球化剂的球化原理

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1、球化剂的球化原理（球墨铸铁中的）球化剂在铸铁中起什么作用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，球铁产量并未下降，奥贝球铁的出现增强了球铁的竞争地位。1 球铁的生产和研究现状1. 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。11 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

2、。112 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 Mnv0.04%,硫、磷应低，使SS0.02%、PS0.02%，这是因为硅可改善球铁组织 和相应的塑性，Si=3.03.5%可得到全部铁素体组织。有研究指出，Si=2.62.8%时，铸铁具有最咼的延仲率和冲击韧性，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

3、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咼至0.81.0%，有些铸件 如果是用作耐磨性曲轴时，锰可提咼至1.21.35%，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。1.1.3 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

4、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

5、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、Tl、Pb、Bi、等只要分别加入0.0050.04%Ce即可， 例如，中和 Ti、Pb、Sb、Al 等只要分别加入0.0050.007%、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。目前正在

6、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。1.1. 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

7、测定，此方法正在完善中 12 奥贝球铁 20 世纪70 年代，荷兰、中国、美国彼此独立地，几乎是 同时宣布各自研究成功了贝氏体球铁，中国研究成功的是下贝氏体，美国为下贝氏 体马氏体，荷兰为上贝氏体奥氏体，荷兰成果最具代表性，即现在所称的奥 贝球铁。1977年M.Jokason宣布荷兰的Kgmi Kgmmene公司所属的karkkila铸造厂开 发了一种特性优异的新型铸铁，即奥贝球铁，并在1978年召开第45届国际年 会上宣读了有关论文，此一发明在美、英、法、加等13个国家申请了专利（美国 专利号：3860457，荷兰专利1996/72，原西德专利2852870），引起了各国重视， 被誉为近几十

8、年来铸铁冶金中的重大成就之一。奥贝球铁兼备高强度、高韧性和高耐磨性。如英国的标准有 NE-GJS-800-8， EN-GJS-1000-5， EN-GJS-1400-1。 奥贝球铁成份与常规球 铁成份相同，球化剂和处理工艺也相同，其差别是必须进行等温淬火处理，等温淬 火温度不同时可分别获得上贝氏体奥氏体，下贝氏奥氏体，下贝氏马氏体等 不同基体。这种铸铁成本高、生产难度较大，目前应用面虽在不断扩大，但其总量 并不大，被人们称之为21 世纪材料。2球化剂的现状球化剂是目前获得球铁的主要手段之一，在包钢稀土一厂共同完成国家攻关 课题“稀土三剂系列化”时，我校课题组对世界上100 多个球化剂生产厂，国

9、内主要 合金生产进行调研，取得了英、美、法、德、日、前苏联、印度等十几个国家50 多家合金生产厂的产品样本及国内主要球化剂生产厂的产品样本，为对比国内外球 化剂性能及今后球化剂生产改进提供了依据。21 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 前世界上用的最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 （0.52.2）,国外的合金RE/Mg的比值范围小（0.10.3）。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

10、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FeSIMg8E18外（此合金是效果优良的蠕化剂，其它全部球化剂 中RE/Mg1，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SHINETSU）生产的钙系合金NC5、NCI0、NCI5、NC20、 NC25中镁含量从428%变动，但钙含量变化较小，其变化范围为2031%；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最高达8285%，其中Mg、Ca分别为 1316，及20,镍最低的5761%（其中 Mg4.04.5%,

11、Ca2.5, Fe3236）。德国 金属化学公司生产的镍镁合金中Ni4751%, Mgl517%, C1.0% Si2832%,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

12、,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,处理时最好跟块状球化 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上流过,逐层与合金反映达到球化效果,这种专门 工艺称之为 MC。 22 球化剂的应用 目前国内外在球铁生产中主要应用火法冶炼 的合金,压块球化剂、

13、包芯线球化剂、粉状球化剂应用的很少,火法冶炼的球化剂 在生产中应用占90%以上，目前这类合金中增加Ba、Ca、Cu、Ni等以达到控制 基体目的，对合金中的氧化镁含量已有限量指标。现对中国33个典型工厂和美国 77 个工厂生产球铁工厂进行对比分析。中国33 个工厂的基本情况是：33个工厂 总计有36 个熔炉，其中电炉（中频、工频、电弧炉）9个占25，冲天炉22 个占61， 冲天炉一电炉双联熔炼厂4个占11%,高炉1个占3%,球铁处理温度大于1500C, 4 个占 11 %, 14501500C, 20 个占56%, 13501400C, 6 个占 16. 7%, 13001350C,2个占5.6

14、%；大于1270C1个占2.7%；铁水含硫量小于等于0.03% 占 20 % ；处理方法中冲入法占94 % ,喷吹法占3 % ,压力加镁法3 % ,用量最大的 6#合金 Mg8RE8 占 46%，其次为 Mg8RE5 占 37%, Mg9RE5 占 11%。77个工厂的基本情况是：熔化设备冲天炉占30%,感应电炉占63%,球化处 理温度14821538C占75%；原铁水在球化处理前有50%工厂采用预脱硫工艺， 有90%的工厂S小于0. 025%，球化处理方法中在美国大工厂中冲入法占36%, 而小厂（小于200吨/周）冲入法仅占22%,压入法、多孔塞法、型内处理法、Tundish 盖包法、压力加

15、镁法则占绝大部分比重,使用的球化剂中含镁大于%的占82% Mg46%占63. 3,含镁小于4%占16. 4%纯镁占5%,其它的镁合金占8. 2%。 资料表明中国生产球铁方面还有不小的差距,美国生产的电炉可保证球化处 理所需要的高温,一般经预脱硫,含硫量低,质量要优于我国处理球铁的质量,因 此处理球铁可用低镁、低稀土球化剂,而且质量控制也严格,包括使用衰退时间控 制器。 我国从90 年到现在球化剂生产已有了很大变化,稀土镁合金国家标准经过 修订，对合金中的RE作了重大调整，除保留Mg8RE18以外，其它合金中Mg/Re 均大于1，工厂使用的合金中稀土量有所下降，Mg8RE57的合金应用大量增加， 电炉也增加了不少,但原铁水中的含硫量变化不大,预脱硫工艺未有效地推广,因 此我国球化剂中Mg、BE仍处在较高的水平上，新的球化处理工艺在我国推广不多， 如在美国占有很大比例的Tundish盖包法在我国几乎还未得到应用，这些都是我国 球铁生产厂待解决的问题