氧化铁红俗称铁红，一般指氧化铁。 氧化铁是一种无机物，化学式为Fe₂O₃，呈红色或深红色无定形粉末。它是铁的三种主要氧化物之一，另外两种是氧化亚铁(FeO) （ferrous oxide）和四氧化三铁(Fe₃O₄) （ferroferric oxide, magnetite）。铁的其它氧化物还有二氧化铁FeO₂（ferrum dioxide）、三氧化铁FeO₃（iron teroxide）等。

在涂料和颜料领域，氧化铁红指的是氧化铁Fe₂O₃，氧化铁黑是四氧化三铁，氧化铁黄是氧化铁的一水水合物 Fe₂O₃·H₂O，而氧化铁棕则是FeO和Fe₂O₃的水和物(Fe₂O₃+FeO)·nH₂O，或者是氧化铁红、氧化铁黑和氧化铁黄的混合物。

铁锈主要由三氧化二铁水合物Fe₂O₃·nH₂O和氢氧化铁（FeO(OH), Fe(OH)₃）组成。

以Fe₂O₃为主要化学成分的矿物称为赤铁矿（Hematite）。

以Fe₃O₄为主要化学成分的矿物称为磁铁矿（Magnetite）。

以FeO为主要成分的物质称为浮氏体、维氏体（Wustite），或方铁矿，在自然环境中不稳定，容易被氧化或与其它物质反应生成更稳定的化合物。

在Fe₃O₄里，铁显两种价态，一个铁原子显+2价，两个铁原子显+3价，故四氧化三铁可看成是由FeO与Fe₂O₃组成的化合物，可表示为FeO·Fe₂O₃，而不能说是FeO与Fe₂O₃组成的混合物，它属于纯净物。

回到顶部

铁及其氧化物在冶金和铸造生产中常见的化学反应：

铁的氧化反应

     铁在空气中氧化生成三氧化二铁，4Fe + 3O₂ = 2Fe₂O₃；

     铁在纯氧中氧化生成四氧化三铁，3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄

     铁在熔炼状态下生成氧化亚铁，Fe + [O] → (FeO)

铁氧化物的还原反应

     炼铁的基本反应

          Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂ （高温）

          2Fe₂O₃ + 3C = 4Fe + 3CO₂ (气)(高温)

          Fe₃O₄ + 4CO == 3Fe + 4CO₂ (高温)（还原反应）

     铝热反应（发热冒口用）

          3Fe₃O₄ + 8Al == 4Al₂O₃ + 9Fe （加热）

          Fe₂O₃ + 2Al = 2Fe + Al₂O₃ （加热）

在铸型/金属界面发生的反应（与铸造涂料有关）：

     铁的氧化反应：

          Fe + [O] → (FeO)

     Fe₂O₃作为氧化剂的反应（还原反应）：

          Fe₂O₃ + H₂ → 2Fe₃O₄ + H₂O

          Fe₂O₃ + Fe = 3FeO

          Fe₂O₃ + C = 2FeO + CO

          2Fe₂O₃ + C = 4FeO + CO₂

          Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂

     Fe₂O₃释放出氧的反应：

          Fe₂O₃ = 2FeO + [O]

          2Fe₂O₃ = 4FeO + O₂

     酸碱反应：

          mFeO + nMnO + pSiO₂ = mFeO•nMnO•pSiO₂

          Al₂O₃ + FeO = FeO•Al₂O₃（铁铝尖晶石）

          FeO + SiO₂ = FeO•SiO₂（铁橄榄石）

这三个酸碱反应中，前两个是中性或两性氧化物Al₂O₃与酸性氧化物SiO₂及碱性氧化物FeO 和MnO 的反应方程。由于反应产物的熔点很高，因此，即使发生了酸碱反应也不会造成粘砂。这充分体现了铝质耐火材料的优势。

第三个是FeO 与SiO₂反应生成铁橄榄石，这是一个在铸造涂料中常常提到的重要反应。钢水在浇注过程中表面迅速氧化形成碱性的FeO，会和涂料中或砂型中的SiO₂ 或酸性硅酸盐发生酸碱反应，形成熔点极低的铁橄榄石。

