如何面對(duì)鑄鐵中干擾元素的影響

..如何面對(duì)鑄鐵中干擾元素的影響

中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)李傳軾

這里所說(shuō)的"干擾元素",是對(duì)灰鑄鐵和球墨鑄鐵的性能有負(fù)面影響而言的,不一定都是通常所謂的有害元素,其中有的在鋼材中是重要的合金元素,有的對(duì)于某些合金鑄鐵也是必不可少的。干擾元素的來(lái)源有三個(gè)方面：

一是鋼材、鑄鋼件和鑄鐵件中通常都含有的有害元素,如硫、磷〔一些耐磨鑄鐵中有時(shí)故意加入少量的磷、鉛〔易切削鋼中有時(shí)加入少量的鉛等；

二是為改善鋼材的性能而特意加入的合金元素,如錳、鉻、鉬、鈦、釩、鈮、硼等；

三則是混雜在爐料中的污染物。

一．問(wèn)題的提出

改革開(kāi)放以來(lái),隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,我國(guó)鑄造行業(yè)欣欣向榮,鑄件的產(chǎn)量增長(zhǎng)很快,為了使大家有明確的印象,下面簡(jiǎn)要地列出一組統(tǒng)計(jì)數(shù)字：

1986年,我國(guó)各類鑄件的總產(chǎn)量為440萬(wàn)噸；

1996年,我國(guó)各類鑄件的總產(chǎn)量為1090萬(wàn)噸,其中各種鑄鐵件占875萬(wàn)噸；

20XX,我國(guó)各類鑄件的總產(chǎn)量為2810萬(wàn)噸,其中各種鑄鐵件占2100萬(wàn)噸。

鑄件產(chǎn)量的迅速增長(zhǎng),拉動(dòng)了對(duì)各種金屬原材料的需求,鑄造生鐵、廢鋼和各種鐵合金的供應(yīng)日趨緊張,不僅價(jià)格不斷上漲,質(zhì)量也難以穩(wěn)定一致。

另一方面,隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展,對(duì)各類鑄件的質(zhì)量要求日益提高,尤其是對(duì)高性能球墨鑄鐵件和厚截面、鐵素體球墨鑄鐵件的需求增多,等溫淬火球墨鑄鐵件和蠕墨鑄鐵件也逐步推廣應(yīng)用。所有這些,都要求提高鑄鐵材質(zhì)的純凈度,爐料帶來(lái)的干擾元素的影響逐漸成為大家不能不面對(duì)的問(wèn)題。

1．鑄造生鐵中的干擾元素

煉鋼用生鐵中所含的磷、硫等干擾元素,可以在以后的煉鋼過(guò)程中脫除,而鑄造生鐵只是在重熔后直接制成鑄件,各種干擾元素相當(dāng)一部分仍然保留,如果含量超過(guò)允許值,就會(huì)影響材質(zhì)的性能。制造高質(zhì)量鑄鐵件時(shí),原料生鐵中干擾元素的含量必須嚴(yán)格控制。

為適應(yīng)這種要求：我國(guó)于1982年制定了《GB718－82鑄造用生鐵》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),以區(qū)別于煉鋼生鐵；1985年又制定了《GB1412－85球墨鑄鐵用生鐵》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；冶金工業(yè)部于1990還制定了一項(xiàng)規(guī)定微量元素含量的推薦性鑄造生鐵標(biāo)準(zhǔn)《YB〔T14-90鑄造用生鐵》,其中對(duì)P、S、As、Pb、Sn、Sb、Zn、Cr、Ni、Cu、V、Ti、Mo等元素的允許含量都作了具體的規(guī)定。

但是,兩項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)后來(lái)也都變更為推薦性標(biāo)準(zhǔn),加以鑄造行業(yè)對(duì)生鐵的需求增長(zhǎng)很快,供應(yīng)緊張,許多生產(chǎn)廠家執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的力度不能令人滿意,鑄造生鐵的質(zhì)量參差不齊。

