合成鑄鐵氮氣孔的形成與防止

合成鑄鐵氮氣孔的形成與防止

王文中

山東省鑄造協(xié)會

前言：

近幾年，由于國家對環(huán)保排污標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，大多數(shù)沖天爐被中頻感應(yīng)電爐取代。中頻電爐具有設(shè)備操作簡便，鐵液供應(yīng)柔性等特點被廣泛應(yīng)用。又由于現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生大量的廢鋼，利用廢鋼代替生鐵，可提高鑄件性能及降低成本，又使中頻感應(yīng)電爐應(yīng)用錦上添花。但中頻感應(yīng)電爐無顯著的冶金反應(yīng)，而是幾種材料混合重熔的方式，金屬液性能不穩(wěn)定。過多的使用廢鋼，加入增碳劑進行增碳，又帶來一些弊端。本文主要對鑄鐵氮氣孔產(chǎn)生的原因和解決的措施進行總結(jié)。

1．合成鑄鐵與傳統(tǒng)生產(chǎn)的區(qū)別

合成鑄鐵技術(shù)，就是改變了過去長期以來，在中頻感應(yīng)電爐內(nèi)，一商用生鐵作為主要爐料成分加入少量廢鋼進行調(diào)碳的配料方法，而是不用生鐵或少用生鐵，主要采用廢鋼加回爐料，配以增碳劑來達到指定的化學(xué)成分。原生鐵中許多粗大的過晶石墨，這種石墨具有遺傳

性，熔煉時溫度低；不加入其它合金，粗大石墨很難消除。粗大石墨從液態(tài)遺傳到固態(tài)鑄件組織中，降低了材質(zhì)性能。另一方面使凝固過程中本來應(yīng)該產(chǎn)生石墨化析出膨脹作用削弱了，使凝固過程收縮傾向增大，鑄件產(chǎn)生縮松、疏松、硬度下降。

2．多使用廢鋼加增碳劑有以下四個優(yōu)點：

2．1鐵液增碳；電爐在熔煉時，可增加外來石墨晶心，降低鐵液的過冷度(也可稱為預(yù)孕育處理)，球鐵增加石墨球，灰鐵石墨細(xì)、短，并以A型為主，提高了力學(xué)性能和加工性。

舉例：某工廠因大量長期使用生鐵，其遺傳作用越來越突出，性能和組織也出現(xiàn)一定惡化，通過采用全廢鋼加回爐料；其金相組織改善，消除了粗大石墨的遺傳影響，提高產(chǎn)品的切削性能和力學(xué)性能。表1為兩種配料性能對比。

兩種方案配料一致，化學(xué)成分相同，其全廢鋼工藝抗拉提高l 5—30Mpa，硬度提高10HB：而且本體硬度均勻。合理的采用增碳劑，提高了鐵液石墨化能力強，使鐵液的收縮性變小，減小了鑄件產(chǎn)生縮松的傾向。另外利用硫阻礙石墨長成粗大片狀的作用，達到細(xì)化石墨，增加石墨球數(shù)。硫又是阻礙石墨元素，過量會增加白口，因此灰鑄鐵控制在0．06-0．15％，球鐵小于0．03％。從金相分析結(jié)果可以看出，采用全廢鋼石墨基本都是A型并且短小。

2．2廢鋼中的氮及增碳劑中的氮促進了珠光體形成和改變了石墨形態(tài)，提高了鑄件性能。

2．3采用純凈的廢鋼和優(yōu)質(zhì)相匹配的增碳劑，可獲得高強度的灰鑄鐵，甚至不加合金也能生產(chǎn)出HT300鑄件。

2．4市場廢鋼價格低廉，大量使用廢鋼，降低了冶金成本，從綜合成本計算：使用廢鋼熔化略有爐襯壽命降低、電耗高、多使用增碳劑，一噸鑄件比使用生鐵可節(jié)省200—500元， 這還不計產(chǎn)品質(zhì)量，性能的提高。 (近期廢鋼與生鐵差價700—800元)

3．使用廢鋼注意事項

3．1廢鋼盡量銹蝕少，F(xiàn)eO進入金屬液產(chǎn)生夾渣物和氣體，建議除銹處理。

3．2廢鋼無油污，特別是沖壓打包料，內(nèi)有大量油污。CO進入金屬液，有所增碳和產(chǎn)生了氣體。

3．3回爐料要去除表面粘砂，因為在熔化時澆口外的砂熔點高，需先熔化后再熔內(nèi)部，延長了爐內(nèi)熔化時間，浪費了能源，也使鐵液硅酸鹽夾雜物增加。

3．4鐵屑無銹、油、水，有油水可放入爐底，加熱時揮發(fā)。

3．5球墨鑄鐵用廢鋼要求高碳、高硅、低錳、低磷、低硫和極低的干擾元素：AI、As、B、Bi、Cr、Pb、Sb、Se、Sn、Te、Ti。灰鑄鐵根據(jù)材質(zhì)的要求，可以含有少量合金元素。