上述反应并非总会发生，与温度、压力、浓度和物质状态等条件有关。我们所需要关注的是下面几个关键反应的发生条件：

铁的氧化和烧损，形成FeO

Fe₂O₃释放出氧气或活性氧原子，具有氧化性，可以使H₂、C和CO氧化

FeO与SiO₂发生酸 碱反应，形成铁橄榄石

回到顶部

氧化铁粉在铸造涂料上的应用

氧化铁粉用于铸造生产，最早是把赤铁矿(Fe₂O₃)、磁铁矿(Fe₃O₄)、褐铁矿(Fe₂O₃•3 H₂O) 和菱铁矿(FeCO₃)磨碎加工添加到型砂（包括潮模砂）中，以防止机械粘砂和化学粘砂以及针孔缺陷。在型芯砂中加入氧化铁粉，虽然有这些益处，但却造成树脂砂不易混匀，流动性下降，增大了树脂和固化剂的消耗，氧化铁粉本身也增加了型砂的成本。由于金属液体与铸型直接的相互作用主要发生在金属与铸型的界面，在铸造涂料中添加一定比例的氧化铁粉，同样能起到在型砂中的作用。氧化铁粉添加到涂料中，总体加入量相对于在型砂中的含量很低，效率更高，成本更低。

氧化铁粉的作用和作用机理：

氧化铁粉在涂料和型砂中所起的作用及其作用机理有很多相同或相似之处，主要利用了氧化铁在高温下的氧化性和助熔剂的特性。

1， 防止脉纹

石英砂在一定温度下（573 °C）会产生α→β相变，砂粒体积膨胀。表层砂粒停止膨胀后，内部的砂粒会接续膨胀，使表层产生拉应力。当表层的粘接剂烧毁而失去粘结力时，则拉应力足以时砂芯表面开裂，铁液浸入，冷却后即形成脉纹或飞翅缺陷。

关于脉纹缺陷的产生机理，还有一种说法是，树脂砂中的树脂在高温下分解，可能产生活性炭，使得砂芯体积膨胀而产生裂纹，进而产生脉纹。

生产实践表明，在芯砂中或涂料中添加一定比例的氧化铁粉，对防止产生脉纹缺陷非常有效。这是因为：

• 氧化铁起到了缓冲作用。温度升高时氧化铁逐步增加型芯的塑性，可以抵消一些石英砂相变引起的膨胀应力。在浇注温度下促使生成液态的铁橄榄石，使得膨胀应力得以消除。
• 氧化铁粉是热的良导体，有助于砂粒间热量的传输，减少温度梯度，从而减少因膨胀不均而引起的应力。
• 氧化铁粉在高温下释放的氧气会阻止产生活性炭或消耗掉活性炭，从而减少活性炭产生的膨胀应力。

2， 防止针孔、气孔

热芯盒树脂所用的粘接剂和固化剂中均含氮，浇注时产生大量气体，主要是挥发物NH₃或NH₂分解为N₂和H₂，在液体中以[H]和[N]形式存在，可以大量溶解于铁液中，液体凝固时[H]和[N]由于溶解度下降而析出，量多之处形成气孔，量少之处形成针孔。

冷芯盒砂芯 生产的铸铁会出现N₂ 气孔的主要原因是由于铁液吸收了大量砂芯燃烧后产生的N，当铁液浇注到含有冷芯盒树脂砂芯的型腔中时，含N 树脂迅速分解成NH₃ 或NH₂，在高温下进一步分解出原子态的N 和H，溶解在接触的金属液表层中并向内扩散。

在型砂和涂料骨料中加入Fe₂O₃，可以有效地减少气孔和针孔缺陷。比如，某大型汽车厂在1980年前后生产的球墨铸铁件皮下气孔缺陷废品占总废品的30%以上，当树脂砂中加入氧化铁粉后，皮下气孔率骤减至总废品率的2%以下。

氧化铁防止气孔的作用机理有很多说法，比如：

•  氧化铁在高温下发生以下反应：

          Fe₂O₃ + H₂ → 2Fe₃O₄ + H₂O

          Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO ↑

在第（1）个反应中，氢气被氧化铁还原，被消耗掉。在第（2）个反应中，产物一氧化碳在上浮过程中会吸附[H]和[N]，使金属液体中的[H]和[N]减少，避免了液体凝固时[H]和[N]由于溶解度下降而形成的气孔或针孔。

