鑄造熔煉中各種元素有哪些負面作用？

   這里所說的“干擾元素”，是對灰鑄鐵和球墨鑄鐵的性能有負面影響而言的，不一定都是通常所謂的有害元素，其中有的在鋼材中是重要的合金元素，有的對于某些合金鑄鐵也是必不可少的。干擾元素的來源有三個方面：

一是鋼材、鑄鋼件和鑄鐵件中通常都含有的有害元素，如硫、磷（一些耐磨鑄鐵中有時故意加入少量的磷）、鉛（易切削鋼中有時加入少量的鉛）等；

二是為改善鋼材的性能而特意加入的合金元素，如錳、鉻、鉬、鈦、釩、鈮、硼等；

三則是混雜在爐料中的污染物。

一．問題的提出

鑄件產量的迅速增長，拉動了對各種金屬原材料的需求，鑄造生鐵、廢鋼和各種鐵合金的供應日趨緊張，不僅價格不斷上漲，質量也難以穩定一致。

另一方面，隨著我國工業的發展，對各類鑄件的質量要求日益提高，尤其是對高性能球墨鑄鐵件和厚截面、鐵素體球墨鑄鐵件的需求增多，等溫淬火球墨鑄鐵件和蠕墨鑄鐵件也逐步推廣應用。所有這些，都要求提高鑄鐵材質的純凈度，爐料帶來的干擾元素的影響逐漸成為大家不能不面對的問題。

1．鑄造生鐵中的干擾元素

煉鋼用生鐵中所含的磷、硫等有害元素和其他干擾元素，可以在以后的煉鋼過程中脫除，而鑄造生鐵只是在重熔后直接制成鑄件，各種有害元素和干擾元素相當一部分仍然保留，如果含量超過允許值，就會影響材質的性能。制造高質量鑄鐵件時，原料生鐵中有害元素和干擾元素的含量必須嚴格控制。

為適應這種要求：我國于1982年制定了GB718－82 《鑄造用生鐵》國家標準，以區別于煉鋼生鐵；1985年又制定了GB1412－85 《球墨鑄鐵用生鐵》國家標準；冶金工業部于1990還制定了一項規定微量元素含量的推薦性鑄造生鐵標準YB（T）14－90 《鑄造用生鐵》，其中對P、S、As、Pb、Sn、Sb、Zn、Cr、Ni、Cu、V、Ti、Mo等元素的允許含量都作了具體的規定。

但是，兩項國家標準后來也都變更為推薦性標準，加以鑄造行業對生鐵的需求增長很快，供應緊張，許多生產廠家執行標準的力度不能令人滿意，鑄造生鐵的質量參差不齊。

特別是近十多年來，我國鋼、鐵行業以舉世罕見的速度發展，鐵礦石很快由自給自足轉變為主要依賴進口。在這種情況下，鑄造生鐵的生產、供應體系變化很大，更難以保證其質量的穩定一致。

加拿大、日本、瑞典、挪威、巴西、南非等國家，為適應生產高質量鑄件的要求，早已開始生產高純鑄鐵供應，不僅滿足自己的需求，而且向世界各國的鑄造行業供貨。

近年來，我國也有廠家生產高純生鐵，但由于推廣、應用的力度不夠，還未能充分發揮其作用。今后，希望我國生產優質鑄鐵件的廠家對國產的高純生鐵給予更多的關注。

2．廢鋼中的合金元素

近20年來，各種鋼材都在向薄壁化、輕量化、強韌化的方向發展，低合金鋼的應用范圍日益擴大。1980年前后，常用的一般鋼材主要是碳鋼，低合金鋼所占的比重不到20％，2005年，常用鋼材中低合金鋼所占的比重已達50％左右，甚至更高一些。從資源的充分利用、各種裝備的輕量化、工藝技術的進步等方面看來，當然是好事，而且這種趨勢今后仍將繼續，但是，廢鋼中這類合金元素的增多，卻給鑄鐵業帶來了許多棘手的問題，不能不采取必要的應對措施。

