋼液中元素濃度的限制。在鑄鐵的凝固過程中，由于其濃度增加，鐵的成分在凝固前沿偏析；另一方面，氧化物或硫化物夾雜物的分布和尺寸受凝固速度的制約[4-7]。

鐵水中錳化合物的形成可以用下面的化學式表示：

式中：T為溫度，K；Q為溶度積。

當下列條件成立時，MnS達到了合成的條件。

式中：Qreal為MnS溶解度產物的真實值；w（Mn）和w（S）為液體溶液中Mn和S的質量分數。

Qequilibrium為產品的平衡值，由以下條件決定：

式中：K為化學反應平衡常數；T為溫度，K；a1為MnS的活性；R為氣體常數，J·mol-1·K-1；f2、f3分別為Mn、S的活度系數。

沉淀形成的熱力學標準是指當前的液相組成，指在鐵水凝固過程中由于組分偏析而發生變化。對適當的雙組分（鐵-鋼組分）體系的液相線和固相線圖的分析表明，這種組分將在液相中積累，即凝固液體的連續部分將在其中富集。如果結晶具有樹枝狀特征，則位于次級枝晶臂之間的凝固液體的最后部分將具有最高濃度的可溶性組分；微偏析有利于化學反應形成夾雜物，主要是氧化物和硫化物，組分微量化的定量測量是將其平衡分配系數分成固相和液相ki，定義如下：

式中：αi為反擴散參數，在形成的固相中的組分Di擴散系數，m2·s-1；l為凝固前沿運動，m；ts為時間，s。

本文使用Wo?czyński方程描述了擴散結晶，如下式所示：

形成的氧化物或硫化物的活性起到非常重要的作用，其確定是否形成夾雜物；有兩種情況是可能的：特定的化合物依次沉淀（a=1），或者兩種或更多種化合物在一定的溫度間隔內同時沉淀，形成液體化合物（a＜1）。如果考慮形成的化合物的活性，則形成沉淀的條件具有以下形式：

溶度積Q對硫化錳溫度的依賴關系見圖1，溶度積的平衡值隨溫度而變化很大。

圖1 溶解度積Q對硫化錳溫度的依賴關系

2 鐵水中錳變化的模擬仿真

本文使用文獻[8]中制定的模型進行鐵水中錳變化的分析，通過對兩種鐵水成分中錳含量的分析，定為Iron1和Iron2。其中Iron1中錳含量低w（Mn）=0.05%，在這種情況下，Mn/S為1.28；Iron2中計算硫、錳偏析實數。如圖2所示為在活度等于0.6情況下Mn含量的曲線圖，如圖3所示為在MnS活度等于1情況下鑄鐵韌度的曲線圖，而當MnS活度等于1時，鋼水中的硫終濃度將高于0.6的MnS活度。溶解度的實際和平衡產物的過程表明，在100 K/min的流延速率下，MnS活性a=0.6和a=1（見圖2和圖3）也不會形成硫化錳。

圖2 鐵水凝固過程中Mn和S的微偏析（a=0.6）

圖3 鐵水凝固過程中Mn和S的微偏析（a=1）

從模擬偏析和MnS夾雜物形成的過程得到的結果可以看出，析出物的生成是由組成夾雜物的兩種組分的濃度決定的。MnS的形成時間和數量取決于組分的濃度，如圖4顯示不同濃度的錳對于鑄鐵硬度的影響。

圖4 不同濃度錳對于鑄鐵硬度的影響曲線圖

在實際的鑄鐵鐵水的凝固過程中需要實時的檢測非金屬夾雜物的比例，通常使用掃描電子顯微鏡（SEM）分析顯微組織。在實驗期間，分析各種類型的沉淀物的形狀和化學成分，用光學顯微鏡觀察結構之前進行適當的實驗。還使用微探針和X射線微量分析儀對沉淀進行了點微量分析，如圖5所示為顯微組織的圖片和沉淀區域的X射線微量分析的結果，由圖5可見，影響鑄鐵質量的主要元素為O，S和Mn，因此可以推測鑄鐵產品具有氧化硫化特性。

圖5 X射線分析結果

3 結論

高的冶金純度在很大程度上取決于氧化非金屬夾雜物的存在，這些非金屬夾雜物在凝固過程中到達結晶器，在那里它們將起到硫化物轉變為核中心的作用。本文主要研究了在鑄鐵鐵水中錳元素對鑄鐵質量的影響模擬，Mn化合物形成的模擬結果說明了夾雜物形成受構成夾雜物的兩種組分濃度的限制；另一方面，形成的化合物的量取決于觀察到其不足的組分的濃度。這些結果沒有全面描述鑄錠顯微組織中夾雜物的分布，因為在凝固過程中形成的夾雜物不必被移動的結晶前沿夾帶，鑄造參數也決定了夾雜物的形成過程，鑄錠中夾雜物二次分布的形成是一個復雜的過程，因此其建模也應該考慮到動力學因素。