一、N 的來源

1、廢鋼

金屬冶煉過程中, N難免與其接觸溶入。w (C) 量和w (Si) 量越低, N的吸收越高, 鋼液出爐時的脫O操作, 給N的溶入創造了條件。由于鋼的w (C) 量和w (Si) 量比鑄鐵及其回爐料低很多, 更加容易吸收N, 所以, 在鑄鐵熔煉過程中廢鋼比例越高, 鐵液w (N) 量越高, 尤其是合成鑄鐵, 其配料中廢鋼占比越大, 鐵液w (N) 量越高。

2.增碳劑

增碳劑是鐵液中N的另一個來源。國內有的灰鑄鐵鑄造廠在生產合成鑄鐵時選用w (N) 2 000～4 000 ppm的半石墨化石油焦增碳劑或者是中溫石墨化增碳劑。這種增碳劑因為C沒有完全石墨化，不適合用于熔煉后期和出爐前補充C，因為C吸收慢，吸收率低，而且容易使鑄件出現N2氣孔。

3.回爐料

回爐料中w (N) 量在60～90 ppm, 是穩定的N來源。在以往的爐料配比中, 由于以生鐵配料為主, 微量元素的干擾較少, 使用較少的增碳劑或不使用增碳劑, 廢鋼加入量也較少, 造成回爐料中w (N) 量較低, 所以, 在進行合成鑄鐵配料時, 需要注意調整鐵液中的w (N) 量。

4.鑄型和砂芯

樹脂砂型 (芯) 中含有規定的N, 高溫鐵液進入型腔后, 樹脂粘結劑分解的N也容易被鐵液吸收。

5.合金及孕育劑

感應電爐熔煉灰鑄鐵時, 可以使用MnN、Cr2N或者含N孕育劑來增加鐵液的w (N) 量。筆者在配制含N孕育劑時發現, 國內煉鋼使用的高N鉻鐵中w (N) 量在80000～90000 ppm, 可以充分提供N源, 在熔煉過程中, 將其以沖入法加入, 顆粒大小類似于孕育劑的粒度, 此時N的吸收率一般在30%左右。試驗表明：Cr、Ni、Cu等合金元素含量越高， w (N) 量越高。

6.感應電爐熔煉操作

感應電爐熔煉合成鑄鐵, 正常規范的熔煉操作, 可以穩定鐵液中的N, 而無限制高溫 (超過1 550℃以上) 操作或鐵液高溫留爐時間過長, 鐵液中N容易溢出, 從而降低鐵液的w (N) 量。

7.沖天爐熔煉

由于入爐空氣w (N) 量高, 焦炭w (N) 量也高 (約8 000～10 000 ppm) , 再加上配料中規定比例的廢鋼, 所以鐵液中w (N) 量比較高, 一般在120ppm以上。

二、灰鑄鐵中w (N) 量的穩定控制

目前, 大多數鑄造廠爐前沒有對w (N) 量進行準確檢測 (光譜儀有N通道, 檢測不夠準確) , 增碳劑、樹脂砂等原材料帶入的w (N) 量不穩定, 導致無法穩定控制w (N) 量。

影響灰鑄鐵中w (N) 量的微量元素為Ti、Zr、Sr等, 其中, Zr和Sr經常添加在鑄鐵的孕育劑中, 能夠起到很好的作用。但是, 在鐵液中他們也能夠化合一些強化鑄鐵基體的N, 如:Ti與N形成TiN, 減少固溶于鐵液中的自由N, 從而降低N對鐵液的固溶強化作用, 因此, 需要從增碳劑等各種原材料上控制w (N) 量, 同時應該注意潮濕環境下H的介入。沖天爐熔煉的鐵液w (N) 量比較高, 干燥季節熔煉生產沒有任何N2氣孔問題, 而在春夏季節, 空氣溫度升高, 濕度加大, 入爐空氣帶入的水氣在高溫下分解出H, 嚴重影響鐵液質量, 與N共同產生氣孔, 嚴重時出現裂隙狀氣孔缺陷。

某公司要求將高牌號灰鑄鐵件w (N) 量控制在60～120 ppm, 同時要求影響N強化鑄鐵的有害元素Ti的含量小于0.025%。日本某公司要求HT300合成鑄鐵配料時使用HT300鑄鐵專用增碳劑，將w (N) 量控制在70～100 ppm。使用感應電爐要考慮氣壓對鐵液w (N) 量的影響, 高海拔地區, 氣壓低, 鐵液中的溶解N容易溢出, 因此, 完全相同的熔煉工藝和原材料配料，其鐵液的溶解w (N) 量低于低海拔地區。