特別是近十多年來(lái),我國(guó)鋼、鐵行業(yè)以舉世罕見(jiàn)的速度發(fā)展,鐵礦石很快由自給自足轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕蕾囘M(jìn)口。在這種情況下,鑄造生鐵的生產(chǎn)、供應(yīng)體系變化很大,更難以保證其質(zhì)量的穩(wěn)定一致。

加拿大、日本、瑞典、挪威、巴西、南非等國(guó)家,為適應(yīng)生產(chǎn)高質(zhì)量鑄件的要求,早已開(kāi)始生產(chǎn)高純鑄鐵供應(yīng),不僅滿足自己的需求,而且向世界各國(guó)的鑄造行業(yè)供貨。

近年來(lái),我國(guó)也有廠家生產(chǎn)高純生鐵,但由于推廣、應(yīng)用的力度不夠,還未能充分發(fā)揮其作用。今后,希望我國(guó)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄鐵件的廠家對(duì)國(guó)產(chǎn)的高純生鐵給予更多的關(guān)注。

2．廢鋼中的合金元素

近20年來(lái),各種鋼材都在向薄壁化、輕量化、強(qiáng)韌化的方向發(fā)展,低合金鋼的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。1980年前后,常用的一般鋼材主要是碳鋼,低合金鋼所占的比重不到20％,20XX,常用鋼材中低合金鋼所占的比重已達(dá)50％左右,甚至更高一些。從資源的充分利用、各種裝備的輕量化、工藝技術(shù)的進(jìn)步等方面看來(lái),當(dāng)然是好事,而且這種趨勢(shì)今后仍將繼續(xù),但是,廢鋼中這類合金元素的增多,卻給鑄鐵業(yè)帶來(lái)了許多棘手的問(wèn)題,不能不采取必要的應(yīng)對(duì)措施。

目前,各類鋼材中含合金元素的大致情況見(jiàn)表1。

與此同時(shí),鑄造行業(yè)的熔煉工藝也在不斷變革。從上世紀(jì)60年代起,鑄鐵行業(yè)中采用感應(yīng)電爐作為熔煉設(shè)備的企業(yè)逐漸增多。尤其是70年代以后,中頻無(wú)心感應(yīng)電爐的電源有了重大的改進(jìn),熔制鑄鐵時(shí)熱效率可達(dá)到70%,電爐設(shè)備和所用的耐火材料也在不斷發(fā)展,因而其應(yīng)用日益廣泛。用感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時(shí),爐料中鑄造生鐵錠的用量很少,廢鋼所占的份額增多,而鋼材中的合金元素對(duì)鑄鐵〔尤其是球墨鑄鐵的性能卻大都有負(fù)面影響,甚至成了污染元素。

另一方面,在沖天爐熔煉過(guò)程易于脫除的低沸點(diǎn)元素,如Pb〔1755℃、Sb〔1640℃、Bi〔1481℃、Te〔989.8℃、As〔615℃升華、Cd〔767℃、Zn〔419.5℃等,用感應(yīng)電爐熔煉時(shí)就較難以脫除,從而易于顯現(xiàn)其負(fù)面影響。

除此以外,由于對(duì)廢鋼的需求量大增,其來(lái)源涉及到各行各業(yè),混入一些污染元素,如鉛、鋁、鋅等,也在所難免。

二．干擾元素對(duì)鑄鐵性能的影響

1．形成碳化物

鋼材中的合金元素,如Mn、Cr、V、Mo、Ti、B等,都是很強(qiáng)的碳化物形成元素,而且易偏析于鑄件最后凝固的部位,在晶界處濃度很高。對(duì)于灰鑄鐵,由于其組織中存在大量片狀石墨,強(qiáng)度本來(lái)就不高,延性和韌性很差,晶界處碳化物的影響并不那么明顯。對(duì)于球墨鑄鐵,尤其是鐵素體球墨鑄鐵件、等溫淬火球墨鑄鐵件和優(yōu)質(zhì)厚截面球墨鑄鐵件,晶界處碳化物的影響往往是至關(guān)重要的。

