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发布日期：2023-08-11 11:20:28 作者：admin 点击：3112
铸铁件中干扰元素的影响及控制措施
一、铸铁件中的干扰元素
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：
①是废钢、生铁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；
②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；
③则是混杂在炉料中的砂子、油渍、锈蚀、油漆等污染物。
1、生铁中的干扰元素
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。铸造用生铁，尤其是高质量铸件使用的高纯生铁对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。
2、废钢中的合金元素
目前，各类常用钢材中含合金元素的大致情况见表1。
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。
由于铸造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。
3、反球化指数K1
1970年德国蒂勒曼(Thielemann) 提出了一个计算式K1，以来评估原材料(生铁，回炉料，废钢) 中干扰元素对球化的影响，干扰元素包括Pb、Bi、Al、Sb、Sn、As、Ti等。
K1=4.4Ti+2.0As+2.3Sn+5.0Sb+290Pb+370Bi+1.6Al
这个计算式也往往被世界各地的铸造厂，称为反球化指数K1,并且用于最终化学成分，即如果控制在K1<1，可以生产出符合基本要求的球墨铸铁球化率在85%、有的认为80%以上的球墨铸铁。
K1值越低，球化率越高，球化质量越好。
K1<0.6是生产高纯铸件的要求。
当K1>1.2时就必须要加入稀土来消除干扰元素的有害作用理论上，对于镁处理的球铁，稀土可以在K1值达到2时，即K1<2时消除干扰元素对石墨球的有害作用，超过2则消除不了。当K1<1.2时，加入稀土有好的作用，提高石墨球数，提高球铁性能。
4、微量元素总和∑T
还有一种控制反球化元素的方法，就是控制有害微量的反球化元素总和要尽量低，即∑T=Ti+Cr+V+Mo+Sn+Sb+Pb+Bi+Te+As+B+Al
12个微量元素总和∑T<0.1%、其中钛<0.045%。∑T与球化率的关系见下图
看的出来，要得到球化率≥80%，∑T要小于0.1%，而要求球化率≥90%，则∑T必须降到0.06%以下。
∑T<0.06%是生产高纯铸件的要求，球化率才能好。
高纯生铁就是严格控制微量元素的含量。
有的高纯生铁标准中规定11个微量元素∑T<0.05%，则是不含钛Ti。
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）。
表2 铸铁中常见的碳化物形成元素
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。
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0.04％，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，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148 HB，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。
5．铸铁的硬度低
对于生产中经常发生珠光体球墨铸铁的硬度低于平常的情况，其原因经过研究是硼的影响。
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。
6．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。
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