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文档简介
1
钛和锆对铁液中氮的影响
冶金热力学主要研究金属液状态变化、化学变化、组织变化,以及冶金反应的方向和限度。铁液中溶解有合金元素和杂质,这些合金元素和杂质体现多元铁液中各组元活度的相互影响力度。铁液中Ti与Zr的加入,使N的活度作用系数减少,比
Al、C、Cr、Cu、Mn、Mo、O、P、S、Si
对N的活度作用系数减少到1~2个数量级,Zr又是Ti的
2.3倍。可见锆对铁液中的氮,有很大的限制作用。
国产生铁普遍含Ti量高,冲天炉的冶金反应可以降低铁液中的钛含量,电炉重熔铁液不会降低铁液钛含量。所以Ti含量高,限制N的作用,减少珠光体,降低铸铁强度。
现代铸铁在优化石墨形态的基础上,细化基体组织调节奥氏体,改善铸铁的洁净度和断面均匀性,从而提高铸铁的力学性能、韧塑性、疲劳强度、耐蚀性和降低冷脆转变温度等,扩大铸铁的使用性能,以适应高端装备制造业对机械零件的特殊要求。
2
含锆的孕育剂
资料表明:孕育处理就是在铁液中加入孕育剂,以改变铁液的冶金状态,从而改善铸铁的结晶特征、金相组织和性能。而这些性能的改善不能用铁液加入孕育剂后化学成分的变化来解释。简言之,孕育处理就是加入孕育剂以后产生大量晶核,减少结晶过冷度,改变石墨形态促进灰铸铁获得A型石墨,促进球墨铸铁石墨球圆整,增加共晶团数和促进细片珠光体形成。长期以来铸铁工作者以改进石墨形态为契机,提高铸铁力学性能从而扩大应用范围。
锆与石墨化孕育剂联合使用,能获得具有高冲击值和白口倾向低的高强度铸铁。锆是脱氧剂,与铁液中的硫、氧发生反应,有强固氮作用。微量锆加入铁液即能成为有效的石墨化元素,但超过一定量会成为强碳化物形成元素。
硅锶锆孕育剂是目前灰铸铁最好的孕育剂之一,国外应用广泛,主要用作随流孕育。锶孕育元素具有最好的消除铸件白口的能力,不明显增加共晶团数,孕育后铸件产生缩孔和缩松趋向最小;铝含量极低,减少铸件针孔几率。因此适合汽车类铸件,特别是发动机缸体缸盖的生产。固氮元素之一的钛是反球化元素,灰铸铁含钛量高影响加工性能、加剧刀具磨损,因此硅锆就成为保证全铁素体基体,获得冷态高冲击值,具有生成细化枝晶,铸造高强度铁素体球铁铸件的理想孕育剂。
锆在铁液中形成ZrC作为石墨结晶核心,改善石墨组织减小白口倾向,获得均匀细小的A型石墨。含锰的硅锆孕育剂,由于熔点低在铁液中熔化快,适合大型铸件的浇注温度。硅锆孕育剂的加入,可以消除氮的负面影响。Ti、Zr、Hf是元素周期表过渡元素ⅣB族金属元素,1956
年迪多夫发表的锆的熔点为1855±15℃,Zr为典型弥散相元素,稳定性比钛弱比铪强。在合金中,尺寸为0.01~0.1μm的弥散相,抑制金属再结晶和晶粒长大,从而细化晶粒强化合金性能。Zr或固溶于基体中,或在加入Zr后生成
Al3Zr、ZrN、ZrC等细小质点弥散,条状分布在铁素体枝晶上,与基体共格钉扎位错,阻碍枝晶长大及晶界迁移,生成细化的枝晶和细晶粒。
对于灰铸铁,起孕育作用的元素是碳、铝、钙、锶、锆、钛、钡、镁和稀土,硅仅作为这些孕育元素的载体,并使其在铁液中迅速溶解分散。这使我们联想到工业纯硅不能孕育的原因。
3
锆与铸铁微合金化
钢铁冶炼的喂丝、合金化、微合金化、洁净钢、预处理等技术,都被引入铸铁的铁液处理,用以改善铸铁的质量。进入21世纪,炼钢采用BOF吹炼+RH真空循环脱气等先进的冶炼技术降低钢中碳含量,加入钛铌固定碳、氮元素,从而得到无间隙原子的纯净的铁素体钢(简称IF钢)。新一代汽车用高强度和复杂的冷深冲成形超低碳薄板钢,已经取代沸腾钢(第一代冲压用钢08F)和铝镇静钢(第二代冲压用钢08Al)。
