合成铸铁氮气孔的形成与防止

王文中

山东省铸造协会

前言：

近几年，由于国家对环保排污标准不断提高，大多数冲天炉被中频感应电炉取代。中频电炉具有设备操作简便，铁液供应柔性等特点被广泛应用。又由于现代工业的发展产生大量的废钢，利用废钢代替生铁，可提高铸件性能及降低成本，又使中频感应电炉应用锦上添花。但中频感应电炉无显著的冶金反应，而是几种材料混合重熔的方式，金属液性能不稳定。过多的使用废钢，加入增碳剂进行增碳，又带来一些弊端。本文主要对铸铁氮气孔产生的原因和解决的措施进行总结。

1．合成铸铁与传统生产的区别

合成铸铁技术，就是改变了过去长期以来，在中频感应电炉内，一商用生铁作为主要炉料成分加入少量废钢进行调碳的配料方法，而是不用生铁或少用生铁，主要采用废钢加回炉料，配以增碳剂来达到指定的化学成分。原生铁中许多粗大的过晶石墨，这种石墨具有遗传

性，熔炼时温度低；不加入其它合金，粗大石墨很难消除。粗大石墨从液态遗传到固态铸件组织中，降低了材质性能。另一方面使凝固过程中本来应该产生石墨化析出膨胀作用削弱了，使凝固过程收缩倾向增大，铸件产生缩松、疏松、硬度下降。

2．多使用废钢加增碳剂有以下四个优点：

2．1铁液增碳；电炉在熔炼时，可增加外来石墨晶心，降低铁液的过冷度(也可称为预孕育处理)，球铁增加石墨球，灰铁石墨细、短，并以A型为主，提高了力学性能和加工性。

举例：某工厂因大量长期使用生铁，其遗传作用越来越突出，性能和组织也出现一定恶化，通过采用全废钢加回炉料；其金相组织改善，消除了粗大石墨的遗传影响，提高产品的切削性能和力学性能。表1为两种配料性能对比。

两种方案配料一致，化学成分相同，其全废钢工艺抗拉提高l 5—30Mpa，硬度提高10HB：而且本体硬度均匀。合理的采用增碳剂，提高了铁液石墨化能力强，使铁液的收缩性变小，减小了铸件产生缩松的倾向。另外利用硫阻碍石墨长成粗大片状的作用，达到细化石墨，增加石墨球数。硫又是阻碍石墨元素，过量会增加白口，因此灰铸铁控制在0．06-0．15％，球铁小于0．03％。从金相分析结果可以看出，采用全废钢石墨基本都是A型并且短小。

2．2废钢中的氮及增碳剂中的氮促进了珠光体形成和改变了石墨形态，提高了铸件性能。

2．3采用纯净的废钢和优质相匹配的增碳剂，可获得高强度的灰铸铁，甚至不加合金也能生产出HT300铸件。

2．4市场废钢价格低廉，大量使用废钢，降低了冶金成本，从综合成本计算：使用废钢熔化略有炉衬寿命降低、电耗高、多使用增碳剂，一吨铸件比使用生铁可节省200—500元， 这还不计产品质量，性能的提高。 (近期废钢与生铁差价700—800元)

3．使用废钢注意事项

3．1废钢尽量锈蚀少，FeO进入金属液产生夹渣物和气体，建议除锈处理。

3．2废钢无油污，特别是冲压打包料，内有大量油污。CO进入金属液，有所增碳和产生了气体。

3．3回炉料要去除表面粘砂，因为在熔化时浇口外的砂熔点高，需先熔化后再熔内部，延长了炉内熔化时间，浪费了能源，也使铁液硅酸盐夹杂物增加。

3．4铁屑无锈、油、水，有油水可放入炉底，加热时挥发。

3．5球墨铸铁用废钢要求高碳、高硅、低锰、低磷、低硫和极低的干扰元素：AI、As、B、Bi、Cr、Pb、Sb、Se、Sn、Te、Ti。灰铸铁根据材质的要求，可以含有少量合金元素。

