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稀土球化劑的質(zhì)量和選用(1)
球墨鑄鐵現(xiàn)在幾乎在所有的鑄鐵廠都有生產(chǎn)，而作為生產(chǎn)球墨鑄鐵必不可少的球化劑亦越來(lái)越受到普遍關(guān)注。不同的生產(chǎn)條件選擇什么樣的球化劑，或者說(shuō)什么樣的球化劑好，已成為球化劑生產(chǎn)廠和使用廠常年探討或爭(zhēng)論不休的問(wèn)題。本文從球化劑的生產(chǎn)和使用兩個(gè)角度來(lái)探討說(shuō)明什么樣的球化劑是好的，應(yīng)該在鑄造過(guò)程中如何選用球化劑，也就是球化值得的判定和選用問(wèn)題。
1、球化劑及球化元素的作用
盡管?chē)?guó)內(nèi)外球化劑的種類(lèi)很多，但在我們國(guó)內(nèi)目前應(yīng)用多的還是稀土鎂類(lèi)合金，現(xiàn)主要論述該類(lèi)合金及其球化元素的作用。
1、1球化元素及反球化元素
1、1、1球化元素的作用
所謂球化元素是指那些能夠促進(jìn)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(zhì)：(1)元素外電子層上有一個(gè)或兩個(gè)價(jià)電子，次內(nèi)層有8個(gè)電子。這種電子結(jié)構(gòu)使元素與硫、氧和碳有較強(qiáng)的親和力，反映產(chǎn)物穩(wěn)定，能顯著減少鐵水中的硫和氧。(2)元素在鐵水中溶解度低，凝固過(guò)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(nèi)溶解度低。根據(jù)以上特點(diǎn)，Mg,Ce,Y,Ca屬于有效球化元素。
Mg：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(diǎn)650度，沸點(diǎn)1108度，在鐵水的處理溫度下，鎂產(chǎn)生的蒸氣壓力很高(超過(guò)1Mpa).鎂的熔解熱為21J/g,蒸發(fā)潛熱為406J/g。因此，鎂加入鐵水時(shí)，要產(chǎn)生汽化，使鐵水翻騰。二是與硫、氧有很強(qiáng)的親和力。所生成的MgO和MgS熔點(diǎn)高，密度也遠(yuǎn)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(guò)程中有偏析于石墨的傾向，當(dāng)其在鐵水中的殘留量超過(guò)0.035%時(shí)，石墨就可以球化，但當(dāng)鎂殘留量超過(guò)0.07%時(shí)，一部分鎂偏析于晶界，并于晶界中的碳、磷等發(fā)生放熱反應(yīng)，生成MgC2、Mg2C3、Mg3P2等。殘留鎂量更多時(shí)，晶間碳化物增多。
Re：稀土族元素對(duì)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(diǎn)均比鎂高，加入鐵水中時(shí)，不會(huì)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(qiáng)的脫硫脫氧能力，生成的硫化稀土、氧化稀土等化合物熔點(diǎn)高、穩(wěn)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(wěn)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(qiáng)。
稀土元素殘留量對(duì)石墨球化有明顯的影響。輕稀土處理過(guò)共晶鐵水，當(dāng)殘留鈰含量0.04%時(shí)，石墨就可以球化，而且很穩(wěn)定；處理亞共晶鐵水時(shí)，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(xiàn)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(diǎn)高，其脫氧除硫產(chǎn)生的氧化物、硫化物在高溫下比較穩(wěn)定，因此其抗球化衰退能力很強(qiáng)。1400度的鐵水保溫1小時(shí)，球化率降低不超過(guò)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(xiàn)不規(guī)則石墨和蠕蟲(chóng)狀石墨；殘留釔超過(guò)0.15而低于0.30%時(shí)，白口傾向逐漸增大，石墨圓整度變差，并在更高殘留量時(shí)出現(xiàn)YTe4。
Ca：鈣在鐵水中的溶解度很低，它對(duì)金相組織的影響是通過(guò)與氧和硫的結(jié)合而間接實(shí)現(xiàn)的。與鎂相比，鈣與硫、氧的親和力更強(qiáng)，能夠有效的脫硫除氧。鈣殘留量很低時(shí)，石墨分枝傾向增加，殘留量較多時(shí)，可是使石墨尺寸減小，分枝傾向降低。鈣殘留量達(dá)到0.2%時(shí)，白口傾向明顯加大
1、1、2反球化元素(球化干擾元素)的作用
該類(lèi)元素主要是指破壞和阻礙使石墨球化的元素，按其作用機(jī)理大概可以分三類(lèi)：
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(guò)消耗球化元素來(lái)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(jié)晶時(shí)，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(tuán)狀或厚片狀石墨。
三是一些中間球化干擾元素，如鋁、鉍，它們?cè)诤枯^低時(shí)主演通過(guò)偏析作用促成石墨畸變，含量較高時(shí)也能消耗球化元素。另外，反球化元素對(duì)球鐵基體也有不同的影響。Te\B強(qiáng)烈促進(jìn)白口的形成，As\Sn\Sb\Pb\Bi穩(wěn)定珠光體，Al\Zr促進(jìn)鐵素體形成，Se無(wú)影響。
1、2球化元素的配置和球化劑的種類(lèi)鎂、稀土和鈣，是目前公認(rèn)的有促進(jìn)石墨球化的能力，但如何結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際來(lái)制備和使用，既球化劑的球化能力，又要在生產(chǎn)中容易制取，原料經(jīng)濟(jì)，使用方便，便成為配制和使用球化劑的的原則。稀土球化劑的質(zhì)量和選用(2)
1、2、1球化元素的配置
——成分配制原則和特點(diǎn):要有強(qiáng)烈的球化能力，著顯然要以鎂為主，鎂的沸點(diǎn)低，加入鐵水中可以使鐵水劇烈翻騰，反應(yīng)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(qiáng)的脫硫除氣、凈化鐵水和消除反球化元素的能力，而且我國(guó)稀土資源豐富，獲取原料成本較低。
——球化劑反應(yīng)平穩(wěn)，易于操作。鈣雖然不能作為秋化劑單獨(dú)使用，但用它和和鎂、稀土配成復(fù)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(wěn)，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(diǎn)，就是要發(fā)揮各種球化元素的長(zhǎng)處，來(lái)提高球化效果，并通過(guò)調(diào)整球化元素的含量來(lái)滿(mǎn)足不同生產(chǎn)條件、不同結(jié)構(gòu)鑄件的需求。
