铁液中的气体对铁液状态的影响.pdf

铁液中的气体对铁液状态的影响铁液中的气体对铁液状态的影响铸造基础知识铸造基础知识在 1600、1atm 下（标准大气压1.01MPa）氢在熔化纯铁中的平衡溶解量为 26ppm，但当熔体凝固时溶解量急剧下降到 7ppm。如果多余的 19ppm 的氢未能释放到大气中而留在铁液中，氢气孔则作为缺陷出现在铸件中。在铸钢中，氢的溶解度更低。在最后凝固部位只要有 12ppm 多的氢就会产生超过 1atm 的压力，这就足以产生气孔。与此相反，由于碳和硅降低氢在铁液中的溶解量（氢的活度升高），在碳质量分数为 3.5%、硅质量分数为 2.3%的铁液中，1600时溶解的氢为 15ppm，1200时则减少到 7.5ppm，在共晶凝固后的固体中则降到 5ppm，多余的 2.5ppm 的氢被凝固时析出的石墨吸收，很难形成气孔缺陷。不过白口铸铁凝固时，由于氢不溶解于渗碳体内，易形成气孔。需要注意的是水蒸气会提高氢的溶解量。根据埃利奥特的研究，在 1600水蒸气分解成氢和氧溶解在金属熔液中，即使在水蒸气分压极低的情况下，如水蒸气的分压等于 0.01atm，一旦金属液中的 O 的浓度达到 0.003%，将有 27ppm的氢溶解于金属液中。因各种燃料在燃烧时产生相当高的蒸气分压，氢阻碍石墨化的倾向强烈，因此，不要在较高的 PH2O 下保存熔化的铸铁液。氮在铸铁中的溶解量与氢相似。1600在纯铁中溶解量为 450ppm，这是相当高的，凝固时氮在铁中的溶解量大幅下降，过剩的氮从铁中释放出来，形成气体缺陷。在铸铁中含有较多的 C 和 Si，因此氮在铁液和铁中的溶解量明显下降。有趣的是，在铸铁中氮在铁中的溶解量要比在共晶铁液中的溶解量大。因此氮在铁液中即使达到过饱和，也难以生成氮气引起的气孔。更重要的是与氮相关的石墨化问题。铁液中含氮量的微小差别也将会显著影响铁液的性质。铁液中存在两种类型的氮，即以原子状态溶解在铁液中的氮和氮化物中的氮。石墨化作用和气孔缺陷主要与以原子状态溶解在铁液中的氮有关，因此按照总含氮量来评价熔化金属的性质是不正确的。气体元素中，氧在铁液中的溶解度最小，容易与其他元素生成化合物，它的影响也是最复杂的。由于按氧的分布状态分别定量是特别困难的，所以研究氧对熔化金属性质、状态的影响有一定的困难。在氧对石墨化影响的问题上，存在着促进和抑制两种相反的观点。炼钢过程中，碳和氧的平衡关系为C%*O%=常数，这个常数一般取 0.0025，即含碳量增加，相应的含氧量降低。在像铸铁这类高含碳量的铁碳合金熔液中碳和氧的关系则是相反的，即O%/C%=常数，这个常数一般取 0.0008。当含氧量增加时，含碳量也成比例增加。氧在铁液中的溶解量除受成分影响外，还受和铁液接触的炉衬材料或坩埚材料的影响。高温铁液中 C 的还原能力增强，Si、Al、Ti 等的氧化物与铁液接触时被还原，因此铁液中氧和还原出的元素含量增加。溶解氧和铁液中的其他元素反应，生成了氧化物夹杂。因而在保温时铁液中的氧化和还原反应不断地反复进行。铸铁中的氧分为溶解氧和氧化物中的氧，涉及到氧在铁液中影响时，还不清楚是哪种形态的氧在起作用。定量分析溶解状态的氧和氧化物中的氧是非常困难的。试验分析可以得知，冲天炉熔化的铁液内氧的总含量比中频电炉熔化的铁液高，但溶解氧含量比中频感应电炉低。这也阐明了冲天炉熔化铸铁和中频感应电炉熔化铸铁性质上的差别，即为什么含氧量更低的中频感应电炉熔化的铸铁比冲天炉熔化的铸铁更容易产生白口。实际上，铁液中溶解氧的量在几个 ppm以下，量非常的少。氮化物、氧化物作为夹杂物在铁液中大量悬浮，当然还有相当多的其他杂质，如碳化物、硫化物等。石墨结晶时熔化铸铁与异质物的界面容易成为结晶析出的基体，多数学说认为在凝固过程中那些化合夹杂物会成为石墨晶核。假设夹杂物的含量为 100ppm，平均半径是 1m，由计算可以得知在 1g 熔化态铸铁内所含夹杂物的数量为 100000000 个，如果这些夹杂物是共晶凝固时石墨易于析出的条件，就会具有石墨结晶基体数量增加的效果。