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如何面对铸铁中干扰元素的影响 作者：中国铸造协会 李传轼 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： 一是钢材、铸钢件和铸铁件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； 二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； 三则是混杂在炉料中的污染物。 一问题的提出 改革开放以来，随着国民经济的发展，我国铸造行业欣欣向荣，铸件的产量增长很快，为了使大家有明确的印象，下面简要地列出一组统计数字： 1986年，我国各类铸件的总产量为440万吨； 1996年，我国各类铸件的总产量为1090万吨，其中各种铸铁件占875万吨； 2006年，我国各类铸件的总产量为2810万吨，其中各种铸铁件占2100万吨。 铸件产量的迅速增长，拉动了对各种金属原材料的需求，铸造生铁、废钢和各种铁合金的供应日趋紧张，不仅价格不断上涨，质量也难以稳定一致。 另一方面，随着我国工业的发展，对各类铸件的质量要求日益提高，尤其是对高性能球墨铸铁件和厚截面、铁素体球墨铸铁件的需求增多，等温淬火球墨铸铁件和蠕墨铸铁件也逐步推广应用。所有这些，都要求提高铸铁材质的纯净度，炉料带来的干扰元素的影响逐渐成为大家不能不面对的问题。 1铸造生铁中的干扰元素 炼钢用生铁中所含的磷、硫等干扰元素，可以在以后的炼钢过程中脱除，而铸造生铁只是在重熔后直接制成铸件，各种干扰元素相当一部分仍然保留，如果含量超过允许值，就会影响材质的性能。制造高质量铸铁件时，原料生铁中干扰元素的含量必须严格控制。 为适应这种要求：我国于1982年制定了GB71882铸造用生铁国家标准，以区别于炼钢生铁；1985年又制定了GB141285球墨铸铁用生铁国家标准；冶金工业部于1990还制定了一项规定微量元素含量的推荐性铸造生铁标准YB（T）14-90 铸造用生铁，其中对P、S、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。 但是，两项国家标准后来也都变更为推荐性标准，加以铸造行业对生铁的需求增长很快，供应紧张，许多生产厂家执行标准的力度不能令人满意，铸造生铁的质量参差不齐。 特别是近十多年来，我国钢、铁行业以举世罕见的速度发展，铁矿石很快由自给自足转变为主要依赖进口。在这种情况下，铸造生铁的生产、供应体系变化很大，更难以保证其质量的稳定一致。 加拿大、日本、瑞典、挪威、巴西、南非等国家，为适应生产高质量铸件的要求，早已开始生产高纯铸铁供应，不仅满足自己的需求，而且向世界各国的铸造行业供货。 近年来，我国也有厂家生产高纯生铁，但由于推广、应用的力度不够，还未能充分发挥其作用。今后，希望我国生产优质铸铁件的厂家对国产的高纯生铁给予更多的关注。 2废钢中的合金元素 近20年来，各种钢材都在向薄壁化、轻量化、强韧化的方向发展，低合金钢的应用范围日益扩大。1980年前后，常用的一般钢材主要是碳钢，低合金钢所占的比重不到20，2005年，常用钢材中低合金钢所占的比重已达50左右，甚至更高一些。从资源的充分利用、各种装备的轻量化、工艺技术的进步等方面看来，当然是好事，而且这种趋势今后仍将继续，但是，废钢中这类合金元素的增多，却给铸铁业带来了许多棘手的问题，不能不采取必要的应对措施。 目前，各类钢材中含合金元素的大致情况见表1。 与此同时，铸造行业的熔炼工艺也在不断变革。从上世纪60年代起，铸铁行业中采用感应电炉作为熔炼设备的企业逐渐增多。尤其是70年代以后，中频无心感应电炉的电源有了重大的改进，熔制铸铁时热效率可达到70%，电炉设备和所用的耐火材料也在不断发展，因而其应用日益广泛。用感应电炉熔炼铸铁时，炉料中铸造生铁锭的用量很少，废钢所占的份额增多，而钢材中的合金元素对铸铁（尤其是球墨铸铁）的性能却大都有负面影响，甚至成了污染元素。 另一方面，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。 除此以外，由于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。 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）。 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。 