灰铸铁中碳化物、氧化物、硫化物产生的原因及危害.docx

一、硫化物夹杂
1.灰铸铁中硫化物种类
硫化铁（FeS）：当灰铸铁中锰含量较低而硫含量较高时，硫化物中主要是硫化铁。它一般呈较圆的形状，常沿晶界分布。
硫化锰（MnS）：铸铁中锰含量高硫含量低时，析出的夹杂物几乎纯粹是晶体状的硫化锰。硫化锰属于塑性夹杂，会随金属变形而延伸轧薄。
复合硫化物：如硫化铜铁（CuS·FeS）等，在灰铸铁中也可能存在，其形成与炉料中的铜、硫等元素含量有关。
2.灰铸铁中硫化物对铸件有哪些好处和危害
有利影响
改善切削性能：适量的硫化物可以在金属切削过程中起到润滑作用，使刀具与铸件之间的摩擦减小，降低切削力和切削温度，从而提高刀具的使用寿命，改善铸件的切削加工性能，使加工表面更加光洁。
促进石墨化：硫化物在一定程度上能促进灰铸铁中的石墨化过程。它可以降低铁液的表面张力，有利于石墨晶核的形成和长大，使石墨片更加细小、均匀，从而提高铸件的力学性能。
不利影响
降低力学性能：当硫化物含量过高时，会以块状或片状形式分布在晶界上，割裂基体的连续性，成为应力集中源，降低铸件的强度、韧性和疲劳性能。
增加铸造缺陷：硫化物会降低铁液的流动性，使铁液在充型过程中容易出现浇不足、冷隔等缺陷。同时，硫化物在凝固过程中可能会引起气孔、缩孔等缺陷，影响铸件的致密性。
导致热裂倾向增加：硫化物会降低灰铸铁的热导率，使铸件在凝固过程中产生较大的热应力，增加热裂的倾向。特别是在厚大铸件或结构复杂的铸件中，这种影响更为明显。
3.怎样降低灰铸铁中的硫化物
控制炉料
选用低硫炉料：严格控制生铁、废钢、回炉料等炉料的硫含量，优先选用硫含量低于0.05%的优质炉料，可有效减少硫的带入。
加强炉料预处理：对炉料进行烘烤、磁选等预处理，去除炉料表面的油污、杂质及部分含硫物质，降低炉料中的硫含量。
优化熔炼工艺
采用碱性炉衬：碱性炉衬能有效吸收铁液中的硫，可将炉衬材料更换为镁砂、白云石等碱性材料，提高除硫效果。
控制熔炼温度和时间：避免过高的熔炼温度和过长的熔炼时间，一般熔炼温度控制在1450 - 1550℃，熔炼时间根据炉型和产量合理调整，以减少硫的挥发和反应。
进行精炼处理：在熔炼过程中加入适量的精炼剂，如苏打灰、电石等，它们能与硫发生化学反应，生成硫化物浮渣，从而达到除硫的目的。
调整化学成分
增加锰含量：锰能与硫形成高熔点的硫化锰，使其在铁液中上浮排出。一般将锰含量控制在0.8% - 1.2%，可有效降低硫化铁的生成。
添加稀土元素：稀土元素能细化晶粒，改善硫化物的形态和分布，使其由片状、块状变为球状或粒状，减少硫化物对铸件性能的不利影响。同时，稀土元素也有一定的脱硫作用。
二、氧化物夹杂
1.灰铸铁中有哪些常见氧化物
三氧化二铁（Fe₂O₃）：是铁在空气中氧化的常见产物，在灰铸铁中，当铁液与空气接触或在氧化性气氛中熔炼时，铁元素会被氧化生成三氧化二铁。它通常呈红色或红棕色，具有较高的稳定性。
四氧化三铁（Fe₃O₄）：可以看作是氧化亚铁（FeO）和三氧化二铁的复合物，具有磁性，又称磁性氧化铁。在灰铸铁的氧化过程中，当氧化条件适中时，会生成四氧化三铁，它一般呈黑色。