圖1和圖2都是厚壁球墨鑄鐵件晶界處的碳化物。這類碳化物對(duì)材質(zhì)的力學(xué)性能影響很大,而且出現(xiàn)這類碳化物時(shí)鑄件內(nèi)部往往隨之產(chǎn)生小的縮孔或疏松。

表2中列出了這類元素的來(lái)源、對(duì)鑄鐵性能的影響及建議的含量控制值〔特殊情況下作為合金元素加入時(shí)例外。

2．對(duì)石墨球化的影響

鑄鐵中加入Mg和以Ce為代表的稀土元素后,可以使石墨球化。如果金屬爐料中含有阻礙石墨球化的元素,就會(huì)影響石墨的球化。阻礙石墨球化的作用大致可分為兩個(gè)方面：

〔1與Mg或稀土元素反應(yīng),產(chǎn)生氧化物、硫化物和氮化物,消耗球化元素。

起這種作用的主要是氧、硫和氮。此外,碲〔Te和硒〔Se也是消耗球化劑的元素。

〔2球狀石墨生成后,提高鑄鐵中的液相的穩(wěn)定性,使石墨長(zhǎng)大過(guò)程中,在各個(gè)方向成長(zhǎng)不均勻,從而導(dǎo)致石墨球畸變。

起這種作用的主要是磷、鋁、錫、銅、硼、銻、鈦、鈮等元素。這類元素偏析的傾向強(qiáng),可以使鐵中的液相穩(wěn)定,促進(jìn)石墨成長(zhǎng)的異向性,從而影響石墨的形態(tài)。

硼、錫、銻、銅對(duì)石墨形態(tài)的影響見(jiàn)圖3。

還有一些元素,如鉛、鉍等,兼有上述兩種作用。

各種影響石墨球化的元素及其作用,簡(jiǎn)略歸納于表3.

但是,鐵液中含鈦量增多時(shí),各種元素的允許含量還應(yīng)進(jìn)一步降低。在不同的鈦含量下,砷、錫、鉍、鉛、銻等元素的球墨鑄鐵中石墨形態(tài)的影響見(jiàn)圖4。

因此,生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)球墨鑄鐵件時(shí),應(yīng)特別留意鑄鐵中的鈦含量。

最近,制造高強(qiáng)度球墨鑄鐵件時(shí),常常加入較多的銅。在這種條件下,應(yīng)盡可能地將鑄鐵中的鋁含量控制得低一些。

3．產(chǎn)生縮孔的傾向增大

縮孔的特征有表面縮孔和內(nèi)部的縮孔、縮松。鈦、鋁的含量增高,鐵液的流動(dòng)性惡化,產(chǎn)生表面縮孔的傾向增大。磷、錳、鉻、釩、鉬等元素易偏析于最后凝固的部位,形成復(fù)合碳化物,導(dǎo)致產(chǎn)生內(nèi)部縮孔、縮松的傾向增大。日本三重縣技術(shù)綜合研究所藤川、村川等人的研究工作表明：灰鑄鐵中含有鋁、鈦、釩、鉻、磷等元素,產(chǎn)生縮孔的傾向增大；球墨鑄鐵中,鋁含量自0.02％增加到0.4％,產(chǎn)生縮孔的傾向增大。

4．灰鑄鐵的強(qiáng)度降低

灰鑄鐵組織中石墨的形態(tài)〔A型、B型、C型、D型或型E,對(duì)其力學(xué)性能有重要的影響,難以由硬度預(yù)測(cè)其強(qiáng)度?；诣T鐵中鉛含量在0.005％以上,就可能產(chǎn)生魏氏體型石墨,導(dǎo)致強(qiáng)度顯著降低。如果鑄鐵中還含有鋁、氫、鈣等元素,鉛含量在0.005％以下,就可能出現(xiàn)魏氏體型石墨。

