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增碳剂厂家分享铸铁中的氮

发表时间:2019-12-02 10:25

早期的文献指出【1、2】,铸铁中的氮是一个有害的元素,他们认为:氮强烈地提高了铸铁件的硬度和白口倾向,且增加铸铁的脆性,恶化了加工性能。可在1953年,英国BCIRA(英国铸铁研究学会)的Dawson等人报导了氮可以改良铸铁的石墨形态,强化基体组织,从而提高了铸铁的力学性能。1960年,原苏联的B.И ЛАКОМСКИЙ出版了一本专著【3】,论述铸铁中氧、氢、氮含量对铸铁的影响,谈到由于提高了对氮含量检测的准确性后,在一个较宽的氮浓度范围内,研究了其对铸铁的影响时发现。当氮含量控制在一个确定的范围内时,氮却是个有益的元素。只是由于在五、六十年代当时的铸铁熔炼工艺情况下,铸铁中的氮含量很低,一般在百分之0.002~0.006(即20~60ppm)下,对铸铁没有显示明显的影响。因而在很长一段时间内,没有引起人们对氮作用的关注。后来由于中频感应电炉的发展,以及欧美等工业发达国家的废钢充足,因而从上世纪七十年代至九十年代起,铸造厂在熔炼铸铁时,已基本上不用新的生铁作为炉料,国内也从上世纪九十年代并开始采用了此种工艺,即便用大量的废钢来代替生铁,然后用增碳剂增碳,使碳含量达到工艺要求,这即提高了铸铁的性能,又节约了成本。因而在国内,这种工艺获得很快发展,连同采用提高铁液温度、增硫、强化孕育等措施,使我国的铸铁熔炼工艺水平和铸铁件的材质上了一个新的台阶。但由于采用废钢和增碳剂增碳工艺后,因废钢中含氮较高,一般的废钢含氮为70~120ppm左右,而未经高温石墨化处理的增碳剂,含氮量就更高,一般都在2000ppm以上,这些氮在熔炼过程中,大部都进入到了铁液内,从而在国内外,都可看到由此而产生的裂隙式氮气孔的报导。由于其在外观形貌上与缩松相似,加之一般铸造工厂不具备检测氮量的条件,影响了对此铸造不足的判断,而造成很大的废品损失,因而铸铁中的氮的作用具有两面性。在一个确定的范围内,它能提高铸铁的力学性能,而超过某一含量时,又会使铸铁件产生氮气孔,而要求我们在生产过程中对其加强控制。

用废钢加增碳工艺能提高铸铁的力学性能,一般人都认为有三个方面的原因,1、减少了生铁的遗传性。2、增碳剂增加了外来石墨核心。3、废钢和增碳剂中的氮有增进珠光体的作用。但众多的介绍合成铸铁经验的文献中,基本上都推荐要采用低S、低N的优良石墨型增碳剂,原因就是石墨型增碳剂能直溶,增碳速度快,回收率高。因而在采购增碳剂时也只注重其含碳量、灰分和粒度,不太关注其含氮水平,很多增碳剂的供应商也不标明或提供其中的含氮量值,并且在这些文章中,很大的篇幅都在说明铸铁力学性能的提高,是增碳剂中的石墨碳进入铁液中,在凝固中起到了增加石墨核心的作用,而减轻了氮的作用,更没有触及到,哪种因素是增进铸铁力学性能提高的主因。

下面我从已发表的资料及本人的经验中,介绍采用低N石墨型增碳剂,高N型石油焦增碳剂及只用增氮而不大量采用废钢所得的机械性能数据,来说明氮对提高性能的贡献。结果见下表。

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从表1所引述的对比数据可以看出,当采用废钢加增碳剂生产灰铸铁时,文献【4】采用百分之40废钢加石墨型增碳剂和不加增碳剂的普通铸铁相对比试验时,抗拉强度从236.2Mpa提高至260.7Mpa,增加了24.5Mpa,增幅为百分之10。同样,文献【5】采用废钢:回炉料=7:3所做的对比。在废钢增至百分之70,采用石墨型增碳剂时,合成铸铁只比普通铸铁增加17.4Mpa,增幅才百分之7.3,而在驻马店某铸造公司,今年5月份用百分之40废钢加含氮低于100ppm的增碳剂,生产卡车制动鼓所得157包次本体机械性能,平均 σb=247Mpa,当从6月份起改用含氮量为2000PPm的石油焦增碳剂时,6月份244包次的本体抗拉强度增至276Mpa,和5月份相比,增加29Mpa,增幅为百分之11.7,7月份由于氮的累积作用,全月60包次的本体抗拉强度增至290.2Mpa,和石墨型增碳剂相比,在其它条件不变的情况下,增加43.2Mpa,增幅为百分之17.5,而文献【6】指出,向灰铸铁内单独加氮,即去掉生铁遗传性和增碳剂所起石墨核心的影响,可以提高50Mpa,如果同时加入稀 土,则可提高100Mpa左右。根据文献【3】的资料,当往700Kg的浇注包内加入含氮的盐类如KNO3、NH4Cl时,随着处理时间的延长,含氮量增加,其抗拉强度相继增加,从没有加氮的18.4kg/mm2到加氮8分钟时的41.9kg/mm2,提高23.5kg/mm2,相当于提高了230Mpa,增幅为百分之127。因此我们有理由认为,合成铸铁比普通铸铁力学性能提高的原因。应当主要是氮对铸铁的影响,并且可以看到,增氮前的原始铁水牌号越低即碳越高,或CE越高,其有利作用越明显,这就适应了对铸铁既要求其有高的强度,又要有高的含碳量,以满足铸铁具有好的传热性、铁水的流动性,以及减轻铸件壁厚和重量的要求,因此,将氮作为铸铁的有利合金元素以及它的开发和应用,将会获得越来越重视。

