目前鑄鐵中主要存在的氣體元素為氧、氮、氫，這三種氣體元素在鐵液中的存在形態(tài)以及含量對(duì)鑄鐵質(zhì)量和性能有著重要的影響[1]。氧對(duì)鑄鐵組織和性能的影響，主要體現(xiàn)在鑄鐵的凝固過(guò)程中，氧與鐵液中多種元素結(jié)合形成氧化物，一部分構(gòu)成石墨形核質(zhì)點(diǎn)，另一部分形成氧化夾雜物。過(guò)高的氧會(huì)促使鐵液的氧化，降低鐵液流動(dòng)性，還會(huì)產(chǎn)生鑄造缺陷。同時(shí)孕育球化過(guò)程中氧還會(huì)消耗額外的孕育球化劑，造成孕育球化不良[2]。氮對(duì)鑄鐵組織和性能的影響，主要體現(xiàn)在氮能夠抑制石墨片的生長(zhǎng)，使石墨片長(zhǎng)度變短、端部鈍化，彎曲度增大，長(zhǎng)寬比減小[3]，適量的氮在鑄鐵中還起到微合金化的作用，固溶強(qiáng)化基體組織，提高材料性能，過(guò)高的氮會(huì)產(chǎn)生氮?dú)饪譡4]。氫對(duì)鑄鐵組織和性能沒(méi)有好的影響，據(jù)研究表明在碳當(dāng)量為4.2%左右的鑄鐵中，1 200 ℃時(shí)氫的溶解度為7.5×10-6。過(guò)高的氫在凝固過(guò)程中析出，使鑄件形成氫針孔等。
綜上，為生產(chǎn)出性能穩(wěn)定且質(zhì)量較高的鑄鐵件，檢測(cè)鑄鐵中氧、氮、氫三種氣體元素的含量，并探討其元素含量對(duì)鑄鐵件組織和性能的影響，對(duì)鑄鐵生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1 試驗(yàn)材料制備與方法
本試驗(yàn)采用中頻感應(yīng)爐進(jìn)行鐵液熔煉，制備出不同型號(hào)的灰鑄鐵和球墨鑄鐵，用來(lái)測(cè)定和分析灰鑄鐵及球墨鑄鐵中氧和氮元素的含量。爐料中廢鋼的加入量為50%~65%，回爐料20%~35%，生鐵0~20%，制備灰鑄鐵和球墨鑄鐵時(shí)分別采用半石墨化增碳劑和石墨化增碳劑進(jìn)行增碳處理，加入量為1.0%~2.0%，同時(shí)加入0.6%~1.0%碳化硅增硅。鐵液溫度升至1 450 ℃左右時(shí)，取樣進(jìn)行成分分析，***終鐵液在1 480~1 520 ℃出爐。
試樣的制備與分析。現(xiàn)場(chǎng)取樣：采用Φ5 mm真空玻璃管取樣，將真空玻璃管插入鐵液中，瞬間抽吸成鐵棒立即放入水中，冷卻后裝到干凈塑料袋內(nèi)，取出的試棒致密且不能有氣孔。化驗(yàn)室制樣：利用打磨的方法去除試樣表面的氧化物，并在打磨過(guò)程中不斷浸入乙醇內(nèi)冷卻，以避免試樣過(guò)熱，磨完后放入乙醇內(nèi)保存。采用吹風(fēng)機(jī)吹干表面的乙醇，再用金剛銼對(duì)表面進(jìn)行細(xì)加工，使試樣表面光滑且無(wú)粗糙紋路，***后加工成適合分析用量的試樣（0.5 g左右）進(jìn)行分析。
分析時(shí)，用鑷子將試樣放入鋼研納克ON-3000分析儀中進(jìn)行分析。結(jié)果數(shù)據(jù)均為5個(gè)試樣的平均值。
2 灰鑄鐵及球墨鑄鐵中的氧、氮含量的測(cè)定
灰鑄鐵孕育出爐后溫度降至1 350 ℃左右進(jìn)行玻璃管取樣，測(cè)量氧、氮含量，分析結(jié)果如表1所示。在試樣HT250和HT300中，其內(nèi)部的含氧量一般遠(yuǎn)低于含氮量。和試樣HT250相比較，HT300的含氧量和含氮量的均值都更高。
表1 灰鑄鐵中氧和氮的含量
球墨鑄鐵球化處理后溫度降至1 350 ℃左右進(jìn)行玻璃管取樣，測(cè)量氧、氮含量，分析結(jié)果如表2所示。對(duì)于不同型號(hào)的球墨鑄鐵，其內(nèi)部的含氧量均遠(yuǎn)低于含氮量，并且含氧量的均值相差不大，而含氮量的均值相差很大，QT600-3和QT500-5的含氮量的均值***大，都為57×10-6，QT400-18的含氮量均值***小，為40×10-6。
