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球化剂在铸铁生产过程中的重要作用

更新时间:2021-10-18

球墨铸铁问世至今已有52年,其发展迅速之快令人惊讶,即使在经济不景气的情况下,球铁仍然有所发展,有人称球墨铸铁为不适当退却中的胜利者,指出:球墨铸铁由于其高强度、高韧性和低价格,所以在材料市场上仍占有重要的地位,尽管几年来钢铁铸造总产量有所下降,但球铁产量并未下降。


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球化剂的类型

按生产方式分有下述几种


(1)球化剂的类型

包括镁硅系合金、稀土镁硅系合金、钙系合金(日本用的较多),镍镁系合金、纯镁合金、稀土合金。

上述合金中目前世界上用的较为广泛的是稀土镁硅铁合金,但中国合金中RE/Mg的比值范围大(0.5~2.2),国外的合金RE/Mg的比值范围小(0.1~0.3)。中国合金中稀土大于等于镁含量的占多数,小于镁含量的占少数,而国外(除前苏联一些合金外)球化剂合金中的稀土含量几乎都小于镁含量,因此稀土三剂系列化课题组建议除保留FeSlMg8E18外(此合金是效果优良的蠕化剂),其它全部球化剂中RE/Mg≤1,随后修订的国家标准中采纳了这个建议。 钙镁球化剂主要是日本生产和应用,如日本信越(SHIN—ETSU)生产的钙系合金NC5、NCl0、NCl5、NC20、NC25中镁含量从4~28%变动,但钙含量变化较小,其变化范围为20~31%;此类合金白口倾向小,但要求处理温度高,处理后渣量大。

镍镁合金在美洲、欧洲均有应用,美国国际镍公司生产的镍镁合金高达82~85%,其中Mg、Ca分别为13~16,及20,镍较低的57~61%(其中Mg4.0~4.5%,Ca<2.5,Fe32~36)。德国金属化学公司生产的镍镁合金中Ni47~51%,Mgl5~17%,C1.0%Si28~32%,RE1.0%余Fe。这些合金的优点是比重大,反映平稳,镍可起合金化作用,其特点是价格贵,这种合金在中国基本没有应用。

镍硅系合金目前在中国基本上已不用。纯镁合金处理时要用专用的压力加镁包,镁的吸收率高,但处理安全措施要极为严格,生产中应用比例较小。

稀土是发明球铁时使用的球化剂,它的发现推进了球铁工业应用的进程。但价格高,白口倾向大,过量会使石墨变态,现在己不作为球化剂单独使用,仅作为辅助球化元素。


(2)压块状球化剂 

用镁粉和铁粉及所设计的硅含量直接加压成型,这种球化剂中含硅很低,通常称为低硅压块状球化剂,因而为后续的孕育提供了大的余地,有利于生产铸态球铁,但这种合金易漂浮,处理效果波动大,处理时跟块状球化剂混合使用。


(3)包芯线型球化剂 

将镁粉、铁粉包覆在薄钢板或钢板中,将其快速送入铁水中达到球化目的,这种球化剂较贵,且设备投资大,但处理时合金吸收率高,因此处理球铁的总成本几乎没有提高。


(4)粉状球化剂 

这种球化剂是俄罗斯的一个专l利,使用时将镁粉与抑制剂混合放入包内,并使铁水从合金表面流过,逐层与合金反映达到球化效果,这种专门工艺称之为MC。



球铁的生产和研究现状


1 常规球铁 

目前常规球铁——即以铁素体和珠光体为基体的球铁仍占球铁产量中的绝大部分比例,因此注意提高常规球铁的性能和质量,在保持球铁的竞争地位中起了重要的作用。


1.1 对影响球铁质量的因素加强控制

球铁的组织与性能取决于铸铁的成份和结晶条件以及所用球化剂的质量,研究认为为了确保球铁的机械性能,必须针对铸件具体壁厚、浇注温度、所用球化剂、球化处理工艺、冷却参数的优化以及有效的排渣措施进行严格控制,而适当的降低碳当量,合金化和热处理是改善球铁的有效措施。


