高强度高碳当量灰铸铁生产工艺问题2—合理地使用增碳剂

合理地使用增碳剂
半个世纪以来，铸铁件的生产技术有了长足的进步，如在球铁生
产中，ADI技术的成熟和高硅固溶强化铁素体球铁的推广，，给球
铁生产技术的发展注入了新的动力，而在灰铸铁的生产技术方面，
我认为采用合成铸铁技术，应当是一个很大的技术进步，它与我们
生产高强度高碳当量的铸铁件找到一条正确的途径，缩短了与国外
先进国家的技术差距。

合成铸铁生产技术就是改变了过去长期以来一直用生铁作为主要
炉料成分的配料方法，而是不用生铁，或只用少量的生铁，主要采
用废钢做主要炉料，配以增碳剂增碳来达到指定的化学成分和新的
配料方法。

新的配料方法与老方法相比，主要有一下三个方面优点：
1、避免了新生铁遗传性
2、增碳剂增加了外来的石墨核心
3、是废钢中的氮及从增碳剂中带进来的更多氮促进了珠光体
和改变了石墨形态，但众多的介绍合成铸铁经验文献中，基本上都
推荐要采用低氮低硫的幼稚石墨型增碳剂，其原因就是石墨型增碳
剂能直溶增碳达度块，回收率高，因而在采用增碳剂时，只注意了
石墨形态，含碳量，灰分和粒度，而不去关注增碳剂含氮量高低，
常常把其中的氮作为影响铸件的气孔缺陷的原因而拒绝利用氮能增
加铸件强度的有利条件，从而对利用增碳剂中的氮的有利作用。

做
了理论上的肯定，而实际上的否定，但在实际运用中增碳剂的生产
厂家一改不进行氮含量的分析，在采用的技术条件上也没有对氮含
量的分析，因而在增碳剂的含氮量及生产出的灰铸铁件中的氮处于
一个失控的状态，因此尽管许多铸造厂也采取了高比例的废钢配比，也加入了2%左右的增碳剂，但所得结果，有的厂铸铁件中含氮量超高，产生氮气孔而使铸件报废，而大多数工厂生产出来的铸件性能
仍然不高，本体强度难以稳定地满足HT250的要求，仍要采用低碳
当量来提高强度。

百铸网在近三年来，一直在宣传要利用增碳剂中的氮有利作用，并且帮助了很多厂，在时间中利用增碳剂中氮和硫，稳定地成批生
产了HT250，HT300的铸铁件，合理地选用增碳剂。

掌控好其中的氮
和硫就能稳定地生产出高强度高碳当量的铸铁件，根据资料和我们
的实验室数据，氮在铸铁中最明显的作用就是稳定珠光体，而保证95%以上的珠光体是生产高强度的基本要求，氮在50-120ppm时能有
效地抑制铁素体的生成，而当含量过高时有产生氮气孔的危险，我
们控制厚大件的氮含量不超过80ppm，中小件不超过120ppm作为控
制界限。

而在不产生氮气孔的前提下，要尽量争取采用较高的氮含
量已达到最大化地提高铸铁件强度，或者减少铜、锡、铬、等贵金
属合金的加入量。

在铸铁件中，当氮含量达到80ppm以上时，对于
一般的中小铸件就能使其中的片状石墨变短，变粗，从直线的A型
石墨变弯曲，且石墨尖端钝化，对于合成铸铁来讲，一般都能得到
较多的A型石墨，而没有发现B型石墨，因此铸件的加工性能得以
改善，氮对灰铸铁件的机械性能提高有显著影响，在合适的范围内
提高氮含量就可提高抗拉强度，几乎成线性关系，我们的实验数据
是铸铁件中的氮含量每增加10ppm，其抗拉强度就可增加10-15Mpa，同时硬度也有所增加，但没抗拉强度那么明显。

氮在控制范围内对铸铁件的有利影响，当然是氮在铸铁凝固冷
却时，对石墨和基体的生成产生了有利影响，铸件强度的提高是通
过金相组织的改善而获得的结论，通过实验，检测了氮在金相中的
分布，结论是：1氮使铸铁溶液的平衡和非平衡一次结晶温度降低，结晶多冷度增大，共晶转变的温度区间增大，氮对共析转变温度降低，转变温度区间增大，氮对共析转变温度的影响程度与铸铁的含
碳量有关系，含碳量愈高，氮的影响愈显著。