研究表明，表面活性元素 (尤其是O和S) 可明顯減少N在鐵液中的溶解速度, 在鐵液中起到脫O還原作用的其他元素也均能明顯影響N在鐵液中的溶解速度。河北某廠生產合成鑄鐵HT250時, 在熔煉中對使用0.8%的SiC配料前后的石墨形態進行了對比,下圖是該廠合成鑄鐵HT250的金相組織, 由圖可見, 使用SiC后, HT250的石墨形態明顯是w (N) 量比較高的特征，而SiC材料的w (N) 量很低。據了解，該廠在生產合成鑄鐵HT250時的熔煉操作是在爐內有少量鐵液時陸續加入廢鋼, 并加入SiC和HT250鑄鐵專用增碳劑。SiC在爐內一開始是脫O作用, 增碳劑的C以石墨形態存在，吸收較好，且增碳劑w (N) 量較高, 一般在2 000 ppm左右。此種增加N的方法初步判斷條件是：一開始, 要有脫O條件；其次，在脫O的同時, 要有比較多的N源。當然, 這種N的增加方法也不夠穩定, 目前只能僅供參考, 但是鐵液脫O增N的溶解速度的特性是必然的, 只是對其認識和了解需要不斷的積累和完善。

三、w (N) 量對力學性能和金相組織的影響

近幾年, 灰鑄鐵的熔煉設備從沖天爐轉變為感應電爐, 灰鑄鐵的性能有很大的差異, 特別在力學性能方面, 即相同CE的灰鑄鐵, 雖然改成合成鑄鐵配料后, 力學性能有很大提高, 但是與沖天爐熔煉比較, 仍然有差距。分析認為, 除了熔煉質量有明顯不同外, 還可能與2種鐵液的w (N) 量差別有關。目前, 合成鑄鐵采用感應電爐熔煉時, 其廢鋼含量加到50%～60%, 并使用石墨化石油焦增碳劑, 其w (N) 量一般在50～100ppm;而沖天爐熔煉的鐵液w (N) 量一般在120ppm以上。

有資料顯示：相同CE的鐵液[w (C) 3.12%, w (Si) 1.35%, w (Mn)0.71%, w (S) 0.09%, w (P) 0.13%], 隨著w (N) 量的增加, 其抗拉強度從287MPa逐步提高到361 MPa;隨著w (N) 量的繼續增加, N2氣孔出現, 抗拉強度突然降低。

N對灰鑄鐵力學性能影響如此明顯，是由于其對灰鑄鐵的石墨形態和基體組織產生了很大影響。在鑄鐵中，w (N) 量超過80 ppm，能夠出現一些緊實石墨, 片狀石墨變短變粗, 并有彎曲現象, 片狀石墨端部變圓鈍化。

N對灰鑄鐵基體組織也有顯著的作用, N是穩定并能細化珠光體的元素, w (N) 量在規定范圍內可以有效抑制鐵素體的形成。有資料顯示：N與C一樣固溶于鐵液中, 形成間隙式固溶體, 固溶強化和形成穩定奧氏體作用明顯。N使初生奧氏體一次軸變短, 二次臂間距減小, 使共晶團細化, 珠光體體積分數增多, 能夠有效抑制鐵素體生成, 使共析轉變過冷度增加, 穩定細化珠光體組織。

某廠在生產HT300缸套活塞鑄件時, 使用1 t感應電爐熔煉, 配料由以生鐵配料為主改為50%廢鋼+50%同牌號回爐料+ HT300鑄鐵專用石墨化增碳劑+少量Cr、Cu等合金。出爐前使用0.2%的SiC做預處理, 使用0.3%的Si-Ba-Ca孕育劑進行孕育。澆注鑄件時, 同時澆注φ30 mm的試棒, 然后檢測化學成分、金相組織、力學性能和w (N) 量。檢測結果顯示:w (C) 3.09%, w (Si) 1.917%, w (Mn) 0.74%, w (P) 0.038%, w (S) 0.104%, w (Cr) 0.492%, w (Mo) 0.531%, w (Cu) 0.386%, w (Ni) 0.638%;未加入含N孕育劑, w (N) 量為74 ppm, 抗拉強度335～337 MPa;加入0.2%的含N孕育劑, w (N) 量為99 ppm, 抗拉強度為371～389 MPa。HT300缸套活塞鑄件的石墨形態如圖所示, 可見, w (N) 量為99 ppm時, 石墨形態較好, 抗拉強度也有所提高。