生铁品质对铸铁组织和性能的影响

陆小凤

生铁中的气体、非金属夹杂物及微量元素不同造成铸铁不同的遗传性 <1>。特别是后者作用更显著。微量的铅、铋、砷、碲等元素能使石墨改变形状与分布。而一般对微量元素不进行化学分析 ,所以也不容易发现。由于生铁的品质 ,特别是其中含有的微量杂质元素对铸铁的组织和性能有着本质的影响 ,本课题研究了铅、砷、锡等杂质元素对铸铁组织和性能的影响及其消除其危害的措施方法。1　杂质元素对铸铁组织和性能的影响在一些地方生铁中 ,由于铅、砷、锡这样一些杂质元素的存在 (表 1 ) ,使得铸铁的组织和性能恶化 ,产生硬、脆、裂的倾向。从表 1可以看出 ,试验用地方生铁的铅、砷、锡表 1　生铁的化学成分Table 1　 Chemical composition of pig irons %材料 C Si Mn P S Pb As Sn V Ti Al本溪生铁 Z15 1.5 10 .34 0 .0 5 30 .0 2 7<0 .0 0 0 10 .0 0 0 460 .0 0 410 .0 0 0 5 0 .0 5 2 <0 .0 0 5龙岩生铁 Z15 4.5 61.410 .790 .0 5 40 .0 11　 0 .0 0 780 .0 5 60 0 0 .2 12 0 0 .0 0 5 0 0 .0 90　 0 .0 10及杂质的总含量比本溪生铁高出一个甚至两个数量级 ,而且用这种地方生铁配制的铸铁 ,在碳当量相近的情况下 ,虽然其强度和用本溪生铁配制的铸铁相当 ,但铸铁的质量指标 (Qi)明显低于用本溪生铁配制的铸铁 ,见表 2。表 2中 RG为铸铁成熟度 ,H G为铸铁的硬化度。金相分析表明 ,铸铁内有异型石墨和网状碳化物 (图 1 )出现。改善这种铸铁质量的途径就在于改善石墨形态 ,消除碳化物 ,提高质量指标。为比较不同杂质元素的危害程度 ,在用本溪生铁配制的铁水中分别加入不同量的铅、砷、锡 ,进行比较试验 ,研究它们对铸铁组织、性能和冶金质量指标的影响。表 2　不同生铁配制的碳当量相近铸铁的力学性能和冶金质量指标Table 2　 Mechanical properties and metallurgical quality index of cast irons melted from different pig ironsand with sim ilar carbon equivalent配制铸铁用的生铁化　学　成　分 /%力学性能冶金质量指标C Si Pb As Sn σb/MPa HB RG H G Qi本溪生铁 3.34～3.391.95～1.97<0 .0 0 0 10 .0 0 0 46～0 .0 0 115 <0 .0 0 2 2 5 5～2 65 187～192 1.0 2 8～1.0 2 90 .92 6～0 .932 1.110～1.130龙岩生铁 3.16～3.2 02 .0 0～2 .360 .0 0 2 0～0 .0 1390 .0 5 6～0 .0 810 .130～0 .1702 60～2 652 0 3～2 110 .875～0 .9840 .95 5～1.0 340 .879～0 .95 5图 1　含杂质铸铁中的过冷石墨和网状碳化物Fig.1　 U ndercooled graphite and network carbide in castiron containing tramp elements( a)石墨形态 ,未腐蚀 ;( b)网状碳化物 ,4%硝酸酒精腐蚀1 .1　铅对铸铁组织和性能的影响铅的加入 ,会使铸铁的抗拉强度明显下降 ,当铅含量达到 0 .0 0 5 5 % ,铸铁的抗拉强度就会从 2 6 5MPa下降到 2 5 0 MPa。当铅含量增加到 0 .0 3 % ,铸铁的抗拉强度则下降到 2 0 0 MPa,降低约 2 5 %。微量铅的存在还能强烈改变铸铁的石墨形态。铅含量超过 0 .0 0 5 5 % ,变态石墨数量增加 ,D型网状石墨的形成倾向明显增大。基体组织中网状碳化物的含量明显增加。1 .2　砷对铸铁组织和性能的影响当砷含量小于 0 .0 1 3 %时 ,铸铁具有较好的品质系数 (1 .0 8～ 1 .2 2 ) ;当砷含量超过 0 .0 1 3 %时 ,铸铁的抗拉强度和成熟度降低 ,而硬度和硬化度明显提高 ,使得铸铁的品质系数显著下降。当砷含量达到0 .0 4 5 % ,铸铁的品质系数则下降到 1 .0 1。同时铸铁内出现过冷石墨以及网状碳化物。1 .3　锡对铸铁组织和性能的影响锡含量在小于 0 .2 6 %时 ,可提高铸铁的强度 ,但更急剧提高铸铁的硬度和硬化度 ,所以明显降低铸铁的品质系数。当铸铁中锡含量超过 0 .1 % ,铸铁的品质系数下降到 1 .0以下。