当用废钢加增碳剂工艺来生产球墨铸铁,在国内也获得了发展,因其中的石墨已经成球形,因此氮对石墨的有利影响就降低了很多。只对基体产生作用,同时由于球化处理时镁蒸汽产生的沸腾也减少了氮的含量,有关利用合成铸铁提高性能的报告也少了很多。因球铁的性能主要决定于球化率和铁素体及珠光体的相对含量,而氮主要有增加珠光体的作用,因此氮增加时,由于珠光体含量增加,则抗拉强度增加,延伸率降低,这点从文献【3】获得了证明。当其中的氮在1组试验里从0.0065增至百分之0.0130(即从65ppm增至130ppm)时,球铁的抗拉强度则从49.3kg∕mm2增至60.7kg∕mm2,增幅为23%,而延伸率从19%降至11%,降低了百分之42,但仍保存了高的强度下的高韧性。在第2组试验中,化学成份相同(百分之3.50-3.60C;百分之1.80-2.10Si;百分之0.41-0.45Mn;百分之0.01-0.02S;百分之0.025-0.035P;百分之0.50-0.70Ni;百分之0.05-0.06Mg)但加入了百分之0.10AL,以便和氮化合成氮化物,而其力学性能仍和1组相近,当氮从0.0050增至百分之0.0105(从50增至105ppm)时,抗拉强度从46.4Kg/mm2增至58.3Kg/mm2,增加了百分之25.6,而延伸率从百分之19降至百分之11,降低百分之42。文献【7】介绍,废钢百分之70-80,生铁百分之0-10,回炉料百分之10-20,采用石墨型增碳剂,在相当碳当量下,延伸率比普通球铁高百分之2-5,普通球铁为延伸率为百分之15-22,合成球铁为百分之18-28,而硬度要低10HB。文献【8】列出了废钢百分之35,回炉料百分之65,石墨增碳剂百分之1.6,所生产的合成球铁其抗拉强度为515Mpa,延伸率为百分之17.6,硬度为176HB,而用百分之5废钢、百分之50回炉铁和百分之45生铁生产的普通球铁,抗拉强度为479Mpa、延伸率为百分之18.8、硬度为167HB,即合成球铁的抗拉强度提高了百分之7.5、延伸率降低了百分之6.4、硬度增加了4个HB单位,这里应当指出的是,国内外生产球铁时,大都采用低S低N的石墨型增碳剂,所以铸铁内的含氮量一般较低,仍可以和普通球铁一样。在正常的残留镁量(百分之0.040-0.050)下,保证合格的球化率。而少数几个厂采用含氮量高的增碳剂时,由于氮和镁化和生成氮化物而损失了球化所需的残镁量,因而用光谱或湿法测量镁时,需要保证残镁量为百分之0.05-0.06甚至以上才能保证球化良好。文献【8】将球铁里的有害微量元素分为三组。1组是产生碎块状石墨的元素,第2组是产生晶界网状石墨的元素,第3组是消耗球化作用所需镁的元素,主要就是N和S,解决措施就是两条,一是降低它们的含量,二是增加镁的加入量,所以大家一定要注意这一点,以免造成球化不佳而使铸件报废。

