如何面对铸铁中干扰元素的影响

如何面对铸铁中干扰元素的影响

作者：中国锻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，不一定都是普通所谓的有害元素，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、铸钢件和铸铁件中普通都含有的有害元素，如硫、磷（某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，我国锻造行业欣欣向荣，铸件的产量增加很快，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，其中多个铸铁件占875万吨；

，我国各类铸件的总产量为2810万吨，其中多个铸铁件占2100万吨。

铸件产量的快速增加，拉动了对多个金属原材料的需求，锻造生铁、废钢和多个铁合金的供应日趋紧张，不仅价格不停上涨，质量也难以稳定一致。

另首先，随着我国工业的发展，对各类铸件的质量规定日益提高，特别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。全部这些，都规定提高铸铁材质的纯净度，炉料带来的干扰元素的影响逐步成为大家不能不面对的问题。

1．锻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，能够在后来的炼钢过程中脱除，而锻造生铁只是在重熔后直接制成铸件，多个干扰元素相称一部分仍然保存，如果含量超出允许值，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。

为适应这种规定：我国于1982年制订了《GB718－82锻造用生铁》国标，以区别于炼钢生铁；1985年又制订了《GB1412－85球墨铸铁用生铁》国标；冶金工业部于1990还制订了一项规定微量元素含量的推荐性锻造生铁原则《YB（T）14-90锻造用生铁》，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，两项国标后来也都变更为推荐性原则，加以锻造行业对生铁的需求增加很快，供应紧张，许多生产厂家执行原则的力度不能令人满意，锻造生铁的质量参差不齐。

特别是近十数年来，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重要依赖进口。在这种状况下，锻造生铁的生产、供应体系变化很大，更难以确保其质量的稳定一致。

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规定，早已开始生产高纯铸铁供应，不仅满足自己的需求，并且向世界各国的锻造行业供货。

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，尚未能充足发挥其作用。此后，但愿我国生产优质铸铁件的厂家对国产的高纯生铁予以更多的关注。

2．废钢中的合金元素

近来，多个钢材都在向薄壁化、轻量化、强韧化的方向发展，低合金钢的应用范畴日益扩大。1980年前后，惯用的普通钢材重要是碳钢，低合金钢所占的比重不到20％，，惯用钢材中低合金钢所占的比重已达50％左右，甚至更高某些。从资源的充足运用、多个装备的轻量化、工艺技术的进步等方面看来，固然是好事，并且这种趋势此后仍将继续，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，不能不采用必要的应对方法。

现在，各类钢材中含合金元素的大致状况见表1。与此同时，锻造行业的熔炼工艺也在不停变革。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公司逐步增多。特别是70年代后来，中频无心感应电炉的电源有了重大的改善，熔制铸铁时热效率可达成70%，电炉设备和所用的耐火材料也在不停发展，因而其应用日益广泛。用感应电炉熔炼铸铁时，炉料中锻造生铁锭的用量极少，废钢所占的份额增多，而钢材中的合金元素对铸铁（特别是球墨铸铁）的性能却大都有负面影响，甚至成了污染元素。

另首先，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，混入某些污染元素，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，并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，强度原来就不高，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，特别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，并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（特殊状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，能够使石墨球化。如果金属炉料中含有妨碍石墨球化的元素，就会影响石墨的球化。妨碍石墨球化的作用大致可分为两个方面：

（1）与Mg或稀土元素反映，产生氧化物、硫化物和氮化物，消耗球化元素。

起这种作用的重要是氧、硫和氮。另外，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，从而造成石墨球畸变。

起这种作用的重要是磷、铝、锡、铜、硼、锑、钛、铌等元素。这类元素偏析的倾向强，能够使铁中的液相稳定，增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。

尚有某些元素，如铅、铋等，兼有上述两种作用。

多个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，多个元素的允许含量还应进一步减少。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，应特别留心铸铁中的钛含量。