1、2、2球化劑的種類(lèi)
按照球化和反球化元素配置的原則，國(guó)內(nèi)外曾先后開(kāi)發(fā)了多種球化劑，大體上有以下幾種：
——純鎂：這是國(guó)外常用的球化劑，國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較少。壓力加鎂制取球鐵，優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)同樣明顯。
——銅鎂、鎳鎂：我國(guó)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(yīng)越平穩(wěn)，鎂回收率越高(含鎂4%的能比9%個(gè)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(guó)內(nèi)要大批量用于制造球墨鑄鐵將會(huì)與我國(guó)鑄造企業(yè)的生產(chǎn)條件和原材料采購(gòu)產(chǎn)生一定的矛盾。
——稀土鎂類(lèi)合金：包括稀土硅鎂、稀土鈣鎂、稀土銅鎂等合金，是我國(guó)工程技術(shù)人員立足我國(guó)實(shí)際，在六十年代初研制開(kāi)發(fā)的稀土鎂類(lèi)系列合金球化劑，它們綜合了各種球化元素的優(yōu)缺點(diǎn)，尤其是稀土鎂鈣合金，是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用量大面廣的主要球化劑，從而走出了一條適合我國(guó)國(guó)情的球墨鑄鐵制造技術(shù)道路。
2、球化劑質(zhì)量的生產(chǎn)控制要點(diǎn)
目前，國(guó)內(nèi)使用的稀土球化劑按照加工制造方法主要有火法冶煉、包芯線法、壓塊法、機(jī)械混合法等，而火法冶煉是后面幾種方法的基礎(chǔ)，也是生產(chǎn)稀土球化劑的主要方法。利用該方法生產(chǎn)球化劑，質(zhì)量控制要點(diǎn)主要有以下幾方面：
2、1原材料準(zhǔn)備
——稀土硅鐵合金：這是球化劑中稀土元素的來(lái)源，要求不潮濕、不粉化、成份均勻、無(wú)夾雜物。以含稀土23-30%的稀土硅鐵為常用。有資料介紹高硅稀土硅鐵(俗稱(chēng)一步法生產(chǎn)的稀土硅鐵，含硅55%)和常用的低硅稀土硅鐵(俗稱(chēng)兩步法生產(chǎn)的稀土硅鐵，含硅36-44%)用來(lái)生產(chǎn)球化劑，實(shí)驗(yàn)室條件下，所制取的球鐵組織、性能基本相當(dāng)，都能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。只是前者抗拉強(qiáng)度稍高，后者鐵素體量較多，在使用時(shí)要加以注意。當(dāng)然，這還需要工業(yè)化批量生產(chǎn)的進(jìn)一步驗(yàn)證。
——金屬鎂：鎂在合金中主要以Mg-Si合金相狀態(tài)存在，這有利于減少鎂的氧化燒損。合金中的鎂還可以分為有效鎂和無(wú)效鎂，無(wú)效鎂主要就是指氧化鎂，因此，要求原材料金屬鎂必須純度高(一級(jí)鎂，含鎂99.7%以上)，雜質(zhì)少，不能氧化。
——硅鐵：要求低鋁，組織致密，無(wú)粉化、無(wú)夾雜物，國(guó)標(biāo)75以下牌號(hào)的硅鐵難熔且雜質(zhì)多，不宜使用。
——硅鈣、硅鋇：主要是要確定控制住合金中Ca、Ba的含量，其加入量少了會(huì)增加無(wú)效氧化鎂的含量，造成球化劑使用時(shí)燃燒劇烈、白口傾向加大、衰退也快。
——廢鋼：一般使用碳素鋼，硅鋼也可以，禁止使用其他合金鋼，因?yàn)槠渲械暮辖鹪乜赡苁欠辞蚧兀a(chǎn)是不好控制。另外，要求廢鋼無(wú)油無(wú)銹無(wú)污責(zé)，尤其是鐵銹容易被鎂還原為氧化鎂。
稀土球化劑的質(zhì)量和選用(3)
2、2熔煉過(guò)程控制
一是加料順序要正確。要注意不讓鎂和廢鋼鐵料直接接觸。要讓熔點(diǎn)低的鎂熔化后首先與硅作用生成Mg-Si相，以減少鎂的燒損。
二是熔制的成分要均勻。除利用中頻爐的自身感應(yīng)攪拌外，還要人工適時(shí)適力的攪拌，以使合金成分在冶煉過(guò)程中均勻化。冶煉過(guò)程中要防止“跑鎂”、“棚料”和“碰爐”現(xiàn)象發(fā)生。
三是合金錠厚要適當(dāng)。合金液體澆注冷卻后的錠厚如果太薄，其表面積大，合金冷卻過(guò)程中容易造成更多的鎂燃燒氧化，如果太厚，則因?yàn)楹辖鹪氐谋戎夭灰粯樱菀自斐赡踢^(guò)程中成分偏析。適宜的厚度一般在10—15MM。
四是篩分粒度要分級(jí)。凝固后的合金錠在破碎篩分前要進(jìn)行表面清理氧化物、以及挑出夾雜物。并根據(jù)用戶(hù)的鐵水包大小，把粒度分級(jí)包裝，但不能有合金粉子存在。
2、3化學(xué)成分檢驗(yàn)
一個(gè)合格的球化劑，除了外觀致密、沒(méi)有夾雜物等之外，更重要的還是其化學(xué)成分的含量及均勻性。
球化劑中，除了常規(guī)的Re,Mg,Si,Ca等元素的分析之外，生產(chǎn)廠和使用廠常常忽略了對(duì)合金中MgO的分析。這也與沒(méi)有統(tǒng)一的MgO分析標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，同一種合金在不同的廠家用不同的分析方法，得出的成分結(jié)論不一樣。這就要求合金生產(chǎn)廠和鑄造廠用戶(hù)要達(dá)成一個(gè)統(tǒng)一的驗(yàn)收分析標(biāo)準(zhǔn)來(lái)共同遵守。
3、球化劑質(zhì)量的評(píng)價(jià)
什么樣的球化劑是好的？這往往會(huì)成為諸多鑄造廠的常年話(huà)題。其實(shí)，可以說(shuō)，球化劑沒(méi)有好的，只有適合的，適合自己的就是好的。那么，到底該如何評(píng)價(jià)球化劑的質(zhì)量哪？
有資料從球化元素在鐵液中的反應(yīng)熱力學(xué)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和球化劑生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量影響因素、鑄造廠使用過(guò)程工藝影響因素，提出了判定球化劑質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)如下：
(1) 球化元素與鐵水中硫、氧等元素的親和力。親和力強(qiáng)，并與之形成化合物，作為鐵液凝固過(guò)程中的外來(lái)核心，如稀土、鎂、鈣等球化元素。
(2) 球化元素改變石墨形態(tài)由片狀變?yōu)榍驙畹哪芰Α?/p>
(3) 球化劑的密度、沸點(diǎn)均低于鐵液。密度小能夠在鐵液中自動(dòng)上浮，沸點(diǎn)低于鐵液處理溫度，鎂能在該處理溫度下轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，有自攪拌作用，從而改善球化效果。
(4) 球化劑中氧化鎂含量等于鎂含量的10%左右。
(5) 球化劑致密、無(wú)偏析、無(wú)縮孔縮松、不粉化。
(6) 球化劑粒度分布均勻，無(wú)粉狀合金，鈍角多變形顆粒為好。
