一、N 的來源

1、廢鋼

金屬冶煉過程中, N難免與其接觸溶入。w (C) 量和w (Si) 量越低, N的吸收越高, 鋼液出爐時的脫O操作, 給N的溶入創(chuàng)造了條件。由于鋼的w (C) 量和w (Si) 量比鑄鐵及其回爐料低很多, 更加容易吸收N, 所以, 在鑄鐵熔煉過程中廢鋼比例越高, 鐵液w (N) 量越高, 尤其是合成鑄鐵, 其配料中廢鋼占比越大, 鐵液w (N) 量越高。

2.增碳劑

增碳劑是鐵液中N的另一個來源。國內(nèi)有的灰鑄鐵鑄造廠在生產(chǎn)合成鑄鐵時選用w (N) 2 000～4 000 ppm的半石墨化石油焦增碳劑或者是中溫石墨化增碳劑。這種增碳劑因為C沒有完全石墨化，不適合用于熔煉后期和出爐前補充C，因為C吸收慢，吸收率低，而且容易使鑄件出現(xiàn)N2氣孔。

3.回爐料

回爐料中w (N) 量在60～90 ppm, 是穩(wěn)定的N來源。在以往的爐料配比中, 由于以生鐵配料為主, 微量元素的干擾較少, 使用較少的增碳劑或不使用增碳劑, 廢鋼加入量也較少, 造成回爐料中w (N) 量較低, 所以, 在進行合成鑄鐵配料時, 需要注意調(diào)整鐵液中的w (N) 量。

4.鑄型和砂芯

樹脂砂型 (芯) 中含有規(guī)定的N, 高溫鐵液進入型腔后, 樹脂粘結(jié)劑分解的N也容易被鐵液吸收。

5.合金及孕育劑

感應(yīng)電爐熔煉灰鑄鐵時, 可以使用MnN、Cr2N或者含N孕育劑來增加鐵液的w (N) 量。筆者在配制含N孕育劑時發(fā)現(xiàn), 國內(nèi)煉鋼使用的高N鉻鐵中w (N) 量在80000～90000 ppm, 可以充分提供N源, 在熔煉過程中, 將其以沖入法加入, 顆粒大小類似于孕育劑的粒度, 此時N的吸收率一般在30%左右。試驗表明：Cr、Ni、Cu等合金元素含量越高， w (N) 量越高。

6.感應(yīng)電爐熔煉操作

感應(yīng)電爐熔煉合成鑄鐵, 正常規(guī)范的熔煉操作, 可以穩(wěn)定鐵液中的N, 而無限制高溫 (超過1 550℃以上) 操作或鐵液高溫留爐時間過長, 鐵液中N容易溢出, 從而降低鐵液的w (N) 量。

7.沖天爐熔煉

由于入爐空氣w (N) 量高, 焦炭w (N) 量也高 (約8 000～10 000 ppm) , 再加上配料中規(guī)定比例的廢鋼, 所以鐵液中w (N) 量比較高, 一般在120ppm以上。

二、灰鑄鐵中w (N) 量的穩(wěn)定控制

目前, 大多數(shù)鑄造廠爐前沒有對w (N) 量進行準確檢測 (光譜儀有N通道, 檢測不夠準確) , 增碳劑、樹脂砂等原材料帶入的w (N) 量不穩(wěn)定, 導致無法穩(wěn)定控制w (N) 量。

影響灰鑄鐵中w (N) 量的微量元素為Ti、Zr、Sr等, 其中, Zr和Sr經(jīng)常添加在鑄鐵的孕育劑中, 能夠起到很好的作用。但是, 在鐵液中他們也能夠化合一些強化鑄鐵基體的N, 如:Ti與N形成TiN, 減少固溶于鐵液中的自由N, 從而降低N對鐵液的固溶強化作用, 因此, 需要從增碳劑等各種原材料上控制w (N) 量, 同時應(yīng)該注意潮濕環(huán)境下H的介入。沖天爐熔煉的鐵液w (N) 量比較高, 干燥季節(jié)熔煉生產(chǎn)沒有任何N2氣孔問題, 而在春夏季節(jié), 空氣溫度升高, 濕度加大, 入爐空氣帶入的水氣在高溫下分解出H, 嚴重影響鐵液質(zhì)量, 與N共同產(chǎn)生氣孔, 嚴重時出現(xiàn)裂隙狀氣孔缺陷。

某公司要求將高牌號灰鑄鐵件w (N) 量控制在60～120 ppm, 同時要求影響N強化鑄鐵的有害元素Ti的含量小于0.025%。日本某公司要求HT300合成鑄鐵配料時使用HT300鑄鐵專用增碳劑，將w (N) 量控制在70～100 ppm。使用感應(yīng)電爐要考慮氣壓對鐵液w (N) 量的影響, 高海拔地區(qū), 氣壓低, 鐵液中的溶解N容易溢出, 因此, 完全相同的熔煉工藝和原材料配料，其鐵液的溶解w (N) 量低于低海拔地區(qū)。