最近，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。日本三重县技术综合研究所藤川、村川等人的研究工作表明：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0.4，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（A型、B型、C型、D型或型E），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100150）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。印度生产的铸造生铁中也有这样的问题。 6铸铁的硬度低 近年来，美国经常发生珠光体球墨铸铁的硬度低于寻常的情况，为查明其原因进行了研究，最近已经明确这是硼的影响。 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。 7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。 三消除干扰元素有害作用的措施 熔炼铸铁时，炉料中所含的干扰元素的负面影响是不容忽视的，为了确保铸件的质量，不能不采取必要的应对措施。 1严格管理炉料、控制铁液的化学成分 要控制各种干扰元素的影响，首先要确知问题的所在、测定可能导致产生问题的各元素的含量，然后才有可能采取相应的应对措施。 如果采用光谱分析仪，分析各种合金元素、微量元素以及其他干扰元素的含量都很方便，还可根据炉前分析，对铁液的成分进行动态的调整，实现实时控制。目前，我国的铸铁生产企业中，具备这种条件的很少。分析质量问题时，除C、Si、Mn、P、S五元素外，能测定其他合金元素和微量元素含量的企业也不多。面对当前原材料供应方面变数很多的情况，生产技术含量较高的铸件时，要确保铸件质量并使之稳定一致，难度实在不小。 从这一点看来，各地区由铸造协会牵头建立面向生产企业的技术服务中心，并配备必要的检测设施是非常必要的。 对于生产球墨铸铁件，除C、Si以外，各种合金元素、微量元素和有害元素的含量的控制值见表4。表中提到的“阻碍铁素体化系数”，是该元素在铁素体球墨铸铁中允许最高含量的倒数，数值越高，稳定珠光体的作用越强。 2抑制干扰元素的影响 如果球墨铸铁中含有干扰元素，影响石墨的球状化、导致石墨畸变，可通过加入合金元素以抑制其有害作用，在这方面，首先要提到的是铈（Ce）。 Ce是活性很强的元素，可以与多种干扰元素作用，形成高熔点的化合物，如Ce2Sb2O3、Ce2S3、Ce2Pb、Bi2Ce4、CeAl2等，从而抑制其有害作用。但是，Ce的加入量，应该根据干扰元素的情况通过试验确定，不能太多，否则，又易于出现团块状石墨。 早年有人做过一组试验：在经过球化处理的铁液中，先加入0.1的锑，然后再分别取样，加入不同量（0、0.05、0.1和0.2）的Ce，以观察其对石墨形态的影响。结果表明，加入0.1的Ce效果最好，见图7。图7 含梯的球墨铸铁铁液中加入铈后的石墨组织 3、采用高纯铸造生铁进行矫正 以前，世界各国生产要求特别严格的铸铁件时，大都采用瑞典生产的木炭生铁，这种生铁的杂质含量很低，表5中所列的是实际测定值的一例。 后来，由于各行业对优质球墨铸铁件的需求增长很快，一般的铸造生铁难以适应这种要求，加之废钢中各种合金元素的含量不断增多，对高纯生铁的需求日益迫切。木炭生铁虽然好，但价格昂贵，而且可供给的数量也有限，于是就出现了可以大量生产的高纯生铁。这种生铁是将高炉炼得的铁液注入转炉中、用氧气吹炼而制成的，其中各种杂质的含量很低，而价格又具有相当的吸引力。 吹炼高纯生铁产生的炉渣中含有多种金属氧化物，从中可以提炼稀、贵的金属。例如，某处铁矿石中含有钒和钛，吹炼高纯生铁时产生的炉渣就是提炼钒、钛的原料，炼铁企业出售炉渣所得的收益几乎与生铁的价值相当。因此，炼铁厂生产的高纯生铁，可充分利用资源，在售价方面也就颇具优势，这种生铁的前景当然看好。 最早生产这种生铁的是加拿大的QIT-Fer et Titane公司，该公司位于Quebec省的Sorel，因而其生产的高纯生铁的商品名称是“Sorelmetal”。后来，该公司在南非建立了RMB公司，也生产Sorelmetal（QIT铸造生铁）。Sorelmetal的生产已有约50年的历史，起初，广泛应用于美国和加拿大的汽车行业，后来销往世界各国，我国也早就有铸造企业在炉料中配用。 So