(7) 上述條件基本涵蓋了球化劑生產(chǎn)和使用過(guò)程中的質(zhì)量要求，因此可以作為供需雙方判定質(zhì)量的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。
4、球化劑的選用
以上球化劑的質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，也可以說(shuō)就是我們選用球化劑的依據(jù)，但那是按照普遍原理、普遍現(xiàn)象來(lái)說(shuō)明，具體到球化劑的選用問(wèn)題，現(xiàn)按照我們鑄造廠的習(xí)慣來(lái)進(jìn)行分析。
鑄造廠在球化劑使用中遇到多的普遍問(wèn)題主要有：
(1) 球化劑成分不準(zhǔn)，并且波動(dòng)。
(2) 球化劑粉化合金粒度不合要求。
(3) 球化劑不致密、上浮快，燒損嚴(yán)重。
(4) MgO含量過(guò)高，反應(yīng)過(guò)于激烈，球化處理不良，球化劑加入量過(guò)大。
(5) 球化處理后衰退快。
(6) 球化后白口傾向大。
那么，究竟選用什么樣的球化劑才可以避免以上問(wèn)題哪？
這當(dāng)然要根據(jù)本廠的熔煉條件、鑄件結(jié)構(gòu)、組織和性能要求等條件，具體問(wèn)題具體分析。為了敘述方便，本文按以下類(lèi)型劃分。
4、1熔煉條件
沖天爐熔制球鐵，在我國(guó)約有80%比例的企業(yè)采用，因?yàn)闆_天爐鐵水溫度低、含硫及其他雜質(zhì)高，需要球化劑較強(qiáng)的脫硫和去渣能力，因此宜選用高牌號(hào)的球化劑，如FeSiMg10Re7,FeSiMg8Re7,FeSiMg8Re5；而對(duì)于電爐或者“雙聯(lián)”鐵水熔制球鐵，較常用低稀土低鎂含量的球化劑，如含Mg1-6、Re4-8的球化劑。
4、2鑄件厚薄大小
不同壁厚、不同重量的鑄件因?yàn)槠淠汤鋮s條件不一致，那么對(duì)球化劑的選擇也不能一樣。對(duì)于薄壁小件，凝固快、過(guò)冷度大，適宜球狀石墨生長(zhǎng)，同時(shí)也很容易出現(xiàn)碳化物，增加白口傾向，當(dāng)殘余鎂超過(guò)0.07%時(shí)，更易產(chǎn)生碳化物，因此宜選用低稀土、低鎂球化劑；而對(duì)于厚大斷面球鐵件(壁厚在100mm以上)，由于中心部位凝固速率小，存在球化衰退現(xiàn)象，易選用高牌號(hào)球化劑或者提高球化劑加入量(比一般球鐵的殘余鎂含量高0.01—0.02%)。但是殘留稀土過(guò)高也會(huì)引起爆裂裝石墨和反白口現(xiàn)象，因此又有研究在鐵水中加入少量反球化元素(如0.005%的銻，或者鉍、錫)來(lái)中和過(guò)量的稀土元素。還有就是選擇釔基重稀土球化劑，它比鈰系球化劑抗衰退能力強(qiáng)，白口傾向也小。
4、3珠光體和鐵素體鑄件
影響球鐵組織中珠光體含量的主要因素有凝固組織特點(diǎn)、通過(guò)共析區(qū)冷卻速率、碳硅含量、合金元素種類(lèi)和含量等。凝固組織中石墨球少、尺寸大，不利于碳的充分?jǐn)U散，有利于增加珠光體，減少鐵素體；奧氏體含炭量高、鑄件冷卻速率大都有增加珠光體的傾向。選用含有銅、銻或鎳的球化劑或在鐵水中加入銅、銻、鎳、錫等元素，都可以穩(wěn)定珠光體組織。而對(duì)于鐵素體球鐵一定要控制這些元素的含量，另外，由于稀土元素增加鐵水的過(guò)冷傾向，生產(chǎn)鐵素體鑄件時(shí)，適宜選用稀土含量低的球化劑(Re含量不宜高于5%)。稀土球化劑的質(zhì)量和選用(4)
5、球化劑應(yīng)用不當(dāng)造成的常見(jiàn)缺陷 鑄件缺陷諸如夾雜、孔洞、裂紋(指氣孔、鎖孔、裂紋、冷隔等)常常影響著鑄件的力學(xué)性能、物理和化學(xué)性能、加工性能，決定了鑄件的質(zhì)量高低。球鐵件幾乎可能產(chǎn)生所有的鑄造缺陷，但由于其生產(chǎn)方式、結(jié)晶規(guī)律、鑄造性能和其他鑄造合金不同，導(dǎo)致球鐵常出現(xiàn)一些特有的缺陷。
那么與球化劑有關(guān)的球鐵件缺陷，或者說(shuō)由于球化劑的因素引起球鐵件缺陷有哪些?
本文研究表明，幾乎所有的球鐵件缺陷都與球化劑有關(guān)。這主要有以下幾方面：
(1)石墨球異化：石墨球異化出現(xiàn)不規(guī)則石墨，如團(tuán)塊狀、蝌蚪狀、蠕蟲(chóng)狀、角狀或其他非圓球狀。這是由于球狀石墨沿輻射方向生長(zhǎng)時(shí)，局部晶體生長(zhǎng)模式和生長(zhǎng)速率偏離正常生長(zhǎng)規(guī)律所致。鑄件中殘余球化元素量超出應(yīng)有范圍時(shí)，如殘余鎂太高，超過(guò)了保持石墨球化所需的低量時(shí)，也會(huì)影響石墨結(jié)晶條件，就容易產(chǎn)生蝌蚪壯石墨。而殘余稀土較多時(shí)，高碳當(dāng)量鐵水易產(chǎn)生碎塊石墨，碎塊石墨的集中區(qū)域一般稱(chēng)做“灰斑”。而蠕蟲(chóng)狀石墨的出現(xiàn)則是由于球化元素殘余量不足或者含有超限的鈦和鋁。
(2)石墨漂?。哼^(guò)共晶成分的厚壁球鐵件中，在澆注位置頂部，常常出現(xiàn)一個(gè)石墨密集區(qū)域，即“始末漂浮”現(xiàn)象，這是由于石墨與鐵水密度不同，過(guò)共晶鐵水直接析出的石墨受到浮力作用向上所致。石墨漂浮程度與碳當(dāng)量、球化元素的種類(lèi)及殘留量、鑄件凝固時(shí)間、澆注溫度等因素有關(guān)系。鎂能使球鐵的共晶含碳量提高，碳當(dāng)量相同的鐵水，提高其殘余鎂量就能減少石墨漂浮，殘留稀土量過(guò)高，有助于爆裂狀石墨的升成。
(3)反白口：一般鑄鐵件的白口組織容易出現(xiàn)在冷卻較快的表層、尖角、披縫等處，反白口缺陷則相反，碳化物相出現(xiàn)在鑄件中等斷面心部、熱節(jié)等部位。球化元素殘余量過(guò)多時(shí)，有促進(jìn)反白口缺陷產(chǎn)生的作用，稀土元素強(qiáng)于鎂，它們一般都能增加球鐵組織形成時(shí)的過(guò)冷度。
(4)皮下針孔：皮下針孔內(nèi)主要含有氫，也有少量一氧化碳和氮。殘余鎂量過(guò)高時(shí)，也同時(shí)加強(qiáng)了從濕型中吸收氫的傾向，因而產(chǎn)生皮下針孔的幾率增加。另外，球化鐵水停留時(shí)間長(zhǎng)也能增加針孔的數(shù)量。
(5)縮孔縮松：縮孔常出現(xiàn)在鑄件后凝固部位(熱節(jié)處、冒口頸與鑄件連接處、內(nèi)角或內(nèi)澆口與鑄件連接處)，是隱蔽于鑄件內(nèi)部或與外表連通的孔洞?？s松，宏觀的出現(xiàn)在熱節(jié)處，細(xì)微的收縮孔洞，大多是孔洞內(nèi)部互相連通。與球化元素有關(guān)的是，要控制殘余鎂和稀土不能過(guò)高，這對(duì)減少宏觀和微觀縮松都有明顯效果，縮松傾向幾乎與球化元素成正比。
(6)黑渣：它一般發(fā)生在鑄件的上部(澆注位置)，主要分為塊狀、繩索狀和細(xì)碎黑渣。黑渣的主要成分硅酸鎂，是由鐵水中MgO和SiO2反應(yīng)生成的，并受其相對(duì)含量的影響。因此，作為控制黑渣的措施之一就是減少鎂的殘余量(加鎂0.15%時(shí)，渣總量約占鐵水重量的0.1%)，而殘余稀土因與氧有很強(qiáng)的親和力，在減少黑渣方面有明顯的效果。