2.氮对石墨的形态、
数量和分布都有影响，它使石墨长度缩短，弯曲程度增加，端部变钝，长宽比减小。

3.氮对基体组织有显著影响，它使初生奥氏体一
次轴变短，二次臂间距减少，使共晶团细化，珠光体数量增加，且
珠光体和铁素体的显微硬度增加。

4.测试了共晶转变后石墨表面氮
的浓度，发现石墨表面有几个原子厚度的氮吸附层，石墨中氮的浓
度明显高于基体，因此阻碍了石墨的长大，从而细化了共晶团组织，并使石墨在长大过程中晶格产生畸变，导致石墨弯曲和分支，也测
定了加氮前后铁素体和渗碳体的晶格常数有明显增大，这是氮原子
固溶在其中而使其畸变，从而提高了基体组织的强度和显微硬度。

因此我们认为，在生产高强度高碳当量的合成铸铁生产中，增
碳剂中的含氮量对改善铸铁金相组织和提高其机械性能起到了主要
作用。

我们不能避开它，而是要充分地利用它，有意识地将它作为
一个有益的合金元素来加以利用，所以要合理地正确选择增碳剂，
在铸铁生产中，可起增碳作用的增碳剂有好多种，通常使用的增碳
剂有石墨型增碳剂，和部分石墨化增碳剂，煅烧石油焦和煅烧煤等
品种。

我们要根据铸件的种类，和对机械性能的要求来选择增碳剂，一般来说，如果我们生产球墨铸铁件，我们可选用石墨化型增碳剂，当铁液比较纯净是，也可以选用含氮量较低于1500ppm的煅烧石油
焦或煅烧煤增碳剂，而当我们生产灰铸铁件，尤其是高强度的灰铸
铁件时，基于前面所说的理由，如果选用了石墨化型的增碳剂不但
愿望地增加了生产成本，也失掉了利用增碳剂中的氮元素来起合金
化的机会。

而去采用降低碳当量的方法来保证机械性能，因而使铸
件收缩性大，残余应力大，使用中精度降低，以及加工性能差等弊端。

或者采用增加铜，锡，铬等稳定珠光体的贵重合金元素来保证
珠光体含量及抗拉强度，这都不如合理利用增碳剂中氮来得有效和
经济。

所以这三年来，百铸网和多家铸铁生产企业合作，在对增碳
剂和灰铸铁件中的氮进行可控的工艺操作下，稳定地生产出了
HT250和HT300铸件，并且减少了铜，铬等元素含量，甚至不加铜
等合金也能保证金相和强度要求，因此在灰铸铁件的生产中，我们
提出最好不用石墨化型增碳剂，而首推采用部分石墨化，煅烧石油焦，或煅烧煤型增碳剂，部分石墨化和煅烧石油焦含固定碳高，溶
解速度快，灰分低，而且有合适的氮含量，在条件比较好的工厂可
以推荐选用。

一般的小型铸造厂可采用煅烧煤增碳剂，它固定碳含
量较低，但价格便宜，合理工艺操作，同样可得到增加抗拉强度，
降低成本的目的，下面还要讨论一下灰铸铁件所用的增碳剂中的硫
含量问题。

有的灰铸铁件生产企业，在提出的采购增碳剂的技术条件上，
要求较低的硫含量，我们认为这种要求是没有道理的，因为大家知道，自从采用合成铸铁以来，由于大量采用废钢，而使融化的铁液
含硫量低于0.05%以下，因而产生了铸铁孕育不良，影响了合成铸
铁的质量因而伴随而来的发展了增硫工艺，得意事合成铸铁得以发展，所以近半个世纪以来，在灰铸铁件的生产中，大量采用废钢加
增碳剂工艺及赠刘工艺，加上良好的孕育这是当前稳定生产高端灰
铸铁件必需而充分的工艺措施，所以凡是容量出来的铁液低于
0.05-0.10%的合理范围，所以一方面限制增碳剂中的硫不能搞，另
一方面又特意用增碳剂来增加硫，显得在道理上是矛盾的。

所以我
们提出用在铸铁增碳剂中的含硫量控制在0.5%是合理的，在炉料配
料中如果我们采用2%的增碳剂加入量，则铁液的增硫量只有0.01%，增加硫量有限，一般情况下，还必需加一定量的硫化铁才能保证铁
液的含硫量要求，所以更低地降低增碳剂中的含硫量要求是不必要的，也是不合理的。

因此，合适的灰铸铁件采用增碳剂，应当将含氮量控制在一个
既能提高铸铁强度，而又不产生氮气孔的范围，我们在控制上将其
控制在一个保险的上限下，如果铸铁强度还不理想，还没有达到应
有的高度时，我们可采用这种含氮的增强孕育剂来增加氮含量，达
到提高铸铁强度的目的，而在硫的含量下，完全可以允许较高的含硫量，以保证良好的铸铁孕育效果。