4．氮气孔产生的原因与对策

在铸铁生产过程中，大量使用废钢和增碳剂，一旦控制不当，就会产生N2气孔，造成铸件报废。这是当前使用废钢最突出的缺陷。N气孔的形状见图4。

这是一种典型的析出性气孔，表面不光滑，附着一层碳，裂隙状。N气孔产生是：N以 原子状态溶解于金属液，成为溶质。在一定温度和压力条件下，N元素在金属中处于平衡状 态时，称饱和浓度，也称溶解度，也就是达到**溶解能力。当大量的气体进入超出溶解能力，在金属凝固时，将以分子态气体析出，富集一方，形成内部不规则的裂隙状气孔，当气孔中渗有H、o时，即呈现较大的内光洁气孔。相关文献表明：灰铸铁薄壁件10～15mm，N含量超130ppm，厚铸件40～80mm，N超出80PPm时，铸件就会产生气孔。

4．1．N气的来源和措施：

4．1．1．废钢的含N比生铁多，一般在100ppm，大量的N是从增碳剂中产生。表2为几种增碳剂技术数据。

注：①复合增碳剂为碎碳粉、石墨加粘结剂压制。

②石墨化增碳剂是将石油焦溶至2800,--3200"C。球墨铸铁尽量采用石墨化增碳剂，它高温处理，碳原子才能从原来的无序排列变成片状排列，片状石墨才能形成石墨形核的**核心，可促进石墨化。石墨化增碳剂经高温处理，硫被分解，S02气体逸出，硫分小于0．05％。当铁液比较纯洁时，内含各种气体少，也可选用N在小于1500ppm煅烧石油焦。对于灰铸件对增碳剂含N要求；要视铸件不产生N气孔的原则调整：①纯净的金属液可使用含N较高的增碳剂。②废钢中含锈蚀、油及水的金属液要使用含N低的增碳剂。

4．1．2．呋喃树脂在加工过程中加尿素进行催化，N残留在树脂中；金属液接触砂型N气即进入。呋喃树脂最高含N 7～9％，要采用低于2％树脂。另外树脂砂的酌减和加入量也要低，减少气体侵入。

4．1．3．金属液中的气体己超出临界含气量将产生析出气孔，一般都以N气为主。这些气体元素主要取决于所用原材料、熔炼操作，以下为注意事项：

a．炉料、合金、溶剂等入炉的材料，要严格无水、油、铁锈等杂物，要求干净和干燥，特别是炉中有金属液再加入的合金，以免这些物质反应生成气体和夹杂物。

b．熔炉炉气和空气湿度；金属从固体熔化到液态至浇注型腔内开始冷却，这一过程都是金属液在吸气的过程。所以要求金属液在熔化过程中和浇注容器内要覆盖，减少液面与空气接触。空气的湿度也促使金属液吸气增加。某单位座落在海边，产品为汽车刹车盘，材质为HT250，湿型生产，型芯为覆膜砂，每年7、8月雨季时N气孔废品率在10％左右，配料为废钢50％，增碳剂为石油焦。现改为石墨化增碳剂，改变废钢含油熔炼操作方法和熔化过程防止吸气，即消除了N气孔。以上说明N气的来源；增碳剂、树脂、熔化操作，在雨季气压低，湿度大，特别是海边潮湿，促使金属液吸气严重。

4．1．4其他除N气的措施

a．金属液进行吹氩脱气；将多孔塞安置在炉底或包底吹气，氩是惰性气体，上浮时带走金属液中的气体，一般吹15～25分钟。

b．包中加入0．25--0．35 1#稀土，或熔炼时加入0．5％～0．7％SIC预处理及过热处理和金属液镇静，都能起到很好的脱气作用。

c．使用含N高的增碳剂时，要使用高碳废钢，减少增碳剂用量及降低废钢使用量和增加生铁。

d．金属在熔炼和加入的合金时部分N被分解溢出，如：球墨铸铁加球化剂。采用固N 的方法消除N2气孔。固N的方法：通常加入少量的FeTi和Si—Zr孕育剂，利用Ti、Zr元素与N形成氮化物进行固N，其次是B、A1，加入量Zr、B、Tidx于0．05％，A1为0．1％(残留0．015～0．02％)。加入N稳定剂，生成稳定的氮化物，从而降低了溶解N的浓度，即减少了含N量，也起到脱N的作用。低碳高强度铸铁产生N气孔比较突出，加入Ti和Al可有效消除N气孔