目前，各類常用鋼材中含合金元素的大致情況見表1。

表1 常用鋼材中的合金元素含量（％）

與此同時，鑄造行業的熔煉工藝也在不斷變革。從上世紀60年代起，鑄鐵行業中采用感應電爐作為熔煉設備的企業逐漸增多。尤其是70年代以后，中頻無心感應電爐的電源有了重大的改進，熔制鑄鐵時熱效率可達到70%，電爐設備和所用的耐火材料也在不斷發展，因而其應用日益廣泛。用感應電爐熔煉鑄鐵時，爐料中鑄造生鐵錠的用量很少，廢鋼所占的份額增多，而鋼材中的合金元素對鑄鐵（尤其是球墨鑄鐵）的性能卻大都有負面影響，甚至成了污染元素。

另一方面，在沖天爐熔煉過程易于脫除的低沸點元素，如Pb（1755℃）、Sb（1640℃）、Bi（1481℃）、Te（989.8℃）、As（615℃升華）、Cd（767℃）、Zn（419.5℃）等，用感應電爐熔煉時就較難以脫除，從而易于顯現其負面影響。

除此以外，由于對廢鋼的需求量大增，其來源涉及到各行各業，混入一些污染元素，如鉛、鋁、鋅等，也在所難免。

二．干擾元素對鑄鐵性能的影響

1．形成碳化物

鋼材中的合金元素，如Mn、Cr、V、Mo、Ti、B等，都是很強的碳化物形成元素，而

且易偏析于鑄件最后凝固的部位，在晶界處濃度很高。對于灰鑄鐵，由于其組織中存在大量片狀石墨，強度本來就不高，延性和韌性很差，晶界處碳化物的影響并不那么明顯。對于球墨鑄鐵，尤其是鐵素體球墨鑄鐵件、等溫淬火球墨鑄鐵件和優質厚截面球墨鑄鐵件，晶界處碳化物的影響往往是至關重要的。

圖1和圖2都是厚壁球墨鑄鐵件晶界處的碳化物。這類碳化物對材質的力學性能影響很大，而且出現這類碳化物時鑄件內部往往隨之產生小的縮孔或疏松。

圖1 富Ti的晶界碳化物   圖2 富Mo的復合碳化物

表2中列出了這類元素的來源、對鑄鐵性能的影響及建議的含量控制值（特殊情況下作為合金元素加入時例外）。

表2 鑄鐵中常見的碳化物形成元素

2．對石墨球化的影響

鑄鐵中加入Mg和以Ce為代表的稀土元素后，可以使石墨球化。如果金屬爐料中含有阻礙石墨球化的元素，就會影響石墨的球化。阻礙石墨球化的作用大致可分為兩個方面：

（1）與Mg或稀土元素反應，產生氧化物、硫化物和氮化物，消耗球化元素。

起這種作用的主要是氧、硫和氮。此外，碲（Te）和硒（Se）也是消耗球化劑的元素。

（2）球狀石墨生成后，提高鑄鐵中的液相的穩定性，使石墨長大過程中，在各個方向成長不均勻，從而導致石墨球畸變。

起這種作用的主要是磷、鋁、錫、銅、硼、銻、鈦、鈮等元素。這類元素偏析的傾向強，可以使鐵中的液相穩定，促進石墨成長的異向性，從而影響石墨的形態。

硼、錫、銻、銅對石墨形態的影響見圖3。

a）含B 0.04％ b）含Sn 0.48％；

b）含Sb 0.085％ d）含Cu 2.25％

圖3 硼、錫、銻、銅對石墨形態的影響

還有一些元素，如鉛、鉍等，兼有上述兩種作用。

各種影響石墨球化的元素及其作用，簡略歸納于表3.

表3 影響石墨球化的元素及其對石墨組織的影響

但是，鐵液中含鈦量增多時，各種元素的允許含量還應進一步降低。在不同的鈦含量下，砷、錫、鉍、鉛、銻等元素的球墨鑄鐵中石墨形態的影響見圖4。

圖4 在不同的鈦含量下，砷、錫、鉍、鉛、銻對石墨形態的影響

因此，生產優質球墨鑄鐵件時，應特別留意鑄鐵中的鈦含量。

最近，制造高強度球墨鑄鐵件時，常常加入較多的銅。在這種條件下，應盡可能地將鑄鐵中的鋁含量控制得低一些。

3．產生縮孔的傾向增大

縮孔的特征有表面縮孔和內部的縮孔、縮松。鈦、鋁的含量增高，鐵液的流動性惡化，產生表面縮孔的傾向增大。磷、錳、鉻、釩、鉬等元素易偏析于最后凝固的部位，形成復合碳化物，導致產生內部縮孔、縮松的傾向增大。日本三重縣技術綜合研究所藤川、村川等人的研究工作表明：灰鑄鐵中含有鋁、鈦、釩、鉻、磷等元素，產生縮孔的傾向增大；球墨鑄鐵中，鋁含量自0.02％增加到0.4％，產生縮孔的傾向增大。

