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    氧化物、硫化物和硫氧復合化合物在球墨鑄鐵中的作用


     對灰鑄鐵而言,經熔煉過程制得的鐵液中含有適量硫和氧,是此后進行有效孕育處理的重要條件,是不可缺少的。  
        目前,對鑄鐵孕育作用的機制尚未完全認識,仍存在多種說法。其中,非金屬夾雜物成核說已得到廣泛的認同。通常用于鑄鐵的孕育劑,以硅為主要成分,還含有少量鋁、鈣、鋯、鋇等元素。澆注前向鐵液中加入孕育劑后,其中的活性元素與鐵液中含有的硫、氧作用,生成大量微細的氧化物、硫化物和硫氧復合化合物,彌散于鐵液中。在灰鑄鐵鐵液的共晶凝固過程中,這些夾雜物能作為石墨的外來晶核,促進石墨生核、使共晶團細化。 

    因此,灰鑄鐵孕育處理前的原鐵液中,硫含量不宜低于0.06%,最好保持在0.06%~0.08%之間。原鐵液中硫含量很低時,還有必要故意加入‘硫化亞鐵’使其增硫;氧含量,一般在20×14-4%~30×10-4%之間。 對球墨鑄鐵而言,硫和氧都是有害元素。特別是硫,屬于作用很強的反球化元素,只在原鐵液中的含量降低到0.02%以下,才能保證石墨的球化良好,采用型內球化工藝時,還應使硫含量降低到0.01%。因此,降低原鐵液中的硫含量,是進行球化處理的前提。生產球墨鑄鐵件時,必須嚴格控制爐料,以確保鐵液中的硫含量低,必要時應進行爐外脫硫作業。 在球墨鑄鐵原鐵液中加鎂進行球化處理時,鎂與鐵液中的硫和氧發生反應,生成MgS和MgO。有資料說,加鎂后可使鐵液中的硫含量降低80~90%,氧含量降低40~50%?梢,鐵液中的硫、氧含量高,將使球化劑中的鎂大量損失,導致球化作用難以控制,而且會造成大量熔渣。所以,生產球墨鑄鐵件時,對硫和氧都是避之尤恐不及的。 既然如此,在灰鑄鐵中有促進石墨生核作用的氧化物、硫化物和硫氧復合化合物,在球墨鑄鐵中可否起同樣地作用?如何才能利用這種作用?是大家所關心的問題。 

    一、氧化物、硫化物和硫氧復合化合物在球墨鑄鐵中的作用

         根據一些研究工作的結果,氧化物、硫化物和硫氧復合化合物在球墨鑄鐵中同樣也能作為球狀石墨的外來晶核。如果運用得當,將含硫、氧的孕育劑用于球墨鑄鐵,可多方面地改善球墨鑄鐵的性能,如: 

      石墨球的尺寸減小,數量增多、球化率提高; 

      減輕鑄鐵的白口傾向,有利于制造薄壁球墨鑄鐵件; 

      生產厚壁鑄件時,可減輕晶間偏析,提高鑄件質量;  

       生產厚壁鑄件時,可減輕或防止石墨漂;  

       使鑄鐵組織中鐵素體量增多; 

     減少鑄鐵凝固過程中的收縮,鑄件產生縮松、縮孔的傾向小。 

    在灰鑄鐵中可作為石墨外來晶核的氧化物、硫化物和硫氧復合化合物,在球墨鑄鐵中的情況就很不相同;瘜W活性很強的鎂能使其中的大部分還原,生成MgS和MgO進入熔渣,因而,不足以為球狀石墨的形成提供有效的生核條件。 

        因此,對于球墨鑄鐵而言,能作為球狀石墨外來晶核的氧化物、硫化物和硫氧復合化合物,在熱力學上應比鎂的氧化物和硫化物更為穩定。 

        在鐵液溫度下,常用于處理鑄鐵的合金元素中,鈰、鈣與硫、氧的親和力大 于鎂。因而,使鈰、鈣與硫、氧結合不失為一種可取的方案。 

        鈰可與硫、氧結合,形成的化合物有CeS、Ce2O3、Ce2O2S等,這些化合物在1500℃

    左右是穩定的,尺寸約為1~3μm,密度約為6.5 g/cm3,基本上呈球形,可以彌散分布于鐵液中、作為石墨的外來晶核,而且研究工作中已見到球狀石墨的心部有這類化合物。 

