干扰元素的影响.docx

资源描述

干扰元素的影响.docx

《干扰元素的影响.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《干扰元素的影响.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

干扰元素的影响.docx

干扰元素的影响

这里所说的“干扰元素”，是对灰铸铁和球墨铸铁的性能有负面影响而言的，不一定都是通常所谓的有害元素，其中有的在钢材中是重要的合金元素，有的对于某些合金铸铁也是必不可少的。

干扰元素的来源有三个方面：

一是钢材、铸钢件和铸铁件中通常都含有的有害元素，如硫、磷（一些耐磨铸铁中有时故意加入少量的磷）、铅（易切削钢中有时加入少量的铅）等；

二是为改善钢材的性能而特意加入的合金元素，如锰、铬、钼、钛、钒、铌、硼等；

三则是混杂在炉料中的污染物。

一．问题的提出

改革开放以来，随着国民经济的发展，我国铸造行业欣欣向荣，铸件的产量增长很快，为了使大家有明确的印象，下面简要地列出一组统计数字：

1986年，我国各类铸件的总产量为440万吨；

1996年，我国各类铸件的总产量为1090万吨，其中各种铸铁件占875万吨；

2006年，我国各类铸件的总产量为2810万吨，其中各种铸铁件占2100万吨。

铸件产量的迅速增长，拉动了对各种金属原材料的需求，铸造生铁、废钢和各种铁合金的供应日趋紧张，不仅价格不断上涨，质量也难以稳定一致。

另一方面，随着我国工业的发展，对各类铸件的质量要求日益提高，尤其是对高性能球墨铸铁件和厚截面、铁素体球墨铸铁件的需求增多，等温淬火球墨铸铁件和蠕墨铸铁件也逐步推广应用。

所有这些，都要求提高铸铁材质的纯净度，炉料带来的干扰元素的影响逐渐成为大家不能不面对的问题。

1．铸造生铁中的干扰元素

炼钢用生铁中所含的磷、硫等有害元素和其他干扰元素，可以在以后的炼钢过程中脱除，而铸造生铁只是在重熔后直接制成铸件，各种有害元素和干扰元素相当一部分仍然保留，如果含量超过允许值，就会影响材质的性能。

制造高质量铸铁件时，原料生铁中有害元素和干扰元素的含量必须严格控制。

为适应这种要求：

我国于1982年制定了GB718－82《铸造用生铁》国家标准，以区别于炼钢生铁；1985年又制定了GB1412－85《球墨铸铁用生铁》国家标准；冶金工业部于1990还制定了一项规定微量元素含量的推荐性铸造生铁标准YB（T）14－90《铸造用生铁》，其中对P、S、As、Pb、Sn、Sb、Zn、Cr、Ni、Cu、V、Ti、Mo等元素的允许含量都作了具体的规定。

但是，两项国家标准后来也都变更为推荐性标准，加以铸造行业对生铁的需求增长很快，供应紧张，许多生产厂家执行标准的力度不能令人满意，铸造生铁的质量参差不齐。

特别是近十多年来，我国钢、铁行业以举世罕见的速度发展，铁矿石很快由自给自足转变为主要依赖进口。

在这种情况下，铸造生铁的生产、供应体系变化很大，更难以保证其质量的稳定一致。

加拿大、日本、瑞典、挪威、巴西、南非等国家，为适应生产高质量铸件的要求，早已开始生产高纯铸铁供应，不仅满足自己的需求，而且向世界各国的铸造行业供货。

近年来，我国也有厂家生产高纯生铁，但由于推广、应用的力度不够，还未能充分发挥其作用。

今后，希望我国生产优质铸铁件的厂家对国产的高纯生铁给予更多的关注。

2．废钢中的合金元素

近20年来，各种钢材都在向薄壁化、轻量化、强韧化的方向发展，低合金钢的应用范围日益扩大。

1980年前后，常用的一般钢材主要是碳钢，低合金钢所占的比重不到20％，2005年，常用钢材中低合金钢所占的比重已达50％左右，甚至更高一些。

从资源的充分利用、各种装备的轻量化、工艺技术的进步等方面看来，当然是好事，而且这种趋势今后仍将继续，但是，废钢中这类合金元素的增多，却给铸铁业带来了许多棘手的问题，不能不采取必要的应对措施。