• 由于铸铁的浇注温度在1300度以上，砂型表面的温度超过1000度，在这样的温度下氧化铁粉促进热分解，起到将NH₂或NH₃分解成H₂的催化剂作用。H₂不易溶于铁液。即使产生了N₂气体，在某种条件下产生气孔，但通常不溶入铁液和形成皮下气孔。

• Fe₂O₃、SiO₂和Al₂O₃等在高温作用下在液体金属表面共熔，生成铁橄榄石等低熔点物质，在浇注温度下呈液态而形成一个隔离膜，把铁液与型面分开，使氮与铁液不能直接接触。同时，这些低熔点物质渗入到石英砂粒间的空隙，使空隙直径减少甚至完全堵塞，增大了气体向铁液中渗透的阻力。

• Fe₂O₃ 能够降低铁液与砂芯之间的界面张力，使铁液更好地润湿砂芯，减少砂芯中的气体进入铁液，从而减少铁液从砂芯中吸收更多的N。

• Fe₂O₃ 遇到铁液快速放出O，与树脂中的N 反应形成稳定的NOx 化合物。

3，防止低碳钢表面渗碳

低碳、超低碳不锈钢铸件在浇注过程中，高温钢液进入树脂砂铸型型腔内，导致砂粒表面的树脂膜受热分解，释放出大量的含碳的气体化合物，其中CO占气体总量的50%以上，它会以碳的形式渗入到不锈钢铸件中。这是由于铸钢件在高温奥氏体状态，对碳具有相对较大的溶解度（2.06%），CO气体在高温下首先分解为活性碳原子，然后被钢液表面所吸收，被吸收的碳原子，在高温状态下向钢的内部扩散，从而形成一定厚度的渗碳层。在固体不锈钢铸件中碳元素的溶解度是很有限的，它们总是试图沿着浓度梯度向外迁移，因此渗碳速度不可能是一个常数，它随着时间的推移而减慢，当渗碳速度小于金属表面碳的迁移速度时，产生了残余的碳趋向于朝金属的表面扩散，形成了一层相对含碳量较高的碳化物层。

这个时候加入氧化铁粉，它能够快速反应，使CO析出为C 和CO₂：

CO + ½O₂ → C + CO₂

Fe + CO → FeO + C

然后，FeO 与砂粒表面的SiO₂ 、Al₂O₃ 等反应生成铁橄榄石，再加上FeO 在铁液中的存在，使得铁液中的碳含量保持在一个比较低的水平。从而，减小了低碳、超低碳钢铸件的渗碳深度。

4， 防止粘砂（摘自徐庆柏教授论文）

当金属液体中存在的氧化亚铁与铸型中存在的无定型二氧化硅接触时会发生反应，生成铁橄榄石：

（FeO）+ SiO₂ → FeSiO₃

铁橄榄石的熔点很低，在浇注条件下呈液态，容易渗透到砂粒之间的缝隙，同时铁橄榄石能显著降低铁液与型砂颗粒表面的润湿角，使两者更容易结合粘结在一起，形成金属渗透和粘砂。氧化铁在高温下会释放出氧气，优先与氧化亚铁反应而生成Fe₂O₃，氧化亚铁被消耗掉，不再生成铁橄榄石，从而减少粘砂缺陷的形成。

树脂中的碳在高温下产生的CO与铁液作用会生成五羧基铁Fe(OH)₅的气体，钻入铸型内，冷却后在砂粒间析出，形成粘砂。Fe₂O₃可以使CO转为CO₂，防止了五羧基铁Fe(OH)₅的生成，减少了粘砂倾向。

5，防止渗硫

人们分析生产球墨铸铁的生产工艺发现，铸件表面球化不良缺陷的发生与硫元素密切相关。呋喃树脂固化剂中的对甲苯磺酸在浇注过程中受热分解析出含硫气体，在金属液体完全凝固之前，扩散进入液体表层，气体扩散过程中，部分会解离出现S原子，而S原子易与铁水中的球化元素Mg、RE和珠光体稳定剂Mn发生反应，使得球化元素Mg、RE和珠光体稳定剂Mn被消耗，有效量不足，致使石墨球化不良，球化率下降，石墨形态由球状变为蠕虫状，最后变为片状因而在铸件表面生成异常组织。用其它含硫的酸作催化剂或用SO₂ 吹气硬化树脂砂型时，也会出现这种表层组织变异缺陷。

