氮在鑄鐵中的作用

氮在鑄鐵中的作用

  說(shuō)起鑄鐵中的各元素，最先想到的是五大元素，另外還有各種合金元素和干擾元素。而對(duì)鐵水質(zhì)量有重要影響的，還有幾種氣體元素——氧、氮、氫。本文介紹下鑄鐵中氮的影響和控制。

1、氮對(duì)鑄鐵的影響

氮對(duì)鑄鐵組織有顯著影響，應(yīng)該作為合金元素看待。有些鑄鐵件需要加氮改善鑄鐵的組織和力學(xué)性能。

許多因素影響鑄鐵的氮含量。在正常的熔煉和鑄造條件下，氮含量應(yīng)在以下范圍內(nèi)：

氮在鑄鐵中最明顯的作用是穩(wěn)定珠光體。灰鑄鐵w（N）=0.005~0.0175%時(shí)可以有效抑制鐵素體生成。超過(guò)這個(gè)范圍產(chǎn)生強(qiáng)烈的穩(wěn)定碳化物作用，甚至使鑄件產(chǎn)生白口組織。在厚壁灰鑄鐵件中，w（N）>0.008%能出現(xiàn)一些緊實(shí)石墨，片狀石墨變短變粗，片體端部圓鈍化。

氮對(duì)灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度有影響。在合適范圍內(nèi)提高氮含量可以提高抗拉強(qiáng)度。

w（N）<0.008%的球墨鑄鐵件的伸長(zhǎng)率和沖擊值不會(huì)因氮含量的變化而變化。w（N）=0.008%~0.012%可使伸長(zhǎng)率下降10%~15%。氮含量再提高，伸長(zhǎng)率下降幅度可達(dá)30%~50%。

可鍛鑄鐵w（N）>0.008%，退火時(shí)滲碳體的分解速率降低，退火時(shí)間顯著延長(zhǎng)。

2、氮?dú)饪?/span>

氮在1600℃純鐵液中的溶解度為0.045%。鐵水中有碳和硅則溶解度下降。氮在鐵水中的溶解是氣態(tài)氮分子分解形成單原子而溶入鐵水中的過(guò)程。

氮在鐵水中的溶解量遠(yuǎn)高于在固相中的溶解度。

鑄件凝固過(guò)程中，隨著溫度下降，鐵水中的溶解氮變成分子狀態(tài)，并在液相中積累。如果不能及時(shí)排出就會(huì)在鑄件內(nèi)形成氣孔。如鐵液中氮含量大于0.0100%時(shí)，則可形成氮?dú)饪兹毕荩严稜钇は職饪祝绕浜看笥?.0140%時(shí)更甚。

氮?dú)饪壮柿严稜睿c縮松相似。但區(qū)別在于，縮松一般出現(xiàn)在鑄件熱節(jié)部位，而氮?dú)饪锥喑蚀竺娣e分布。氮?dú)饪滓话愠霈F(xiàn)與鑄件凝固晚期，受固相影響而不能成圓球狀。

氣孔缺陷以灰鐵件為主, 但是球鐵件中氮含量較高的情況下也可能出現(xiàn)。

3、氮的來(lái)源及控制

鐵水中溶解的氮來(lái)源于多個(gè)方面。沖天爐化鐵時(shí)，氮由供風(fēng)中帶入，在熔化帶溶入鐵水。溶入量隨供風(fēng)中氮濃度（分壓）變化而增減。

電弧爐的電弧區(qū)內(nèi)，空氣在高溫下電離，提高了氮的分壓，氮以較高擴(kuò)散速率進(jìn)入鐵水。

各種金屬爐料中均含有氮，而以鋼的氮含量比較突出。轉(zhuǎn)爐鋼氮含量一般為0.010%~0.020%，酸性電爐鋼氮含量為0.008%~0.010%，堿性電爐鋼氮含量為0.006%~0.014%。

感應(yīng)爐和電弧爐熔煉鑄鐵常使用焦炭、石墨等含碳物質(zhì)作為增碳劑。這些增碳劑氮含量較高，例如，冶金焦w（N）=0.75%~1.50%，電極石墨w（N）≈0.1%。

以氮?dú)鉃檩d體向鐵水中噴射脫硫劑可使鐵水增氮。例如，高碳低硅鐵水以此法脫硫，w（N）由0.0070%~0.00995%增加到0.0188%~0.0164%。

來(lái)自造型材料。用樹脂砂生產(chǎn)鑄鐵件更容易產(chǎn)生氮?dú)饪?，這是因?yàn)楫?dāng)鐵液澆入鑄型后，含N的樹脂受熱分解出NH3，NH3又在金屬液表面離解，[N]原子相當(dāng)一部分進(jìn)入鑄型-金屬界面尚處于熔融狀態(tài)的金屬表層，并由表向里擴(kuò)散，致使表層金屬液為氮飽和。而到金屬凝固期間，氮的溶解度急劇下降，就會(huì)析出氮?dú)?，形成氮?dú)饪住?/span>

在使用廢鋼+增碳劑合成鑄鐵的工藝中，尤其要考慮氮的含量所帶來(lái)的影響。

使用加Ti的方法可以減輕氮?dú)饪椎膬A向。因?yàn)門i有很好的固氮能力而形成TiN硬質(zhì)點(diǎn)相，以固態(tài)質(zhì)點(diǎn)狀態(tài)分布于鑄鐵中，氮?dú)獾挠泻ψ饔每纱鬄榻档?。?duì)于灰鑄鐵，薄壁件的氮含量應(yīng)控制在0.013%以下，而厚壁件的氮含量應(yīng)控制在0.008%以下。實(shí)踐證明，鐵液中殘留有0.02%~0.025%的Ti，可以消除由于氮的析出而造成的鑄件裂隙狀的氮?dú)饪住?/span>

盡量采用氮含量低的電極石墨作增碳劑，而不使用氮含量高的瀝青焦炭。

選擇含氮量低的有機(jī)樹脂。為防止氮?dú)饪?，一般鑄鐵件可選用中氮樹脂，而鑄鋼件和高級(jí)鑄鐵件選用低氮樹脂。

在型砂或涂料中加入氧化鐵粉。在型砂中加入氧化鐵粉后，當(dāng)鑄鐵澆注溫度在1300℃以上，砂型表面溫度超過(guò)1000℃，在這樣的溫度下氧化鐵粉促進(jìn)呋喃樹脂的熱分解，起到將NH3分解成H2的催化劑作用。即便產(chǎn)生了N2氣體，在某種條件下產(chǎn)生氣體，但通常不溶入鐵液和形成皮下氣孔，為降低生產(chǎn)成本，通常在面砂中加入3%的氧化鐵粉。在涂料中加入10%的氧化鐵粉將更為有效和經(jīng)濟(jì)。

如果有意增氮，可以選用氮含量較高的增碳劑和孕育劑。
氮的含量可以通過(guò)氮氧分析儀來(lái)檢測(cè)。

（來(lái)源：鑄造工程師：王劍）