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    球化劑及球化元素在球墨鑄鐵生產中的作用

    發布者:球化劑 點擊:0

    盡管國內外球化劑的種類很多,但在我們國內目前應用多的還是稀土鎂類合金。

    1、球化元素的作用
        
       所謂球化元素是指那些能夠促進石墨球狀化、使石墨球生成或增加的元素。球化元素一般有以下共同性質:
      (1)元素外電子層上有一個或兩個價電子,次內層有8個電子。這種電子結構使元素與硫、氧和碳有較強的親和力,反映產物穩定,能顯著減少貼水中的硫和氧。
      (2)元素在鐵水中溶解度低,凝固過程中有顯著偏析傾向。
      (3)雖然和碳有一定親和力,但在石墨晶格內溶解度低。根據以上特點,Mg,Ce,Y,Ca屬于有效球化元素。

       一是在鐵水中蒸氣壓力高,使鐵水佛騰。鎂的原子量和密度比鐵水小,熔點650度,沸點1108度,在鐵水的處理溫度下,鎂產生的蒸氣壓力很高(超過1Mpa).鎂的熔解熱為21J/g,蒸發潛熱為406J/g。因此,鎂加入鐵水時,要產生汽化,使鐵水翻騰;
       二是與硫、氧有很強的親和力。所生成的MgO和MgS熔點高,密度也遠小于鐵,容易與鐵水分離,因此鎂處理后的鐵水,硫和羊的含量都很低;
       三是在鐵水凝固過程中有偏析于石墨的傾向,當其在鐵水中的殘留量超過0.035%時,使末就可以球化,但當鎂殘留量超過0.07%時,一部分鎂偏析于晶界,并于晶界中的碳、磷等發生放熱反應,生成MgC2、Mg2C3、Mg3P2等。殘留鎂量更多時,晶間碳化物增多。

       稀土族元素對石墨球化有顯著作用的是輕稀土元素中的鈰和重稀土中的釔。
       一是稀土元素的沸點均比鎂高,加入鐵水中時,不會引起鐵水的翻騰和噴濺;
       二是鈰和釔基稀土元素有比鎂更強的脫硫脫氧能力,生成的硫化稀土、氧化稀土等化合物熔點高、穩定性好;
       三是,稀土元素與鐵水中的球化干擾元素也能形成穩定的化合物,因此含稀土的球化劑比鎂球化劑的抗干擾能力強。

      稀土元素殘留量對石墨球化有明顯的影響。輕稀土處理過共晶鐵水,當殘留鈰含量0.04%時,石墨就可以球化,而且很穩定;處理亞共晶鐵水時,輕稀土加入量要增加。輕稀土處理得球鐵,石墨圓整度比鎂處理得球鐵要差,并出現碎塊狀石墨;另外輕稀土處理得球鐵白口傾向大,因此需要控制其加入量。重稀土釔本身熔點高,其脫氧除硫產生的氧化物、硫化物在高溫下比較穩定,因此其抗球化衰退能力很強。1400度的鐵水保溫1小時,球化率降低不超過10%,含硫0.06%的鐵水,用釔基重稀土合金處理后,能得到完整的球狀石墨。鐵水中殘留釔0.10—0.15%,石墨球化良好;低于此限度,隨釔量減少一次出現不規則石墨和蠕蟲狀石墨;殘留釔超過0.15而低于0.30%時,白口傾向逐漸增大,石墨圓整度變差,并在更高殘留量時出現YTe4。

      Ca:鈣在鐵水中的溶解度很低,它對金相組織的影響是通過與氧和硫的結合而間接實現的。與鎂相比,鈣與硫、氧的親和力更強,能夠有效的脫硫除氧。鈣殘留量很低時,石墨分枝傾向增加,殘留量較多時,可是使石墨尺寸減小,分枝傾向降低。鈣殘留量達到0.2%時,白口傾向明顯加大。


    2、反球化元素(球化干擾元素)的作用

      該類元素主要是指破壞和阻礙使石墨球化的元素,按其作用機理大概可以分三類:
      一是消耗型反球化元素,如硫、氧、硒、碲等,它們與鎂、稀土元素生成化合物,通過消耗球化元素來阻止球狀石墨的形成。
      二是境界偏析的球化干擾元素,包括錫、銻、砷、銅、硼、鈦、鋁等,這些元素富集到晶界,促使碳在共晶后期結晶時,形成畸形的枝晶狀石墨,如果這些元素含量較高,也可在共晶中期促成石墨畸變,形成團狀或厚片狀石墨。
      三是一些中間球化干擾元素,如鋁、鉍,它們在含量較低時主演通過偏析作用促成石墨畸變,含量較高時也能消耗球化元素。另外,反球化元素對球鐵基體也有不同的影響。Te\B強烈促進白口的形成,As\Sn\Sb\Pb\Bi穩定珠光體,Al\Zr促進鐵素體形成,Se無影響。

    3、球化元素的配置和球化劑的種類

      鎂、稀土和鈣,是目前公認的有促進石墨球化的能力,但如何結合工業生產實際來制備和使用,既球化劑的球化能力,又要在生產中容易制取,原料經濟,使用方便,便成為配制和使用球化劑的的原則。

      a.球化元素的配置
      成分配制原則和特點:要有強烈的球化能力,著顯然要以鎂為主,鎂的沸點低,加入鐵水中可以使鐵水劇烈翻騰,反應上下均勻;配成合金后增加比重,使其在鐵水中不易上浮,可以減少鎂的氧化和燒損。
      消化中和反球化元素能力,稀土元素有有很強的脫硫除氣、凈化鐵水和消除反球化元素的能力,而且我國稀土資源豐富,獲取原料成本較低。
      球化劑反應平穩,易于操作。鈣雖然不能作為秋化劑單獨使用,但用它和和鎂、稀土配成復合球化劑,就既可以減少球化劑中MgO的含量,使球化處理平穩,還可以減少因稀土造成的較大白口傾向。因此,配制球化劑成分的原則和特點,就是要發揮各種球化元素的長處,來提高球化效果,并通過調整球化元素的含量來滿足不同生產條件、不同結構鑄件的需求。

      b.球化劑的種類
      按照球化和反球化元素配置的原則,國內外曾先后開發了多種球化劑,大體上有以下幾種:
      純鎂:這是國外常用的球化劑,國內應用比較少。壓力加鎂制取球鐵,優點和缺點同樣明顯。
      銅鎂、鎳鎂:我國早期使用的該合金,但成本高,回爐料中銅和鎳積累難以控制,造成韌性下降。
      硅鎂鐵合金:一般鎂含量低3.5—4.5%,高10—15%,常用的合金是鎂5—10%、硅42—47%,其余為貼。含鎂量越低,球化反應越平穩,鎂回收率越高(含鎂4%的能比9%個合金鎂回收率提高10%),但是低鎂球化劑是鐵水的增硅量加大。該球化劑是用于處理硫和反球化元素含量較低的鐵水,澆注中等斷面厚度的鑄件。目前在國內要大批量用于制造球墨鑄鐵將會與我國鑄造企業的生產條件和原材料采購產生一定的矛盾。
      稀土鎂類合金:包括稀土硅鎂、稀土鈣鎂、稀土銅鎂等合金,是我國工程技術人員立足我國實際,在六十年代初研制開發的稀土鎂類系列合金球化劑,它們綜合了各種球化元素的優缺點,尤其是稀土鎂鈣合金,是目前國內應用量大面廣的主要球化劑,從而走出了一條適合我國國情的球墨鑄鐵制造技術道路。


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