氧化亚铁（FeO）：在灰铸铁中，氧化亚铁常与其他氧化物形成固溶体或复合氧化物。它是一种不稳定的氧化物，在高温下容易被进一步氧化为三氧化二铁或四氧化三铁，通常呈黑色或暗灰色。
二氧化硅（SiO₂）：灰铸铁中的硅元素在熔炼过程中容易被氧化生成二氧化硅。它具有较高的硬度和熔点，化学性质稳定，一般呈白色或无色透明状。
氧化锰（MnO）：锰元素在灰铸铁中也容易被氧化，形成氧化锰。氧化锰通常呈绿色或灰色，它可以与其他氧化物结合，影响铸铁的性能。
此外，在一些特定情况下，灰铸铁中还可能存在氧化铝（Al₂O₃）、氧化钙（CaO）等氧化物，这取决于炉料的成分以及熔炼过程中所使用的添加剂等因素。
2.灰铸铁中氧化物对铸件有哪些好处和危害
好处
细化晶粒：适量的氧化物，如氧化铝、氧化钛等，可以作为异质晶核，促进铸铁凝固过程中晶粒的细化。晶粒细化能够提高铸件的强度、韧性和耐磨性等力学性能。
改善表面质量：某些氧化物在铸件表面形成一层薄而致密的氧化膜，能提高铸件的表面硬度和耐腐蚀性，同时也有助于改善铸件的表面粗糙度，使表面更加光洁。
坏处

降低力学性能：过多的氧化物会在晶界或基体中形成夹杂，这些夹杂会割裂基体的连续性，成为应力集中源，降低铸件的强度、韧性和疲劳性能。例如，粗大的氧化铝夹杂会显著降低灰铸铁的冲击韧性。
影响加工性能：氧化物夹杂的硬度通常较高，会加剧刀具的磨损，降低刀具的使用寿命，增加加工难度，影响加工表面质量。
导致铸造缺陷：氧化物会降低铁液的流动性，使铁液在充型过程中容易出现浇不足、冷隔等缺陷。此外，氧化物夹杂在凝固过程中还可能引起气孔、缩孔等缺陷，影响铸件的致密性。
3.怎样降低灰铸铁中的氧化物
炉料选择与处理
精选炉料：选用杂质少、含氧量低的优质生铁、废钢等炉料，减少原始炉料带入的氧化物。
炉料清洁：对炉料进行清理、除锈、除油等预处理，可采用抛丸、酸洗等方法，去除表面的铁锈和油污等，防止其在熔炼过程中产生氧化物。
熔炼过程控制
采用覆盖剂：在熔炼过程中，向铁液表面添加覆盖剂，如珍珠岩、草木灰等，可隔绝铁液与空气的接触，减少氧化。
控制熔炼气氛：采用还原性气氛熔炼，如在冲天炉中适当增加焦炭用量，使炉内保持一定的还原气氛，或在电炉中采用氩气等保护气体，降低铁液的氧化程度。
精炼除杂：加入适量的精炼剂，如硅钙合金、稀土镁合金等，它们能与铁液中的氧化物发生反应，生成密度较小的复合物，上浮至铁液表面被去除。
浇注系统设计
优化浇注系统：设计合理的浇注系统，使铁液平稳充型，减少紊流和飞溅，降低铁液与空气的接触面积和时间，从而减少氧化。
使用过滤器：在浇注系统中设置陶瓷过滤器，可有效过滤掉铁液中的氧化物夹杂，提高铸件的纯净度。
三、碳化物夹杂
1.灰铸铁中有哪些常见碳化物
渗碳体（Fe₃C）：是一种间隙化合物，硬度很高，脆性较大。在灰铸铁中，渗碳体通常以片状、粒状或网状等形式存在，是珠光体的重要组成部分，对灰铸铁的强度和硬度有重要影响。