研究表明，表面活性元素 (尤其是O和S) 可明顯減少N在鐵液中的溶解速度, 在鐵液中起到脫O還原作用的其他元素也均能明顯影響N在鐵液中的溶解速度。河北某廠生產(chǎn)合成鑄鐵HT250時, 在熔煉中對使用0.8%的SiC配料前后的石墨形態(tài)進行了對比,下圖是該廠合成鑄鐵HT250的金相組織, 由圖可見, 使用SiC后, HT250的石墨形態(tài)明顯是w (N) 量比較高的特征，而SiC材料的w (N) 量很低。據(jù)了解，該廠在生產(chǎn)合成鑄鐵HT250時的熔煉操作是在爐內(nèi)有少量鐵液時陸續(xù)加入廢鋼, 并加入SiC和HT250鑄鐵專用增碳劑。SiC在爐內(nèi)一開始是脫O作用, 增碳劑的C以石墨形態(tài)存在，吸收較好，且增碳劑w (N) 量較高, 一般在2 000 ppm左右。此種增加N的方法初步判斷條件是：一開始, 要有脫O條件；其次，在脫O的同時, 要有比較多的N源。當然, 這種N的增加方法也不夠穩(wěn)定, 目前只能僅供參考, 但是鐵液脫O增N的溶解速度的特性是必然的, 只是對其認識和了解需要不斷的積累和完善。

三、w (N) 量對力學性能和金相組織的影響

近幾年, 灰鑄鐵的熔煉設(shè)備從沖天爐轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電爐, 灰鑄鐵的性能有很大的差異, 特別在力學性能方面, 即相同CE的灰鑄鐵, 雖然改成合成鑄鐵配料后, 力學性能有很大提高, 但是與沖天爐熔煉比較, 仍然有差距。分析認為, 除了熔煉質(zhì)量有明顯不同外, 還可能與2種鐵液的w (N) 量差別有關(guān)。目前, 合成鑄鐵采用感應(yīng)電爐熔煉時, 其廢鋼含量加到50%～60%, 并使用石墨化石油焦增碳劑, 其w (N) 量一般在50～100ppm;而沖天爐熔煉的鐵液w (N) 量一般在120ppm以上。

有資料顯示：相同CE的鐵液[w (C) 3.12%, w (Si) 1.35%, w (Mn)0.71%, w (S) 0.09%, w (P) 0.13%], 隨著w (N) 量的增加, 其抗拉強度從287MPa逐步提高到361 MPa;隨著w (N) 量的繼續(xù)增加, N2氣孔出現(xiàn), 抗拉強度突然降低。

N對灰鑄鐵力學性能影響如此明顯，是由于其對灰鑄鐵的石墨形態(tài)和基體組織產(chǎn)生了很大影響。在鑄鐵中，w (N) 量超過80 ppm，能夠出現(xiàn)一些緊實石墨, 片狀石墨變短變粗, 并有彎曲現(xiàn)象, 片狀石墨端部變圓鈍化。

N對灰鑄鐵基體組織也有顯著的作用, N是穩(wěn)定并能細化珠光體的元素, w (N) 量在規(guī)定范圍內(nèi)可以有效抑制鐵素體的形成。有資料顯示：N與C一樣固溶于鐵液中, 形成間隙式固溶體, 固溶強化和形成穩(wěn)定奧氏體作用明顯。N使初生奧氏體一次軸變短, 二次臂間距減小, 使共晶團細化, 珠光體體積分數(shù)增多, 能夠有效抑制鐵素體生成, 使共析轉(zhuǎn)變過冷度增加, 穩(wěn)定細化珠光體組織。

某廠在生產(chǎn)HT300缸套活塞鑄件時, 使用1 t感應(yīng)電爐熔煉, 配料由以生鐵配料為主改為50%廢鋼+50%同牌號回爐料+ HT300鑄鐵專用石墨化增碳劑+少量Cr、Cu等合金。出爐前使用0.2%的SiC做預處理, 使用0.3%的Si-Ba-Ca孕育劑進行孕育。澆注鑄件時, 同時澆注φ30 mm的試棒, 然后檢測化學成分、金相組織、力學性能和w (N) 量。檢測結(jié)果顯示:w (C) 3.09%, w (Si) 1.917%, w (Mn) 0.74%, w (P) 0.038%, w (S) 0.104%, w (Cr) 0.492%, w (Mo) 0.531%, w (Cu) 0.386%, w (Ni) 0.638%;未加入含N孕育劑, w (N) 量為74 ppm, 抗拉強度335～337 MPa;加入0.2%的含N孕育劑, w (N) 量為99 ppm, 抗拉強度為371～389 MPa。HT300缸套活塞鑄件的石墨形態(tài)如圖所示, 可見, w (N) 量為99 ppm時, 石墨形態(tài)較好, 抗拉強度也有所提高。