Ti和Zr对铸铁的影响.docx

1 钛和锆对铁液中氮的影响冶金热力学主要研究金属液状态变化、化学变化、组织变化，以及冶金反应的方向和限度。铁液中溶解有合金元素和杂质，这些合金元素和杂质体现多元铁液中各组元活度的相互影响力度。铁液中 Ti 与 Zr 的加入，使N 的活度作用系数减少，比 Al、C、Cr、Cu、Mn、Mo、O、P、S、Si 对N 的活度作用系数减少到 12 个数量级，Zr 又是 Ti 的 2.3 倍。可见锆对铁液中的氮，有很大的限制作用。国产生铁普遍含 Ti 量高，冲天炉的冶金反应可以降低铁液中的钛含量，电炉重熔铁液不会降低铁液钛含量。所以 Ti 含量高，限制 N 的作用，减少珠光体，降低铸铁强度。现代铸铁在优化石墨形态的基础上，细化基体组织调节奥氏体，改善铸铁的洁净度和断面均匀性，从而提高铸铁的力学性能、韧塑性、疲劳强度、耐蚀性和降低冷脆转变温度等，扩大铸铁的使用性能，以适应高端装备制造业对机械零件的特殊要求。2 含锆的孕育剂资料表明：孕育处理就是在铁液中加入孕育剂，以改变铁液的冶金状态，从而改善铸铁的结晶特征、金相组织和性能。而这些性能的改善不能用铁液加入孕育剂后化学成分的变化来解释。简言之，孕育处理就是加入孕育剂以后产生大量晶核，减少结晶过冷度，改变石墨形态促进灰铸铁获得 A 型石墨，促进球墨铸铁石墨球圆整，增加共晶团数和促进细片珠光体形成。长期以来铸铁工作者以改进石墨形态为契机，提高铸铁力学性能从而扩大应用范围。锆与石墨化孕育剂联合使用，能获得具有高冲击值和白口倾向低的高强度铸铁。锆是脱氧剂，与铁液中的硫、氧发生反应，有强固氮作用。微量锆加入铁液即能成为有效的石墨化元素，但超过一定量会成为强碳化物形成元素。硅锶锆孕育剂是目前灰铸铁最好的孕育剂之一，国外应用广泛，主要用作随流孕育。锶孕育元素具有最好的消除铸件白口的能力，不明显增加共晶团数，孕育后铸件产生缩孔和缩松趋向最小；铝含量极低，减少铸件针孔几率。因此适合汽车类铸件，特别是发动机缸体缸盖的生产。固氮元素之一的钛是反球化元素，灰铸铁含钛量高影响加工性能、加剧刀具磨损，因此硅锆就成为保证全铁素体基体，获得冷态高冲击值，具有生成细化枝晶，铸造高强度铁素体球铁铸件的理想孕育剂。锆在铁液中形成 ZrC作为石墨结晶核心，改善石墨组织减小白口倾向，获得均匀细小的 A 型石墨。含锰的硅锆孕育剂，由于熔点低在铁液中熔化快，适合大型铸件的浇注温度。硅锆孕育剂的加入，可以消除氮的负面影响。Ti、Zr、Hf 是元素周期表过渡元素B 族金属元素，1956 年迪多夫发表的锆的熔点为 185515，Zr 为典型弥散相元素，稳定性比钛弱比铪强。在合金中，尺寸为 0.010.1m 的弥散相，抑制金属再结晶和晶粒长大，从而细化晶粒强化合金性能。Zr 或固溶于基体中，或在加入 Zr 后生成 Al3Zr、ZrN、ZrC 等细小质点弥散，条状分布在铁素体枝晶上，与基体共格钉扎位错，阻碍枝晶长大及晶界迁移，生成细化的枝晶和细晶粒。对于灰铸铁，起孕育作用的元素是碳、铝、钙、锶、锆、钛、钡、镁和稀土，硅仅作为这些孕育元素的载体，并使其在铁液中迅速溶解分散。这使我们联想到工业纯硅不能孕育的原因。3 锆与铸铁微合金化钢铁冶炼的喂丝、合金化、微合金化、洁净钢、预处理等技术，都被引入铸铁的铁液处理，用以改善铸铁的质量。进入 21 世纪，炼钢采用 BOF吹炼+RH 真空循环脱气等先进的冶炼技术降低钢中碳含量，加入钛铌固定碳、氮元素，从而得到无间隙原子的纯净的铁素体钢（简称 IF 钢）。新一代汽车用高强度和复杂的冷深冲成形超低碳薄板钢，已经取代沸腾钢（第一代冲压用钢 08F）和铝镇静钢（第二代冲压用钢 08Al）。金属材料的屈服强度随晶粒尺寸的减小而增大，晶粒细化是提高金属材料强度但又不损害韧性的唯一方法。铸铁的微合金化，主要是促进生成并细化珠光体，强化铁素体。微合金化元素的加入，可以提高灰铸铁碳硅当量，改善铸造性能。在临界温度 A1 以下，处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体的分解产物是珠光体。多元体系中，溶质相互影响，活度系数往往 1+1 大于 2。如果把强碳化物形成元素、中强碳化物形成元素、弱碳化物形成元素、非碳化物形成元素和内吸附元素有机的结合起来，则能够成百千倍的提高奥氏体的稳定性。奥氏体共析分解，增加合金因素，形成合金渗碳体或特殊碳化物，则需碳化物形成元素也扩散和重新分布，这样合金元素在奥氏体中扩散速度缓慢，是推迟共析转变的重要因素。铸铁中的溶解氮是阻碍石墨化的因素，硫量较高的铁液氮的溶解速度低，铸铁中硅高也明显降低溶解氮。然而风电类大断面球墨铸铁铸件为降低韧脆温度，恰恰含硅量必须较低，含硫量通常也控制的很低。铸铁中即使含铅量为 0.0007%，也会产生魏氏石墨。粗大的奥氏体晶粒将促进魏氏组织铁素体的形成。铸铁中的铅来源