灰铸铁中的氮

灰铸铁中的Ti和N关于高牌号灰铁中氮的含量，以前陆续在各种帖子里面谈过自己的经历，在此再汇总一下，仅供参考：1.06年，日本铸造专家和牧野客户对我在当时的铸造工厂，提出要求不定期化验灰铁300里面氮的含量，要求在80-120PPM，我们当时拿到外面大的金属材料研究所做了化验，都在要求范围内，具体数据记不清了。当时的熔炼条件是冲天炉，比较好的焦炭和生铁。08年在普什铸造，看见美国GE公司对重要灰铁铸件要求化验氮的含量也在80-120PPM，这个数据我有GE原始质量文件。2.06年前后，由于工作中遇到电炉大量熔炼灰铁300，即在该厂由冲天炉熔炼往电炉转变期间，而电炉的灰铁300材质，总是不如冲天炉强度高（在相同CE值，和相同生铁情况下），查其中原因，逐步发现钛的含量有很大差别，通过学习，和专家讨论，感觉微量元素对于灰铁强度的影响是非常重要的新的问题。当时国内铸造杂志已经有文章谈到此种现象和原因。3.当时该厂新，老厂同时生产灰铁300，新厂是电炉，老厂是冲天炉，化验都在新厂打光谱，对于两种熔炼设备的成分，对照成分查找原因比较方便，即当灰铁中的钛含量在0.03%以上时，逐步影响铸铁强度，在钛含量达0.05%后非常明显，这只是一个量变到质变的过程。钛的含量小于0.02%时灰铁强度非常好。(在这里把钛作为微量元素来讨论的，不是把钛作为合金元素来分析。)以后在普什就更加证明了此点，灰铁熔炼，必须注重钛的含量，否则强度，硬度要受影响。使用好的生铁，或者以合成铸铁的方法熔炼灰铁，则钛的含量都比较低，灰铁强度，硬度比较正常。4.冲天炉熔炼，由于氧化作用，把有害微量元素钛氧化消耗很多，铁水中钛的含量较低，则直接结果是保存了较多的氮，使氮强化基体的作用明显，而电炉熔炼中对于钛和其他各种元素烧损较少，保留了大量的钛含量，致使钛消耗大量氮，使氮强化基体的作用消失，所以同样CE值时，电炉熔炼的灰铁300强度，硬度比冲天炉的低。以前谈到潮湿空气影响冲天炉熔炼，只所以认为主要是氮气（当然也有氢气存在）产生裂隙状气孔，是依据当时铸铁强度很好，而主要是氢气影响产生裂隙状气孔时，要明显影响灰铁强度的。氮超过一定值，要出现氮气孔，逐步含量高时，要出现气缩和裂隙状气孔，这里肯定也有其他元素和气体存在影响因素，但是普通正常要求，上限在120PPM。5.至于增加铁水氮的含量操作，以前也想过，没有具体操作试验。因为99年在台湾首屋铸造工作时，库房里面的增碳剂分为高，中，低氮三种，那么我们如果发现铁水中钛的含量较高，可能影响强度时，是否可以加入高氮含量的增碳剂来抵消钛的影响，增加氮的强化作用呢？现在看可能是氮的化验比较困难，炉前临时操作，量和度的掌握不可能准确，希望有这方面经验的朋友介绍。今天顺便汇总了以前在各种帖子里面对于氮影响灰铁强度的看法，不对的请批评！，不足的请补充。感谢4楼朋友发的几篇文章，但是时间较久了。翟老师的书，对铸铁氮氢等等元素影响，作用说得比较全面。氮在灰铸铁中的作用氮在铸铁中的含量很低，一般情况下其溶解度只有0.01%左右。1953年道森（Dawson）等人首先报道了氮可以改善灰铸铁的石墨形态，强化其基体组织，从而提高其力学性能，从此氮在铸铁中的作用引起了人们的重视。一、氮对灰铸铁相变温度的影响作者采用Fe-C-Si-Mn合金，加入纯氮，用差热分析和微分热分析方法测定了氮对灰铸铁平衡及非平衡相变温度的影响。