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含硫、氧的球墨鑄鐵孕育劑

2017-06-08

常規的球墨鑄鐵生產中,鐵中能否有硫化物和氧化物作為石墨結晶的核心,取決于原鐵水的純度和添加劑、保持時間和溫度以及冶金處理工藝和添加劑。 

生產中通用的孕育劑是硅鐵,其中還含有鈣、鋇、鍶、錳和鋯等金屬元素。加入上述有反應能力的元素,目的是使其與鐵中的硫和氧結合,為石墨提供有效的非均質結晶核心。但是,鐵水中能起作用的硫和氧是有限的,孕育劑中的添加元素的作用,因而也是有限的。處理后可能形成的有效晶核的數量將制約孕育的效果。 

為了增強孕育效果,推出了一種新型孕育劑,其中含有鈰(Ce)、鈣(Ca)、硫(S)和氧(O),見表I。已經證實,采用這種孕育劑,能使球墨鑄鐵的顯微組織,更為均勻,縮孔傾向較小,從而有較好的加工性能。 

表1 新型孕育劑的化學成分(%) 


SiCaCeAlSO
規格要求70-760.75-1.251.5-2.00.75-1.25≤1.0≤1.0
典型實例7311.751微量微量


1.Ca- Ce -S –O的配合作用 

孕育劑中的Ca和Ce,其含量已經調定到能使鑄鐵的白口傾向最小,并能中和阻礙形成球狀石墨的微量元素的作用。孕育劑中含有少量的S和O,加入鐵水后,可以和Ca和Ce反應。 

新型孕育劑的主要作用是:在加入金屬元素的同時,引進一定濃度的非金屬元素(S和O)。孕育劑中反應能力強的Ca和Ce與硫、氧作用后,就會產生較多的石墨晶核。硫有利于形成石墨晶核,氧則對孕育過程有重要的作用。 

通過瞬時孕育處理,石墨生核過程中,將同時受益于鈣、鈰、硫、氧的協同作用。孕育處理時,鈣是首要反應元素,對共晶石墨生核有決定性的作用。均衡含量的鈰,可以中和有害元素的作用,產生穩定的金屬間化合物,且對硫和氧有強親和力,從而生成高度穩定的氧化物、硫化物和硫氧化物。在整個凝固區間內,此類含鈰的化合物都有助于改善生核條件,有益于孕育處理過程。 

在球化劑、孕育劑和原鐵水之間反應并產生晶核的同時,上述晶核也一并起作用。 

孕育劑成分的擬定,是要使球墨鑄鐵在減輕白口傾向和縮孔傾向的同時,還能強化石墨的生核條件。這種孕育的理念是新的,體現在加入硅鐵的同時還加入非金屬粉末,以使其有特殊的性能。 

制造對韌性和沖擊性能要求較高的鐵素體球墨鑄鐵時,適于采用此種新型孕育劑。對于含硫量低的球墨鑄鐵,在轉包中用鎂處理的球墨鑄鐵或用喂線法處理的球墨鑄鐵,這種孕育劑特別有效。 

2.石墨球數增多 

用含鈣、鈰、硫、氧的新型孕育劑,能使球墨鑄鐵中的石墨球數增多,并可改善各種性能,如: 

    ◆ 因避免了形成硬質碳化物,加工性能改善; 

    ◆ 促進石墨和鐵素體形成; 

    ◆ 減輕合金元素和微量元素的偏析; 

    ◆ 減少凝固過程中的收縮; 

    ◆ 提高韌性; 

    ◆ 形成復雜的鑄件,不同部位的組織和性能比較均一。 

大家都知道,瞬時孕育前保持了較長時間的原鐵水或加鎂處理過的鐵水,其生核能力會大為減弱。此種情況下,采用新型孕育劑能有效地提供新的晶核。 

生產鑄態鐵素體球墨鑄鐵件時,強生核作用和石墨球數增多是使鐵素體含量最多的前提條件。采用新型孕育劑,可使石墨球的尺寸有大、小二種,呈雙峰分布,這有助于減少收縮,并可在富含珠光體促進元素的偏析區沉積碳,以產生較多的鐵素體。這種情況,間接地使鑄件的加工性能改善。 

3.鑄造廠的實際用例 這里,簡略地舉四個現場用例,供參考。 

(1)鑄造廠A 

A廠用感應電爐熔化,用蓋包法進行球化處理。原先用含鋯、錳、鈣的孕育劑隨流瞬時孕育。常遇到的問題是:在薄壁的復雜鑄件上出現碳化物和收縮過多。 

改用親型孕育劑隨流孕育后,薄壁處的碳化物消除了,肥厚部位鉆孔后,微觀縮松也大為改善。 

用原先的孕育劑時,球墨鑄鐵件2-3毫米截面上石墨球數為315個/mm2,改用新型孕育劑后則為602個/mm2。 

改用新型孕育劑后,鑄件質量改善,廢品率顯著降低,孕育劑用量也比原先減少了25%。 

(2)鑄造廠B 

B廠用感應電爐熔化,用夾心法進行了球化處理,將孕育劑用于該廠的自動澆注系統,隨流孕育。 

分別鑄造了5、10、20和40毫米厚的板狀鑄件,比較其石墨球數。采用新型孕育劑時,石墨球數比用含鍶(Sr)的孕育劑時多。 

用新型孕育時,40毫米厚的鑄件上石墨球數為340個mm2,比5毫米厚的鑄件上的石墨球數(312個/mm2)還多。這說明在稍后的冷卻過程中,有二次生核作用,這對鑄件的厚壁部位特別有益。 

采用新型孕育劑后,產生縮孔缺陷的情況減少,孕育劑的加入量也減到了最低值。 

(3)鑄造廠C 

C廠生產厚截面球墨鑄鐵件,用感應電爐熔化,用蓋包法進行球化處理。制造厚大鑄件,有石墨漂浮、偏析、縮孔和球化不良等問題。用新型孕育劑和含鋇的孕育劑進行了試驗,在澆包中加入。 

試驗結果表明:用新型孕育劑時,石墨球數為357 個/mm2,用含鋇孕育劑時則為187 個/mm2。用新型孕育劑時,鑄件金相組織中石墨球徑的變化范圍較寬,呈雙峰分布,使縮孔減少。 

用新型孕育劑,石墨球徑較小,球化率提高了10%。還使晶胞間珠光體由25%減少到13%,相連的珠光體網(占25%以上)破碎成小片分散在鐵素體基體中。 

總體上說,生產的鑄件拉伸性能和沖擊性能都較好,石墨球分布均勻。還使鑄件的加工性能改善,刀具壽命提高了50%。 (4)鑄造廠D 

D廠用感應電爐熔化,用夾心法加鎂進行球化處理。生產的鑄件有縮孔問題,在關鍵截面處有大縮孔。 

用新型孕育劑試驗時,試樣為立方體,連在一大冒口上。澆注后將立方體和冒口切開,評定其疏松程度和縮孔的分布。 

結果是:鑄體內疏松很小。于是D廠改用新型孕育劑以解決收縮缺陷問題。

 來源:挪威 T. Skaland

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