    鈣的化合物對球狀石墨的生核也有十分重要的作用。

     

    二、孕育劑 

        用于球墨鑄鐵的原鐵液中硫含量都很低,而且往往要進行爐外脫硫作業,很難穩定地將硫含量控制在很窄的范圍內。原鐵液中的氧含量也難以準確地控制。 因此,生產球墨鑄鐵件時,要利用硫化物和氧化物作為球狀石墨的外來晶核,可行的方法之一是將硫、氧和鈰、鈣都配合于孕育劑中。 

    適用于球墨鑄鐵的、含鈰、鈣、硫、氧等多種元素的孕育劑,歐洲早已有商品供應,且有多種規格的產品以適應不同的生產條件。這類孕育劑,主要成分仍是硅,但配有細微而分散的氧化物和硫化物,因而外觀多呈黑色顆粒狀。表1中列出了其中一種的化學成分,由此可見這類孕育劑的大致情況。

    這種孕育劑加入鐵液以后,鈰、鈣與孕育劑本身所含的硫和氧反應,也與鐵液中殘留的硫和氧反應,產生硫化物、氧化物和硫氧復合化合物。這些化合物同樣可作為球狀石墨的外來晶核,對石墨的生核有重要的作用。鈰還可以與其他微量元素作用,形成穩定的金屬間化合物,抑制其有害的影響。采用這類孕育劑,如果處理、控制得當,就可以得到前節所列的效果。 

    由于這類孕育劑中含有鈰和鈣,產生的硫化物、氧化物和硫氧復合化合物的穩定性好,用于球墨鑄鐵時,可在加鎂處理之前作為預處理劑加入,加入鎂后絕大部分仍能保持,不致被鎂所還原。 

    由于這類孕育劑中含有硫和氧,即使在加鎂處理之后、鐵液中硫、氧含量很低時加入,也能形成硫化物、氧化物和硫氧復合化合物,作為石墨的外來晶核。因此,也可在球化處理后用于澆注過程中的瞬時孕育。 

    三、含硫、氧。鈰、鈣的孕育劑的應用 



    化學成分如表1的含硫、氧、鈰、鈣等元素的孕育劑(以下簡稱新型孕育劑),既可用于球化處理前的預處理,也可用于澆注過程中的瞬時孕育。 

    1、用于預處理 

    為使新型孕育劑的應用得到最佳的效果,必須采用與其特點相適應的處理方法。目前看來,采用三步處理法(即預處理、球化處理和孕育處理)效果較好。 

    在加鎂進行球化處理之前,用新型孕育劑對鐵液進行預處理,引入的鈰、鈣不僅與孕育劑本身中的硫、氧結合,形成化合物,而且與鐵液中的硫、氧反應,使鐵液進一步脫氧、脫硫。這兩項條件對于石墨的球化都是非常有利的。 

    預處理所用孕育劑的加入量,按需要加入的鈰計算。從理論上說,如不考慮溫度、壓力等外部條件,鈰的加入量主要決定于兩種因素: 

     與硫和氧生成穩定化合物所需的量; 

     與鈦、鉛、鉍等有害元素化合或形成金屬間化合物所需的量。 

    實際生產中,很難準確掌握上述兩方面的信息,而且,有害元素的含量往往變化無常,其在鐵液中的狀態也無從得知。但是,在生產條件下進行的試驗表明,一般情況下,以新型孕育劑為載體,鈰的加入量為0.002~0.006%即可。 

    鉍在球墨鑄鐵中有使石墨形狀退化的作用,通常都認為是有害元素。但是,在孕育劑中含鈰的條件下,鈰與鉍結合可形成大量晶核,使石墨球細小。對于要求低溫沖擊韌度的鐵素體球墨鑄鐵(如QT 400-18L),在加入含鈰孕育劑的同時,加入少量的鉍是十分有益的。如果有必要加鉍,可采用含鉍的稀土硅鐵合金,合金用量按加鉍0.001~0.002%計算。 