表2 球墨鑄鐵中氧和氮的含量
3 氧含量對(duì)合成灰鑄鐵質(zhì)量的影響
氧是一種活潑性很強(qiáng)的元素，在鑄鐵中它能與多種元素結(jié)合形成氧化物。對(duì)于灰鑄鐵，特別是合成灰鑄鐵必須做好孕育處理，而孕育處理前的原鐵液中會(huì)有一定的氧和硫，實(shí)踐表明，鐵液中硫的含量不宜低于0.06%，***好保持在0.06%~0.09%之間[6-7]，而氧含量的合適值為多少目前并不明確，因此本文將通過(guò)試驗(yàn)來(lái)探究合成灰鑄鐵的鐵液中氧含量的適宜值。
通過(guò)在合成灰鑄鐵中添加Fe2O3，來(lái)探究Fe2O3不同的加入量及加入條件對(duì)合成灰鑄鐵含氧量及其性能的影響。在幾種成分相近的合成灰鑄鐵鐵液中分別加入0.02%、0.04%、0.06%、0.08%的Fe2O3，并檢測(cè)鑄鐵試樣中的氧含量及試樣的性能，試驗(yàn)均為出爐孕育溫度降至1 480 ℃左右取樣，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。結(jié)果數(shù)據(jù)均為5個(gè)試樣的平均值。
表3 Fe2O3的加入量及加入條件對(duì)
灰鑄鐵含氧量及性能的影響
由表3可知，在1 450 ℃時(shí)和在裝爐時(shí)加入不同比例的Fe2O3，其氧含量在（12~18）×10-6之間變化，平均值為13.75×10-6，性能在330~375 MPa變動(dòng)，無(wú)明顯規(guī)律。可見(jiàn)，人為的用Fe2O3增加氧含量效果并不明顯，氧含量與抗拉強(qiáng)度的大小不成比例關(guān)系。但試驗(yàn)成分為HT300材質(zhì)，強(qiáng)度都達(dá)到了330 MPa以上，平均值347 MPa，說(shuō)明鐵液中氧的含量在（10~20）×10-6為宜。原因是當(dāng)鐵液中的氧含量過(guò)低到10×10-6以下時(shí)，可作為石墨外來(lái)核心的氧化物和硫氧復(fù)合化合物較少，鐵液對(duì)孕育處理的響應(yīng)能力不夠，灰鑄鐵組織中就會(huì)出現(xiàn)較多的過(guò)冷石墨（D、E型石墨）。當(dāng)氧含量過(guò)高時(shí)，將會(huì)消耗額外的合金元素，從而導(dǎo)致試樣的性能降低。
4 氮含量對(duì)HT250組織和性能的影響
有關(guān)氮對(duì)鑄鐵組織和性能的影響的論述較多，對(duì)氮的認(rèn)識(shí)和利用也較全方面深刻。本文通過(guò)在HT250中添加氮化錳合金，以提高鐵液中的氮含量，探究氮含量的變化對(duì)灰鑄鐵組織和性能的影響。試驗(yàn)爐料配比普通碳素廢鋼60%、同質(zhì)回爐料30%、生鐵10%。鐵液熔至1 450 ℃時(shí)加入氮化錳鐵。添加量依次為0、0.1%、0.2%和0.3%，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。結(jié)果數(shù)據(jù)均為5個(gè)試樣的平均值。
表4 MnN的添加量對(duì)鑄鐵組織和性能的影響
由表4可知，隨著MnN添加量的增多，灰鑄鐵中氮含量呈逐漸增加的趨勢(shì)，珠光體的含量逐漸增加，試樣的抗拉強(qiáng)度逐漸增大，且鑄鐵中石墨形態(tài)均為***。另外當(dāng)MnN的添加量為0.3%時(shí)，灰鑄鐵中氮含量為110×10-6，試樣的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到370 MPa，但是在鑄件中出現(xiàn)了可見(jiàn)的氮?dú)饪祝ㄈ鐖D1中A、B、C處）。