图7─2为Fe-C3.27-Si2.15-Mn0.16、Fe-C3.45-Si2.15-Mn0.16和Fe-C3.45-Si2.15-Mn0.80三种成分灰铸铁溶液的一次相变温度与氮含量的关系，图中表示升温时测定的平衡初生奥氏体转变温度，表示降温时测定的非平衡初生奥氏体转变温度，分别表示平衡共晶转变开始和终了温度，为非平衡共晶转变温度。结果表明，氮使铸铁溶液的平衡和非平衡一次结晶温度降低，结晶过冷度增大，共晶转变的温度区间增大。当铸铁中锰含量较高时，氮对共晶转变开始温度几乎没有影响。图7─3为上述三种成分铸铁的共析转变温度与氮含量的关系，图中TP1和TP2分别为共析转变的开始和终了温度。该图表明，氮使灰铸铁共析转变温度降低，转变的温度区间增大。氮对灰铸铁共析转变温度的影响程度与灰铸铁的含碳量有关，含碳量愈高，氮的影响愈显著。二、氮对铸铁中石墨组织的影响氮对铸铁中石墨组织的形态、数量和分布都有显著影响。日本学者张博等人的研究表明，在铸铁中吹入一定量的氮，可以在不加任何球化剂的条件下获得球墨铸铁。作者在采用单相凝固的方法研究纯Fe-C-Si-Mn合金中氮的作用时，也发现过球状石墨。对于普通灰铸铁，氮使石墨片长度缩短，弯曲程度增加，端部钝化，长宽比减小。氮对石墨表面形貌的影响与铸铁中锰含量有关。当铸铁中含锰量较低时，氮对石墨表面形貌没有明显影响；当铸铁中含有一定量的锰时，加氮后石墨表面变粗糙，并出现明显的纹理（如图7─4所示）。7─4氮对石墨表面形貌的影响(a)Fe-C-Si-Mn-0.0042%N(b)Fe-C-Si-Mn-0.0110%N三、氮对灰铸铁基体组织的影响氮对灰铸铁基体组织有显著的作用。氮使初生奥氏体一次轴变短，二次臂间距减小；使共晶团细化；使珠光体数量增多。对于高碳当量的灰铸铁，加入适量的氮可得到百分之百的珠光体基体组织。虽然有报道氮可以使珠光体片层间距减小，但是作者采用具有图象分析功能的扫描电镜仔细研究了加氮前后灰铸铁珠光体的片层间距，没有发现氮对片层间距有影响。四、氮在灰铸铁中的分布及对灰铸铁组织的作用机制由于氮在灰铸铁中含量很低和氮元素本身测试上的困难，定量测定氮在灰铸铁中的分布并进而揭示氮的作用机制目前还难以做到。作者采用纯Fe-C-Si-Mn合金，配合凝固控制技术，对氮在灰铸铁凝固过程中的分布和作用机制做了定性的探讨。波谱检测表明，在初生奥氏体析出过程中，氮在奥氏体和残留液相中的浓度没有明显差别。用俄歇谱仪测定共晶转变后石墨表面氮的浓度，发现共晶转变过程中石墨表面有几个原子层厚度的氮吸附层。波谱检测表明，石墨中氮的浓度明显高于基体。由此可见，氮在石墨表面的吸附阻碍了石墨的长大，从而细化了灰铸铁的共晶转变组织。在石墨长大过程中，吸附在石墨表面的氮原子固溶在石墨中，使石墨在长大过程中晶格产生畸变，晶体缺陷增多，导致石墨片产生弯曲和分枝倾向增大。铸铁中的锰加剧了氮在石墨表面的吸附，使石墨表面变粗糙。锰对氮的作用有重要影响，当铸铁中含锰量很低时，氮对灰铸铁的作用主要表现在对基体组织的作用上；而当铸铁中含有一定量的锰时，氮的作用主要表现在石墨组织上。用X射线衍射法测定加氮前后灰铸铁中铁素体和渗碳体的晶格常数，发现加氮后铁素体和渗碳体的晶格常数均有比较明显的增大。这说明，尽管在基体组织中氮的浓度低于在石墨中的浓度，但无论是铁素体还是渗碳体中都含有氮，而且氮是作为间隙原子固溶在铁素体和渗碳体中的。氮原子固溶在铁素体和渗碳体中造成铁素体和渗碳体晶格产生畸变，提高了灰铸铁基体组织的显微硬度。在灰铸铁中，氮和稀土有显著的交互作用，同时加入这两种元素可尽一步提高它们的作用效果。