4．灰鑄鐵的強度降低

灰鑄鐵組織中石墨的形態（A型、B型、C型、D型或型E），對其力學性能有重要的影響，難以由硬度預測其強度?；诣T鐵中鉛含量在0.005％以上，就可能產生魏氏體型石墨，導致強度顯著降低。如果鑄鐵中還含有鋁、氫、鈣等元素，鉛含量在0.005％以下，就可能出現魏氏體型石墨。

一種厚壁灰鑄鐵件（厚度100～150㎜）在使用過程中破斷，作失效分析時發現，雖然基體組織基本上是珠光體，由于石墨為魏氏體型，硬度為148 HB，分析結果表明鉛含量很高，為0.025％，破斷處的顯微組織見圖5。

圖5 厚壁灰鑄鐵件中因含鉛而致的魏氏體型石墨

灰鑄鐵中常加入銻或錫，以穩定珠光體，提高其硬度。但是，如加入量太多，雖然硬度提高了，強度卻反而會降低。碳當量較高的灰鑄鐵中，錫的加入量對灰鑄鐵硬度和強度的影響見圖6?；诣T鐵中添加銻，也有同樣的影響，而且易于使石墨的形態變異。

圖6 錫加入量對灰鑄鐵硬度和抗拉強度的影響

灰鑄鐵強度低下時，有必要注意鈦的有害作用。鈦含量增多時，加以鐵液中含有的硫的作用，會促使D型石墨形成。部分石墨成為D型后，基體組織中的鐵素體增多，會使鑄鐵的強度降低。干擾元素‘鈦’不僅來自廢鋼，我國生產的高硅鑄造生鐵中也往往含有鈦，選用時應加注意。印度生產的鑄造生鐵中也有這樣的問題。

5．鑄鐵的硬度低

近年來，美國經常發生珠光體球墨鑄鐵的硬度低于尋常的情況，為查明其原因進行了研究，最近已經明確這是硼的影響。

鑄鐵中硼含量超過0.002％，就可以抑制銅穩定珠光體的作用，使鑄鐵的硬度降低。因此，生產中不僅要注意廢鋼和其他爐料中所含的硼，采用感應電爐熔煉時，還應注意筑爐材料中加入的硼酸所造成的污染。

6．感應電爐爐襯的壽命低

近年來，用于熔煉鑄鐵的感應電爐日益增多，爐襯壽命不高的情況也十分多見，當然，耐火材料品質不高、筑爐工藝掌握不好是出現這類問題的主要原因，但是，也不能忽視爐料帶來的問題。

如果采用鍍鋅鋼板作爐料，鋅受熱后蒸發，侵入爐襯內，就會使爐料壽命降低。新筑的爐襯燒結期間，鋅蒸汽的影響尤為嚴重。

三．消除干擾元素有害作用的措施

熔煉鑄鐵時，爐料中所含的干擾元素的負面影響是不容忽視的，為了確保鑄件的質量，不能不采取必要的應對措施。

1．嚴格管理爐料、控制鐵液的化學成分

要控制各種干擾元素的影響，首先要確知問題的所在、測定可能導致產生問題的各元素的含量，然后才有可能采取相應的應對措施。

如果采用光譜分析儀，分析各種合金元素、微量元素以及其他干擾元素的含量都很方便，還可根據爐前分析，對鐵液的成分進行動態的調整，實現實時控制。目前，我國的鑄鐵生產企業中，具備這種條件的很少。分析質量問題時，除C、Si、Mn、P、S五元素外，能測定其他合金元素和微量元素含量的企業也不多。面對當前原材料供應方面變數很多的情況，生產技術含量較高的鑄件時，要確保鑄件質量并使之穩定一致，難度實在不小。

從這一點看來，各地區由鑄造協會牽頭建立面向生產企業的技術服務中心，并配備必要的檢測設施是非常必要的。

對于生產球墨鑄鐵件，除C、Si以外，各種合金元素、微量元素和有害元素的含量的控制值見表4。表中提到的“阻礙鐵素體化系數”，是該元素在鐵素體球墨鑄鐵中允許最高含量的倒數，數值越高，穩定珠光體的作用越強。

