一(yi)、N 的來源(yuan)

1、廢鋼

金(jin)屬冶煉過(guo)程中(zhong), N難免(mian)與其(qi)接觸溶入。w (C) 量和(he)w (Si) 量越(yue)低, N的吸收越(yue)高(gao), 鋼液(ye)出爐時的脫O操作, 給(gei)N的溶入創造了條件。由于鋼的w (C) 量和(he)w (Si) 量比鑄鐵(tie)(tie)(tie)及其(qi)回爐料低很多, 更加容易吸收N, 所(suo)以, 在鑄鐵(tie)(tie)(tie)熔煉過(guo)程中(zhong)廢(fei)(fei)鋼比例越(yue)高(gao), 鐵(tie)(tie)(tie)液(ye)w (N) 量越(yue)高(gao), 尤其(qi)是合成鑄鐵(tie)(tie)(tie), 其(qi)配(pei)料中(zhong)廢(fei)(fei)鋼占(zhan)比越(yue)大, 鐵(tie)(tie)(tie)液(ye)w (N) 量越(yue)高(gao)。

2.增碳(tan)劑

增(zeng)(zeng)碳劑(ji)是鐵液(ye)中N的(de)另一個(ge)來源。國內(nei)有的(de)灰鑄(zhu)鐵鑄(zhu)造廠(chang)在生產合成鑄(zhu)鐵時選用(yong)w (N) 2 000～4 000 ppm的(de)半石墨(mo)化(hua)石油焦增(zeng)(zeng)碳劑(ji)或者是中溫(wen)石墨(mo)化(hua)增(zeng)(zeng)碳劑(ji)。這種增(zeng)(zeng)碳劑(ji)因為C沒有完全石墨(mo)化(hua)，不適(shi)合用(yong)于熔煉后期和出爐前補充C，因為C吸(xi)收慢，吸(xi)收率(lv)低(di)，而且(qie)容易使鑄(zhu)件(jian)出現N2氣(qi)孔(kong)。

3.回爐料(liao)

回爐料中w (N) 量在(zai)(zai)60～90 ppm, 是穩定的(de)N來源。在(zai)(zai)以(yi)往的(de)爐料配(pei)比中, 由于以(yi)生(sheng)鐵(tie)配(pei)料為主, 微(wei)量元素的(de)干擾(rao)較(jiao)(jiao)少(shao), 使用較(jiao)(jiao)少(shao)的(de)增碳劑或不使用增碳劑, 廢鋼加入量也(ye)較(jiao)(jiao)少(shao), 造成回爐料中w (N) 量較(jiao)(jiao)低, 所以(yi), 在(zai)(zai)進行合成鑄鐵(tie)配(pei)料時, 需要注意調(diao)整鐵(tie)液中的(de)w (N) 量。

4.鑄型和(he)砂芯

樹脂砂(sha)型(xing) (芯) 中含有規(gui)定(ding)的N, 高溫鐵(tie)液(ye)進入型(xing)腔后, 樹脂粘(zhan)結劑分解的N也容易被鐵(tie)液(ye)吸收(shou)。

5.合金及(ji)孕育劑

感應電爐熔煉(lian)灰鑄鐵(tie)時, 可以使(shi)用MnN、Cr2N或者(zhe)含(han)N孕育劑來增加鐵(tie)液(ye)的w (N) 量(liang)。筆者(zhe)在配制(zhi)含(han)N孕育劑時發現, 國內煉(lian)鋼使(shi)用的高(gao)N鉻(ge)鐵(tie)中w (N) 量(liang)在80000～90000 ppm, 可以充分提供N源(yuan), 在熔煉(lian)過程中, 將其(qi)以沖入法(fa)加入, 顆粒大小類似于孕育劑的粒度, 此時N的吸收率一(yi)般(ban)在30%左右。試驗表明：Cr、Ni、Cu等合金(jin)元素(su)含(han)量(liang)越(yue)高(gao)， w (N) 量(liang)越(yue)高(gao)。

6.感應電(dian)爐熔煉(lian)操作

感應電(dian)爐熔煉合成鑄(zhu)鐵(tie), 正常規范的熔煉操作, 可以(yi)穩定(ding)鐵(tie)液(ye)中(zhong)的N, 而無限(xian)制高(gao)(gao)溫 (超過1 550℃以(yi)上) 操作或鐵(tie)液(ye)高(gao)(gao)溫留爐時(shi)間過長(chang), 鐵(tie)液(ye)中(zhong)N容易溢出(chu), 從而降(jiang)低(di)鐵(tie)液(ye)的w (N) 量(liang)。