近来，制造高强度球墨铸铁件时，经常加入较多的铜。在这种条件下，应尽量地将铸铁中的铝含量控制得低某些。

3．产生缩孔的倾向增大

缩孔的特性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，造成产生内部缩孔、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．灰铸铁的强度减少

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，造成强度明显减少。如果铸铁中还含有铝、氢、钙等元素，铅含量在0.005％下列，就可能出现魏氏体型石墨。

一种厚壁灰铸铁件（厚度100～150㎜）在使用过程中破断，作失效分析时发现，即使基体组织基本上是珠光体，由于石墨为魏氏体型，硬度为148HB，分析成果表明铅含量很高，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，即使硬度提高了，强度却反而会减少。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，并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，会使铸铁的强度减少。干扰元素‘钛’不仅来自废钢，我国生产的高硅锻造生铁中也往往含有钛，选用时应加注意。印度生产的锻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状况，为查明其因素进行了研究，近来已经明确这是硼的影响。

铸铁中硼含量超出0.002％，就能够克制铜稳定珠光体的作用，使铸铁的硬度减少。因此，生产中不仅要注意废钢和其它炉料中所含的硼，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，炉衬寿命不高的状况也十分多见，固然，耐火材料品质不高、筑炉工艺掌握不好是出现这类问题的重要因素，但是，也不能无视炉料带来的问题。

如果采用镀锌钢板作炉料，锌受热后蒸发，侵入炉衬内，就会使炉料寿命减少。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方法

熔炼铸铁时，炉料中所含的干扰元素的负面影响是不容无视的，为了确保铸件的质量，不能不采用必要的应对方法。

1．严格管理炉料、控制铁液的化学成分

要控制多个干扰元素的影响，首先要确知问题的所在、测定可能造成产生问题的各元素的含量，然后才有可能采用对应的应对方法。

如果采用光谱分析仪，分析多个合金元素、微量元素以及其它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节，实现实时控制。现在，我国的铸铁生产公司中，含有这种条件的极少。分析质量问题时，除C、Si、Mn、P、S五元素外，能测定其它合金元素和微量元素含量的公司也不多。面对现在原材料供应方面变数诸多的状况，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，各地区由锻造协会牵头建立面对生产公司的技术服务中心，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，多个合金元素、微量元素和有害元素的含量的控制值见表4。表中提到的“妨碍铁素体化系数”，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．克制干扰元素的影响

如果球墨铸铁中含有干扰元素，影响石墨的球状化、造成石墨畸变，可通过加入合金元素以克制其有害作用，在这方面，首先要提到的是铈（Ce）。

Ce是活性很强的元素，能够与多个干扰元素作用，形成高熔点的化合物，如Ce2Sb2O3、Ce2S3、Ce2Pb、Bi2Ce4、CeAl2等，从而克制其有害作用。但是，Ce的加入量，应当根据干扰元素的状况通过实验拟定，不能太多，否则，又易于出现团块状石墨。

早年有人做过一组实验：在通过球化解决的铁液中，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。成果表明，加入0.1％的Ce效果最佳，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、采用高纯锻造生铁进行矫正

以前，世界各国生产规定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加很快，普通的锻造生铁难以适应这种规定，加之废钢中多个合金元素的含量不停增多，对高纯生铁的需求日益迫切。木炭生铁即使好，但价格昂贵，并且可供应的数量也有限，于是就出现了能够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，其中多个杂质的含量很低，而价格又含有相称的吸引力。

吹炼高纯生铁产生的炉渣中含有多个金属氧化物，从中能够提炼稀、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，炼铁公司出售炉渣所得的收益几乎与生铁的价值相称。因此，炼铁厂生产的高纯生铁，可充足运用资源，在售价方面也就颇具优势，这种生铁的前景固然看好。

最早生产这种生铁的是加拿大的QIT-FeretTitane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锻造生铁）。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，我国也早就有锻造公司在炉料中配用。