干扰元素的影响

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。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、硫等有害元素和其他干扰元素，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，各种有害元素和干扰元素相当 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，原料生铁中有害元素和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 GB718-82铸造用生铁国家标准， 以区别于炼钢生铁；1985年又制定了 GB1412-85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，各类常用钢材中含合金元素的大致情况见表1。表1常用钢材中的合金元素含量（）钢材品种MnCrNiM0其他冷轧钢板0.2 0.3Cu 0.051.30热轧钢板0.7 0.90.51.3Cu 0.20.5, Ti 0.150.3高强度钢板1.2 1.50.30.70.31.30.30.55Cu 0.30.4, V 0.050.08厚钢板0.6 2.00.40.70.10.50.30.4Cu 0.31.30,高强度钢材1.2 1.60.30.80.31.50.30.5深拉伸钢材1.6 2.0Si 0.51.0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 (1755C)、Sb(1640C)、Bi (1481C)、Te (989.8C)、As (615C升华)、Cd (767C)、 Zn (419.5C) 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。图1富Ti的晶界碳化物图2富Mo的复合碳化物表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元 来源在铸铁中的影响建议的控制值素Mn生铁、废钢促进白口倾向珠光体球墨铸铁件 0.5形成晶界碳化物铁素体球墨铸铁件 0.2Cr废钢促进白口倾向，铁素体球墨铸铁件、厚大件 0.050.05以上即形成晶界碳化物一般球墨铸铁件 0.1V废钢灰铸铁中细化片状石墨灰铸铁中 0.5增加珠光体量，显著提高铸铁强度球墨铸铁中 0.1含量太高即形成游离渗碳体铁素体球墨铸铁中 0.02Mo废钢形成晶界碳化物厚大球铁铸件 0.05Ti废钢、生铁强碳化物形成元素灰铸铁中 0.3灰铸铁中促成 D 型石墨球墨铸铁中 0.05球墨铸铁中导致石墨畸变B感应炉衬形成稳定的碳化物0.0052.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。a）含 B 0.04% b）含 Sn 0.48%；c)含 Sb 0.085% d)含 Cu 2.25%图3硼、锡、锑、铜对石墨形态的影响还有一些元素，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.表3影响石墨球化的元素及其对石墨组织的影响Sb、Sn、As、B、不消耗球化剂，但偏析于奥氏体晶石墨球不圆整、形状不规则，可出现团块界，稳定液相，影响石墨的形态Al、Ti、Cu状、絮团状、团片状石墨，也可出现蠕虫状石墨Pb、Bi兼有以上两种作用可出现团块状、絮团状、团片状、蠕虫状石墨，也可出现团片状石墨但是，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。片就石轄Ai 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。6,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。a）不力口 Ce b）力口 Ce0.05%c）加 Ce0.1% d）加 Ce0.2%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。表5 一种瑞典木炭生铁中各种干扰元素（杂质）的含量（）Mn PTi AsSnAlCu VCrZ n艺杂质0.010.020.000.0080.0070.0100.0100.0200.0030.0010.044 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，加以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。这种生铁主要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。Sorelmetal RF-1是高纯生铁的牌号之一，其中5种基本元素的含量见表6,其 他杂质的含量见表7。表6 Sorelmetal RF-1高纯生铁5元素的含量（）CSiMnPS规格3.90 4.700.400.050.04 0.025实际测定值4.250.150.0220.0280.013表7 Sorelmetal RF-1高纯生铁中杂质元素含量的实际测定值（）元素实测含量值元素实测含量值元素实测含量值元素实测含量值Al0.00745Ce0.00001Ni0.02075W0.00208Sb0.00006Co0.01817Nb0.00092Zn0.00004As0.00100Cu0.00285Se0.00001Zr0.00035Bi0.00000Pb0.00000Sr0.00013Ba0.00001B0.00006Hg0.00001Te0.00001Cd3.600.150.200.0200.0100.0100.0200.0050.005DUCS-N3.600.15一0.0.200.0250.0150.0100.03070DUCS-H3.600.15一0.0.200.0250.0200.0100.03070DUCS-H3.600.300.070.0300.0250.0050.0250.0050.0072DUCS-H3.600.7厂1.0.200.0250.0200.0100.030S 30最近，我国河北承德市保通铸铁型材公司也生产两种高纯生铁，已经向铸造行业 供货，其成分规格见表8和表9。表8高纯生铁的分级及成分规格（未列范围者为最高值）（）牌号CSiMnPSTiCrVAlAsiabarCT3.4 3.0.40.050.030.0150.000.020.020.00-178508AsiabarCT0.015 0.025-2表9高纯生铁微量元素含量的控制值（最大值）（）SbAsSnBiBCdOSeTePb0.000.020.000.000.000.000.000.030.020.05202206550000