目前，各类常用钢材中含合金元素的大致情况见表1。

表1常用钢材中的合金元素含量（％）

钢材品种

其他

冷轧钢板

o.2～0.3

－

Cu0.05～1.30

热轧钢板

0.7～0.9

0.5～1.3

－

Cu0.2～0.5,Ti0.15～0.35

高强度钢板

1.2～1.5

0.3～0.7

0.3～1.3

0.3～0.5

Cu0.3～0.4,V0.05～0.08

厚钢板

0.6～2.0

0.4～0.7

0.1～0.5

0.3～0.4

Cu0.3～1.30,

高强度钢材

1.2～1.6

0.3～0.8

0.3～1.5

0.3～0.5

－

深拉伸钢材

1.6～2.0

－

Si0.5～1.0

土建用耐候钢材

0.6～1.6

0.4～0.7

0.1～0.3

0.3～0.5

Cu0.3～0.7

与此同时，铸造行业的熔炼工艺也在不断变革。

从上世纪60年代起，铸铁行业中采用感应电炉作为熔炼设备的企业逐渐增多。

尤其是70年代以后，中频无心感应电炉的电源有了重大的改进，熔制铸铁时热效率可达到70%，电炉设备和所用的耐火材料也在不断发展，因而其应用日益广泛。

用感应电炉熔炼铸铁时，炉料中铸造生铁锭的用量很少，废钢所占的份额增多，而钢材中的合金元素对铸铁（尤其是球墨铸铁）的性能却大都有负面影响，甚至成了污染元素。

另一方面，在冲天炉熔炼过程易于脱除的低沸点元素，如Pb（1755℃）、Sb（1640℃）、Bi（1481℃）、Te（989.8℃）、As（615℃升华）、Cd（767℃）、Zn（419.5℃）等，用感应电炉熔炼时就较难以脱除，从而易于显现其负面影响。