同时锡也可促进过冷石墨和网状碳化物的析出。从以上分析可以看出 ,铅、砷、锡都有促进铸铁中过冷石墨和网状碳化物生成 ,以及降低铸铁品质系数的倾向 ,是恶化铸铁组织和性能的杂质元素 ,它们在铸铁中的含量必须控制。2　含杂质元素生铁的应用2 .1　烧结过程去除杂质高炉炼铁氯化烧结方法是去除铅、砷等杂质元素的有效手段 <2 ,3>。也是去除杂质元素的最好时期 ,这样在元素造成危害前就加以去除 ,避免了它们对铸铁组织和性能的恶化作用。在氯化烧结过程中 ,可从烧结料中去除 90 % Pb,6 0 %～ 90 % As。2 .2　炉料的搭配使用在使用含有杂质元素的生铁时 ,首先要对生铁进行分析 ,确定杂质元素的含量。在配料时 ,可把这种生铁和其他含杂质元素少的生铁搭配使用 ,以冲淡炉料中杂质元素的含量 ,把杂质元素的含量降低到有害水平以下 b<0 .0 0 5 5 % ;As<0 .0 1 3 % ;Sn<0 .1 %。2 .3　适当提高铁水的过热温度适当提高铁水过热温度和延长铁水在高温下的静置时间 ,有利于像铅这样一些汽化点比较低的杂质元素通过汽化消除 ,同理 ,对含杂质较多的生铁重熔后使用 ,也有利于清除其中的一些杂质元素。试验表明 ,重熔的生铁中铅含量比原生铁有明显减少。2 .4　孕育处理当生铁中杂质元素含量较高 ,用冲淡法难以达到要求时 ,则要考虑用孕育处理的方法来改善铸铁的组织和性能。2 .4.1　稀土硅铁孕育处理的效果试验表明 ,用稀土处理有利于提高铸铁的抗拉强度 ,在稀土硅铁合金加入量为 0 .3 %～ 0 .4%范围内出现峰值 (图 2 ) ,这是稀土金属“双峰值效应”<4> 的第一个峰值。对于不同类型的铸铁来说 ,抗拉强度可提高 7%～ 3 6 %。对于高碳当量过共晶铁水来说 ,由于稀土元素能显著提高其成熟度 (图 3曲线 3 ) ,虽然其硬化度有所增加而其品质系数仍然显著提高。当稀土硅铁合金的加入量超过 0 .1 %时 ,品质系数可从 0 .77提高到 1 .0以上。但是稀土元素对亚共晶铸铁冶金质量指标的影响 (图 3曲线 1、2 )不像对过共晶铸铁那么显著。图 2　用稀土处理后铸铁的抗拉强度和硬度Fig.2　 Tensile strength and hardness of castiron treated with Re Si Fe1—亚共晶铸铁 ,0 .0 5 0 %～ 0 .0 72 % S;2—过共晶铸铁 ,0 .0 2 0 %～ 0 .0 35 % S;3—过共晶铸铁 ,0 .12 2 %～0 .14 4% S;4—过共晶铸铁 ,0 .0 79%～ 0 .12 % S图 3　稀土元素对铸铁成熟度、硬化度和质量指标的影响Fig.3　 Effect of Re Si Fe on relative strength、relative hardness and quality index of cast iron曲线上标号与图 2一致表 3　不同孕育方法对铸铁力学性能和冶金质量指标的影响Table 3　 Effect of different inoculating on m echanicalproperties and metallurgical qualityindex of cast iron孕育剂 加入量 /%力学性能冶金质量指标σb/MPa HB RG H G Qi未处理 0 2 132 14 0 .85 81.0 30 0 .83375号硅铁 0 .11972 0 40 .910 1.0 60 0 .85 80 .32 15 2 12 0 .9661.0 80 0 .8940 .5 2 0 5 2 0 10 .9981.0 70 0 .932碱土硅铁 0 .12 0 82 10 0 .9911.10 0 0 .90 00 .32 0 5 1981.0 30 1.0 60 0 .9670 .5 1761780 .842 0 .9370 .8972 .4.2　碱土硅铁孕育处理的效果从表 3可以看出 ,当碱土硅铁 (0 .5 4 % Sr;0 .3 4 % Ba;0 .0 8% Cu;0 .2 4 % Mn;74% Si;其余为Fe)的加入量为 0 .1 %～ 0 .3 %时 ,铸铁成熟度明显提高 ,虽然硬化度也有所提高 ,铸铁的品质系数比75硅铁处理的仍有明显的提高。2 .4.3　复合孕育处理的效果对于亚共晶低硫铁水 (4.0 6 %～ 4.2 2 % C,0 .0 1 9%～ 0 .0 3 7% S)来说 ,用稀土复合孕育剂处理 ,对改善铸铁品质系数的作用较为明显 (图 4)。可发现 ,当稀土复合孕育剂加入量为 0 .1 %～ 0 .3 %时 ,品质系数出现峰值。图 4　用稀土复合孕育剂处理时铸铁的品质系数