4．氮氣孔產(chǎn)生的原因與對策

在鑄鐵生產(chǎn)過程中，大量使用廢鋼和增碳劑，一旦控制不當(dāng)，就會產(chǎn)生N2氣孔，造成鑄件報廢。這是當(dāng)前使用廢鋼最突出的缺陷。N氣孔的形狀見圖4。

這是一種典型的析出性氣孔，表面不光滑，附著一層碳，裂隙狀。N氣孔產(chǎn)生是：N以 原子狀態(tài)溶解于金屬液，成為溶質(zhì)。在一定溫度和壓力條件下，N元素在金屬中處于平衡狀 態(tài)時，稱飽和濃度，也稱溶解度，也就是達到**溶解能力。當(dāng)大量的氣體進入超出溶解能力，在金屬凝固時，將以分子態(tài)氣體析出，富集一方，形成內(nèi)部不規(guī)則的裂隙狀氣孔，當(dāng)氣孔中滲有H、o時，即呈現(xiàn)較大的內(nèi)光潔氣孔。相關(guān)文獻表明：灰鑄鐵薄壁件10～15mm，N含量超130ppm，厚鑄件40～80mm，N超出80PPm時，鑄件就會產(chǎn)生氣孔。

4．1．N氣的來源和措施：

4．1．1．廢鋼的含N比生鐵多，一般在100ppm，大量的N是從增碳劑中產(chǎn)生。表2為幾種增碳劑技術(shù)數(shù)據(jù)。

注：①復(fù)合增碳劑為碎碳粉、石墨加粘結(jié)劑壓制。

②石墨化增碳劑是將石油焦溶至2800,--3200"C。球墨鑄鐵盡量采用石墨化增碳劑，它高溫處理，碳原子才能從原來的無序排列變成片狀排列，片狀石墨才能形成石墨形核的**核心，可促進石墨化。石墨化增碳劑經(jīng)高溫處理，硫被分解，S02氣體逸出，硫分小于0．05％。當(dāng)鐵液比較純潔時，內(nèi)含各種氣體少，也可選用N在小于1500ppm煅燒石油焦。對于灰鑄件對增碳劑含N要求；要視鑄件不產(chǎn)生N氣孔的原則調(diào)整：①純凈的金屬液可使用含N較高的增碳劑。②廢鋼中含銹蝕、油及水的金屬液要使用含N低的增碳劑。

4．1．2．呋喃樹脂在加工過程中加尿素進行催化，N殘留在樹脂中；金屬液接觸砂型N氣即進入。呋喃樹脂最高含N 7～9％，要采用低于2％樹脂。另外樹脂砂的酌減和加入量也要低，減少氣體侵入。

4．1．3．金屬液中的氣體己超出臨界含氣量將產(chǎn)生析出氣孔，一般都以N氣為主。這些氣體元素主要取決于所用原材料、熔煉操作，以下為注意事項：

a．爐料、合金、溶劑等入爐的材料，要嚴(yán)格無水、油、鐵銹等雜物，要求干凈和干燥，特別是爐中有金屬液再加入的合金，以免這些物質(zhì)反應(yīng)生成氣體和夾雜物。

b．熔爐爐氣和空氣濕度；金屬從固體熔化到液態(tài)至澆注型腔內(nèi)開始冷卻，這一過程都是金屬液在吸氣的過程。所以要求金屬液在熔化過程中和澆注容器內(nèi)要覆蓋，減少液面與空氣接觸。空氣的濕度也促使金屬液吸氣增加。某單位座落在海邊，產(chǎn)品為汽車剎車盤，材質(zhì)為HT250，濕型生產(chǎn)，型芯為覆膜砂，每年7、8月雨季時N氣孔廢品率在10％左右，配料為廢鋼50％，增碳劑為石油焦?，F(xiàn)改為石墨化增碳劑，改變廢鋼含油熔煉操作方法和熔化過程防止吸氣，即消除了N氣孔。以上說明N氣的來源；增碳劑、樹脂、熔化操作，在雨季氣壓低，濕度大，特別是海邊潮濕，促使金屬液吸氣嚴(yán)重。

4．1．4其他除N氣的措施

a．金屬液進行吹氬脫氣；將多孔塞安置在爐底或包底吹氣，氬是惰性氣體，上浮時帶走金屬液中的氣體，一般吹15～25分鐘。

b．包中加入0．25--0．35 1#稀土，或熔煉時加入0．5％～0．7％SIC預(yù)處理及過熱處理和金屬液鎮(zhèn)靜，都能起到很好的脫氣作用。

c．使用含N高的增碳劑時，要使用高碳廢鋼，減少增碳劑用量及降低廢鋼使用量和增加生鐵。

d．金屬在熔煉和加入的合金時部分N被分解溢出，如：球墨鑄鐵加球化劑。采用固N 的方法消除N2氣孔。固N的方法：通常加入少量的FeTi和Si—Zr孕育劑，利用Ti、Zr元素與N形成氮化物進行固N，其次是B、A1，加入量Zr、B、Tidx于0．05％，A1為0．1％(殘留0．015～0．02％)。加入N穩(wěn)定劑，生成穩(wěn)定的氮化物，從而降低了溶解N的濃度，即減少了含N量，也起到脫N的作用。低碳高強度鑄鐵產(chǎn)生N氣孔比較突出，加入Ti和Al可有效消除N氣孔