除此以外，由于对废钢的需求量大增，其来源涉及到各行各业，混入一些污染元素，如铅、铝、锌等，也在所难免。

二．干扰元素对铸铁性能的影响

1．形成碳化物

钢材中的合金元素，如Mn、Cr、V、Mo、Ti、B等，都是很强的碳化物形成元素，而

且易偏析于铸件最后凝固的部位，在晶界处浓度很高。

对于灰铸铁，由于其组织中存在大量片状石墨，强度本来就不高，延性和韧性很差，晶界处碳化物的影响并不那么明显。

对于球墨铸铁，尤其是铁素体球墨铸铁件、等温淬火球墨铸铁件和优质厚截面球墨铸铁件，晶界处碳化物的影响往往是至关重要的。

图1和图2都是厚壁球墨铸铁件晶界处的碳化物。

这类碳化物对材质的力学性能影响很大，而且出现这类碳化物时铸件内部往往随之产生小的缩孔或疏松。

图1富Ti的晶界碳化物图2富Mo的复合碳化物

表2中列出了这类元素的来源、对铸铁性能的影响及建议的含量控制值（特殊情况下作为合金元素加入时例外）。

表2铸铁中常见的碳化物形成元素

元素

来源

在铸铁中的影响

建议的控制值

生铁、废钢

促进白口倾向

形成晶界碳化物

珠光体球墨铸铁件0.5％

铁素体球墨铸铁件0.2％

废钢

促进白口倾向，

0.05％以上即形成晶界碳化物

铁素体球墨铸铁件、厚大件0.05％

一般球墨铸铁件0.1％

废钢

灰铸铁中细化片状石墨

增加珠光体量，显著提高铸铁强度

含量太高即形成游离渗碳体

灰铸铁中0.5％

球墨铸铁中0.1％

铁素体球墨铸铁中0.02％

废钢

形成晶界碳化物

厚大球铁铸件0.05％

废钢、生铁

强碳化物形成元素

灰铸铁中促成D型石墨

球墨铸铁中导致石墨畸变

灰铸铁中0.3％

球墨铸铁中0.05％

感应炉衬

形成稳定的碳化物

0.005％

2．对石墨球化的影响

铸铁中加入Mg和以Ce为代表的稀土元素后，可以使石墨球化。

如果金属炉料中含有阻碍石墨球化的元素，就会影响石墨的球化。

阻碍石墨球化的作用大致可分为两个方面：

（1）与Mg或稀土元素反应，产生氧化物、硫化物和氮化物，消耗球化元素。

起这种作用的主要是氧、硫和氮。

此外，碲（Te）和硒（Se）也是消耗球化剂的元素。

（2）球状石墨生成后，提高铸铁中的液相的稳定性，使石墨长大过程中，在各个方向成长不均匀，从而导致石墨球畸变。

起这种作用的主要是磷、铝、锡、铜、硼、锑、钛、铌等元素。

这类元素偏析的倾向强，可以使铁中的液相稳定，促进石墨成长的异向性，从而影响石墨的形态。

硼、锡、锑、铜对石墨形态的影响见图3。

a）含B0.04％b）含Sn0.48％；

c）含Sb0.085％d）含Cu2.25％

图3硼、锡、锑、铜对石墨形态的影响

还有一些元素，如铅、铋等，兼有上述两种作用。

各种影响石墨球化的元素及其作用，简略归纳于表3.

表3影响石墨球化的元素及其对石墨组织的影响

元素

作用方式

对球墨铸铁组织的影响

O、S、Se、Te

消耗球化剂，从而影响石墨的球化

易产生片状石墨或蠕虫状石墨

Sb、Sn、As、B、

Al、Ti、Cu

不消耗球化剂，但偏析于奥氏体晶界，稳定液相，影响石墨的形态

石墨球不圆整、形状不规则，可出现团块状、絮团状、团片状石墨，也可出现蠕虫状石墨

Pb、Bi

兼有以上两种作用

可出现团块状、絮团状、团片状、蠕虫状石墨，也可出现团片状石墨

但是，铁液中含钛量增多时，各种元素的允许含量还应进一步降低。

在不同的钛含量下，砷、锡、铋、铅、锑等元素的球墨铸铁中石墨形态的影响见图4。

图4在不同的钛含量下，砷、锡、铋、铅、锑对石墨形态的影响

因此，生产优质球墨铸铁件时，应特别留意铸铁中的钛含量。

最近，制造高强度球墨铸铁件时，常常加入较多的铜。

在这种条件下，应尽可能地将铸铁中的铝含量控制得低一些。

3．产生缩孔的倾向增大

缩孔的特征有表面缩孔和内部的缩孔、缩松。

钛、铝的含量增高，铁液的流动性恶化，产生表面缩孔的倾向增大。

磷、锰、铬、钒、钼等元素易偏析于最后凝固的部位，形成复合碳化物，导致产生内部缩孔、缩松的倾向增大。

日本三重县技术综合研究所藤川、村川等人的研究工作表明：

灰铸铁中含有铝、钛、钒、铬、磷等元素，产生缩孔的倾向增大；球墨铸铁中，铝含量自0.02％增加到0.4％，产生缩孔的倾向增大。

4．灰铸铁的强度降低

灰铸铁组织中石墨的形态（A型、B型、C型、D型或型E），对其力学性能有重要的影响，难以由硬度预测其强度。

灰铸铁中铅含量在0.005％以上，就可能产生魏氏体型石墨，导致强度显著降低。

如果铸铁中还含有铝、氢、钙等元素，铅含量在0.005％以下，就可能出现魏氏体型石墨。

一种厚壁灰铸铁件（厚度100～150㎜）在使用过程中破断，作失效分析时发现，虽然基体组织基本上是珠光体，由于石墨为魏氏体型，硬度为148HB，分析结果表明铅含量很高，为0.025％，破断处的显微组织见图5。

