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氮在铸铁中的作用

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氮在铸铁中的作用


  说起铸铁中的各元素,最先想到的是五大元素,另外还有各种合金元素和干扰元素。而对铁水质量有重要影响的,还有几种气体元素——氧、氮、氢。本文介绍下铸铁中氮的影响和控制。

1、氮对铸铁的影响

氮对铸铁组织有显著影响,应该作为合金元素看待。有些铸铁件需要加氮改善铸铁的组织和力学性能。

许多因素影响铸铁的氮含量。在正常的熔炼和铸造条件下,氮含量应在以下范围内:

氮在铸铁中最明显的作用是稳定珠光体。灰铸铁w(N)=0.005~0.0175%时可以有效抑制铁素体生成。超过这个范围产生强烈的稳定碳化物作用,甚至使铸件产生白口组织。在厚壁灰铸铁件中,w(N)>0.008%能出现一些紧实石墨,片状石墨变短变粗,片体端部圆钝化。

氮对灰铸铁抗拉强度有影响。在合适范围内提高氮含量可以提高抗拉强度。

w(N)<0.008%的球墨铸铁件的伸长率和冲击值不会因氮含量的变化而变化。w(N)=0.008%~0.012%可使伸长率下降10%~15%。氮含量再提高,伸长率下降幅度可达30%~50%。

可锻铸铁w(N)>0.008%,退火时渗碳体的分解速率降低,退火时间显著延长。

2、氮气孔

氮在1600℃纯铁液中的溶解度为0.045%。铁水中有碳和硅则溶解度下降。氮在铁水中的溶解是气态氮分子分解形成单原子而溶入铁水中的过程。

氮在铁水中的溶解量远高于在固相中的溶解度。

铸件凝固过程中,随着温度下降,铁水中的溶解氮变成分子状态,并在液相中积累。如果不能及时排出就会在铸件内形成气孔。如铁液中氮含量大于0.0100%时,则可形成氮气孔缺陷(裂隙状皮下气孔),尤其含量大于0.0140%时更甚。


氮气孔呈裂隙状,往往与缩松相似。但区别在于,缩松一般出现在铸件热节部位,而氮气孔多呈大面积分布。氮气孔一般出现与铸件凝固晚期,受固相影响而不能成圆球状。

气孔缺陷以灰铁件为主, 但是球铁件中氮含量较高的情况下也可能出现。


3、氮的来源及控制

铁水中溶解的氮来源于多个方面。冲天炉化铁时,氮由供风中带入,在熔化带溶入铁水。溶入量随供风中氮浓度(分压)变化而增减。

电弧炉的电弧区内,空气在高温下电离,提高了氮的分压,氮以较高扩散速率进入铁水。

各种金属炉料中均含有氮,而以钢的氮含量比较突出。转炉钢氮含量一般为0.010%~0.020%,酸性电炉钢氮含量为0.008%~0.010%,碱性电炉钢氮含量为0.006%~0.014%。

感应炉和电弧炉熔炼铸铁常使用焦炭、石墨等含碳物质作为增碳剂。这些增碳剂氮含量较高,例如,冶金焦w(N)=0.75%~1.50%,电极石墨w(N)≈0.1%。

以氮气为载体向铁水中喷射脱硫剂可使铁水增氮。例如,高碳低硅铁水以此法脱硫,w(N)由0.0070%~0.00995%增加到0.0188%~0.0164%。

来自造型材料。用树脂砂生产铸铁件更容易产生氮气孔,这是因为当铁液浇入铸型后,含N的树脂受热分解出NH3,NH3又在金属液表面离解,[N]原子相当一部分进入铸型-金属界面尚处于熔融状态的金属表层,并由表向里扩散,致使表层金属液为氮饱和。而到金属凝固期间,氮的溶解度急剧下降,就会析出氮气,形成氮气孔。

在使用废钢+增碳剂合成铸铁的工艺中,尤其要考虑氮的含量所带来的影响。

使用加Ti的方法可以减轻氮气孔的倾向。因为Ti有很好的固氮能力而形成TiN硬质点相,以固态质点状态分布于铸铁中,氮气的有害作用可大为降低。对于灰铸铁,薄壁件的氮含量应控制在0.013%以下,而厚壁件的氮含量应控制在0.008%以下。实践证明,铁液中残留有0.02%~0.025%的Ti,可以消除由于氮的析出而造成的铸件裂隙状的氮气孔。

尽量采用氮含量低的电极石墨作增碳剂,而不使用氮含量高的沥青焦炭。

选择含氮量低的有机树脂。为防止氮气孔,一般铸铁件可选用中氮树脂,而铸钢件和高级铸铁件选用低氮树脂。

在型砂或涂料中加入氧化铁粉。在型砂中加入氧化铁粉后,当铸铁浇注温度在1300℃以上,砂型表面温度超过1000℃,在这样的温度下氧化铁粉促进呋喃树脂的热分解,起到将NH3分解成H2的催化剂作用。即便产生了N2气体,在某种条件下产生气体,但通常不溶入铁液和形成皮下气孔,为降低生产成本,通常在面砂中加入3%的氧化铁粉。在涂料中加入10%的氧化铁粉将更为有效和经济。

如果有意增氮,可以选用氮含量较高的增碳剂和孕育剂。
氮的含量可以通过氮氧分析仪来检测。

(来源:铸造工程师:王剑)