表4 球墨鑄鐵中各種合金元素、干擾元素含量的控制值

2．抑制干擾元素的影響

如果球墨鑄鐵中含有干擾元素，影響石墨的球狀化、導致石墨畸變，可通過加入合金元素以抑制其有害作用，在這方面，首先要提到的是鈰（Ce）。

Ce是活性很強的元素，可以與多種干擾元素作用，形成高熔點的化合物，如Ce₂Sb₂O₃、Ce₂S₃、Ce₂Pb、Bi₂Ce₄、CeAl₂等，從而抑制其有害作用。但是，Ce的加入量，應該根據干擾元素的情況通過試驗確定，不能太多，否則，又易于出現團塊狀石墨。

早年有人做過一組試驗：在經過球化處理的鐵液中，先加入0.1％的銻，然后再分別取樣，加入不同量（0％、0.05％、0.1％和0.2％）的Ce，以觀察其對石墨形態的影響。結果表明，加入0.1％的Ce效果最好，見圖7。

a）不加Ce b）加Ce0.05％

b）加Ce0.1％ d）加Ce0.2％

圖7 含梯的球墨鑄鐵鐵液中加入鈰后的石墨組織

3、采用高純鑄造生鐵進行矯正

以前，世界各國生產要求特別嚴格的鑄鐵件時，大都采用瑞典生產的木炭生鐵，這種生鐵的雜質含量很低，表5中所列的是實際測定值的一例。

表5 一種瑞典木炭生鐵中各種干擾元素（雜質）的含量（％）

后來，由于各行業對優質球墨鑄鐵件的需求增長很快，一般的鑄造生鐵難以適應這種要求，加以廢鋼中各種合金元素的含量不斷增多，對高純生鐵的需求日益迫切。木炭生鐵雖然好，但價格昂貴，而且可供給的數量也有限，于是就出現了可以大量生產的高純生鐵。這種生鐵主要是將高爐煉得的鐵液注入轉爐中、用氧氣吹煉而制成的，其中各種雜質的含量很低，而價格又具有相當的吸引力。

吹煉高純生鐵產生的爐渣中含有多種金屬氧化物，從中可以提煉稀、貴的金屬。例如，某處鐵礦石中含有釩和鈦，吹煉高純生鐵時產生的爐渣就是提煉釩、鈦的原料，煉鐵企業出售爐渣所得的收益幾乎與生鐵的價值相當。因此，煉鐵廠生產的高純生鐵，可充分利用資源，在售價方面也就頗具優勢，這種生鐵的前景當然看好。

最早生產這種生鐵的是加拿大的QIT-Fer et Titane公司，該公司位于Quebec省的Sorel，因而其生產的高純生鐵的商品名稱是“Sorelmetal”。后來，該公司在南非建立了RMB公司，也生產Sorelmetal（QIT鑄造生鐵）。Sorelmetal的生產已有約50年的歷史，起初，廣泛應用于美國和加拿大的汽車行業，后來銷往世界各國，我國也早就有鑄造企業在爐料中配用。

Sorelmetal RF-1是高純生鐵的牌號之一，其中5種基本元素的含量見表6，其他雜質的含量見表7。

表6 Sorelmetal RF-1高純生鐵5元素的含量（％）

表7 Sorelmetal RF-1高純生鐵中雜質元素含量的實際測定值（％）

據報道，日本、俄羅斯和巴西都生產類似的高純生鐵。近年來，我國也已開始生產這種高純生鐵。

看來，采用高純生鐵是解決鑄鐵行業原材料困擾的重要途徑之一，希望大家都來關注高純生鐵生產和應用方面的各種問題，使我國高純生鐵的生產能健康地發展、壯大，為提高我國鑄鐵件的技術含量創造條件。

目前，日本有兩家企業生產高純生鐵，其牌號和成分規格見表7。

表7 日本產高純生鐵的牌號和成分規格（未列范圍者為最高值） （％）

最近，我國河北承德市保通鑄鐵型材公司也生產兩種高純生鐵，已經向鑄造行業供貨，其成分規格見表8和表9。

表8 高純生鐵的分級及成分規格（未列范圍者為最高值） （％）

表9 高純生鐵微量元素含量的控制值（最大值） （％）

作者：鑄國鑄造協會顧問 李傳栻