金属材料的屈服强度随晶粒尺寸的减小而增大,晶粒细化是提高金属材料强度但又不损害韧性的唯一方法。铸铁的微合金化,主要是促进生成并细化珠光体,强化铁素体。微合金化元素的加入,可以提高灰铸铁碳硅当量,改善铸造性能。在临界温度A1以下,处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体的分解产物是珠光体。多元体系中,溶质相互影响,活度系数往往1+1大于2。如果把强碳化物形成元素、中强碳化物形成元素、弱碳化物形成元素、非碳化物形成元素和内吸附元素有机的结合起来,则能够成百千倍的提高奥氏体的稳定性。奥氏体共析分解,增加合金因素,形成合金渗碳体或特殊碳化物,则需碳化物形成元素也扩散和重新分布,这样合金元素在奥氏体中扩散速度缓慢,是推迟共析转变的重要因素。铸铁中的溶解氮是阻碍石墨化的因素,硫量较高的铁液氮的溶解速度低,铸铁中硅高也明显降低溶解氮。然而风电类大断面球墨铸铁铸件为降低韧脆温度,恰恰含硅量必须较低,含硫量通常也控制的很低。铸铁中即使含铅量为0.0007%,也会产生魏氏石墨。粗大的奥氏体晶粒将促进魏氏组织铁素体的形成。铸铁中的铅来源于搪瓷废钢、油漆、易切削废钢、铜(非电解铜)、发动机积垢、镀铅钢板等,铸铁中无论含铅量多少,都是有害的。加入锆以后加强石墨化和细化枝晶、晶粒,可以避免形成针状铁素体。
4
洁净铁液
洁净铁液就是冶金质量高的铁液。铁液纯净度考核:①铁液中非金属及有害元素硫、磷含量;②气体元素氮、氢、氧含量;③非金属夹杂物和微量干扰元素含量。铸铁含氧量过高,增加非金属夹杂物,降低塑性、韧性和疲劳寿命。锆的性质与稀土金属相似,国外钢铁冶金企业对锆的应用很重视。研究证明,1650℃时锆的脱氧能力强于铝,只需加入少量的锆终脱氧,便可以得到含氧量极低的钢。因此,工业发达国家铸造熔炼出铁温度保持在1520~1550℃,随着过热温度的提高,铁液中含氮量、含氢量略有上升,但1450℃以后的氧含量大幅度下降,铁液的纯净度得到提高。铸铁中的氢主要来自铁液与铸型水分的化学反应,起阻碍石墨化的作用,溶解氢量增大铸铁结晶的过冷度,从而增大白口倾向。镁、锆、稀土可以降低铁液的含氢量。锆在铁液中生成ZrC、Al3Zr、ZrN降低铁液溶解氮,增加析出和细化奥氏体枝晶。
现代制造业80%以上金属结构件的破坏是由疲劳失效引起,铸铁凝固产生的渣孔、气孔和集聚晶界的低熔点微量元素,都是铸铁结构件中的疲劳源或断裂点。当N含量<90ppm时,灰铸铁件不会产生这种氮析出气孔。Ca、Ba、FeSi的孕育,枝晶数量减少,长度变短。硅锆锰复合孕育剂孕育显著增加奥氏体核心,使初生奥氏体数量增多。铸铁中的夹杂物、Fe3P、磷共晶和FeS
型的偏析相、石墨、渗碳体及碳化物、金属间化合物等的韧性比基体韧性差,称为脆性相。铸铁中的硫化锰夹杂物,可以通过加入稀土、锆等元素将长条状硫化锰球化变质,提高铸铁的断裂韧度。
国外有学者将铁液非金属夹杂物分为三类:Ⅰ类是铁锰氧化物、球状硫化物;Ⅱ类是薄膜状或链状分布的硫化物;Ⅲ类是
Al2O3、棱角状硫化物和形状不规则的氧硫化物。薄膜状或链状分布的硫化物,降低铸铁的抗拉强度;棱角状硫化物和不规则形状的硫氧化物,是材料疲劳源
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