2.4　氣體元素

球墨鑄鐵原鐵水中含有多種微量氣體元素。對(duì)鑄件質(zhì)量有影響的氣體元素主要是氧、氮、氫。下面簡(jiǎn)要討論這幾種元素在鐵水中的行為以及對(duì)球墨鑄鐵組織和性能的影響。

2.4.1　氧

鐵水中的氧主要是從大氣中吸收、爐料直接帶入或爐料表面銹蝕物還原產(chǎn)生。

鑄鐵在開放式熔煉過程中，鐵水始終與空氣接觸，空氣中的氧被吸附在鐵水表面，繼而在高溫下連續(xù)溶入鐵水內(nèi)部。隨著過熱溫度提高和熔化時(shí)間延長(zhǎng)，氧的溶解量逐漸增加，一直達(dá)到飽和狀態(tài)。除去從液面吸收的氧外，還有一些爐料帶入的SiO2和其他氧化物也進(jìn)入鐵水，超過一定溫度時(shí)氧化物被還原而產(chǎn)生的氧溶入鐵水。這些氧構(gòu)成鐵水總的溶解氧量。當(dāng)爐料、鐵水與大氣直接接觸情況下熔化時(shí)，鐵水的溶解氧量通常處于過飽和狀態(tài)。

感應(yīng)爐熔煉的球墨鑄鐵水含氧量約為（10～22）×10-4%。沖天爐鐵水多于感應(yīng)爐鐵水，約為（30～60）×10-4%[4]。

氧以兩種狀態(tài)存在于鐵水中。一是以化合狀態(tài)存在，與其他元素化合物形成氧化物。二是以溶解狀態(tài)存在，成為溶解氧。溶解氧具有冶金活性，主導(dǎo)氧在鐵水中的行為，并對(duì)鑄鐵熔煉過程中的冶金反應(yīng)產(chǎn)生影響。

氧是表面活性元素，存在于球墨鑄鐵中的氧阻礙石墨球化，是干擾石墨球化的主要元素之一。生產(chǎn)球墨鑄鐵所用的球化元素（鎂、鈰等）都與氧有強(qiáng)烈的親和力。加入原鐵水的球化劑總是先與氧和硫發(fā)生反應(yīng)，形成在高溫下非常穩(wěn)定的化合物。剩余球化劑才能產(chǎn)生球化作用。

氧使鐵水中的元素遭受氧化。根據(jù)球墨鑄鐵中合金元素與氧的親和力強(qiáng)弱可排列以下氧化次序：鈣、鈰、鋁、鎂、鈦、硅、釩、錳、鉻、鐵、鉬、鎢、鎳、銅。

多數(shù)合金元素的氧化物進(jìn)入熔渣，形成復(fù)合化合物。如MgO與SiO2結(jié)合，成為復(fù)合化合物2MgO·SiO2（Mg2SiO4）這種復(fù)合化合物是球墨鑄鐵中特有缺陷——黑渣的主體。錳的氧化物MnO，在高溫下與酸性爐襯中的SiO2發(fā)生反應(yīng)，形成低熔點(diǎn)的復(fù)合化合物MnO·SiO2，能使?fàn)t襯受到侵蝕。

元素的氧化物或復(fù)合化合物直接形成熔渣或與其他氧化物構(gòu)成熔渣。渣內(nèi)所含的元素隨除渣而遭到損失，這是一些合金元素在熔煉過程中損失的主要部分。

表2-6列出鐵水熔煉過程中可能形成的氧化物熔點(diǎn)和密度。可以看出大部分氧化夾雜物的熔點(diǎn)高于球墨鑄鐵原鐵水的熔點(diǎn)，而密度低于原鐵水密度。因此可以從鐵水中將其扒除。

鐵水含氧量過高，增加白口生成傾向。對(duì)這些鑄件需要加強(qiáng)孕育作用。

2.4.2　氮

氮在鐵水中有一定的溶解度。硫和氧顯著降低鐵水中氮的溶解速率，降低氮在鐵水中溶解的傾向。鉻、釩、錳等碳化物形成元素有提高氮在鐵水中溶解度的傾向。氮增加球墨鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變過冷度[6]。使奧氏體一次枝晶變短，二次枝晶臂間距縮小，共晶團(tuán)細(xì)化。溶入奧氏體中的氮降低共析轉(zhuǎn)變過冷度，并擴(kuò)大共析轉(zhuǎn)變溫度范圍。氮在球墨鑄鐵中最明顯的作用是增加共析轉(zhuǎn)變過冷度，促進(jìn)珠光體生成和穩(wěn)定珠光體組織。隨氮的溶入量增加，共析轉(zhuǎn)變溫度隨之降低，共析轉(zhuǎn)變開始溫度與共析轉(zhuǎn)變終了溫度的差別增加。含碳量越高，氮對(duì)共析轉(zhuǎn)變溫度的影響越顯著。一般把這種元素當(dāng)作合金元素看待。

氮對(duì)共析轉(zhuǎn)變的這些影響，使它成為促進(jìn)珠光體生成和細(xì)化珠光體組織的元素。有試驗(yàn)表明，感應(yīng)爐生產(chǎn)的球墨鑄鐵含氮量由0.0050%增加到0.0080%后，在其他條件不變情況下，如果以δb=550MPa為基準(zhǔn)，抗拉強(qiáng)度提高6.5%。