图5厚壁灰铸铁件中因含铅而致的魏氏体型石墨

灰铸铁中常加入锑或锡，以稳定珠光体，提高其硬度。

但是，如加入量太多，虽然硬度提高了，强度却反而会降低。

碳当量较高的灰铸铁中，锡的加入量对灰铸铁硬度和强度的影响见图6。

灰铸铁中添加锑，也有同样的影响，而且易于使石墨的形态变异。

图6锡加入量对灰铸铁硬度和抗拉强度的影响

灰铸铁强度低下时，有必要注意钛的有害作用。

钛含量增多时，加以铁液中含有的硫的作用，会促使D型石墨形成。

部分石墨成为D型后，基体组织中的铁素体增多，会使铸铁的强度降低。

干扰元素‘钛’不仅来自废钢，我国生产的高硅铸造生铁中也往往含有钛，选用时应加注意。

印度生产的铸造生铁中也有这样的问题。

6．铸铁的硬度低

近年来，美国经常发生珠光体球墨铸铁的硬度低于寻常的情况，为查明其原因进行了研究，最近已经明确这是硼的影响。

铸铁中硼含量超过0.002％，就可以抑制铜稳定珠光体的作用，使铸铁的硬度降低。

因此，生产中不仅要注意废钢和其他炉料中所含的硼，采用感应电炉熔炼时，还应注意筑炉材料中加入的硼酸所造成的污染。

7．感应电炉炉衬的寿命低

近年来，用于熔炼铸铁的感应电炉日益增多，炉衬寿命不高的情况也十分多见，当然，耐火材料品质不高、筑炉工艺掌握不好是出现这类问题的主要原因，但是，也不能忽视炉料带来的问题。

