ANALYSIS OF PHASE EQUILIBRIA IN LIQUID CHROMIUM-MANGANESE STEELS DEOXIDIZED BY ALUMINUM
DOI:
https://doi.org/10.32339/0135-5910-2025-10-21-36Keywords:
thermodynamic modeling, diagram of states, phase equilibria, chromium-manganese steels, solubility surface of components in metalAbstract
This study is devoted to the study of the mechanisms of phase formation during the deoxidation of chromium-manganese steels by aluminum. The control of the composition and morphology of non-metallic inclusions (NMI) is critically important for achieving optimal mechanical properties of steel. The phase equilibria in the Fe–Al–Mn–Cr–O and Fe–Al–Mn–Cr–O–C systems are studied in detail in order to predict the composition of the formed NMI depending on the concentration of key elements: aluminum, manganese, chromium and carbon.
For economically alloyed steels, it was found that when aluminum deoxidation (Al > 0.001%) of melts with a manganese content above 1% forms solid solutions of chromium and aluminum oxides. Carbon exhibits deoxidizing properties at low concentrations of aluminum, which can lead to gas porosity and, consequently, to a decrease in the quality of metal products. It is important to note that the formation of pure alumina during deoxidation by aluminum is unlikely, which casts doubt on the widespread model of modification of inclusions by calcium through the formation of calcium aluminates.
In high-alloy steels, the behavior of the elements remains similar, with solid solutions dominated by manganese and (or) chromium oxides in the presence of Al2O3. The effect of carbon is less pronounced than in economically alloyed steels, but with its high content (1%) gas porosity is also possible.
The results indicate the need to take into account the complex interaction of Al, Mn, Cr, and C in the formation of NMI. To optimize refining processes, especially with the use of calcium, further research is required, focusing on the identified concentration areas of the greatest practical importance. The data obtained make it possible to more accurately predict the composition and properties of NMI, develop more effective strategies for deoxidation and modification, and reduce defects associated with gas porosity.
References
Шлямнев А. П., Свистунова Т. В., Лапшин О. Б. и др. Коррозионностойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы: справ. изд. — М.: Интермет Инжиниринг, 2000. —232 с.
URL: http://uraltermo.ru/sortament/konstruktivnye-stali/ (дата обращения: 2.06.2025).
URL: https://uzto96.ru/info/konstrukcionnye-stali-marki-primenenie-metody-termicheskoy-ob/ (дата обраще-ния: 2.06.2025).
URL: https://www.orinnox.ru/blog/2020/02/18/konstrukcionnaya-staleyo-klassifikaciya-i-osobye-svojstva(дата обращения: 2.06.2025).
Драгунов Ю. Г., Зубченко А. С., Каширский Ю. В. и др. Марочник сталей и сплавов. 6-е изд., стереотипное / под общ. ред. Ю. Г. Драгунова и А. С. Зубченко. — М.: Инновационное машиностроение, 2019. — 1216 с.
Сорокин Б. Г., Волосникова А. В., Вяткин С. А. и др. Марочник сталей и сплавов / Под общ. ред. В. Г. Соро-кина. — М.: Машиностроение, 1989. — 640 с.
Макровец Л. А., Бакин И. В. Анализ фазовых равновесий в жидких хромомарганцевых сталях в присут-ствии кальция. Сообщение 2. Фазовые равновесия в системе Fe–Ca–Cr–Mn–C–O (экономнолегированные стали) // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2024. Т. 80. № 3. С. 12–22.
Макровец Л. А., Бакин И. В., Каляскин А. В. Анализ фазовых равновесий в жидких хромомарганцевых ста-лях в присутствии кальция. Сообщение 3. Фазовые равновесия в системе Fe–Ca–Cr–Mn–C–O (высоколеги-рованные стали) // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2024. Т. 80. № 3. С. 23–29.
Михайлов Г. Г., Макровец Л. А. Анализ фазовых равновесий в жидких хромомарганцевых сталях в присут-ствии кальция. Сообщение 1. Диаграммы состояний оксидных систем // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2023. Т. 79. № 2. С. 107–117.
Samoilova O. V., Makrovets L. A. Thermodynamic modeling of phase equilibria in the FeO–MgO–Al2O3system // Materials Science Forum. 2020. V. 989. P. 3–9.DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.989.3.
