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

作者：中國(guó)鍛造協(xié)會(huì)李傳軾這里所說的“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，不一定都是普通所謂的有害元素，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。干擾元素的來源有三個(gè)方面：

一是鋼材、鑄鋼件和鑄鐵件中普通都含有的有害元素，如硫、磷（某些耐磨鑄鐵中有時(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．問題的提出

改革開放以來，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)鍛造行業(yè)欣欣向榮，鑄件的產(chǎn)量增加很快，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440萬噸；

1996年，我國(guó)各類鑄件的總產(chǎn)量為1090萬噸，其中多個(gè)鑄鐵件占875萬噸；

，我國(guó)各類鑄件的總產(chǎn)量為2810萬噸，其中多個(gè)鑄鐵件占2100萬噸。

鑄件產(chǎn)量的快速增加，拉動(dòng)了對(duì)多個(gè)金屬原材料的需求，鍛造生鐵、廢鋼和多個(gè)鐵合金的供應(yīng)日趨緊張，不僅價(jià)格不停上漲，質(zhì)量也難以穩(wěn)定一致。

另首先，隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，對(duì)各類鑄件的質(zhì)量規(guī)定日益提高，特別是對(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。全部這些，都規(guī)定提高鑄鐵材質(zhì)的純凈度，爐料帶來的干擾元素的影響逐步成為大家不能不面對(duì)的問題。

1．鍛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，能夠在后來的煉鋼過程中脫除，而鍛造生鐵只是在重熔后直接制成鑄件，多個(gè)干擾元素相稱一部分仍然保存，如果含量超出允許值，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)這種規(guī)定：我國(guó)于1982年制訂了《GB718－82鍛造用生鐵》國(guó)標(biāo)，以區(qū)別于煉鋼生鐵；1985年又制訂了《GB1412－85球墨鑄鐵用生鐵》國(guó)標(biāo)；冶金工業(yè)部于1990還制訂了一項(xiàng)規(guī)定微量元素含量的推薦性鍛造生鐵原則《YB（T）14-90鍛造用生鐵》，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)標(biāo)后來也都變更為推薦性原則，加以鍛造行業(yè)對(duì)生鐵的需求增加很快，供應(yīng)緊張，許多生產(chǎn)廠家執(zhí)行原則的力度不能令人滿意，鍛造生鐵的質(zhì)量參差不齊。

特別是近十?dāng)?shù)年來，我國(guó)鋼、鐵行業(yè)以舉世罕見的速度發(fā)展，鐵礦石很快由自給自足轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾蕾囘M(jìn)口。在這種狀況下，鍛造生鐵的生產(chǎn)、供應(yīng)體系變化很大，更難以確保其質(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)量鑄件的規(guī)定，早已開始生產(chǎn)高純鑄鐵供應(yīng)，不僅滿足自己的需求，并且向世界各國(guó)的鍛造行業(yè)供貨。

近年來，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，尚未能充足發(fā)揮其作用。此后，但愿我國(guó)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄鐵件的廠家對(duì)國(guó)產(chǎn)的高純生鐵予以更多的關(guān)注。

2．廢鋼中的合金元素

近來，多個(gè)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)用范疇日益擴(kuò)大。1980年前后，慣用的普通鋼材重要是碳鋼，低合金鋼所占的比重不到20％，，慣用鋼材中低合金鋼所占的比重已達(dá)50％左右，甚至更高某些。從資源的充足運(yùn)用、多個(gè)裝備的輕量化、工藝技術(shù)的進(jìn)步等方面看來，固然是好事，并且這種趨勢(shì)此后仍將繼續(xù)，但是，廢鋼中這類合金元素的增多，卻給鑄鐵業(yè)帶來了許多棘手的問題，不能不采用必要的應(yīng)對(duì)方法。

現(xiàn)在，各類鋼材中含合金元素的大致狀況見表1。與此同時(shí)，鍛造行業(yè)的熔煉工藝也在不停變革。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)備的公司逐步增多。特別是70年代后來，中頻無心感應(yīng)電爐的電源有了重大的改善，熔制鑄鐵時(shí)熱效率可達(dá)成70%，電爐設(shè)備和所用的耐火材料也在不停發(fā)展，因而其應(yīng)用日益廣泛。用感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時(shí)，爐料中鍛造生鐵錠的用量極少，廢鋼所占的份額增多，而鋼材中的合金元素對(duì)鑄鐵（特別是球墨鑄鐵）的性能卻大都有負(fù)面影響，甚至成了污染元素。

另首先，在沖天爐熔煉過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，其來源涉及到各行各業(yè)，混入某些污染元素，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，并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)度原來就不高，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，特別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，并且出現(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源、對(duì)鑄鐵性能的影響及建議的含量控制值（特殊狀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，能夠使石墨球化。如果金屬爐料中含有妨礙石墨球化的元素，就會(huì)影響石墨的球化。妨礙石墨球化的作用大致可分為兩個(gè)方面：

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

起這種作用的重要是氧、硫和氮。另外，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)大過程中，在各個(gè)方向成長(zhǎng)不均勻，從而造成石墨球畸變。

起這種作用的重要是磷、鋁、錫、銅、硼、銻、鈦、鈮等元素。這類元素偏析的傾向強(qiáng)，能夠使鐵中的液相穩(wěn)定，增進(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)的影響見圖3。

