如何避免氮气孔在球墨铸铁件中形成

（一） 氮气孔形成的热力学

氮是以溶解的原子态，以气体形式存在于显微裂纹中，存在于晶格有缺陷的地方，或者以析出的氮化物形式存在。在铁液中原子氮的溶解度为每100g铁液30cm3；在凝固时其溶解度约降至每100g铁液8cm3。氮在铸铁中的溶解度与其存在形式有关。如果氮是以氮化物形式存在，则与氮在铸铁中的溶解形式不同。在铸铁中各种氮化物的稳定性，取决于它们的生成自由能，后者的负值越大，则表明该氮化物越稳定。图7-5表明，各种氮化物的稳定性的次序是：ZrN、TiN、AlN、Mg2N2、Si3N4、VN、BN、铬的氮化物、铁的氮化物，最不稳定的是NH3。

图7-5　各种重要的氮化物的稳定性

热力学表明，气体在铁中的溶解度[S]与温度T和压力P 的关系为：

式中 K0——常数；

ΔH——气体溶解热；

R——气体常数。

图7-6　在1atm下氮在铁中的溶解度

对于氮气来说，和其他气体一样，在铁中的溶解度与温度、压力密切相关。图7-6是在1atm^[1]下，氮在铁中的溶解度与温度的关系。由图8-7可以看出，氮在铁中的溶解度随温度的升高而增加，即铁液比其在固态可含有更多的平衡氮量。当铸件凝固、冷却后，氮在铁中的溶解度大幅下降。此时，析出的氮气有可能聚集在铸件内部，形成氮气孔。另外，在铁发生固态相变时，氮的溶解度发生突变。呈面心立方晶格的γ—Fe比呈体心立方晶格的α—Fe和δ—Fe更有利于氮的溶解。由此表明，如果球墨铸铁件在奥氏体区域长时间保温进行热处理时，会吸收大量来自空气中的氮，以致它在随后的冷却过程中，析出并聚集在铸件内部，形成氮气孔。氮气孔属析出性气孔，在铸件断面上呈大面积分布，在冒口、热节处分布较密集，形状呈圆球形。它常发生在同一炉次或同一包浇注的一批铸件中。

（二） 氮气孔形成的冶金条件

熔炼时，采用的废钢量越多，则铁液中的含氮量也就越高 （见图7-7），例如，碳当量为4．36%时，不加入废钢，此时含氮量w（N）=0．002%；如果炉料全部加入的是废钢，则含氮量w（N）=0．0075%～0．0078%，即增加了3倍。此外，采用的铸造生铁中含碳、硅量越多，则其中含氮量就越少，由此熔炼出来的铸铁含氮量也越少 （见图7-8）。采用数理统计法得出铸铁含氮量[N]与碳当量CE的关系见式（7-2）：

式中，含氮量、碳当量均以质量分数表示。(www.xing528.com)

图7-7　铸铁中含氮量与炉料中废钢量的关系示意图

图7-8　铸铁中含氮量与碳当量的关系示意图

在电炉中过热铁液时，含氮量达w（N）=0．0008%～0．004%。电炉过热会使铁液的白口倾向增大，其中主要原因之一，就是含氮量增加；另一个原因则是含氧量的降低，由此导致外来晶核数量的减少，石墨化能力减弱，造成白口倾向加大。表7-2中列举了铁液经过不同处理时，含氮、氢、氧量的变化。由表7-2中可以看出，不同碳当量的铁液，经电炉过热后，含氮量均有增加，但经Fe-Si孕育处理后，其含氮量略有下降。

表7-2　电炉过热使铁液中气体量的变化

由于含氮量不同，是造成高炉生铁具有“遗传性”的重要原因之一。铸造生铁由于含氮量少，会具有大量的粗大石墨，并容易出现石墨漂浮。在厚大断面的铸件或热节中心处易出现氮气孔。

除了废钢带入氮以外，加入到铁液中的铁合金 （Mn、Cr等），也会使铸件中的含氮量增加。此外，增碳剂、树脂粘结剂和涂料也会使球墨铸铁中的含氮量增高。

（三） 防止产生氮气孔的措施

业经研究表明，铁液中的含氮量w（N）≤0．009%，一旦超过0．009%，则生成氮气孔的概率急剧增加。防止氮气孔的形成，可采取如下措施：

（1）降低废钢加入量，以减少带入的氮量。另外，增加碳当量也会使平衡含氮量降低。

（2）采用电炉熔炼。采用电弧炉或感应电炉熔炼时，铁液中的含氮量在球化处理前一般是：w（N）=0．004%～0．007%；而用冲天炉熔炼的铁液，可高达w（N）=0．007%～0．014%。但是，对于冲天炉熔炼的铁液，经过15～30min保温后，则含氮量可降至w（N）=0．008%。这是因为在保温过程中，不溶解的氮化物上浮，使含氮量达到平衡。由于球墨铸铁含碳量和含硅量高，致使铁液中的溶解含氮量降低。当用球化剂和孕育剂处理后，含氮量有所下降。对于冲天炉铁液含氮量可降至w（N）=0．0065%～0．0075%；对于电炉铁液则可降至w（N）=0．004%～0．005%。此时，不会有氮气孔出现，也不会因含有许多的氮而导致形成碳化物或珠光体。

（3）降低含锰量。文献报导，若把含锰量由w（Mn）=0．9%降至w（Mn）=0．75%，并适当提高浇注温度，则可把由氮气孔而导致的废品率降低至原来的1/10。

（4）提高浇注温度。随着铁液温度的降低，铁液中含有的氮会析出，经聚集后会形成一定尺寸的气泡。此时若提高浇注温度，气泡会靠自身建立起来的压力，从铁液中逸出。如果是在较低的温度下浇注，则形成的气泡不能逸出，停留在铸件中，将形成氮气孔。