(7)球化衰退：這是由于球化鐵水停留時(shí)間較長(zhǎng)，殘留鎂逐漸減少，熔渣沒(méi)有及時(shí)扒除，硫還會(huì)回到鐵水中，使凝固組織中的石墨減少甚至消失，衰變?yōu)椴灰?guī)則狀、蠕蟲(chóng)狀或片狀石墨。這種球化衰退與球化劑中稀土含量較低、或者球化劑加入量偏低有一定的關(guān)系，但緊靠增加其加入量也很不可取，因?yàn)殒V殘余量高了，熔渣量和滲碳體都會(huì)增加，在厚大斷面中還會(huì)使石墨球蛻變?yōu)轵蝌綘钍?。生產(chǎn)實(shí)踐表明：原鐵水含硫量低對(duì)防止球化衰退才是有效的。包括還有的球鐵件缺陷，幾乎都與球化劑的成分和加入量有關(guān)系，但我們不能指望球化劑解決很多問(wèn)題，更不能解決所有問(wèn)題，因?yàn)榍蚧氐淖饔靡约扒蚧瘎┑募尤肓慷际抢坠泊娴模蚧瘎┲皇乔蚰T鐵穩(wěn)定生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的一個(gè)很重要的因素，只有和其他配套措施結(jié)合在一起，才能夠穩(wěn)定的進(jìn)行球化處理。
稀土球化劑的質(zhì)量和選用(5)
6、穩(wěn)定球鐵生產(chǎn)的配套措施
要穩(wěn)定生產(chǎn)球鐵件，選用一種適宜的球化劑是至關(guān)重要的，但不是的因素。一般來(lái)說(shuō)，什么球化劑都可以成功的生產(chǎn)出球鐵。但要穩(wěn)定的生產(chǎn)出球鐵件，其實(shí)就是個(gè)系統(tǒng)工程，本文稱(chēng)作球鐵穩(wěn)定生產(chǎn)控制系統(tǒng)，出正確選用球化劑外，還需要以下配套措施：
(1)正確的球化處理工藝。其中包括選用處理方法、設(shè)計(jì)處理包、球化劑的放置、鐵水沖入處理包的方式等。球化處理方法現(xiàn)在有沖入法、包蓋法、喂絲法、壓力加鎂法、型內(nèi)球化等10多種，但作為稀土鎂類(lèi)球化劑常用沖入法進(jìn)行球化處理，但鐵水不能直接沖向合金。處理包的高度一般為其直徑的1.5—2倍，不能采用粗矮狀包，包的底部應(yīng)設(shè)有堤壩，堤壩一邊空間能夠放置所有緊實(shí)后的球化劑和覆蓋材料，
(2)確立適宜的球化劑加入量和球化元素殘余量。球化劑加多少為宜，反應(yīng)后到底該殘余的球化元素含量多少為好，也常常成為求鐵件生產(chǎn)時(shí)的一個(gè)老大難。現(xiàn)在的企業(yè)對(duì)車(chē)間生產(chǎn)成本都進(jìn)行控制和考核，總是希望球化劑加入量越小越好，否則就埋怨球化劑不好使用。事實(shí)上，球化劑的加入量要依照預(yù)期設(shè)計(jì)的殘余球化元素的含量來(lái)控制，而殘余球化元素則要根據(jù)具體的鑄件結(jié)構(gòu)、球化等級(jí)和性能要求等來(lái)確立，一般球化元素殘余量在Mg0.04—0.06%、Re0.02—0.03%時(shí)，可以獲得無(wú)碳化物、球化良好的鑄件，中等厚度(50—100mm)鑄件比薄壁的殘余Mg可增加0.01%，厚壁鑄件可以提高到0.050—0.08%。厚斷面鑄件鈰基輕稀土超過(guò)0.006%，其心部出現(xiàn)碎塊狀始末，應(yīng)限制其加入量而好代之以釔基稀土球化劑，殘余釔含量應(yīng)小于0.018%。
(3)選擇合理的原鐵水化學(xué)成分。球鐵件化學(xué)成分選擇的出發(fā)點(diǎn)是應(yīng)充分考慮鑄件的基體組織、性能要求、壁厚結(jié)構(gòu)以及是否鑄態(tài)使用等。推薦成分如下：
鐵素體球鐵推薦成分
球鐵件類(lèi)型CSiMn≤P≤S≤其他 鐵素體鑄態(tài) 3.5-3.9 2.5-3.0 0.250.070.02 退火 3.5-3.9 2.0-2.7 0.400.070.02
珠光體球鐵推薦成分球鐵件類(lèi)型
球鐵件類(lèi)型CSiMn≤P≤S≤其他 珠光體鑄態(tài)3.6-3.8 2.1-2.5 0.40-0.55 0.070.02Cu0.5-1.0 Mo0.3-0.7正火3.5-3.7 2.0-2.4 0.40-0.80 0.070.02
上述成分是爐前球化處理后符合鑄件要求的成分，原鐵水的成分與這些含量會(huì)有變化，具體是：C要高些，一般情況是球化處理后的減碳量為原鐵水的5-8%，殘余鎂越高，則減碳量越多，這是由于球化處理過(guò)程中，鐵水溫度快速降低，部分初生石墨漂浮并與鐵水中的硫化鎂、硅酸鎂等結(jié)合而轉(zhuǎn)入熔渣；Si在原鐵水中的含量一般遠(yuǎn)低于球鐵件終硅量，這是由于球化劑、孕育劑帶進(jìn)Si(處理過(guò)程中損失轉(zhuǎn)入熔渣一部分后，帶進(jìn)它們總含量的70-80%)，原鐵水中的Si實(shí)際含量與預(yù)期值一般波動(dòng)0.10-0.15%；Mn在處理后的減少量約為原鐵水中含量的3-8%；P含量在處理前后基本不變化；S屬于有害元素，原鐵水中應(yīng)該是越低越好。
稀土球化劑的質(zhì)量和選用(6)
原鐵水中反球化元素的允許含量如下：銻0.002%,鉍0.002%,鉛0.002%,硒0.03%,鈦0.07%,碲0.02%。
Al容易使鑄件產(chǎn)生氣孔；生產(chǎn)高韌性球鐵時(shí)，促進(jìn)珠光體和碳化物形成的元素應(yīng)盡量少，如銅、銻、鎳、錫等。
(4)保持適宜的鐵水處理溫度和澆注溫度。球化處理過(guò)程中，熔化合金、鎂氣化、二次孕育、銻水翻騰輻射傳導(dǎo)、鎂在鐵水表面燃燒、脫硫反應(yīng)和硅氧化反應(yīng)等，約將地鐵水溫度85-95度，因此鐵水爐前處理溫度要高于澆注溫度110-130度，處理溫度過(guò)高會(huì)加劇鎂的燒損，回收率不穩(wěn)定，造成球化不良。澆注溫度要根據(jù)鑄件壁、復(fù)雜程度、補(bǔ)縮要求、同一包鐵水要澆注的砂型數(shù)量、鑄件重量、是否需要二次孕育等因素來(lái)定，厚大件不宜超過(guò)1320度，薄壁件在1320-1350度就可以，低溫澆注可能使鑄件產(chǎn)生諸如夾渣、冷隔、鎖孔等缺陷。出爐溫度壁爐前處理高出20-30度就可以。溫度過(guò)高時(shí)，可以在包中稍作停留。
(5)脫硫。球化處理雖然能使硫脫到預(yù)期含量，但高硫貼水處理后易產(chǎn)生較多的硅酸鎂夾渣、“黑渣”缺陷、“回硫”現(xiàn)象等，降低球鐵的球化率。含硫超過(guò)0.1%的原鐵水雖然也能生產(chǎn)出合格的球鐵件，但代價(jià)是球化劑、去渣劑加入量高，球化等級(jí)低，因此，用脫硫劑對(duì)沖天爐高硫鐵水進(jìn)行脫硫預(yù)處理是穩(wěn)定生產(chǎn)球鐵的有效措施之一，至于是否采用預(yù)脫硫，每個(gè)廠要結(jié)合實(shí)際從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上進(jìn)行全面地衡量比較。
(6)孕育不衰退。球化后的鐵水在較高過(guò)冷度下轄凝固時(shí)，易產(chǎn)生白口組織，因此需要進(jìn)行孕育處理。 ——孕育劑，常用孕育劑主要是硅鐵，但要Si的含量在70%以上，通常國(guó)標(biāo)75就可以，因?yàn)榈团铺?hào)硅鐵雜質(zhì)和Al等有害元素多。目前，又出現(xiàn)一些含Ca,Ba,Sr,Bi和Re等元素的復(fù)合孕育劑。山東華晨有限公司生產(chǎn)的鑄態(tài)鐵素體和鑄態(tài)珠光體專(zhuān)用孕育劑就是一種強(qiáng)墨化、反白口、抗衰退、脫硫脫氧能力強(qiáng)的復(fù)合長(zhǎng)效孕育劑。(見(jiàn)下標(biāo))——孕育工藝，孕育劑好，更需要準(zhǔn)確地加入量、正確的處理工藝。孕育劑加入量與鐵水成分、出爐和澆注溫度、處理后停留時(shí)間、鑄件厚薄、澆注時(shí)間等有關(guān)；孕育方法常用的就是覆蓋在球化劑上面，另外還有二次孕育、浮硅孕育、型內(nèi)孕育和喂絲孕育等?！杏ネ耍@是孕育處理中相伴相生的問(wèn)題。為了避免這個(gè)問(wèn)題，措施有：孕育劑成分并且沒(méi)有夾雜，粒度適宜，選擇長(zhǎng)效孕育劑，處理方法得當(dāng)?shù)取?/p>