一種厚壁灰鑄鐵件〔厚度100～150㎜在使用過(guò)程中破斷,作失效分析時(shí)發(fā)現(xiàn),雖然基體組織基本上是珠光體,由于石墨為魏氏體型,硬度為148HB,分析結(jié)果表明鉛含量很高,為0.025％,破斷處的顯微組織見(jiàn)圖5。

灰鑄鐵中常加入銻或錫,以穩(wěn)定珠光體,提高其硬度。但是,如加入量太多,雖然硬度提高了,強(qiáng)度卻反而會(huì)降低。碳當(dāng)量較高的灰鑄鐵中,錫的加入量對(duì)灰鑄鐵硬度和強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖6?；诣T鐵中添加銻,也有同樣的影響,而且易于使石墨的形態(tài)變異。

灰鑄鐵強(qiáng)度低下時(shí),有必要注意鈦的有害作用。鈦含量增多時(shí),加以鐵液中含有的硫的作用,會(huì)促使D型石墨形成。部分石墨成為D型后,基體組織中的鐵素體增多,會(huì)使鑄鐵的強(qiáng)度降低。干擾元素‘鈦’不僅來(lái)自廢鋼,我國(guó)生產(chǎn)的高硅鑄造生鐵中也往往含有鈦,選用時(shí)應(yīng)加注意。印度生產(chǎn)的鑄造生鐵中也有這樣的問(wèn)題。

6．鑄鐵的硬度低

近年來(lái),美國(guó)經(jīng)常發(fā)生珠光體球墨鑄鐵的硬度低于尋常的情況,為查明其原因進(jìn)行了研究,最近已經(jīng)明確這是硼的影響。

鑄鐵中硼含量超過(guò)0.002％,就可以抑制銅穩(wěn)定珠光體的作用,使鑄鐵的硬度降低。因此,生產(chǎn)中不僅要注意廢鋼和其他爐料中所含的硼,采用感應(yīng)電爐熔煉時(shí),還應(yīng)注意筑爐材料中加入的硼酸所造成的污染。

7．感應(yīng)電爐爐襯的壽命低

近年來(lái),用于熔煉鑄鐵的感應(yīng)電爐日益增多,爐襯壽命不高的情況也十分多見(jiàn),當(dāng)然,耐火材料品質(zhì)不高、筑爐工藝掌握不好是出現(xiàn)這類問(wèn)題的主要原因,但是,也不能忽視爐料帶來(lái)的問(wèn)題。

如果采用鍍鋅鋼板作爐料,鋅受熱后蒸發(fā),侵入爐襯內(nèi),就會(huì)使?fàn)t料壽命降低。新筑的爐襯燒結(jié)期間,鋅蒸汽的影響尤為嚴(yán)重。

三．消除干擾元素有害作用的措施

熔煉鑄鐵時(shí),爐料中所含的干擾元素的負(fù)面影響是不容忽視的,為了確保鑄件的質(zhì)量,不能不采取必要的應(yīng)對(duì)措施。

1．嚴(yán)格管理爐料、控制鐵液的化學(xué)成分

要控制各種干擾元素的影響,首先要確知問(wèn)題的所在、測(cè)定可能導(dǎo)致產(chǎn)生問(wèn)題的各元素的含量,然后才有可能采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

如果采用光譜分析儀,分析各種合金元素、微量元素以及其他干擾元素的含量都很方便,還可根據(jù)爐前分析,對(duì)鐵液的成分進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。目前,我國(guó)的鑄鐵生產(chǎn)企業(yè)中,具備這種條件的很少。分析質(zhì)量問(wèn)題時(shí),除C、Si、Mn、P、S五元素外,能測(cè)定其他合金元素和微量元素含量的企業(yè)也不多。面對(duì)當(dāng)前原材料供應(yīng)方面變數(shù)很多的情況,生產(chǎn)技術(shù)含量較高的鑄件時(shí),要確保鑄件質(zhì)量并使之穩(wěn)定一致,難度實(shí)在不小。

從這一點(diǎn)看來(lái),各地區(qū)由鑄造協(xié)會(huì)牽頭建立面向生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)服務(wù)中心,并配備必要的檢測(cè)設(shè)施是非常必要的。