含氮灰鑄鐵試樣的石墨形貌如圖2所示。隨著灰鑄鐵中氮含量的增加，石墨逐漸變短、粗，石墨片的端部鈍化。當(dāng)MnN加入量為0.2%，氮含量在85×10-6時(shí)出現(xiàn)了一些緊實(shí)石墨，片狀石墨變粗變短并有彎曲現(xiàn)象。當(dāng)MnN加入量為0.3%時(shí)，石墨組織中出現(xiàn)類(lèi)似蠕蟲(chóng)狀石墨。主要原因是吸附于石墨表面的原子層厚度的氮阻礙了金屬液中碳原子向石墨中擴(kuò)散，阻礙了片狀石墨的增長(zhǎng)，固溶于石墨中的氮主要通過(guò)增加石墨內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不完整性，使石墨晶體點(diǎn)陣產(chǎn)生畸變，造成片狀石墨彎曲。
含氮灰鑄鐵試樣的基體組織如圖3所示。隨著灰鑄鐵中氮含量的增加，使得基體組織中珠光體含量增多，珠光體層片間距減小。氮可固溶于鐵中形成間隙固溶體，固溶強(qiáng)化和穩(wěn)定奧氏體作用明顯，氮使初生一次奧氏體軸變短，二次臂間距減小，使共晶團(tuán)細(xì)化，能使共析轉(zhuǎn)變過(guò)冷度增加，穩(wěn)定并細(xì)化珠光體組織，起到了合金化的作用，故灰鑄鐵中氮的含量控制在（50~100）×10-6為宜。
5 QT450中氫氣孔的形成與控制
氫在鑄鐵中存在的形態(tài)，可以少量溶于液態(tài)或固態(tài)鑄鐵中，也可以在鑄鐵凝固過(guò)程中以單質(zhì)氣體析出，造成鑄件中的氣孔缺陷[9]。鐵液凝固過(guò)程中，產(chǎn)生氫氣氣泡難于上浮，也難于向內(nèi)遷移，***后停留在鑄件表皮層下時(shí)，有可能使鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷[10]。氫氣孔缺陷一般出現(xiàn)在鑄件上表面，形狀較圓整，鑄鐵中氫的來(lái)源很多，主要來(lái)自爐料、爐襯、包襯和鑄型涂料及金屬爐料表面的銹蝕，油污是導(dǎo)致鐵液中氫含量高的主要原因，另外包襯的干燥清潔也是導(dǎo)致鑄件氫氣孔的關(guān)鍵因素。
如圖4所示，采用QT450材質(zhì)加工箱蓋過(guò)程中出現(xiàn)了批量氣孔缺陷，經(jīng)檢測(cè)氣孔為氫針孔缺陷。主要原因是首包鐵液澆注時(shí)包襯未徹底烘干，鐵液中合金元素鋁與水汽產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，在鐵液凝固過(guò)程中形成氫氣析出，從而在鑄件內(nèi)產(chǎn)生氫氣孔缺陷，其反應(yīng)式為：
2Al+3H2O→Al2+3H2↑
鋁元素能夠提高形成氫氣孔的風(fēng)險(xiǎn)， 所以在生產(chǎn)中應(yīng)注意控制鋁的含量， 對(duì)球墨鑄鐵而言，Al≤0.02%，對(duì)灰鑄鐵而言，Al≤0.01%。因此，合理控制鑄鐵中某些金屬元素（如鋁、鉛、鋅等）的含量，能有效控制鑄鐵中氫氣孔的形成。
6 結(jié)束語(yǔ)
（1）鑄鐵中適量的氧含量能夠與鐵液中多種元素形成氧化物，構(gòu)成石墨外來(lái)核心提高鐵液的孕育處理響應(yīng)能力，過(guò)量的氧能夠促使鐵液氧化，降低鐵液流動(dòng)性，還會(huì)產(chǎn)生鑄造缺陷。灰鑄鐵中的氧含量在（10~20）×10-6為宜。
（2）鑄鐵中適量的氮含量能夠強(qiáng)化基體組織，起到微合金化作用，提高材質(zhì)性能。氮的含量***好控制在（50~100）×10-6，如超過(guò)100×10-6時(shí)，極易導(dǎo)致鑄件內(nèi)氮?dú)饪兹毕莸男纬伞?/p>
（3）鑄鐵中的氫含量應(yīng)盡量控制在***低值，關(guān)鍵在于所用爐料中微量元素（鋁、鉛、鋅）的含量要低