(7)爐前快速分析。比如購(gòu)置光譜分析儀，能夠及時(shí)快捷的指導(dǎo)鐵水成分調(diào)整、爐前處理以及組織性能的跟蹤監(jiān)控。
(8)計(jì)算機(jī)集成技術(shù)應(yīng)用。鑄造生產(chǎn)是一種材料通過(guò)“固態(tài)-液態(tài)-固態(tài)”的轉(zhuǎn)變，一次性成型來(lái)完成產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝過(guò)程。利用計(jì)算機(jī)模擬球鐵鑄造工藝過(guò)程，即鑄造工藝CAD，來(lái)模擬凝固過(guò)程、充型過(guò)程和鑄件熱應(yīng)力、微觀組織數(shù)值，實(shí)現(xiàn)鑄造工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量和科學(xué)性、縮短設(shè)計(jì)的周期、鑄件質(zhì)量和提高經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，推行計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CMIS),綜合運(yùn)用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子商務(wù)、系統(tǒng)工程技術(shù)，將球鐵生產(chǎn)過(guò)程中的采購(gòu)、設(shè)備、技術(shù)、質(zhì)量、人員和其他生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理要素編入數(shù)據(jù)庫(kù)，使物流、人流、信息流有機(jī)集成，達(dá)到鑄件生產(chǎn)整體優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)鑄造行業(yè)的優(yōu)質(zhì)、低耗運(yùn)行。
球墨鑄鐵與球化劑的現(xiàn)狀和發(fā)展 球墨鑄鐵問(wèn)世至今已有52年，其發(fā)展迅速之快令人驚訝，即使在經(jīng)濟(jì)不景氣的情況下，球鐵仍然有所發(fā)展，有人稱(chēng)球墨鑄鐵為不適當(dāng)退卻中的勝利者，指出：球墨鑄鐵由于其高強(qiáng)度、高韌性和低價(jià)格，所以在材料市場(chǎng)上仍占有重要的地位，盡管幾年來(lái)鋼鐵鑄造總產(chǎn)量有所下降，但球鐵產(chǎn)量并未下降，奧——貝球鐵的出現(xiàn)增強(qiáng)了球鐵的競(jìng)爭(zhēng)地位。
1. 球鐵的生產(chǎn)和研究現(xiàn)狀
1. 1常規(guī)球鐵 ??目前常規(guī)球鐵——即以鐵素體和珠光體為基體的球鐵仍占球鐵產(chǎn)量中的絕大部分比例，因此注意提高常規(guī)球鐵的性能和質(zhì)量，在保持球鐵的競(jìng)爭(zhēng)地位中起了重要的作用。
1.1. 1對(duì)影響球鐵質(zhì)量的因素加強(qiáng)控制??球鐵的組織與性能取決于鑄鐵的成份和結(jié)晶條件以及所用球化劑的質(zhì)量，研究認(rèn)為為了確保球鐵的機(jī)械性能，必須針對(duì)鑄件具體壁厚、澆注溫度、所用球化劑、球化處理工藝、冷卻參數(shù)的優(yōu)化以及有效的排渣措施進(jìn)行嚴(yán)格控制，而適當(dāng)?shù)慕档吞籍?dāng)量，合金化和熱處理是改善球鐵的有效措施。
1.1.2有效控制鐵素體球鐵和球光體球鐵的生產(chǎn)
控制球鐵基體的主要因素有鑄鐵的成份、所用球化劑、孕育劑的類(lèi)型，加入方法以及冷卻條件等。
鑄態(tài)鐵素體球鐵的成份控制??微過(guò)共晶成份，其中碳稍高，但不出現(xiàn)石墨漂浮，含硅稍低，孕育劑硅量應(yīng)少于3%，錳越低越好，應(yīng)使Mn<0.04%，硫、磷應(yīng)低，使S≤0.02%、 P≤0.02%，這是因?yàn)楣杩筛纳魄蜩F組織和相應(yīng)的塑性，Si=3.0～3.5%可得到全部鐵素體組織。有研究指出，Si=2.6～2.8%時(shí)，鑄鐵具有高的延伸率和沖擊韌性，但硅在鐵中的顯微偏析隨著含磷量的增加，這種偏析越嚴(yán)重，并對(duì)機(jī)械性能有不良影響，特別是當(dāng)溫度低于零度時(shí)影響更大，而含硫低可以選用低鎂低稀土球化劑球化，并減少“黑斑”缺陷的產(chǎn)生，而“黑斑”主要是鎂、鈰硫化物和氧化物的聚集物，此外也要用低硅球化劑以可以進(jìn)行多次孕育。
對(duì)珠光體球鐵而言，在生產(chǎn)時(shí)鑄鐵成份中錳可提高至0.8～1.0%，有些鑄件如果是用作耐磨性曲軸時(shí)，錳可提高至1.2～1.35%，生產(chǎn)鑄態(tài)珠光體元素銅。加入量大于1.8%時(shí)，它阻礙石墨球化，但促進(jìn)基體完全珠光體化，一般球鐵中銅含量應(yīng)小于1.5%，錫是強(qiáng)烈的珠光體化元素，其對(duì)硬度的影響大于銅和錳，但Sn≥1.0%時(shí)使石墨畸變，因此其含量應(yīng)限制在0.08%以下。
1.1.3 稀土在球鐵中的作用
稀土能促進(jìn)鎂合金的球化效果(球化率和球的圓整度)，它對(duì)壁厚球鐵件中防止球狀石墨畸變的效果受到了重視，這也是國(guó)內(nèi)外球化劑中都包含稀土的主要原因之一。??在鑄件中有些元素能破壞和阻礙石墨球化，這些元素即所謂的球化干擾元素，干擾元素分為兩類(lèi)，一是消耗球化元素型干擾元素，它們與鎂、稀土生成MgS、MgO、MgSe、RE2O3、RE2S3、RE2Te3等，使球化元素降低從而破壞了球狀石墨形成；另一類(lèi)是晶間偏析型干擾元素，包括錫、銻、砷、銅、鈦、鋁等在共晶結(jié)晶時(shí)，這些元素富集在晶界，促進(jìn)使碳在共晶后期形成畸形的枝晶狀石墨，球化干擾元素原子量越大，其干擾作用越強(qiáng)，現(xiàn)在許多研究都已找到了干擾元素在鑄鐵中的臨界含量，當(dāng)這些元素含量小于臨界含量時(shí)，并不能形成畸變石墨。??在有干擾元素的鑄鐵中，加入稀土可消除其干擾作用，有研究報(bào)告指出在鑄鐵中干擾元素之和應(yīng)小于0.10%即z=Ti+Cr+Sb+V+As+Pb+Zn+…<0.10% ??有研究指出，中和鐵水中的Al、Sb、TI、Pb、Bi、等只要分別加入0.005～0.04%Ce即可，例如，中和Ti、Pb、Sb、Al等只要分別加入0.005~0.007%、0.014%、0.15%和0.008%的Ce即可。??干擾元素在鑄件壁厚，冷卻速度慢的情況下破壞作用更大。??干擾元素對(duì)球鐵基體也有影響，Te、B強(qiáng)烈促進(jìn)白口形成，Cr、As、Sn、Sb、Pb、Bi穩(wěn)定珠光體，Al、Zr促進(jìn)鐵素體。??值得注意的是，目前正在發(fā)展一些球化元素與干擾元素復(fù)合球化劑，以改善大斷面球鐵的處理效果及石墨球的圓整度。