7.沖天(tian)爐(lu)熔煉

由于入(ru)爐(lu)空氣w (N) 量(liang)高, 焦炭w (N) 量(liang)也高 (約8 000～10 000 ppm) , 再加上配料中(zhong)(zhong)規定比(bi)例的廢鋼(gang), 所以鐵液(ye)中(zhong)(zhong)w (N) 量(liang)比(bi)較高, 一般在120ppm以上。

二、灰鑄鐵中w (N) 量的穩定控(kong)制

目(mu)前, 大(da)多數鑄造廠爐前沒有(you)對(dui)w (N) 量進行(xing)準確檢測(ce) (光譜儀有(you)N通道, 檢測(ce)不(bu)夠準確) , 增碳劑、樹脂砂等原材料帶入的(de)w (N) 量不(bu)穩(wen)定, 導致無法穩(wen)定控制w (N) 量。

影響灰(hui)鑄(zhu)(zhu)鐵中(zhong)w (N) 量(liang)(liang)的(de)(de)微量(liang)(liang)元素為Ti、Zr、Sr等(deng), 其中(zhong), Zr和Sr經常添加在鑄(zhu)(zhu)鐵的(de)(de)孕育劑中(zhong), 能(neng)夠起到很好(hao)的(de)(de)作(zuo)用。但(dan)是, 在鐵液(ye)(ye)(ye)(ye)中(zhong)他們也能(neng)夠化合一些(xie)強化鑄(zhu)(zhu)鐵基體的(de)(de)N, 如:Ti與N形成TiN, 減少固(gu)(gu)溶于鐵液(ye)(ye)(ye)(ye)中(zhong)的(de)(de)自由(you)N, 從而降低N對鐵液(ye)(ye)(ye)(ye)的(de)(de)固(gu)(gu)溶強化作(zuo)用, 因(yin)此, 需要從增碳劑等(deng)各種原材(cai)料上控制w (N) 量(liang)(liang), 同(tong)時(shi)應該注(zhu)意潮濕環境下(xia)H的(de)(de)介入。沖天(tian)爐(lu)熔煉的(de)(de)鐵液(ye)(ye)(ye)(ye)w (N) 量(liang)(liang)比較(jiao)高, 干燥季節熔煉生(sheng)產沒有任何N2氣孔問題, 而在春夏季節, 空氣溫度(du)升高, 濕度(du)加大, 入爐(lu)空氣帶入的(de)(de)水氣在高溫下(xia)分解(jie)出H, 嚴(yan)重影響鐵液(ye)(ye)(ye)(ye)質(zhi)量(liang)(liang), 與N共同(tong)產生(sheng)氣孔, 嚴(yan)重時(shi)出現裂隙狀氣孔缺陷(xian)。

某公司要求(qiu)將高(gao)牌號灰鑄鐵(tie)件w (N) 量(liang)(liang)(liang)控制在60～120 ppm, 同時要求(qiu)影(ying)響N強(qiang)化鑄鐵(tie)的(de)有害元素(su)Ti的(de)含量(liang)(liang)(liang)小(xiao)于0.025%。日本某公司要求(qiu)HT300合成鑄鐵(tie)配料時使用HT300鑄鐵(tie)專用增碳劑，將w (N) 量(liang)(liang)(liang)控制在70～100 ppm。使用感應電(dian)爐要考慮氣(qi)壓對(dui)鐵(tie)液w (N) 量(liang)(liang)(liang)的(de)影(ying)響, 高(gao)海(hai)(hai)拔(ba)(ba)地區, 氣(qi)壓低(di), 鐵(tie)液中的(de)溶解N容易溢出, 因此, 完全相同的(de)熔(rong)煉工(gong)藝和原材料配料，其鐵(tie)液的(de)溶解w (N) 量(liang)(liang)(liang)低(di)于低(di)海(hai)(hai)拔(ba)(ba)地區。