1.2 有效控制铁素体球铁和球光体球铁的生产

控制球铁基体的主要因素有铸铁的成份、所用球化剂、孕育剂的类型,加入方法以及冷却条件等。 铸态铁素体球铁的成份控制 微过共晶成份,其中碳稍高,但不出现石墨漂浮,含硅稍低,孕育剂硅量应少于3%,锰越低越好,应使Mn<0.04%,硫、磷应低,使S≤0.02%、 P≤0.02%,这是因为硅可改善球铁组织和相应的塑性,Si=3.0~3.5%可得到全部铁素体组织。有研究指出,Si=2.6~2.8%时,铸铁具有很高的延伸率和冲击韧性,但硅在铁中的显微偏析随着含磷量的增加,这种偏析越严重,并对机械性能有不良影响,特别是当温度低于零度时影响更大,而含硫低可以选用低镁低稀土球化剂球化,并减少“黑斑”缺陷的产生,而“黑斑”主要是镁、铈硫化物和氧化物的聚集物,此外也要用低硅球化剂以保证可以进行多次孕育。

对珠光体球铁而言,在生产时铸铁成份中锰可提高至0.8~1.0%,有些铸件如果是用作耐磨性曲轴时,锰可提高至1.2~1.35%,生产铸态珠光体元素铜。加入量大于1.8%时,它阻碍石墨球化,但促进基体完全珠光体化,一般球铁中铜含量应小于1.5%,锡是强烈的珠光体化元素,其对硬度的影响大于铜和锰,但Sn≥1.0%时使石墨畸变,因此其含量应限制在0.08%以下。


1.3 稀土在球铁中的作用

稀土能促进镁合金的球化效果(球化率和球的圆整度),它对壁厚球铁件中防止球状石墨畸变的效果受到了重视,这也是国内外球化剂中都包含稀土的主要原因之一。 在铸件中有些元素能破坏和阻碍石墨球化,这些元素即所谓的球化干扰元素,干扰元素分为两类,一是消耗球化元素型干扰元素,它们与镁、稀土生成MgS、MgO、MgSe、RE2O3、RE2S3、RE2Te3等,使球化元素降低从而破坏了球状石墨形成;另一类是晶间偏析型干扰元素,包括锡、锑、砷、铜、钛、铝等在共晶结晶时,这些元素富集在晶界,促进使碳在共晶后期形成畸形的枝晶状石墨 ,球化干扰元素原子量越大,其干扰作用越强,现在许多研究都已找到了干扰元素在铸铁中的临界含量,当这些元素含量小于临界含量时,并不能形成畸变石墨。

在有干扰元素的铸铁中,加入稀土可消除其干扰作用,有研究报告指出在铸铁 中 干 扰 元 素 之 和 应 小 于 0.10 % 即 z=Ti+Cr+Sb+V+As+Pb+Zn+…<0.10%

有研究指出,中和铁水中的Al、Sb、TI、Pb、Bi、等只要分别加入0.005~0.04%Ce即可,例如,中和Ti、Pb、Sb、Al等只要分别加入0.005~0.007%、0.014%、0.15%和0.008%的Ce即可。 干扰元素在铸件壁厚,冷却速度慢的情况下破坏作用更大。

干扰元素对球铁基体也有影响,Te、B强烈促进白口形成,Cr、As、Sn、Sb、Pb、Bi稳定珠光体,Al、Zr促进铁素体。值得注意的是,目前正在发展一些球化元素与干扰元素复合球化剂,以改善大断面球铁的处理效果及石墨球的圆整度。


1.4 球铁检测加强

球铁检测是保证其质量的重要措施,目前正在研究发展线分析,即产品在生产过程中进行分析,以确定其质量,已有不少单位在大批量生产条件下利用超声波对铸件质量进行分析。

在利用超声波测定铸铁组织时,片状石墨的声速为4500m/s、蠕墨铸铁为5400m/s、球墨铸铁5600m/s,此外在铸铁中高频衰减率的变化也可判断铸铁类型,球铁中心频率为5MHz而片状铸铁仅为1.5MHz。目前还有单位正在用超声波作球化级别的测定,已可测定合格的球化级别和不合格的产品(3级和4级之间),但还不能进行更细分级测定,此方法正在完善中。


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