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知识篇:李传栻浅谈铸铁中的氮元素

氮在铸铁中以两种形态存在:一是溶解氮;二是与其他元素形成氮化物。氮对铸铁性能和铸件质量的影响比较复杂。

氮可以溶解于液态或固态铸铁中,也可以在铸铁凝固过程中以单质气体析出、成为铸件中的气孔缺陷,如铸铁中含有氮化物形成元素,还可以形成稳定而高度弥散的氮化物。

由于其品种繁多、检测方法又挺复杂,时至今日,对它们的了解仍然非常不够,不过,铸铁中这类氮化物都是稳定而高度弥散的,对铸铁性能的很小,目前,只能将其暂时搁置不谈,我们关注的主要是溶解氮。

01. 氮在铸铁中的溶解度

在1600℃下,氮在纯铁中的溶解度大约为460ppm,凝固成为δ-铁素体时,溶解度大幅度降低到130ppm左右。此后,随着温度的降低,在δ-铁素体中的溶解度略有下降。在δ-铁素体转变为奥氏体时,氮的溶解度又大幅度上升到220ppm左右。奥氏体的温度继续降低,氮在其中的溶解度反而略有增长。

含C 3.5%、Si 2.3% 的铸铁,在1600℃下,氮的溶解度约为75ppm。由于铸铁没有δ-铁素体析出,此后,随着铁液温度的下降,氮的溶解度逐步略有降低。共晶转变时,氮在奥氏体中的固溶度,比其在共晶铁液中的溶解度有较大幅度的提高,固溶量可以是115 ×10-6。此后,奥氏体的温度继续降低,氮在其中的溶解度略有增长。

由此可见,即使铁液中氮的含量达到略微过饱和的程度,凝固过程中也不容易因氮的析出而致铸件产生气孔缺陷。

在1600℃下,氢在纯铁中的溶解度大约为26 ppm,凝固成为δ-铁素体时,溶解度大幅度降低到10 ppm左右。此后随着温度的降低,氢在δ-铁素体中的固溶度逐步下降。      

02.氮对铸件质量的影响

如果铁液中溶解氮的含量很高,在铁液冷却、凝固过程中,由于溶解度降低而析出,导致铸件中出现气孔缺陷,当然是非常有害的。

在铁液冷却、凝固过程中溶解氮不析出,而保持固溶于铸铁中。铸铁中存在的溶解氮,有促进碳化物形成的作用,如果能够恰当地予以利用,当然是有益的,如果利用不当,也有可能是有害的。  

(1) 对灰铸铁而言,在基体组织方面,溶解氮可以促进珠光体形成,并使之稳定;在石墨形态方面,可以使石墨片短一些、粗一些,还可以石墨片的端部钝化,使其有点接近蠕虫状石墨的样子。由于这两方面的作用,适量的溶解氮可以使灰铸铁的强度明显提高。

(2)对球墨铸铁而言,由于球化过程中有强烈搅动铁液作用,可以使铁液中的氮含量有较大幅度的降低,铸铁中含有的溶解氮量不高,氮对石墨的球化和基体组织一般都没有明显的影响。

(3)可锻铸铁,由于其中C、Si含量较低,氮的溶解度相应地较大,一般情况下,氮含量都在100ppm左右。氮含量较高,就不易出现麻口组织,这对于可锻铸铁当然是有益的。但是,如氮含量太高,就会导致第一、第二阶段石墨化退火时间延长。还可能使铸件经石墨化退火后组织中仍保有残留的珠光体,乃至渗碳体。

氮普遍存在于各种铸铁中,除含量过高会导致铸件产生气孔缺陷外,保留在铸铁中的溶解氮的影响是多方面的,而且以有益的作用居多。但是,迄今为止,在这方面的研究工作还不够,而且,各项研究工作求得的相关数据往往有很大的出入。应该说,目前我们对它的认识还只是及其皮毛。

在铸铁中,氮还可以与多种合金元素、乃至微量元素形成氮化物,如TiN、CeN、LaN、AlN、MgN2、Ca3N2、Si3N4、Mn5N2、Mn3N2、Fe4N(按氮化物生成的能力由强到弱排序)等。对于这些氮化物在铸铁中的含量、以及其对铸铁性能的影响,目前还只能说是知之甚少。

造成这种情况的原因是:检测铸铁中氮含量的问题,目前还没有满意的解决方案。

铁液中的氮含量,还没有可行的测定方法,只能测定固体样品中的氮含量。

固体铸铁中含有的氮的总量,采用在氦气氛中熔化的方法,但装置的价格不菲。

测定铸铁中的溶解氮的含量,用Kjeldahl方法,过程很麻烦、很费时间。

测定化合氮的总含量,用Beeghly方法,历时很长,而且不安全。目前还没有办法分别测定各种氮化物的方法。

在这种情况下,要为生产铸铁件提供控制氮含量的目标值,不是一件容易的事,而且,一般的生产企业也不具备测定氮含量的条件。

美国铸造协会(AFS)为此曾进行过大量的调查研究工作,并进行过专题研究工作。一些工业国家也都有人进行过相关的研究工作。但是,依据不同条件下取得的数据、提出的推荐值往往都有较大的出入,而且,所谓的“氮含量”,概念也是模糊的:可以是总氮量;也可以是溶解氮量。

在这里,我想就几种铸铁,综合曾见到的几项推荐值,提出控制氮含量的模糊范围,供选择炉料和安排炉料配比时参考:

灰铸铁: 60~100 ppm;

球墨铸铁(球化处理前): 70~110 ppm;

球墨铸铁(球化处理后): 40~70  ppm;

可锻铸铁:80~120 ppm。