MC型碳化物：M代表金属元素，如铬、钼、钒等。这类碳化物具有高熔点、高硬度和良好的耐磨性，通常在晶界处析出，能提高灰铸铁的耐磨性和耐热性。
M₂₃C₆型碳化物：也是一种合金碳化物，主要由铬、铁等元素组成。一般在珠光体和渗碳体的界面处形成，对灰铸铁的力学性能影响相对较小。
M₇C₃型碳化物：主要成分包括铁和铬，化学式可表示为(Fe,Cr)₇C₃。它具有复杂的晶格结构，硬度和耐磨性较高，在特定条件下，如高铬铸铁中，当碳含量较高时容易形成。
此外，根据形成过程不同，灰铸铁中的碳化物还可分为初晶碳化物、共晶碳化物、共析碳化物、二次碳化物和三次碳化物等。
2.灰铸铁中碳化物对铸件有哪些好处和危害
好处
提高硬度和耐磨性：碳化物硬度高，如渗碳体、MC型碳化物等，能显著提高灰铸铁的硬度，增强铸件抵抗磨损的能力，适用于制造磨损条件下工作的零件，如机床导轨、活塞环等。
细化晶粒：适量的碳化物可以作为异质晶核，在凝固过程中促进晶粒细化，使铸件组织更致密，从而提高铸件的强度和韧性。
提高耐热性：一些合金碳化物，如M₂₃C₆型、MC型碳化物，具有较高的熔点和热稳定性，能提高灰铸铁在高温下的强度和抗氧化性能，使其可用于制造在高温环境下工作的零件。
坏处
降低韧性和塑性：碳化物硬而脆，过多的碳化物会使灰铸铁的韧性和塑性大幅降低，增加铸件在使用过程中发生脆性断裂的风险。
增加铸造难度：碳化物的存在会降低铁液的流动性，使铸造过程中充型困难，容易产生浇不足、冷隔等缺陷。同时，碳化物在凝固过程中容易形成偏析，影响铸件的质量均匀性。
影响加工性能：碳化物硬度高，会加剧刀具磨损，降低加工效率和加工质量，增加加工成本。
3怎样降低灰铸铁中的碳化物
控制化学成分
调整碳、硅含量：适当提高硅碳比，硅能促进石墨化，降低碳化物的形成倾向。一般来说，碳含量在2.5% - 3.5%，硅含量在1.0% - 2.5%范围内调整，具体根据铸件性能要求确定。
限制合金元素：减少强碳化物形成元素，如铬、钼、钒等的含量，避免它们促进碳化物的形成。
优化熔炼工艺
高温熔炼与保温：采用高温熔炼使碳化物充分溶解，然后适当保温，促进石墨化核心的形成，增加石墨化程度，减少碳化物数量。例如，将铁液温度升高到1500 - 1550℃，并保温一定时间。
精炼处理：加入适量的精炼剂，如碳酸钙、碳酸钠等，它们与铁液中的杂质和气体发生反应，改善铁液质量，减少促进碳化物形成的因素。
改进孕育处理
选择合适的孕育剂：使用高效的孕育剂，如含锶、钡等元素的孕育剂，能有效促进石墨化，抑制碳化物生成。孕育剂的加入量一般为铁液质量的0.2% - 0.5%。
优化孕育工艺：采用多次孕育的方法，在熔炼过程中不同阶段加入孕育剂，如在出铁时和浇注前分别进行孕育，可提高孕育效果，降低碳化物含量。
控制冷却速度
合理设计铸件结构：避免铸件出现过厚或过薄的截面，使铸件冷却均匀，防止因局部冷却过快而产生碳化物。
采用合适的铸型材料：选择热导率较低的铸型材料，如树脂砂等，可减缓铸件的冷却速度，有利于石墨化，减少碳化物的形成。对于一些大型或复杂的铸件，还可通过在铸型中设置冷铁或冒口来调节冷却速度。