研究表明，表面(mian)活性(xing)元素(su) (尤其(qi)(qi)是(shi)(shi)O和S) 可(ke)明顯(xian)減(jian)少N在(zai)(zai)(zai)鐵(tie)(tie)液中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)溶(rong)解速度, 在(zai)(zai)(zai)鐵(tie)(tie)液中(zhong)起(qi)到(dao)脫(tuo)O還(huan)原作用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)其(qi)(qi)他元素(su)也(ye)均能明顯(xian)影(ying)響(xiang)N在(zai)(zai)(zai)鐵(tie)(tie)液中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)溶(rong)解速度。河北某廠(chang)生產合成(cheng)鑄(zhu)鐵(tie)(tie)HT250時(shi)(shi)(shi), 在(zai)(zai)(zai)熔(rong)煉中(zhong)對使(shi)用(yong)(yong)0.8%的(de)(de)(de)(de)(de)SiC配料前后的(de)(de)(de)(de)(de)石墨形態(tai)進行了對比,下圖是(shi)(shi)該廠(chang)合成(cheng)鑄(zhu)鐵(tie)(tie)HT250的(de)(de)(de)(de)(de)金(jin)相(xiang)組織, 由圖可(ke)見, 使(shi)用(yong)(yong)SiC后, HT250的(de)(de)(de)(de)(de)石墨形態(tai)明顯(xian)是(shi)(shi)w (N) 量(liang)比較高的(de)(de)(de)(de)(de)特征，而SiC材料的(de)(de)(de)(de)(de)w (N) 量(liang)很低。據(ju)了解，該廠(chang)在(zai)(zai)(zai)生產合成(cheng)鑄(zhu)鐵(tie)(tie)HT250時(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)熔(rong)煉操作是(shi)(shi)在(zai)(zai)(zai)爐(lu)內有少量(liang)鐵(tie)(tie)液時(shi)(shi)(shi)陸(lu)續加(jia)(jia)入廢鋼, 并加(jia)(jia)入SiC和HT250鑄(zhu)鐵(tie)(tie)專(zhuan)用(yong)(yong)增碳(tan)劑。SiC在(zai)(zai)(zai)爐(lu)內一(yi)開始(shi)是(shi)(shi)脫(tuo)O作用(yong)(yong), 增碳(tan)劑的(de)(de)(de)(de)(de)C以(yi)石墨形態(tai)存在(zai)(zai)(zai)，吸收較好(hao)，且增碳(tan)劑w (N) 量(liang)較高, 一(yi)般在(zai)(zai)(zai)2 000 ppm左右。此種增加(jia)(jia)N的(de)(de)(de)(de)(de)方法初步判斷(duan)條(tiao)件(jian)是(shi)(shi)：一(yi)開始(shi), 要(yao)(yao)有脫(tuo)O條(tiao)件(jian)；其(qi)(qi)次(ci)，在(zai)(zai)(zai)脫(tuo)O的(de)(de)(de)(de)(de)同時(shi)(shi)(shi), 要(yao)(yao)有比較多的(de)(de)(de)(de)(de)N源。當(dang)然(ran), 這種N的(de)(de)(de)(de)(de)增加(jia)(jia)方法也(ye)不夠(gou)穩定, 目(mu)前只(zhi)能僅(jin)供參考, 但是(shi)(shi)鐵(tie)(tie)液脫(tuo)O增N的(de)(de)(de)(de)(de)溶(rong)解速度的(de)(de)(de)(de)(de)特性(xing)是(shi)(shi)必然(ran)的(de)(de)(de)(de)(de), 只(zhi)是(shi)(shi)對其(qi)(qi)認(ren)識和了解需(xu)要(yao)(yao)不斷(duan)的(de)(de)(de)(de)(de)積累(lei)和完善。

三、w (N) 量對力學性能(neng)和金相(xiang)組織的影(ying)響

近幾年, 灰(hui)鑄(zhu)鐵(tie)(tie)的(de)熔煉(lian)(lian)設備(bei)從沖(chong)天爐(lu)轉變為(wei)感應電爐(lu), 灰(hui)鑄(zhu)鐵(tie)(tie)的(de)性(xing)(xing)能(neng)有(you)很大的(de)差(cha)異(yi), 特別(bie)在力(li)學性(xing)(xing)能(neng)方面, 即相(xiang)同CE的(de)灰(hui)鑄(zhu)鐵(tie)(tie), 雖然改成(cheng)(cheng)合(he)成(cheng)(cheng)鑄(zhu)鐵(tie)(tie)配(pei)料后, 力(li)學性(xing)(xing)能(neng)有(you)很大提(ti)高, 但(dan)是與沖(chong)天爐(lu)熔煉(lian)(lian)比較(jiao), 仍然有(you)差(cha)距。分析認為(wei), 除了熔煉(lian)(lian)質量有(you)明顯(xian)不同外(wai), 還(huan)可(ke)能(neng)與2種鐵(tie)(tie)液(ye)的(de)w (N) 量差(cha)別(bie)有(you)關。目前(qian), 合(he)成(cheng)(cheng)鑄(zhu)鐵(tie)(tie)采用感應電爐(lu)熔煉(lian)(lian)時, 其廢鋼含量加(jia)到50%～60%, 并使用石(shi)墨化石(shi)油焦(jiao)增碳劑(ji), 其w (N) 量一般(ban)(ban)在50～100ppm;而沖(chong)天爐(lu)熔煉(lian)(lian)的(de)鐵(tie)(tie)液(ye)w (N) 量一般(ban)(ban)在120ppm以(yi)上。