上面介绍了氮对铸铁的有利作用,但只有当其含量控制在一个确定的范围内时才能达到,当其含量超过这一范围时,则会带来不利的有害作用、或者没有影响。

当含氮量低时,没有显示什么影响,这好理解。在生产低牌号铸铁件时,例如HT200及以下牌号时,有无氮的有利作用也无所谓,但当生产高牌号铸铁件时,就可考虑利用氮的有利作用,可以节省Cu、Cr等贵重合金,这个下限应当是百分之0.0050(50ppm)左右,就是说要高于50ppm时才显示其有利影响。正由于低的含氮量对铸铁没有坏的影响,所以也就没有人去认真的去确定其准确的下限,而是把含氮量的上限作为了主要关注点,因为当含氮量超过某一上限时,由于氮致气孔的废品常常很高,有的高到百分之60以上,甚至全部报废,有时它像传染病一样,废品率越来越高,如文献【9】介绍的氮气孔废品率情况,见表2。所以在生产过程中,

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要注意氮的积累作用,而及时的调整炉料配比。该厂炉料中废钢配比为百分之40,没有介绍采用的是什么样的增碳剂。我分析他们使用的是高N非石墨型增碳剂,也不清楚增碳剂的确切含氮量,有关氮的上限允许量的资料很多,我只介绍我认为比较正确的数据。文献【10】介绍厚铸件为85ppm,薄铸件为120ppm。文献【11】介绍不大于100pmm。文献【12】介绍氮的控制范围为70-120ppm。文献【13】介绍生产壁厚20-50mm的铸铁件时,含N量91ppm时,即产生了气孔,但其中还有(H)含量的影响,应当是氮氢气孔。[14]介绍低碳当量厚壁铸铁件当全氮超过100ppm,而薄壁铸铁件超过130ppm时产生晶间裂隙状氮气孔。但大多数作者推荐的上限控制量为100ppm,所以在我服务的驻马店铸造公司,我们将氮的控制范围规定为60-100ppm,并每天用直读光谱仪进行氮含量的检测,由检测结果来进行调整工艺配比或其它工艺措施。当然这一上限还受到铸件的壁厚和冷 却速度的影响,各厂应根据具体条件来调控铸件含氮量过高,使其不产生气孔,含氮量高时还会促使生成渗碳体,所以在用含N高的非石墨型增碳剂生产灰铸铁的厂,更要多关注铸铁内氮的含量。

氮在控制范围内对铸铁的有利影响,当然是氮对铸铁在凝固冷 却时,对石墨和基体的生成产生了有利的作用。氮的作用机理已有很多文章介绍,但很多是推理,下面我只简要介绍一下文献【6】作者的主要研究成果,他对含C百分之3.27、Si百分之2.15、Mn百分之0.16和C百分之3.45、Si百分之2.15、Mn百分之0.16及C百分之3.45、Si百分之2.15、Mn百分之0.80的三种铸铁进行了研究。在加入纯氮后,检测了氮对相变温度、石墨组织和基体组织的影响,并定性地检测了氮在各相中的分布。结论是1,氮使铸铁溶液的平衡和非平衡一次结晶温度降低,结晶过冷度增大,共晶转变的温度区间增大,同时氮也使灰铸铁的共析转变温度降低,转变温度区间增大,氮对共析转变温度的影响程度与铸铁的含碳量有关,含碳量愈高,氮的影响愈显著。2,氮对石墨的态、数量和分布都有影响,它使石墨长度缩短,弯曲程度增加,端部变锐,长宽比减小。3,氮对基体组织有显著作用,它使初先奥氏体一次轴变短,二次臂间距减少,使共晶团细化、珠光体数量增多,珠光体和铁素体显微硬度增加。4,测试了共晶转变后石墨表面氮的浓度,发现石墨表面有几个原子层厚度的氮吸附层,石墨中氮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,并使石墨在长大过程中,晶格产生畸变,导致石墨弯曲和分支,也测定了加氮前后铁素体和渗碳体的晶格常数均有明显增大,这是氮原子固溶在其中而使其畸变,从而提高了基体组织的显微硬度。

结束语:1,氮可提高铸铁的机械性能,认为在合成铸铁中氮起了主导作用,从而应当把氮作为一个有益的元素有意识的加以利用。2,应根据生产的铸件材质和牌号,合理的选择增碳剂的种类,建议生产灰铸铁时采用含氮2000ppm左右的低温煅烧石油焦增碳剂,而生产球墨铸铁时,尤其是生产高韧性的铁素体球墨铸铁时,应当采用低S低氮的石墨型增碳剂。3,应适当的控制铸铁内的氮在一个确定的范围内,一般中小铸铁件,将氮控制在60-100ppm内是合理的,对铸铁来讲,既适用又规范。4,当氮超过上限,并产生了氮气孔时,可加入Al、Ti、Zr、B等元素来中和氮的有害影响。国内多采用加入TiFe来清理铸件的氮气孔,经验介绍每加入百分之0.01Ti可中和约30ppm的氮。5,采购增碳剂时,在采购合同上,不但要有固定碳、灰分、水分、含硫量、粒度等要求,而且要规定含氮量的验收标准。(转载于百铸联盟)


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