爐料中鋼的含氮量超過生鐵和其他鐵合金。轉(zhuǎn)爐鋼含氮量一般為：0.010%～0.020%，酸性電爐鋼和堿性電爐鋼分別為0.008%～0.010%和0.006%～0.014%。而且爐料中的廢鋼吸收氮的速率比生鐵高得多。配料中鋼的比例增加，鐵水含氮量隨之增加。表2-7顯示爐料中鋼加入量對(duì)鐵水平均含氮量的影響。

美國鑄造工作者協(xié)會(huì)（AFS）曾對(duì)球墨鑄鐵生產(chǎn)過程中含氮量變化進(jìn)行過調(diào)查。調(diào)查結(jié)果列于表2-8。由此表可以看出，電弧爐鐵水含氮量高于沖天爐鐵水；脫硫前的鐵水保溫使氮含量降低；孕育后的鐵水，由于含硅量增加，含氮量由出爐時(shí)的0.0165%降低到0.0076%。各廠鑄件含氮量均能保持在0.008%以下。

當(dāng)含氮量超過0.10%時(shí)，已經(jīng)超過其在球墨鑄鐵內(nèi)的溶解度極限，部分氮將以氣泡形式從鐵水中析出。如果氣泡在凝固后存留于鑄件中，形成貌似裂隙的氮?dú)饪兹毕荨２捎眠秽裥蜆渲瑸轲そY(jié)劑的芯砂在高溫下有大量氮?dú)馕龀龆M(jìn)入鑄件，存留于鑄件表皮之下。為消除過量氮形成的氣孔可在鐵水中加入微量鈦，形成TiN，將多余的氮固定在這種化合物中。TiN是硬質(zhì)相，以細(xì)微顆粒狀存在于基體中。

沖天爐熔化鐵水時(shí)，供風(fēng)把氮直接帶入鐵水。電弧爐的電弧區(qū)內(nèi)，空氣在高溫下電離，提高了氮的分壓，氮以較高擴(kuò)散速度進(jìn)入鐵水。感應(yīng)爐通過鐵水表面的界面反應(yīng)吸收氮。許多爐料都含有氮。鐵水爐前處理過程也使氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生變化。合成鑄鐵水中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高。

在正常熔煉條件下，待處理原鐵水中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.004%～0.012%。球化及孕育處理后有所降低，約為0.003%～0.008%。超過這個(gè)范圍，由于氮過度降低共晶過冷度，有可能使鐵水在接近或低于碳化物共晶轉(zhuǎn)變溫度下結(jié)晶而產(chǎn)生共晶碳化物，并導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生白口。

在生產(chǎn)上，一般是采用氮化錳鐵向鐵水中添加氮。氮化錳鐵放于爐料中或爐料熔化后投入鐵水。近些年開發(fā)了含氮的孕育劑。孕育處理過程中也可能促進(jìn)珠光體形成。

2.4.3　氫

大氣中氫的分壓很低，鐵水直接從大氣中吸收的氫很少。球墨鑄鐵中的氫大部分來自潮濕或銹蝕的爐料、燃料、耐火材料以及潮濕空氣。在高溫下，這些物質(zhì)中的水分分解產(chǎn)生的單原子氫滲入鐵水中，成為氫的主要來源。

球墨鑄鐵中的氫主要以溶解狀態(tài)存在。溶解氫的含量主要取決于液態(tài)和固態(tài)下氫在鐵中的溶解度。而溶解度受到鐵的化學(xué)成分和溫度的影響。有文獻(xiàn)指出，1592℃鐵碳合金中，ω（C）由0增加到3.5%時(shí)，氫的溶解度由28cm3/100g鐵降低到16cm3/100g鐵。除碳以外，硼、鋁、錫、硫、磷也降低氫的溶解度，而錳、鉻、銅則提高氫的溶解度。鐵水溫度每變化100℃，添加上述元素（硼、磷、鉻除外）導(dǎo)致的氫溶解度變化為3.1×10-6。

氫對(duì)石墨晶體顯示表面活性。石墨生長(zhǎng)過程中，氫與硫、硒、碲等元素化合，減少石墨表面對(duì)這些元素的吸收，從而提高共晶過冷度，增加鐵水凝固時(shí)的白口傾向。鐵水含氫量越高，過冷傾向越顯著。在球墨鑄鐵件生產(chǎn)中可以看到，使用潮濕爐料制成的鑄件，爐前試樣的白口深度大于使用干燥清潔爐料生產(chǎn)的試樣白口深度，對(duì)于這類鑄件需要特別加強(qiáng)孕育。

球墨鑄鐵溶入較多氫元素會(huì)使抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低。但是還沒有見到實(shí)際生產(chǎn)條件下力學(xué)性能變化與含氫量關(guān)系的報(bào)道。值得注意的是，在凝固過程中，一部分單原子氫轉(zhuǎn)變?yōu)殡p原子氫（氣態(tài)）時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高壓力，甚至使鑄件（特別是高強(qiáng)韌性鑄件）產(chǎn)生脆化現(xiàn)象（氫脆），嚴(yán)重降低球墨鑄鐵的塑韌性。這是氫對(duì)球墨鑄鐵件力學(xué)性能影響的主要方面。