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知识篇:铸铁中的氧

氢、氮、氧3种气体元素中,氧在液态或固态铸铁中的溶解度最小,但是,氧的活性最强,最易于与铸铁中含有的其他元素形成氧化物,它们之间的作用和影响也非常复杂。

铸铁中,氧不以单质气体析出,氧在铸件中造成的气孔缺陷,往往都是由FeO与碳反应生成CO所造成的。

在铸铁熔炼、保温过程中,还会发生多种氧化物被碳还原的问题。

在铸铁的熔炼过程中

在铸铁的熔炼过程中,在不同的时段内,由于温度的差异,与氧有关的各种反应的进行是有所不同的:

01、融化期间

在炉料逐渐熔融、形成铁液的过程中,炉内温度较低,主要发生各种元素的氧化反应;

02、在铁液升温的过程中

随着炉内温度逐渐提高,一些元素继续发生氧化反应,同时也有某些氧化物发生还原反应;

03、铁液在炉内高温下保持期间

一些氧化物以发生还原反应为主,也会有一些元素发生氧化反应。

本节主要讲铸铁中的氧含量。

氧在铸铁在的状态,按常规的观点,都说是有溶解氧和化合氧两种,但是,迄今为止,对于铸铁中究竟含有多少溶解氧?溶解氧对铸铁的性能有什么样的影响?我们仍不甚了然,许多试验、研究工作报道的数据往往大相径庭。其原因是:按氧在铸铁中存在的状态分别作定量分析,迄今还没有准确而可行的方法。

氧的原子半径虽然很小(0.66Å),但却是活性很强的元素,能与很多元素形成化合物,因而,只有氧化性弱的金属或合金中才能溶解一定量的氧。

即使是在炼钢过程中,虽然钢液中碳、硅等易于氧化的元素含量不高,其中溶解的氧也是微量的,钢中的活性氧基本上是以FeO的状态少量地溶于钢中。

铸铁中含有多种与氧结合能力很强的元素,氧基本上都以氧化物的形式存在,溶解氧和活性氧的含量应该是微不足道的。

20世纪末,美国铸造协会(AFS)曾对“铸铁中的氧含量”组织过专题研究,自20个铸造厂取试样测定氧含量。

涉及的熔炼设备有无心感应电炉、熔沟式感应电炉和电弧炉。

涉及的铸铁品种有灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。

2000年,美国铸造协会在其108届年会上就这项研究课题提出了初步报告。报告中只提供了用不同熔炼设备制备的各种铸铁中的氧含量,未涉及到氧对铸铁性能和质量的影响。

报告中提出的氧含量也是模糊的概念,并未区分溶解氧和化合氧(氧化物中的氧),看来,应该理解为总氧量。因为铸铁中所含的溶解氧很少、很少,实际上也就是化合氧量。不同条件下,铸铁中的氧含量归纳如下:

01、灰铸铁中的氧含量

自9个厂家取样29个,氧含量在3~16.5ppm之间,平均值为7.08ppm。工频炉熔炼者,平均值为6.37ppm;中频炉熔炼者,平均值为8.43ppm。

02、球墨铸铁中的氧含量

自15个厂家取样358个,氧含量在3~41ppm之间,平均值为9.33ppm。工频炉熔炼者,平均值为8.55ppm;中频炉熔炼者,平均值为13.59ppm。

03、可锻铸铁中的氧含量

提供试样的铸造厂中只有用工频炉的,试样的氧含量在7.5~25ppm之间,平均值为13.12ppm。

04、熔沟式感应电炉和电弧炉熔炼的

铸铁中的氧含量

提供试样的铸造厂中,只有一家用熔沟式感应电炉熔炼灰铸铁,铸铁中的氧含量在5.5~25.5ppm之间,平均值为11.7ppm。

用电弧炉熔炼的也只有一家,灰铸铁中的氧含量在83~118ppm之间,平均值为102ppm。球墨铸铁中的氧含量在22~59ppm之间,平均值为37ppm。

由上述数据可见,不仅不同的厂家用不同设备熔炼的铸铁氧含量差别很大,同一厂家熔炼同类的铸铁,氧含量的变异也相当可观。

由此可见,迄今为止,“能动地控制铸铁中的氧含量”离我们还很遥远,还需要做大量求精、入微的研究工作。