目前鑄鐵中主要存在的氣體元素為氧、氮、氫，這三種氣體元素在鐵液中的存在形態以及含量對鑄鐵質量和性能有著重要的影響[1]。氧對鑄鐵組織和性能的影響，主要體現在鑄鐵的凝固過程中，氧與鐵液中多種元素結合形成氧化物，一部分構成石墨形核質點，另一部分形成氧化夾雜物。過高的氧會促使鐵液的氧化，降低鐵液流動性，還會產生鑄造缺陷。同時孕育球化過程中氧還會消耗額外的孕育球化劑，造成孕育球化不良[2]。氮對鑄鐵組織和性能的影響，主要體現在氮能夠抑制石墨片的生長，使石墨片長度變短、端部鈍化，彎曲度增大，長寬比減小[3]，適量的氮在鑄鐵中還起到微合金化的作用，固溶強化基體組織，提高材料性能，過高的氮會產生氮氣孔[4]。氫對鑄鐵組織和性能沒有好的影響，據研究表明在碳當量為4.2%左右的鑄鐵中，1 200 ℃時氫的溶解度為7.5×10-6。過高的氫在凝固過程中析出，使鑄件形成氫針孔等。
綜上，為生產出性能穩定且質量較高的鑄鐵件，檢測鑄鐵中氧、氮、氫三種氣體元素的含量，并探討其元素含量對鑄鐵件組織和性能的影響，對鑄鐵生產具有重要的現實意義。
1 試驗材料制備與方法
本試驗采用中頻感應爐進行鐵液熔煉，制備出不同型號的灰鑄鐵和球墨鑄鐵，用來測定和分析灰鑄鐵及球墨鑄鐵中氧和氮元素的含量。爐料中廢鋼的加入量為50%~65%，回爐料20%~35%，生鐵0~20%，制備灰鑄鐵和球墨鑄鐵時分別采用半石墨化增碳劑和石墨化增碳劑進行增碳處理，加入量為1.0%~2.0%，同時加入0.6%~1.0%碳化硅增硅。鐵液溫度升至1 450 ℃左右時，取樣進行成分分析，***終鐵液在1 480~1 520 ℃出爐。
試樣的制備與分析。現場取樣：采用Φ5 mm真空玻璃管取樣，將真空玻璃管插入鐵液中，瞬間抽吸成鐵棒立即放入水中，冷卻后裝到干凈塑料袋內，取出的試棒致密且不能有氣孔。化驗室制樣：利用打磨的方法去除試樣表面的氧化物，并在打磨過程中不斷浸入乙醇內冷卻，以避免試樣過熱，磨完后放入乙醇內保存。采用吹風機吹干表面的乙醇，再用金剛銼對表面進行細加工，使試樣表面光滑且無粗糙紋路，***后加工成適合分析用量的試樣（0.5 g左右）進行分析。
分析時，用鑷子將試樣放入鋼研納克ON-3000分析儀中進行分析。結果數據均為5個試樣的平均值。
2 灰鑄鐵及球墨鑄鐵中的氧、氮含量的測定
灰鑄鐵孕育出爐后溫度降至1 350 ℃左右進行玻璃管取樣，測量氧、氮含量，分析結果如表1所示。在試樣HT250和HT300中，其內部的含氧量一般遠低于含氮量。和試樣HT250相比較，HT300的含氧量和含氮量的均值都更高。
表1 灰鑄鐵中氧和氮的含量
球墨鑄鐵球化處理后溫度降至1 350 ℃左右進行玻璃管取樣，測量氧、氮含量，分析結果如表2所示。對于不同型號的球墨鑄鐵，其內部的含氧量均遠低于含氮量，并且含氧量的均值相差不大，而含氮量的均值相差很大，QT600-3和QT500-5的含氮量的均值***大，都為57×10-6，QT400-18的含氮量均值***小，為40×10-6。
表2 球墨鑄鐵中氧和氮的含量
3 氧含量對合成灰鑄鐵質量的影響
氧是一種活潑性很強的元素，在鑄鐵中它能與多種元素結合形成氧化物。對于灰鑄鐵，特別是合成灰鑄鐵必須做好孕育處理，而孕育處理前的原鐵液中會有一定的氧和硫，實踐表明，鐵液中硫的含量不宜低于0.06%，***好保持在0.06%~0.09%之間[6-7]，而氧含量的合適值為多少目前并不明確，因此本文將通過試驗來探究合成灰鑄鐵的鐵液中氧含量的適宜值。
通過在合成灰鑄鐵中添加Fe2O3，來探究Fe2O3不同的加入量及加入條件對合成灰鑄鐵含氧量及其性能的影響。在幾種成分相近的合成灰鑄鐵鐵液中分別加入0.02%、0.04%、0.06%、0.08%的Fe2O3，并檢測鑄鐵試樣中的氧含量及試樣的性能，試驗均為出爐孕育溫度降至1 480 ℃左右取樣，試驗結果如表3所示。結果數據均為5個試樣的平均值。
表3 Fe2O3的加入量及加入條件對
灰鑄鐵含氧量及性能的影響