Fe₂O₃：Fe₂O₃在涂料层中起着自熔矿化剂的作用，并且高温情况下能够与SiO₂发生反应，使砂粒间粘结力增强，可与铸型中树脂砂固化剂中磺酸根硫离子化合，减少含硫气体或S原子的析出和扩散，防止球墨铸铁表面因硫的作用产生球化不良。

防渗硫涂料的作用机理请参考 “防渗硫涂料的机理和应用”

6， 减少冲砂、掉砂和结疤缺陷

在某些工业部门，氧化铁被称为自熔矿化剂。这种自熔性能提供了附着性或胶粘性，并能在较低的温度下把砂粒粘结在一起，从而防止浇注时砂粒剥落、雨淋或碎落。当温度上升时，氧化铁逐渐增加铸型或型芯混合料的热塑性变形，由于氧化铁有熔剂作用，降低了砂混合料的膨胀系数，抵消了由于混合料中其他材料引起的大量膨胀。同时也减少结疤、起皱或鼠尾缺陷。

7， 起到激冷作用

氧化铁具有较强的导热能力，树脂砂中加入氧化铁粉可以起到加快冷却的作用，同时， FeO + SiO₂ → FeSiO₃系强吸热反应，也起到冷却作用。有一个生产实际例子：某厂生产球墨铸铁曲轴时，在4拐上常有疏松现象，后使用加氧化铁粉的砂芯，其缺陷减少。

此外，有的涂料厂商在涂料中添加氧化铁粉，还出于以下两个原因：

颜色识别：用于区分不同的涂层，或使颜色外观更好看（比如从灰色变为棕色）。

伪装的目的：掩盖耐火骨料的本色，使竞争对手难以发现究竟是用了什么材料。

回到顶部

氧化铁粉的选用

考虑到上述优点，大多数用于发动机铸件的涂料都添加了氧化铁红，其含量从0.5%到6%不等。粒度越细、纯度越高的氧化铁红(赤铁矿)效果越好。综合考虑氧化铁粉的指标和价格，一般可以采用Fe₂O₃含量大于90%，细度为300目的氧化铁红。此外，有时也加入合成的氧化铁红、氧化铁黄和氧化铁黑，它们或多或少地产生类似的效果。

在铸造涂料中添加氧化铁粉，应该注意以下几个问题：

1，如果涂料用于汽车铸件砂芯，由于落砂后芯砂会混入造型砂中，次数多了型砂中的氧化铁会越来越多，促进铁水与涂料或铸型表面的润湿性，增加发生粘砂缺陷的可能性，所以氧化铁粉经常要与石墨配合使用，以中和氧化铁的润湿作用。

2，氧化铁粉会与SiO₂形成铁橄榄石，降低耐火度。对于汽车发动机铸件，通常是薄壁件，因此由于形成低熔化相而导致的耐火度下降并不重要。但对于大型铸铁件如机床件，填料的耐火度很重要，则应该考虑氧化铁降低耐火度所带来的影响。  

3，铸钢涂料一般不加入氧化铁粉，这主要是铸钢金属浇注温度高，凝固时间长，金属氧化严重。在铸钢涂料中添加氧化铁会降低填料的耐火度，增大填料与金属液体的润湿性，造成金属液体更容易向砂粒中渗透而形成粘砂。有的防渗碳涂料中含有一定比例的氧化铁，以帮助减少渗透，此时为了防止氧化铁引起粘砂，需要同其它不含氧化铁的涂料配合使用。

4，给大家提个问题：“涂料中添加的氧化铁粉，与涂料骨料中包含的氧化铁是不是相同？”比如，防脉纹铸铁涂料中一般含有5%的氧化铁粉，如果某种骨料如铝矾土中本身含有约1%的氧化铁成分，是不是就可以少加氧化铁粉？进一步说，耐火骨料中的氧化铁含量控制很重要，一般要求氧化铁成分尽量低。但是，既然涂料中需要添加氧化铁粉，那么是不是对骨料中的氧化铁含量就可以放宽质量要求从而降低采购成本？笔者对个问题在 “涂料中氧化铁含量的控制原则”。一文进行了论述。