Михайлов Г. Г., Макровец Л. А., Самойлова О. В. Термодинамическое моделирование диаграмм состояния двойных и тройных оксидных систем, принадлежащих системе FeO–MgO–MnO–Al2O3 // Новые огнеупоры. 2020. № 6. С. 47–50.
Самойлова О. В., Макровец Л. А. Термодинамическое моделирование фазовых диаграмм оксидных систем FeO–MgO, FeO–Cr2O3, MgO–Cr2O3 и FeO–MgO–Cr2O3 // Вестник Южно-Уральского государственного уни-верситета. Серия «Металлургия». 2019. Т. 19. № 1. С. 18–25. DOI: 10.14529/met190102.
Макровец Л. А. Термодинамический анализ фазовых равновесий в стали, легированной марганцем и хро-мом // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2022. Т. 78. № 5. С. 395–402.
Mikhailov G. G., Makrovets L. A., Samoilova O. V. Thermodynamic modeling of phase equilibria in the FeO–Al2O3–Cr2O3 and MgO–Al2O3–Cr2O3systems // Materials Science Forum. 2020. V. 989. P. 204–209. DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.989.204.
Tsai H.-T. T., Muan A. Activity–composition relations in FeCr2O4–FeAl2O4 and MnCr2O4–MnAl2O4solid solutions at 1500° and 1600°C // Journal of the American Ceramic Society.1992. V. 75. № 6. P. 1407–1411. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1992.tb04201.x.
Михайлов Г. Г., Леонович Б. И., Кузнецов Ю. С. Термодинамика металлургических процессов и систем. — М.: Изд. дом МИСиС, 2009. —520 с.
Самойлова О.В., Макровец Л.А. Термодинамический анализ взаимодействия хрома с кислородом в жидком железе // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Металлургия». 2019. Т. 19. № 3. С. 5–12. DOI: 10.14529/met190301.
Макровец Л.А., Самойлова О.В., Михайлов Г.Г. Раскислительная способность алюминия в железо-марганцевых углеродсодержащих расплавах // Известия вузов. Черная металлургия. 2023. V. 66. № 2. P. 206–214. DOI: 10.17073/0368-0797-2023-2-206-214.
Fuwa T., Chipman J. The carbon–oxygen equilibria in liquid iron // Transactions of AIME. 1960. V. 218. P. 887–891.
Sigworth G.K., Elliott J.F. The thermodynamics of liquid dilute iron alloys // Metal Science. 1974. V. 8. P. 298–310.
Steelmaking Data Sourcebook, Japan Society for the Promotion of Science. The 19th Committee on Steelmaking. — New York: Gordon and Breach Science Publishers, 1988. — 325 p.
Ren Q., Zhang L. Effect of cerium content on inclusions in an ultra-low-carbon aluminum-killed steel // Metallurgi-cal and Materials Transactions B. 2020. V. 51. № 2. P. 589–600. DOI: 10.1007/s11663-020-01779-y.
Li S., Cheng G., Yang L. etc. A thermodynamic model to design the equilibrium slag compositions during elec-troslag remelting process: description and verification // ISIJ International. 2017. V. 57. № 4. P. 713–722. DOI: 10.2355/isijinternational.isijint-2016-655.
Mikhailov G. G., Makrovets L. A., Samoilova O. V. Thermodynamic analysis of the deoxidation ability of alumi-num in the melt of the Fe–Cr–C system at 1600 °C // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. V. 969. 012020. DOI: 10.1088/1757-899X/969/1/012020.
Janke D., Fischer W. A. Gleichgewichte von chrom und mangan mit sauerstoff in eisenschmelzen bei 1600 °C // Archiv für das Eisenhüttenwesen. 1976. V. 47. № 3. P. 147–151. DOI: 10.1002/srin.197603795.
Itoh H., Hino M., Ban-Ya S. Assessment of Al deoxidation equilibrium in liquid iron // Tetsu-to-Hagane. 1997. V. 83. № 12. P. 773–778. DOI: 10.2355/tetsutohagane1955.83.12_773.
Park J. H., Todoroki H. Control of MgO·Al2O3spinel inclusions in stainless steels // ISIJ International. 2010. V. 50. № 10. P. 1333–1346. DOI: 10.2355/isijinternational.50.1333.
Downloads
Published
Issue
Section
License
Copyright (c) 2025 ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ. Бюллетень научно-технической и экономической информации
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