1.1. 4球鐵檢測(cè)加強(qiáng)??球鐵檢測(cè)是其質(zhì)量的重要措施，目前正在研究發(fā)展線分析，即產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行分析，以確定其質(zhì)量，已有不少單位在大批量生產(chǎn)條件下利用超聲波對(duì)鑄件質(zhì)量進(jìn)行分析。??在利用超聲波測(cè)定鑄鐵組織時(shí)，片狀石墨的聲速為4500m/s、蠕墨鑄鐵為5400m/s、球墨鑄鐵5600m/s，此外在鑄鐵中高頻衰減率的變化也可判斷鑄鐵類(lèi)型，球鐵中心頻率為5MHz而片狀鑄鐵僅為1.5MHz。目前還有單位正在用超聲波作球化級(jí)別的測(cè)定，已可測(cè)定合格的球化級(jí)別和不合格的產(chǎn)品(3級(jí)和4級(jí)之間)，但還不能進(jìn)行更細(xì)分級(jí)測(cè)定，此方法正在完善中。
1.2奧——貝球鐵
20世紀(jì)70年代，荷蘭、中國(guó)、美國(guó)彼此獨(dú)立地，幾乎是同時(shí)宣布各自研究成功了貝氏體球鐵，中國(guó)研究成功的是下貝氏體，美國(guó)為下貝氏體＋馬氏體，荷蘭為上貝氏體＋奧氏體，荷蘭成果具代表性，即現(xiàn)在所稱(chēng)的奧——貝球鐵。1977年M.Jokason宣布荷蘭的Kgmi Kgmmene公司所屬的karkkila鑄造廠開(kāi)發(fā)了一種特性?xún)?yōu)異的新型鑄鐵，即奧——貝球鐵，并在1978年召開(kāi)第45屆國(guó)際年會(huì)上宣讀了有關(guān)論文，引起了各國(guó)重視，被譽(yù)為近幾十年來(lái)鑄鐵冶金中的重大成就之一。
奧——貝球鐵兼?zhèn)涓邚?qiáng)度、高韌性和高耐磨性。如英國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)有NE-GJS-800-8，EN-GJS-1000-5，EN-GJS-1400-1。
奧——貝球鐵成份與常規(guī)球鐵成份相同，球化劑和處理工藝也相同，其差別是必須進(jìn)行等溫淬火處理，等溫淬火溫度不同時(shí)可分別獲得上貝氏體＋奧氏體，下貝氏＋奧氏體，下貝氏＋馬氏體等不同基體。這種鑄鐵成本高、生產(chǎn)難度較大，目前應(yīng)用面雖在不斷擴(kuò)大，但其總量并不大，被人們稱(chēng)之為21世紀(jì)材料。
2.球化劑的現(xiàn)狀
球化劑是目前獲得球鐵的主要手段之一，在志包鋼稀土一廠共同完成攻關(guān)課題“稀土三劑系列化”時(shí)，我校課題組對(duì)世界上100多個(gè)球化劑生產(chǎn)廠，國(guó)內(nèi)主要合金生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)研，取得了英、美、法、德、日、前蘇聯(lián)、印度等十幾個(gè)50多家合金生產(chǎn)廠的產(chǎn)品樣本及國(guó)內(nèi)主要球化劑生產(chǎn)廠的產(chǎn)品樣本，為對(duì)比國(guó)內(nèi)外球化劑性能及今后球化劑生產(chǎn)改進(jìn)提供了依據(jù)。
2.1球化劑的類(lèi)型
按生產(chǎn)方式分有下述幾種
(1)球化劑的類(lèi)型
包括鎂硅系合金、稀土鎂硅系合金、鈣系合金(日本用的較多)，鎳鎂系合金、純鎂合金、稀土合金。
上述合金中目前世界上用的為廣泛的是稀土鎂硅鐵合金，但中國(guó)合金中RE/Mg的比值范圍大(0.5~2.2)，國(guó)外的合金RE/Mg的比值范圍小(0.1~0.3)。中國(guó)合金中稀土大于等于鎂含量的占多數(shù)，小于鎂含量的占少數(shù)，而國(guó)外(除前蘇聯(lián)一些合金外)球化劑合金中的稀土含量幾乎都小于鎂含量，因此稀土三劑系列化課題組建議除保留FeSlMg8E18外(此合金是效果優(yōu)良的蠕化劑)，其它全部球化劑中RE/Mg≤1，隨后修訂的標(biāo)準(zhǔn)中采納了這個(gè)建議。
鈣鎂球化劑主要是日本生產(chǎn)和應(yīng)用，如日本信越(SHIN—ETSU)生產(chǎn)的鈣系合金NC5、NCl0、NCl5、NC20、NC25中鎂含量從4~28%變動(dòng)，但鈣含量變化較小，其變化范圍為20~31%；此類(lèi)合金白口傾向小，但要求處理溫度高，處理后渣量大。
鎳鎂合金在美洲、歐洲均有應(yīng)用，美國(guó)國(guó)際鎳公司生產(chǎn)的鎳鎂合金高達(dá)82~85%，其中Mg、Ca分別為13~16，及20，鎳低的57~61%(其中Mg4.0~4.5%，Ca<2.5，F(xiàn)e32~36)。德國(guó)金屬化學(xué)公司生產(chǎn)的鎳鎂合金中Ni47~51%，Mgl5~17%，C1.0%Si28~32%,RE1.0%余Fe。這些合金的優(yōu)點(diǎn)是比重大，反映平穩(wěn)，鎳可起合金化作用，其特點(diǎn)是價(jià)格貴，這種合金在中國(guó)基本沒(méi)有應(yīng)用。
鎳硅系合金目前在中國(guó)基本上已不用。純鎂合金處理時(shí)要用專(zhuān)用的壓力加鎂包，鎂的吸收率高，但處理安全措施要極為嚴(yán)格，生產(chǎn)中應(yīng)用比例較小。
稀土是發(fā)明球鐵時(shí)使用的球化劑，它的發(fā)現(xiàn)推進(jìn)了球鐵工業(yè)應(yīng)用的進(jìn)程。但價(jià)格高，白口傾向大，過(guò)量會(huì)使石墨變態(tài)，現(xiàn)在己不作為球化劑單獨(dú)使用，僅作為輔助球化元素。
(2)壓塊狀球化劑
用鎂粉和鐵粉及所設(shè)計(jì)的硅含量直接加壓成型，這種球化劑中含硅很低，通常稱(chēng)為低硅壓塊狀球化劑，因而為后續(xù)的孕育提供了大的余地，有利于生產(chǎn)鑄態(tài)球鐵，但這種合金易漂浮，處理效果波動(dòng)大，處理時(shí)好跟塊狀球化劑混合使用。
(3)包芯線型球化劑
將鎂粉、鐵粉包覆在薄鋼板或鋼板中，將其快速送入鐵水中達(dá)到球化目的，這種球化劑較貴，且設(shè)備投資大，但處理時(shí)合金吸收率高，因此處理球鐵的總成本幾乎沒(méi)有提高。
(4)粉狀球化劑
這種球化劑使用時(shí)將鎂粉與抑制劑混合放入包內(nèi)，并使鐵水從合金表面上流過(guò)，逐層與合金反映達(dá)到球化效果，這種專(zhuān)門(mén)工藝稱(chēng)之為MC。
2.2球化劑的應(yīng)用
目前國(guó)內(nèi)外在球鐵生產(chǎn)中主要應(yīng)用火法冶煉的合金，壓塊球化劑、包芯線球化劑、粉狀球化劑應(yīng)用的很少，火法冶煉的球化劑在生產(chǎn)中應(yīng)用占90%以上，目前這類(lèi)合金中增加Ba、Ca、Cu、Ni等以達(dá)到控制基體目的，對(duì)合金中的氧化鎂含量已有限量指標(biāo)?，F(xiàn)對(duì)中國(guó)33個(gè)典型工廠和美國(guó)77個(gè)工廠生產(chǎn)球鐵工廠進(jìn)行對(duì)比分析。
中國(guó)33個(gè)工廠的基本情況是：33個(gè)工廠總計(jì)有36個(gè)熔爐，其中電爐(中頻、工頻、電弧爐)9個(gè)占25%，沖天爐22個(gè)占61%，沖天爐一電爐雙聯(lián)熔煉廠4個(gè)占11%，高爐1個(gè)占3%，球鐵處理溫度大于1500℃，4個(gè)占11%，1450~1500℃，20個(gè)占56%，1350~1400℃，6個(gè)占16.7%，1300~1350℃，2個(gè)占5.6%；大于1270℃1個(gè)占2.7%；鐵水含硫量小于等于0.03%占20%；處理方法中沖入法占94%，噴吹法占3%，壓力加鎂法3%，用量大的6#合金Mg8RE8占46%，其次為Mg8RE5占37%，Mg9RE5占11%。