如果采用镀锌钢板作炉料，锌受热后蒸发，侵入炉衬内，就会使炉料寿命降低。

新筑的炉衬烧结期间，锌蒸汽的影响尤为严重。

三．消除干扰元素有害作用的措施

熔炼铸铁时，炉料中所含的干扰元素的负面影响是不容忽视的，为了确保铸件的质量，不能不采取必要的应对措施。

1．严格管理炉料、控制铁液的化学成分

要控制各种干扰元素的影响，首先要确知问题的所在、测定可能导致产生问题的各元素的含量，然后才有可能采取相应的应对措施。

如果采用光谱分析仪，分析各种合金元素、微量元素以及其他干扰元素的含量都很方便，还可根据炉前分析，对铁液的成分进行动态的调整，实现实时控制。

目前，我国的铸铁生产企业中，具备这种条件的很少。

分析质量问题时，除C、Si、Mn、P、S五元素外，能测定其他合金元素和微量元素含量的企业也不多。

面对当前原材料供应方面变数很多的情况，生产技术含量较高的铸件时，要确保铸件质量并使之稳定一致，难度实在不小。

从这一点看来，各地区由铸造协会牵头建立面向生产企业的技术服务中心，并配备必要的检测设施是非常必要的。

对于生产球墨铸铁件，除C、Si以外，各种合金元素、微量元素和有害元素的含量的控制值见表4。

表中提到的“阻碍铁素体化系数”，是该元素在铁素体球墨铸铁中允许最高含量的倒数，数值越高，稳定珠光体的作用越强。

表4球墨铸铁中各种合金元素、干扰元素含量的控制值

元素

允许最高含量（％）

阻碍铁素体化系数

元素

允许最高含量（％）

阻碍铁素体化系数

铁素体球墨铸铁

珠光体球墨铸铁

铁素体球墨铸铁

珠光体球墨铸铁

0.04

0.01

100

0.05

0.08

0.03

0.20

0.50

0.02

0.10

0.05

0.10

0.05

0.50

0.15

1.50

6.7

0.10

0.20

0.50

3.00

0.02

0.10

0.02

0.10

0.002

0.004

500

0.05

0.002

0.03

500

0.50

3.00

0.001

0.03

1000

0.005

200

0.005

0.05

200

－

2．抑制干扰元素的影响

如果球墨铸铁中含有干扰元素，影响石墨的球状化、导致石墨畸变，可通过加入合金元素以抑制其有害作用，在这方面，首先要提到的是铈（Ce）。

Ce是活性很强的元素，可以与多种干扰元素作用，形成高熔点的化合物，如Ce2Sb2O3、Ce2S3、Ce2Pb、Bi2Ce4、CeAl2等，从而抑制其有害作用。

但是，Ce的加入量，应该根据干扰元素的情况通过试验确定，不能太多，否则，又易于出现团块状石墨。

早年有人做过一组试验：

在经过球化处理的铁液中，先加入0.1％的锑，然后再分别取样，加入不同量（0％、0.05％、0.1％和0.2％）的Ce，以观察其对石墨形态的影响。

结果表明，加入0.1％的Ce效果最好，见图7。

a）不加Ceb）加Ce0.05％

c）加Ce0.1％d）加Ce0.2％

图7含梯的球墨铸铁铁液中加入铈后的石墨组织

3、采用高纯铸造生铁进行矫正

以前，世界各国生产要求特别严格的铸铁件时，大都采用瑞典生产的木炭生铁，这种生铁的杂质含量很低，表5中所列的是实际测定值的一例。

表5一种瑞典木炭生铁中各种干扰元素（杂质）的含量（％）

Σ杂质

＜0.01

＜0.025

0.006

0.008

0.007

0.010

0.020

0.003

0.001

0.044

后来，由于各行业对优质球墨铸铁件的需求增长很快，一般的铸造生铁难以适应这种要求，加以废钢中各种合金元素的含量不断增多，对高纯生铁的需求日益迫切。

木炭生铁虽然好，但价格昂贵，而且可供给的数量也有限，于是就出现了可以大量生产的高纯生铁。

这种生铁主要是将高炉炼得的铁液注入转炉中、用氧气吹炼而制成的，其中各种杂质的含量很低，而价格又具有相当的吸引力。

吹炼高纯生铁产生的炉渣中含有多种金属氧化物，从中可以提炼稀、贵的金属。

例如，某处铁矿石中含有钒和钛，吹炼高纯生铁时产生的炉渣就是提炼钒、钛的原料，炼铁企业出售炉渣所得的收益几乎与生铁的价值相当。

因此，炼铁厂生产的高纯生铁，可充分利用资源，在售价方面也就颇具优势，这种生铁的前景当然看好。

最早生产这种生铁的是加拿大的QIT-FeretTitane公司，该公司位于Quebec省的Sorel，因而其生产的高纯生铁的商品名称是“Sorelmetal”。

后来，该公司在南非建立了RMB公司，也生产Sorelmetal（QIT铸造生铁）。

Sorelmetal的生产已有约50年的历史，起初，广泛应用于美国和加拿大的汽车行业，后来销往世界各国，我国也早就有铸造企业在炉料中配用。

SorelmetalRF-1是高纯生铁的牌号之一，其中5种基本元素的含量见表6，其他杂质的含量见表7。

表6SorelmetalRF-1高纯生铁5元素的含量（％）

规格

3.90～4.70

＜0.40

＜0.05

＜0.04

＜0.025

实际测定值

4.25

0.15

0.022

0.028

0.013

表7SorelmetalRF-1高纯生铁中杂质元素含量的实际测定值（％）

元素

实测含量值

元素

实测含量值

元素

实测含量值

元素

实测含量值

0.00745

＜0.00001

0.02075

0.00208

0.00006

0.01817

0.00092

0.00004

0.00100

0.00285

＜0.00001

0.00035

0.00000

0.00013

＜0.00001

0.00006

＜0.00001

－

＜0.00004

0.00273

0.00167

－

据报道，日本、俄罗斯和巴西都生产类似的高纯生铁。

近年来，我国也已开始生产这种高纯生铁。

看来，采用高纯生铁是解决铸铁行业原材料困扰的重要途径之一，希望大家都来关注高纯生铁生产和应用方面的各种问题，使我国高纯生铁的生产能健康地发展、壮大，为提高我国铸铁件的技术含量创造条件。

目前，日本有两家企业生产高纯生铁，其牌号和成分规格见表7。

表7日本产高纯生铁的牌号和成分规格（未列范围者为最高值）（％）

牌号

DUCS-2X

3.60～3.86

0.10

0.010

0.020

0.005

DUCS-2Y

3.87～4.04

0.10

0.010

0.020

0.005

DUCS-2

3.60～4.10

0.10

0.010

0.020

0.005

DUCS-3

＞3.60

0.15

0.20

0.020

0.010

0.020

0.005

DUCS-N

＞3.60

0.15～0.70

0.20

0.025

0.015

0.010

0.030

－

DUCS-H

＞3.60

0.15～0.70

0.20

0.025

0.020

0.010

0.030

－

DUCS-H2

＞3.60

0.30

0.07

0.030

0.025

0.005

0.025

0.005

0.007

DUCS-HS

＞3.60

0.71～1.30

0.20

0.025

0.020

0.010

0.030

－

最近，我国河北承德市保通铸铁型材公司也生产两种高纯生铁，已经向铸造行业供货，其成分规格见表8和表9。

表8高纯生铁的分级及成分规格（未列范围者为最高值）（％）

牌号

AsiabarCT-1

3.4～3.7

0.4

0.05

0.03

0.015

0.008

0.025

0.020

0.008

AsiabarCT-2

0.015～0.025

表9高纯生铁微量元素含量的控制值（最大值）（％）

0.002

0.020

0.002

0.0006

0.005

0.0050

0.030

0.020

0.050

阅读

展开阅读全文