有(you)資(zi)料顯示(shi)：相同CE的鐵(tie)液[w (C) 3.12%, w (Si) 1.35%, w (Mn)0.71%, w (S) 0.09%, w (P) 0.13%], 隨(sui)著w (N) 量的增加(jia), 其抗(kang)拉強(qiang)(qiang)度從287MPa逐步提高到361 MPa;隨(sui)著w (N) 量的繼(ji)續增加(jia), N2氣孔出現, 抗(kang)拉強(qiang)(qiang)度突然降低。

N對灰(hui)(hui)鑄鐵力(li)學性能(neng)影響如(ru)此明顯，是由于其對灰(hui)(hui)鑄鐵的石(shi)(shi)墨形態和(he)基體組織產生了很(hen)大影響。在(zai)鑄鐵中(zhong)，w (N) 量超過80 ppm，能(neng)夠出(chu)現一些緊實石(shi)(shi)墨, 片(pian)狀(zhuang)(zhuang)石(shi)(shi)墨變短變粗, 并(bing)有(you)彎(wan)曲現象, 片(pian)狀(zhuang)(zhuang)石(shi)(shi)墨端部變圓鈍化。

N對灰鑄鐵(tie)(tie)基體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)也有顯著的作(zuo)用, N是穩定(ding)并能(neng)細(xi)化(hua)珠(zhu)光(guang)體(ti)的元素(su), w (N) 量在規定(ding)范圍(wei)內可以有效(xiao)抑(yi)制(zhi)鐵(tie)(tie)素(su)體(ti)的形(xing)成。有資料(liao)顯示：N與(yu)C一樣固(gu)溶于鐵(tie)(tie)液中, 形(xing)成間隙式固(gu)溶體(ti), 固(gu)溶強(qiang)化(hua)和形(xing)成穩定(ding)奧氏體(ti)作(zuo)用明顯。N使(shi)初生(sheng)奧氏體(ti)一次軸變短, 二次臂(bei)間距(ju)減小, 使(shi)共晶(jing)團細(xi)化(hua), 珠(zhu)光(guang)體(ti)體(ti)積分(fen)數增(zeng)多, 能(neng)夠(gou)有效(xiao)抑(yi)制(zhi)鐵(tie)(tie)素(su)體(ti)生(sheng)成, 使(shi)共析轉變過冷(leng)度增(zeng)加, 穩定(ding)細(xi)化(hua)珠(zhu)光(guang)體(ti)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)。

某廠(chang)在(zai)生(sheng)(sheng)產HT300缸(gang)套(tao)活塞(sai)鑄(zhu)件時(shi)(shi), 使用1 t感(gan)應電爐(lu)熔煉, 配料由以生(sheng)(sheng)鐵配料為(wei)(wei)主改為(wei)(wei)50%廢(fei)鋼(gang)+50%同牌號回爐(lu)料+ HT300鑄(zhu)鐵專用石(shi)墨(mo)化增碳劑+少量(liang)Cr、Cu等合金(jin)。出爐(lu)前(qian)使用0.2%的(de)SiC做預處理(li), 使用0.3%的(de)Si-Ba-Ca孕(yun)育(yu)劑進(jin)行(xing)孕(yun)育(yu)。澆注(zhu)鑄(zhu)件時(shi)(shi), 同時(shi)(shi)澆注(zhu)φ30 mm的(de)試棒, 然后檢(jian)測化學(xue)成分、金(jin)相組(zu)織、力學(xue)性能和w (N) 量(liang)。檢(jian)測結果顯示:w (C) 3.09%, w (Si) 1.917%, w (Mn) 0.74%, w (P) 0.038%, w (S) 0.104%, w (Cr) 0.492%, w (Mo) 0.531%, w (Cu) 0.386%, w (Ni) 0.638%;未加入含N孕(yun)育(yu)劑, w (N) 量(liang)為(wei)(wei)74 ppm, 抗拉強度335～337 MPa;加入0.2%的(de)含N孕(yun)育(yu)劑, w (N) 量(liang)為(wei)(wei)99 ppm, 抗拉強度為(wei)(wei)371～389 MPa。HT300缸(gang)套(tao)活塞(sai)鑄(zhu)件的(de)石(shi)墨(mo)形態如圖所(suo)示, 可見, w (N) 量(liang)為(wei)(wei)99 ppm時(shi)(shi), 石(shi)墨(mo)形態較好, 抗拉強度也有所(suo)提高。