美國(guó)77個(gè)工廠的基本情況是：??熔化設(shè)備沖天爐占30%，感應(yīng)電爐占63%，球化處理溫度1482~1538℃占75%；原鐵水在球化處理前有50%工廠采用預(yù)脫硫工藝，有90%的工廠S小于0.025%，球化處理方法中在美國(guó)大工廠中沖入法占36%，而小廠(小于200噸/周)沖入法僅占22%，壓入法、多孔塞法、型內(nèi)處理法、Tundish蓋包法、壓力加鎂法則占絕大部分比重，使用的球化劑中含鎂大于%的占8.2%Mg4~6%占63.3，含鎂小于4%占16.4%純鎂占5%，其它的鎂合金占8.2%。
資料表明中國(guó)生產(chǎn)球鐵方面還有不小的差距，美國(guó)生產(chǎn)的電爐可球化處理所需要的高溫，一般經(jīng)預(yù)脫硫，含硫量低，質(zhì)量要優(yōu)于我國(guó)處理球鐵的質(zhì)量，因此處理球鐵可用低鎂、低稀土球化劑，而且質(zhì)量控制也嚴(yán)格，包括使用衰退時(shí)間控制器。
我國(guó)從90年到現(xiàn)在球化劑生產(chǎn)已有了很大變化，稀土鎂合金標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)修訂，對(duì)合金中的RE作了重大調(diào)整，除保留Mg8RE18以外，其它合金中Mg/Re均大于1，工廠使用的合金中稀土量有所下降，Mg8RE5—7的合金應(yīng)用大量增加，電爐也增加了不少，但原鐵水中的含硫量變化不大，預(yù)脫硫工藝未有效地推廣，因此我國(guó)球化劑中Mg、BE仍處在較高的水平上，新的球化處理工藝在我國(guó)推廣不多，如在美國(guó)占有很大比例的Tundish蓋包法在我國(guó)幾乎還未得到應(yīng)用，這些都是我國(guó)球鐵生產(chǎn)廠待解決的問(wèn)題。
2.3球化劑在使用中的問(wèn)題及質(zhì)量因素控制指標(biāo)
影響球化劑質(zhì)量的因素有：成分、粒度、形狀、密度、MgO含且等。
這里僅就火法冶煉生產(chǎn)的球化劑分析，例舉不少工廠使用中反映的問(wèn)題：
(1) 球化劑成分不準(zhǔn)。
(2) 球化劑粉化合金粒度不合要求。
(3) 球化劑密度波動(dòng)大、有些球化劑上浮快，反應(yīng)過(guò)于激烈，安全無(wú)。
(4) MgO含量過(guò)高，球化處理不良，球化劑加入量過(guò)大。
(5) 球化處理后衰退快。
(6) 球化后白口傾向大。??要解決上述問(wèn)題，應(yīng)從兩方面入手：
一是合金生產(chǎn)廠提供質(zhì)量合格的產(chǎn)品。首先要完善氧化鎂分析問(wèn)題，其次嚴(yán)格控制原材料，控制促進(jìn)合金粉化的元素和干擾元素，加強(qiáng)管理，第三要嚴(yán)格執(zhí)行準(zhǔn)確的冶煉工藝，控制好影響球化劑質(zhì)量的主要指標(biāo)，第四是提供用戶(hù)所要求的粒度。
另一方面對(duì)生產(chǎn)的工人進(jìn)行培訓(xùn)，讓它們懂得合金特性及準(zhǔn)確的使用方法。生產(chǎn)中的問(wèn)題與生產(chǎn)工人素質(zhì)直接相關(guān)，有些工人只是教什么做什么，不能舉一反三，這是不行的。需要合金生產(chǎn)廠家和使用廠家的配合，普及提高對(duì)球鐵的認(rèn)識(shí)和生產(chǎn)技術(shù)水平，這樣才能使我國(guó)球鐵生產(chǎn)保持良好的發(fā)展勢(shì)頭。
3.計(jì)算機(jī)在球鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用
球鐵由于其糊狀凝固的特征決定所生產(chǎn)的鑄鐵由于補(bǔ)縮不良經(jīng)常產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷，為了能在鑄件生產(chǎn)以前預(yù)測(cè)這些缺陷情況，早在印年代國(guó)內(nèi)外就開(kāi)展了鑄造過(guò)程數(shù)值模擬.鑄造過(guò)程數(shù)值模擬是使用數(shù)值模擬技術(shù)，在計(jì)算機(jī)虛擬的環(huán)境下模擬實(shí)際鑄件形成過(guò)程，包括金屬液體的充型過(guò)程、冷卻凝固過(guò)程、應(yīng)力形成過(guò)程、判斷成型過(guò)程中主要因素的影響程度，預(yù)測(cè)組織、性能和可能出現(xiàn)的缺陷，為優(yōu)化工藝減少?gòu)U品提供依據(jù)。
1962年丹麥的Forsund個(gè)采用電子計(jì)算機(jī)模擬鑄件的凝固過(guò)程，此后美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本、法國(guó)等相繼開(kāi)展了這方面的研究。我國(guó)于70年代末開(kāi)始，大連理工大學(xué)、沈陽(yáng)鑄造研究所率先在我國(guó)開(kāi)展了這一技術(shù)的研究，并分別于1980年發(fā)表了研究報(bào)告(郭可韌等，大型鑄件凝固過(guò)程的數(shù)字模擬，大連工學(xué)院學(xué)報(bào)，1980(2)1—16；沈陽(yáng)鑄造研究所，鑄件凝固熱場(chǎng)電子計(jì)算機(jī)模擬，鑄造，1980(1)14—22，此后在我國(guó)高等院校投入大量人力開(kāi)展了這項(xiàng)研究，在“六五”、“七五”期間攻關(guān)項(xiàng)目中部有計(jì)算機(jī)在鑄造中應(yīng)用的攻關(guān)項(xiàng)目，“六五”的項(xiàng)目為“大型鑄鋼件凝固控制”、“七五”項(xiàng)目為“大型鑄鋼件鑄造工藝CAD”，組織產(chǎn)、學(xué)、研聯(lián)合攻關(guān)，大大推動(dòng)了此項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展，目前清華大學(xué)、華中理工大學(xué)已分別能提供FT—Star和華鑄CAE—Inte CAST4.0商品化學(xué)的軟件并在三明重型機(jī)器有限公司等單位應(yīng)用，獲得了良好的效果。
計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬由前處理、中間計(jì)算和后處理三部分組成，包括幾何模型的建立，格點(diǎn)劃分，求解條件(初始條件和邊界條件)的確定，數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果的處理及圖形顯示。其所用的數(shù)值模擬的基本方法主要是有限差分法，有限元法和邊界元法。目前鑄造中應(yīng)用的較多的領(lǐng)域是：
1) 凝固過(guò)程數(shù)值模擬，主要進(jìn)行鑄造過(guò)程的傳熱分析。包括數(shù)值計(jì)算方法的選擇，潛熱處理、縮孔縮撿預(yù)測(cè)判別，鑄件、鑄型界面?zhèn)鳠釂?wèn)題處理。
2) 流動(dòng)場(chǎng)數(shù)值模擬，涉及動(dòng)量、能量與質(zhì)量傳遞，其難度較大。使用的數(shù)值求解技術(shù)有MAC 法、SAMC法，SOLA—AOF法以及SOLA一—MAC法。