對(duì)于生產(chǎn)球墨鑄鐵件,除C、Si以外,各種合金元素、微量元素和有害元素的含量的控制值見(jiàn)表4。表中提到的"阻礙鐵素體化系數(shù)",是該元素在鐵素體球墨鑄鐵中允許最高含量的倒數(shù),數(shù)值越高,穩(wěn)定珠光體的作用越強(qiáng)。

2．抑制干擾元素的影響

如果球墨鑄鐵中含有干擾元素,影響石墨的球狀化、導(dǎo)致石墨畸變,可通過(guò)加入合金元素以抑制其有害作用,在這方面,首先要提到的是鈰〔Ce。

Ce是活性很強(qiáng)的元素,可以與多種干擾元素作用,形成高熔點(diǎn)的化合物,如Ce2Sb2O3、Ce2S3、Ce2Pb、Bi2Ce4、CeAl2等,從而抑制其有害作用。但是,Ce的加入量,應(yīng)該根據(jù)干擾元素的情況通過(guò)試驗(yàn)確定,不能太多,否則,又易于出現(xiàn)團(tuán)塊狀石墨。

早年有人做過(guò)一組試驗(yàn)：在經(jīng)過(guò)球化處理的鐵液中,先加入0.1％的銻,然后再分別取樣,加入不同量〔0％、0.05％、0.1％和0.2％的Ce,以觀察其對(duì)石墨形態(tài)的影響。結(jié)果表明,加入0.1％的Ce效果最好,見(jiàn)圖7。

圖7含梯的球墨鑄鐵鐵液中加入鈰后的石墨組織3、采用高純鑄造生鐵進(jìn)行矯正

以前,世界各國(guó)生產(chǎn)要求特別嚴(yán)格的鑄鐵件時(shí),大都采用瑞典生產(chǎn)的木炭生鐵,這種生鐵的雜質(zhì)含量很低,表5中所列的是實(shí)際測(cè)定值的一例。

后來(lái),由于各行業(yè)對(duì)優(yōu)質(zhì)球墨鑄鐵件的需求增長(zhǎng)很快,一般的鑄造生鐵難以適應(yīng)這種要求,加之廢鋼中各種合金元素的含量不斷增多,對(duì)高純生鐵的需求日益迫切。木炭生鐵雖然好,但價(jià)格昂貴,而且可供給的數(shù)量也有限,于是就出現(xiàn)了可以大量生產(chǎn)的高純生鐵。這種生鐵是將高爐煉得的鐵液注入轉(zhuǎn)爐中、用氧氣吹煉而制成的,其中各種雜質(zhì)的含量很低,而價(jià)格又具有相當(dāng)?shù)奈Α?/p>

吹煉高純生鐵產(chǎn)生的爐渣中含有多種金屬氧化物,從中可以提煉稀、貴的金屬。例如,某處鐵礦石中含有釩和鈦,吹煉高純生鐵時(shí)產(chǎn)生的爐渣就是提煉釩、鈦的原料,煉鐵企業(yè)出售爐渣所得的收益幾乎與生鐵的價(jià)值相當(dāng)。因此,煉鐵廠生產(chǎn)的高純生鐵,可充分利用資源,在售價(jià)方面也就頗具優(yōu)勢(shì),這種生鐵的前景當(dāng)然看好。

最早生產(chǎn)這種生鐵的是加拿大的QIT-FeretTitane公司,該公司位于Quebec省的Sorel,因而其生產(chǎn)的高純生鐵的商品名稱是"Sorelmetal"。后來(lái),該公司在南非建立了RMB公司,也生產(chǎn)Sorelmetal〔QIT鑄造生鐵。Sorelmetal的生產(chǎn)已有約50年的歷史,起初,廣泛應(yīng)用于美國(guó)和加拿大的汽車行業(yè),后來(lái)銷往世界各國(guó),我國(guó)也早就有鑄造企業(yè)在爐料中配用。

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