尚有某些元素，如鉛、鉍等，兼有上述兩種作用。

多個(gè)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)，多個(gè)元素的允許含量還應(yīng)進(jìn)一步減少。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)的影響見圖4。因此，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)球墨鑄鐵件時(shí)，應(yīng)特別留心鑄鐵中的鈦含量。

近來，制造高強(qiáng)度球墨鑄鐵件時(shí)，經(jīng)常加入較多的銅。在這種條件下，應(yīng)盡量地將鑄鐵中的鋁含量控制得低某些。

3．產(chǎn)生縮孔的傾向增大

縮孔的特性有表面縮孔和內(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，造成產(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)度減少

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，造成強(qiáng)度明顯減少。如果鑄鐵中還含有鋁、氫、鈣等元素，鉛含量在0.005％下列，就可能出現(xiàn)魏氏體型石墨。

一種厚壁灰鑄鐵件（厚度100～150㎜）在使用過程中破斷，作失效分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使基體組織基本上是珠光體，由于石墨為魏氏體型，硬度為148HB，分析成果表明鉛含量很高，為0.025％，破斷處的顯微組織見圖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，即使硬度提高了，強(qiáng)度卻反而會(huì)減少。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)度的影響見圖6?；诣T鐵中添加銻，也有同樣的影響，并且易于使石墨的形態(tài)變異?；诣T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)度減少。干擾元素‘鈦’不僅來自廢鋼，我國(guó)生產(chǎn)的高硅鍛造生鐵中也往往含有鈦，選用時(shí)應(yīng)加注意。印度生產(chǎn)的鍛造生鐵中也有這樣的問題。

6．鑄鐵的硬度低

近年來，美國(guó)經(jīng)常發(fā)生珠光體球墨鑄鐵的硬度低于尋常的狀況，為查明其因素進(jìn)行了研究，近來已經(jīng)明確這是硼的影響。

鑄鐵中硼含量超出0.002％，就能夠克制銅穩(wěn)定珠光體的作用，使鑄鐵的硬度減少。因此，生產(chǎn)中不僅要注意廢鋼和其它爐料中所含的硼，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，用于熔煉鑄鐵的感應(yīng)電爐日益增多，爐襯壽命不高的狀況也十分多見，固然，耐火材料品質(zhì)不高、筑爐工藝掌握不好是出現(xiàn)這類問題的重要因素，但是，也不能無視爐料帶來的問題。

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料壽命減少。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方法

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

1．嚴(yán)格管理爐料、控制鐵液的化學(xué)成分

要控制多個(gè)干擾元素的影響，首先要確知問題的所在、測(cè)定可能造成產(chǎn)生問題的各元素的含量，然后才有可能采用對(duì)應(yīng)的應(yīng)對(duì)方法。

如果采用光譜分析儀，分析多個(gè)合金元素、微量元素以及其它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)節(jié)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制?，F(xiàn)在，我國(guó)的鑄鐵生產(chǎn)公司中，含有這種條件的極少。分析質(zhì)量問題時(shí)，除C、Si、Mn、P、S五元素外，能測(cè)定其它合金元素和微量元素含量的公司也不多。面對(duì)現(xiàn)在原材料供應(yīng)方面變數(shù)諸多的狀況，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，各地區(qū)由鍛造協(xié)會(huì)牽頭建立面對(duì)生產(chǎn)公司的技術(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，多個(gè)合金元素、微量元素和有害元素的含量的控制值見表4。表中提到的“妨礙鐵素體化系數(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．克制干擾元素的影響

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

Ce是活性很強(qiáng)的元素，能夠與多個(gè)干擾元素作用，形成高熔點(diǎn)的化合物，如Ce2Sb2O3、Ce2S3、Ce2Pb、Bi2Ce4、CeAl2等，從而克制其有害作用。但是，Ce的加入量，應(yīng)當(dāng)根據(jù)干擾元素的狀況通過實(shí)驗(yàn)擬定，不能太多，否則，又易于出現(xiàn)團(tuán)塊狀石墨。

早年有人做過一組實(shí)驗(yàn)：在通過球化解決的鐵液中，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。成果表明，加入0.1％的Ce效果最佳，見圖7。

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

以前，世界各國(guó)生產(chǎn)規(guī)定特別嚴(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，由于各行業(yè)對(duì)優(yōu)質(zhì)球墨鑄鐵件的需求增加很快，普通的鍛造生鐵難以適應(yīng)這種規(guī)定，加之廢鋼中多個(gè)合金元素的含量不停增多，對(duì)高純生鐵的需求日益迫切。木炭生鐵即使好，但價(jià)格昂貴，并且可供應(yīng)的數(shù)量也有限，于是就出現(xiàn)了能夠大量生產(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，其中多個(gè)雜質(zhì)的含量很低，而價(jià)格又含有相稱的吸引力。

吹煉高純生鐵產(chǎn)生的爐渣中含有多個(gè)金屬氧化物，從中能夠提煉稀、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，煉鐵公司出售爐渣所得的收益幾乎與生鐵的價(jià)值相稱。因此，煉鐵廠生產(chǎn)的高純生鐵，可充足運(yùn)用資源，在售價(jià)方面也就頗具優(yōu)勢(shì)，這種生鐵的前景固然看好。

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，該公司在南非建立了RMB公司，也生產(chǎn)Sorelmetal（QIT鍛造生鐵）。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)，后來銷往世界各國(guó)，我國(guó)也早就有鍛造公司在爐料中配用。