    鐵液經預處理后,還應進行球化處理和孕育處理。 

    經預處理的鐵液,不僅因硫、氧含量降低可減少鎂的用量,而且還有另一個促進石墨球狀化的因素,那就是鐵液與石墨界面處的表面張力大為提高。鐵液的表面張力也是影響石墨球狀化的重要因素之一,要使石墨以球狀析出,鐵液與石墨界面處的表面張力必須很高。鐵液中溶有的硫和氧,都是使其界面處表面張力降低的重要因素。經預處理后,孕育劑中的鈰、鈣可將鐵液中的硫和氧脫除到很低的程度,幾乎可使表面張力倍增。因此,球化處理時鎂的加入量可以減少,殘留鎂量在0.03%以下仍能保持球化正常。 

    鐵液經預處理和加鎂處理后,仍有一定的氧含量,孕育處理是保證石墨球的數量多和圓整度好所必需的。這種條件下,孕育劑可用75硅鐵。 

    2、用于瞬時孕育 

    經球化處理和孕育處理后的鐵液,如保持時間較長,其生核能力即大為削弱,導致鑄件出現各種質量問題。如果在澆注過程中采用新型孕育劑進行瞬時孕育,就會有很強的生核作用。而且,有試驗結果表明:采用這種孕育劑,可使石墨球的尺寸大、小兼備,呈雙峰分布,有助于減少收縮缺陷。 

    以下舉幾個國外應用的實例,說明處理的效果。 (1)石墨球數量增多,厚截面鑄件效果尤為明顯 

    某鑄造廠制造不同厚度的板狀鑄件,用感應電爐熔煉,澆注時隨流瞬時孕育。原先用含鍶(Sr)的孕育劑,后改用成分如表1所示的新型孕育劑,孕育劑改變前后,不同厚度鑄件上測定的石墨球數見表2。

     

     

    由表2可見,無論鑄件的壁厚如何,用新型孕育劑時,鑄件組織中的石墨球數都比用含鍶孕育劑時多。 

    還有一點也很值得注意:用新型孕育劑時,40mm厚鑄件的石墨球數多于5mm厚的鑄件,說明在鑄件共晶凝固的過程中還有二次生核作用,這也是石墨球的尺寸呈雙峰分布的原因。 

    采用新型孕育劑后,孕育劑用量降低了很多,而鑄件產生收縮缺陷的情況減少。 (2)用于薄壁鑄件的效果 

    某鑄造廠用感應電爐熔煉,原先用含硅、鋯、錳、鈣的孕育劑隨流瞬時孕育,經常遇見的問題是:形狀復雜的球墨鑄鐵件薄壁處出現碳化物,而熱節部位則有因收縮而致的疏松。 

    改用新型孕育劑隨流孕育后,消除了薄壁處的碳化物,肥厚處的微觀疏松也大為減輕。生產中的廢品率明顯降低,而孕育劑用量減少了25%。 

    (3)用于厚壁鑄件的效果 

    主要產品為厚截面球墨鑄鐵件的某鑄造廠,用感應電爐熔煉,用蓋包法進行球化處理。鑄件質量方面存在的問題主要是石墨漂浮、偏析、石墨畸形和收縮缺陷。后采用在澆包中沖入的方式進行瞬時孕育,并用含鋇的孕育劑和新型孕育劑作了對比。 

    用含鋇的孕育劑時,鑄件微觀組織中石墨球數為187個/mm2。 

    采用新型孕育劑時,石墨球數為357個/mm2,而且石墨球尺寸的變化范圍較寬,呈雙峰分布,球化率也提高了10%,鑄件的收縮缺陷明顯減少。 

    由于石墨球數增多,晶間偏析減少,鑄鐵的抗拉強度和沖擊韌度提高,同時加工性能也顯著改善,刀具壽命提高了50%。 

    (4)大模數鑄件收縮缺陷減少 

    某鑄造廠經常生產模數較大的鑄件,關鍵截面處有縮孔一直是困擾工藝人員的問題。采用新型孕育劑進行瞬時孕育處理后,取得了很好的效果。


    【上一個】 20世紀以來鑄造業的重大進展中兩項發明產生了重大的影響 【下一個】 鐵素體可鍛鑄鐵的生產工藝研究

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