由表3可知，在1 450 ℃時和在裝爐時加入不同比例的Fe2O3，其氧含量在（12~18）×10-6之間變化，平均值為13.75×10-6，性能在330~375 MPa變動，無明顯規律。可見，人為的用Fe2O3增加氧含量效果并不明顯，氧含量與抗拉強度的大小不成比例關系。但試驗成分為HT300材質，強度都達到了330 MPa以上，平均值347 MPa，說明鐵液中氧的含量在（10~20）×10-6為宜。原因是當鐵液中的氧含量過低到10×10-6以下時，可作為石墨外來核心的氧化物和硫氧復合化合物較少，鐵液對孕育處理的響應能力不夠，灰鑄鐵組織中就會出現較多的過冷石墨（D、E型石墨）。當氧含量過高時，將會消耗額外的合金元素，從而導致試樣的性能降低。
4 氮含量對HT250組織和性能的影響
有關氮對鑄鐵組織和性能的影響的論述較多，對氮的認識和利用也較全方面深刻。本文通過在HT250中添加氮化錳合金，以提高鐵液中的氮含量，探究氮含量的變化對灰鑄鐵組織和性能的影響。試驗爐料配比普通碳素廢鋼60%、同質回爐料30%、生鐵10%。鐵液熔至1 450 ℃時加入氮化錳鐵。添加量依次為0、0.1%、0.2%和0.3%，試驗結果如表4所示。結果數據均為5個試樣的平均值。
表4 MnN的添加量對鑄鐵組織和性能的影響
由表4可知，隨著MnN添加量的增多，灰鑄鐵中氮含量呈逐漸增加的趨勢，珠光體的含量逐漸增加，試樣的抗拉強度逐漸增大，且鑄鐵中石墨形態均為***。另外當MnN的添加量為0.3%時，灰鑄鐵中氮含量為110×10-6，試樣的抗拉強度可以達到370 MPa，但是在鑄件中出現了可見的氮氣孔（如圖1中A、B、C處）。
圖1 氮氣孔缺陷圖片
含氮灰鑄鐵試樣的石墨形貌如圖2所示。隨著灰鑄鐵中氮含量的增加，石墨逐漸變短、粗，石墨片的端部鈍化。當MnN加入量為0.2%，氮含量在85×10-6時出現了一些緊實石墨，片狀石墨變粗變短并有彎曲現象。當MnN加入量為0.3%時，石墨組織中出現類似蠕蟲狀石墨。主要原因是吸附于石墨表面的原子層厚度的氮阻礙了金屬液中碳原子向石墨中擴散，阻礙了片狀石墨的增長，固溶于石墨中的氮主要通過增加石墨內部結構的不完整性，使石墨晶體點陣產生畸變，造成片狀石墨彎曲。
圖2 含氮灰鑄鐵試樣的石墨形貌
含氮灰鑄鐵試樣的基體組織如圖3所示。隨著灰鑄鐵中氮含量的增加，使得基體組織中珠光體含量增多，珠光體層片間距減小。氮可固溶于鐵中形成間隙固溶體，固溶強化和穩定奧氏體作用明顯，氮使初生一次奧氏體軸變短，二次臂間距減小，使共晶團細化，能使共析轉變過冷度增加，穩定并細化珠光體組織，起到了合金化的作用，故灰鑄鐵中氮的含量控制在（50~100）×10-6為宜。
5 QT450中氫氣孔的形成與控制
氫在鑄鐵中存在的形態，可以少量溶于液態或固態鑄鐵中，也可以在鑄鐵凝固過程中以單質氣體析出，造成鑄件中的氣孔缺陷[9]。鐵液凝固過程中，產生氫氣氣泡難于上浮，也難于向內遷移，***后停留在鑄件表皮層下時，有可能使鑄件產生氣孔缺陷[10]。氫氣孔缺陷一般出現在鑄件上表面，形狀較圓整，鑄鐵中氫的來源很多，主要來自爐料、爐襯、包襯和鑄型涂料及金屬爐料表面的銹蝕，油污是導致鐵液中氫含量高的主要原因，另外包襯的干燥清潔也是導致鑄件氫氣孔的關鍵因素。
如圖4所示，采用QT450材質加工箱蓋過程中出現了批量氣孔缺陷，經檢測氣孔為氫針孔缺陷。主要原因是首包鐵液澆注時包襯未徹底烘干，鐵液中合金元素鋁與水汽產生反應產生氫氣，在鐵液凝固過程中形成氫氣析出，從而在鑄件內產生氫氣孔缺陷，其反應式為：
2Al+3H2O→Al2+3H2↑
圖4 QT450箱蓋及氫氣孔缺陷
鋁元素能夠提高形成氫氣孔的風險， 所以在生產中應注意控制鋁的含量， 對球墨鑄鐵而言，Al≤0.02%，對灰鑄鐵而言，Al≤0.01%。因此，合理控制鑄鐵中某些金屬元素（如鋁、鉛、鋅等）的含量，能有效控制鑄鐵中氫氣孔的形成。
6 結束語
（1）鑄鐵中適量的氧含量能夠與鐵液中多種元素形成氧化物，構成石墨外來核心提高鐵液的孕育處理響應能力，過量的氧能夠促使鐵液氧化，降低鐵液流動性，還會產生鑄造缺陷。灰鑄鐵中的氧含量在（10~20）×10-6為宜。
（2）鑄鐵中適量的氮含量能夠強化基體組織，起到微合金化作用，提高材質性能。氮的含量***好控制在（50~100）×10-6，如超過100×10-6時，極易導致鑄件內氮氣孔缺陷的形成。
（3）鑄鐵中的氫含量應盡量控制在***低值，關鍵在于所用爐料中微量元素（鋁、鉛、鋅）的含量要低
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