5．氮在铁液中的作用

生产高牌号灰铸铁要充分调整含N量，起到合金化的机会。废钢中的N及增碳剂中的N促进了珠光体和改变了石墨形态，不能以降低碳当量的方式增加锰、铜、铬、钼、锡等合金提高强度，势必造成铸件收缩大，而是要充分利用N，有意识的将它作为一个有益的合金元素。在合适的区间内N含量在80．130PPM，铸件性能**。N在灰铸铁中的作用如下：

5．1 N使铁的共析转变温度降低，转变温度区间增大，当然与碳含量有关，含碳越高，N的影响也显著。

5．2 N对石墨的形态、数量和分布都有影响，在合适范围内；长度变短，弯曲增大，端部变钝，长、宽比减少。

5．3 N使初生奥氏体一次轴变短，二次臂间距减少，使共晶团细化，珠光体数量增加，提高了硬度。

5．4测试共晶转变后，石墨表面N的浓度明显高于基体，因此阻碍了石墨的长大，从而细化了共晶团组织。

6．增碳剂的选用和加入方法

使金属液增碳的材料有：焦炭、煅烧煤、煅烧石墨、煅烧石油焦、电极、石墨化、半石墨化、木炭、沥青、生铁等。要求：干燥、低硫、低磷、高碳、低挥发等有害杂质。

增碳剂的选用不能只注意碳含量、低灰分，而忽视其中的N含量会造成气孔。也忽视N在铸铁件中起到有利作用。生产增碳剂的厂家不做N含量的分析，铸造上也未从技术上进行检查。因此在使用上实际出现一个失控状态，略有不注意就出现气孔。合理的选用增碳剂，控制好N、S含量，采用价格低的煅烧煤、石油焦，充分利用S，S低将产生孕育不良，孕育后衰退快。生产上伴随而来的发展了增S剂。要求铁液中的硫稳定在0．06—0．15％合理范围。所以蓝狮在线-蓝狮注册平台增碳剂中的S控制在0．5％左右是在合理的。石墨化增碳剂加入2％。铁液中S只增加0．01％。

增碳剂的吸收与铁液平衡温度有关，而不是铁液温度越高吸收越快，温度越高，碳烧损越大，吸收率也低。铁液温度低；碳的饱和溶解度低，碳的溶解广散速度下降，吸收率低。铁液是Fe．C．Si．O合成液，其化学反应平衡温度；球墨铸铁为1450℃，灰铸铁1400℃。

所以在此温度下增碳**。增碳剂的粒度要求：lOt以上电炉6—10mm，小于lOt炉0．5．6mm。粉状不可用，因易挥发。颗粒过大，漂浮在金属液上面，吸收慢并烧损。增碳剂的加入方法：

6．1随废钢加入；因增碳剂是增废钢中的碳不足，随废钢熔化吸收也快。生铁或回炉料碳高，吸收慢。一般分三批加入，吸收率为95％。电炉熔化时，先加少量铁屑和回炉料或生铁，压实铁屑，随后加废钢，废钢随熔化随增碳，有利保护炉衬，减轻硅烧损。S、Mn会阻碍碳的吸收，应在后期加入。

6．2如果后期调整成分，碳不足；可在加入其它合金前加入，在电磁搅拌下，吸收率90％。此时铁液已超出感应圈，无电磁搅拌下，吸收率低于80％。(建议此时加生铁增碳)。

6．3包内冲入法：将100．200目碳粉加入包中或随流冲入，出铁后搅拌，吸收率小于50％。

总结：

1．感应电炉使用废钢是物料废旧利用，是社会的要求。大量使用废钢可提高铸件性能，

降低生产成本。

2．废钢的使用：要根据铸造材质选取。要求废钢表面污染物要少，如：锈蚀、油、水、油漆、锌等。

3．大量使用废钢造成N气孔；是选取的增碳剂不合理、熔化操作失控、炉料不洁净和树脂中产生的N气造成。

4．合理选用增碳剂，充分利用增碳剂中的N、S稳定提高产品质量，降低生产成本。

5．增碳剂的加入方法；要随废钢分三批加入，有利于碳的吸收和硅的烧损并保护炉衬。