如何面对铸铁中干扰元素的影响.docx

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如何面对铸铁中干扰元素的影响

如何面对铸铁中干扰元素的影响

            作者：

中国铸造协会李传轼

  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，各类钢材中含合金元素的大致情况见表1。

  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。

  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）。

  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。

  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. 

  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。

  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。

  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。

  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。

  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