5．氮在鐵液中的作用

生產(chǎn)高牌號灰鑄鐵要充分調(diào)整含N量，起到合金化的機會。廢鋼中的N及增碳劑中的N促進了珠光體和改變了石墨形態(tài)，不能以降低碳當(dāng)量的方式增加錳、銅、鉻、鉬、錫等合金提高強度，勢必造成鑄件收縮大，而是要充分利用N，有意識的將它作為一個有益的合金元素。在合適的區(qū)間內(nèi)N含量在80．130PPM，鑄件性能**。N在灰鑄鐵中的作用如下：

5．1 N使鐵的共析轉(zhuǎn)變溫度降低，轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間增大，當(dāng)然與碳含量有關(guān)，含碳越高，N的影響也顯著。

5．2 N對石墨的形態(tài)、數(shù)量和分布都有影響，在合適范圍內(nèi)；長度變短，彎曲增大，端部變鈍，長、寬比減少。

5．3 N使初生奧氏體一次軸變短，二次臂間距減少，使共晶團細(xì)化，珠光體數(shù)量增加，提高了硬度。

5．4測試共晶轉(zhuǎn)變后，石墨表面N的濃度明顯高于基體，因此阻礙了石墨的長大，從而細(xì)化了共晶團組織。

6．增碳劑的選用和加入方法

使金屬液增碳的材料有：焦炭、煅燒煤、煅燒石墨、煅燒石油焦、電極、石墨化、半石墨化、木炭、瀝青、生鐵等。要求：干燥、低硫、低磷、高碳、低揮發(fā)等有害雜質(zhì)。

增碳劑的選用不能只注意碳含量、低灰分，而忽視其中的N含量會造成氣孔。也忽視N在鑄鐵件中起到有利作用。生產(chǎn)增碳劑的廠家不做N含量的分析，鑄造上也未從技術(shù)上進行檢查。因此在使用上實際出現(xiàn)一個失控狀態(tài)，略有不注意就出現(xiàn)氣孔。合理的選用增碳劑，控制好N、S含量，采用價格低的煅燒煤、石油焦，充分利用S，S低將產(chǎn)生孕育不良，孕育后衰退快。生產(chǎn)上伴隨而來的發(fā)展了增S劑。要求鐵液中的硫穩(wěn)定在0．06—0．15％合理范圍。所以我們增碳劑中的S控制在0．5％左右是在合理的。石墨化增碳劑加入2％。鐵液中S只增加0．01％。

增碳劑的吸收與鐵液平衡溫度有關(guān)，而不是鐵液溫度越高吸收越快，溫度越高，碳燒損越大，吸收率也低。鐵液溫度低；碳的飽和溶解度低，碳的溶解廣散速度下降，吸收率低。鐵液是Fe．C．Si．O合成液，其化學(xué)反應(yīng)平衡溫度；球墨鑄鐵為1450℃，灰鑄鐵1400℃。

所以在此溫度下增碳**。增碳劑的粒度要求：lOt以上電爐6—10mm，小于lOt爐0．5．6mm。粉狀不可用，因易揮發(fā)。顆粒過大，漂浮在金屬液上面，吸收慢并燒損。增碳劑的加入方法：

6．1隨廢鋼加入；因增碳劑是增廢鋼中的碳不足，隨廢鋼熔化吸收也快。生鐵或回爐料碳高，吸收慢。一般分三批加入，吸收率為95％。電爐熔化時，先加少量鐵屑和回爐料或生鐵，壓實鐵屑，隨后加廢鋼，廢鋼隨熔化隨增碳，有利保護爐襯，減輕硅燒損。S、Mn會阻礙碳的吸收，應(yīng)在后期加入。

6．2如果后期調(diào)整成分，碳不足；可在加入其它合金前加入，在電磁攪拌下，吸收率90％。此時鐵液已超出感應(yīng)圈，無電磁攪拌下，吸收率低于80％。(建議此時加生鐵增碳)。

6．3包內(nèi)沖入法：將100．200目碳粉加入包中或隨流沖入，出鐵后攪拌，吸收率小于50％。

總結(jié)：

1．感應(yīng)電爐使用廢鋼是物料廢舊利用，是社會的要求。大量使用廢鋼可提高鑄件性能，

降低生產(chǎn)成本。

2．廢鋼的使用：要根據(jù)鑄造材質(zhì)選取。要求廢鋼表面污染物要少，如：銹蝕、油、水、油漆、鋅等。

3．大量使用廢鋼造成N氣孔；是選取的增碳劑不合理、熔化操作失控、爐料不潔凈和樹脂中產(chǎn)生的N氣造成。

4．合理選用增碳劑，充分利用增碳劑中的N、S穩(wěn)定提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

5．增碳劑的加入方法；要隨廢鋼分三批加入，有利于碳的吸收和硅的燒損并保護爐襯。