別讓鑄鐵熔煉中元素的負(fù)面作用干擾你的判斷！

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。產(chǎn)生干擾元素的原因有三個(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．問題的提出

鑄件產(chǎn)量的迅速增長，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。
此外，隨著我國工業(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，爐料帶來的干擾元素的影響逐漸成為大家不能不面對(duì)的問題。

1．鑄造生鐵中的干擾元素
煉鋼用生鐵中所含的磷、硫等有害元素和其他干擾元素，可以在以后的煉鋼過程中脫除，而鑄造生鐵只是在重熔后直接制成鑄件，各種有害元素和干擾元素相當(dāng)一部分仍然保留，如果含量超過允許值，就會(huì)影響材質(zhì)的性能。制造高質(zhì)量鑄鐵件時(shí)，原料生鐵中有害元素和干擾元素的含量必須嚴(yán)格控制。
為適應(yīng)這種要求：我國于1982年制定了GB718－82 《鑄造用生鐵》國家標(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（T）14－90 《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)國家標(biāo)準(zhǔn)后來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，我國鋼、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、南非等國家，為適應(yīng)生產(chǎn)高質(zhì)量鑄件的要求，早已開始生產(chǎn)高純鑄鐵供應(yīng)，不僅滿足自己的需求，而且向世界各國的鑄造行業(yè)供貨。
最近幾年來，我國也有廠家生產(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，希望我國生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄鐵件的廠家對(duì)國產(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，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％，2005年，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，當(dāng)然是好事，而且這種趨勢今后仍將繼續(xù)，但是，廢鋼中這類合金元素的增多，卻給鑄鐵業(yè)帶來了許多棘手的問題，不能不采取必要的應(yīng)對(duì)措施。
目前，各類常用鋼材中含合金元素的大致情況見表1。


表1 常用鋼材中的合金元素含量（％）

除此之外，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。



圖1 富Ti的晶界碳化物 圖2 富Mo的復(fù)合碳化物

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（特殊情況下作為合金元素加入時(shí)例外）。

表2 鑄鐵中常見的碳化物形成元素

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，使石墨長大過程中，在各個(gè)方向成長不均勻，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。


a）含B 0.04％ b）含Sn 0.48％；


b）含Sb 0.085％ d）含Cu 2.25％

圖3 硼、錫、銻、銅對(duì)石墨形態(tài)的影響

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，簡略歸納于表3.


表3 影響石墨球化的元素及其對(duì)石墨組織的影響

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)的影響見圖4。


圖4 在不同的鈦含量下，砷、錫、鉍、鉛、銻對(duì)石墨形態(tài)的影響

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148 HB，分析結(jié)果表明鉛含量很高，為0.025％，破斷處的顯微組織見圖5。



圖5 厚壁灰鑄鐵件中因含鉛而致的魏氏體型石墨

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)度的影響見圖6。灰鑄鐵中添加銻，也有同樣的影響，而且易于使石墨的形態(tài)變異。



圖6 錫加入量對(duì)灰鑄鐵硬度和抗拉強(qiáng)度的影響
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’不僅來自廢鋼，我國生產(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題。

5．鑄鐵的硬度低
近年來，美國經(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。

6．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，爐襯壽命不高的情況也十分多見，當(dāng)然，耐火材料品質(zhì)不高、筑爐工藝掌握不好是出現(xiàn)這類問題的主要原因，但是，也不能忽視爐料帶來的問題。
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，首先要確知問題的所在、測定可能導(dǎo)致產(chǎn)生問題的各元素的含量，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)量問題時(shí)，除C、Si、Mn、P、S五元素外，能測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，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)。


表4 球墨鑄鐵中各種合金元素、干擾元素含量的控制值

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。
早年有人做過一組試驗(yàn)：在經(jīng)過球化處理的鐵液中，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，見圖7。


a）不加Ce b）加Ce0.05％


b）加Ce0.1％ d）加Ce0.2％

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)際測定值的一例。



表5 一種瑞典木炭生鐵中各種干擾元素（雜質(zhì)）的含量（％）

后來，由于各行業(yè)對(duì)優(yōu)質(zhì)球墨鑄鐵件的需求增長很快，一般的鑄造生鐵難以適應(yīng)這種要求，加以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。這種生鐵主要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?br /> 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，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-Fer et Titane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)用于美國和加拿大的汽車行業(yè)，后來銷往世界各國，我國也早就有鑄造企業(yè)在爐料中配用。
Sorelmetal RF-1是高純生鐵的牌號(hào)之一，其中5種基本元素的含量見表6，其他雜質(zhì)的含量見表7。


表6 Sorelmetal RF-1高純生鐵5元素的含量（％）


表7 Sorelmetal RF-1高純生鐵中雜質(zhì)元素含量的實(shí)際測定值（％）

據(jù)相關(guān)報(bào)道稱，日本、俄羅斯和巴西都生產(chǎn)類似的高純生鐵。最近幾年來，我國也已開始生產(chǎn)這種高純生鐵。
看來，采用高純生鐵是解決鑄鐵行業(yè)原材料困擾的重要途徑之一，希望大家都來關(guān)注高純生鐵生產(chǎn)和應(yīng)用方面的各種問題，使我國高純生鐵的生產(chǎn)能健康地發(fā)展、壯大，為提高我國鑄鐵件的技術(shù)含量創(chuàng)造條件。
目前，日本有兩家企業(yè)生產(chǎn)高純生鐵，其牌號(hào)和成分規(guī)格見表7。


表7 日本產(chǎn)高純生鐵的牌號(hào)和成分規(guī)格（未列范圍者為最高值） （％）

近日，我國河北承德市保通鑄鐵型材公司也生產(chǎn)兩種高純生鐵，已經(jīng)向鑄造行業(yè)供貨，其成分規(guī)格見表8和表9。


表8 高純生鐵的分級(jí)及成分規(guī)格（未列范圍者為最高值） （％）


表9 高純生鐵微量元素含量的控制值（最大值） （％）