3) 鑄造應(yīng)力模擬，此項(xiàng)研究開(kāi)展較晚，主要進(jìn)行彈塑性狀態(tài)應(yīng)力分祈，目前有Heyn模型，彈塑性模型，Perzyna模型，統(tǒng)一內(nèi)變量模型等。
4) 組織模擬，目前尚處起步階段。分宏觀、中觀和微觀模擬。能計(jì)算形核數(shù)，分析初晶類(lèi)型，枝晶生長(zhǎng)速度，模擬組織轉(zhuǎn)變，預(yù)測(cè)機(jī)械性能。目前有確定性模型，Monte、Cellular、Automaton等統(tǒng)計(jì)法模型、相場(chǎng)模型等。
計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用是目前迅速發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域，鑄造作為重要的工業(yè)領(lǐng)域之一，理應(yīng)加強(qiáng)投入。研究開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)在鑄造研究及生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，徹底改變過(guò)去那種“睜眼造型，閉眼澆注”的狀態(tài)，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用也必將會(huì)促進(jìn)球墨鑄鐵的應(yīng)用和發(fā)展。
球墨鑄鐵與球化劑的現(xiàn)狀和發(fā)展的論文2007-3-18 來(lái)源：機(jī)電商情網(wǎng)編輯一部 收藏此信息 推薦給好友 球墨鑄鐵問(wèn)世至今已有52年，其發(fā)展迅速之快令人驚訝，即使在經(jīng)濟(jì)不景氣的情況下，球鐵仍然有所發(fā)展，有人稱(chēng)球墨鑄鐵為不適當(dāng)退卻中的勝利者，指出：球墨鑄鐵由于其高強(qiáng)度、高韌性和低價(jià)格，所以在材料市場(chǎng)上仍占有重要的地位，盡管幾年來(lái)鋼鐵鑄造總產(chǎn)量有所下降，但球鐵產(chǎn)量并未下降，奧——貝球鐵的出現(xiàn)增強(qiáng)了球鐵的競(jìng)爭(zhēng)地位。
1． 球鐵的生產(chǎn)和研究現(xiàn)狀
1. 1常規(guī)球鐵
目前常規(guī)球鐵——即以鐵素體和珠光體為基體的球鐵仍占球鐵產(chǎn)量中的絕大部分比例，因此注意提高常規(guī)球鐵的性能和質(zhì)量，在保持球鐵的競(jìng)爭(zhēng)地位中起了重要的作用。
1．1． 1對(duì)影響球鐵質(zhì)量的因素加強(qiáng)控制
球鐵的組織與性能取決于鑄鐵的成份和結(jié)晶條件以及所用球化劑的質(zhì)量，研究認(rèn)為為了確保球鐵的機(jī)械性能，必須針對(duì)鑄件具體壁厚、澆注溫度、所用球化劑、球化處理工藝、冷卻參數(shù)的優(yōu)化以及有效的排渣措施進(jìn)行嚴(yán)格控制，而適當(dāng)?shù)慕档吞籍?dāng)量，合金化和熱處理是改善球鐵的有效措施。
1．1．2有效控制鐵素體球鐵和球光體球鐵的生產(chǎn)[2]
控制球鐵基體的主要因素有鑄鐵的成份、所用球化劑、孕育劑的類(lèi)型，加入方法以及冷卻條件等。
鑄態(tài)鐵素體球鐵的成份控制
微過(guò)共晶成份，其中碳稍高，但不出現(xiàn)石墨漂浮，含硅稍低，孕育劑硅量應(yīng)少于3%，錳越低越好，應(yīng)使Mn<0.04%，硫、磷應(yīng)低，使S≤0.02%、 P≤０.０２％，這是因?yàn)楣杩筛纳魄蜩F組織和相應(yīng)的塑性，Si=3.0～3.5%可得到全部鐵素體組織。有研究指出，Si=2.6～２.８％時(shí)，鑄鐵具有高的延伸率和沖擊韌性，但硅在鐵中的顯微偏析隨著含磷量的增加，這種偏析越嚴(yán)重，并對(duì)機(jī)械性能有不良影響，特別是當(dāng)溫度低于零度時(shí)影響更大，而含硫低可以選用低鎂低稀土球化劑球化，并減少“黑斑”缺陷的產(chǎn)生，而“黑斑”主要是鎂、鈰硫化物和氧化物的聚集物，此外也要用低硅球化劑以可以進(jìn)行多次孕育。
對(duì)珠光體球鐵而言，在生產(chǎn)時(shí)鑄鐵成份中錳可提高至０.８～１.０％，有些鑄件如果是用作耐磨性曲軸時(shí)，錳可提高至１.２～１.３５％，生產(chǎn)鑄態(tài)珠光體元素銅。加入量大于1.8%時(shí)，它阻礙石墨球化，但促進(jìn)基體完全珠光體化，一般球鐵中銅含量應(yīng)小于1.5%，錫是強(qiáng)烈的珠光體化元素，其對(duì)硬度的影響大于銅和錳，但Sn≥1.0%時(shí)使石墨畸變，因此其含量應(yīng)限制在0.08％以下。
1.1.3 稀土在球鐵中的作用
稀土能促進(jìn)鎂合金的球化效果（球化率和球的圓整度），它對(duì)壁厚球鐵件中防止球狀石墨畸變的效果受到了重視，這也是國(guó)內(nèi)外球化劑中都包含稀土的主要原因之一。
在鑄件中有些元素能破壞和阻礙石墨球化，這些元素即所謂的球化干擾元素，干擾元素分為兩類(lèi)，一是消耗球化元素型干擾元素，它們與鎂、稀土生成MgS、ＭgO、MgSe、RE2O3、RE2S3、RE2Te3等，使球化元素降低從而破壞了球狀石墨形成；另一類(lèi)是晶間偏析型干擾元素，包括錫、銻、砷、銅、鈦、鋁等在共晶結(jié)晶時(shí)，這些元素富集在晶界，促進(jìn)使碳在共晶后期形成畸形的枝晶狀石墨 ，球化干擾元素原子量越大，其干擾作用越強(qiáng)，現(xiàn)在許多研究都已找到了干擾元素在鑄鐵中的臨界含量，當(dāng)這些元素含量小于臨界含量時(shí)，并不能形成畸變石墨。
在有干擾元素的鑄鐵中，加入稀土可消除其干擾作用，有研究報(bào)告指出在鑄鐵中干擾元素之和應(yīng)小于0.10％即z=Ti+Cr+Sb+V+As+Pb+Zn+…<0.10%
有研究指出，中和鐵水中的Ａl、Ｓb、ＴI、Pb、Bi、等只要分別加入０.005～0.04%Ce即可，例如，中和Ti、Pb、Sb、Al等只要分別加入0.005~0.007%、0.014%、0.15%和0.008%的Ce即可。
干擾元素在鑄件壁厚，冷卻速度慢的情況下破壞作用更大。
干擾元素對(duì)球鐵基體也有影響，Te、B強(qiáng)烈促進(jìn)白口形成，Cr、As、Sn、Sb、Pb、Bi穩(wěn)定珠光體，Ａl、Zr促進(jìn)鐵素體。
值得注意的是，目前正在發(fā)展一些球化元素與干擾元素復(fù)合球化劑，以改善大斷面球鐵的處理效果及石墨球的圓整度。
1.1. 4球鐵檢測(cè)加強(qiáng)
球鐵檢測(cè)是其質(zhì)量的重要措施，目前正在研究發(fā)展線分析，即產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行分析，以確定其質(zhì)量，已有不少單位在大批量生產(chǎn)條件下利用超聲波對(duì)鑄件質(zhì)量進(jìn)行分析。
在利用超聲波測(cè)定鑄鐵組織時(shí)，片狀石墨的聲速為4500m/s、蠕墨鑄鐵為5400m/s、球墨鑄鐵5600m/s，此外在鑄鐵中高頻衰減率的變化也可判斷鑄鐵類(lèi)型，球鐵中心頻率為5MHz而片狀鑄鐵僅為1.5MHz。目前還有單位正在用超聲波作球化級(jí)別的測(cè)定，已可測(cè)定合格的球化級(jí)別和不合格的產(chǎn)品（３級(jí)和４級(jí)之間），但還不能進(jìn)行更細(xì)分級(jí)測(cè)定，此方法正在完善中。
