稀土镁球化剂的选择与应用

2014-11-24鹰普机械宜兴有限公司江苏214200吴小雄

金属加工(热加工) 2014年3期

鹰普机械（宜兴）有限公司（江苏 214200）吴小雄房敏戎军

在工业生产领域，主要的球化剂类型有镁硅系合金、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（分别是以铈、镧为主的轻稀土和以钇为主的重稀土）等。这些合金中目前世界上用得最为广泛的是稀土镁硅铁合金，除此之外还衍生出单一轻稀土球化剂（以铈、镧为主）、单一重稀土球化剂（以钇为主）、含钡球化剂、含锑球化剂、含铋球化剂、含铜球化剂等。

球化剂是生产球墨铸铁必不可少的重要材料，其品质好坏直接影响所生产的球墨铸铁的质量，如铸件球化率、石墨球大小，以及铸件产生缩松、气孔、夹渣的倾向等。在球墨铸铁的生产中，只有充分了解球化剂中各种元素的作用，然后根据实际生产条件、铸件的技术要求，合理选择并正确使用球化剂，才能保证生产出高品质的球墨铸铁。

一、球化剂中的元素及特性

目前普遍采用的稀土镁硅铁球化剂，其中含有元素镁、稀土、钙，还有一定的铁、硅，以及少量的锰、铝、钛等。球化剂的成分与球化处理方式、铁液条件等有关。本文以使用最普遍的稀土硅铁镁球化剂为例进行分析。

1.球化元素的含量

球化元素就是能把铁液中的片状石墨转化为球状石墨的元素。化学周期表中几乎所有元素的转化能力都被进行了研究。最终认为镁是最好最主要的球化元素，此外某些情况下铈、镧、钙、钇也能用作辅助的球化元素。

球墨铸铁件中球化元素的残留量与铸件的大小，壁的厚薄，以及原铁液的硫含量有关，要保证石墨成球以及球化的稳定性，有效残留镁量应＞0.030%。为了保证镁有必要的回收率，镁合金球化剂的镁含量常低于10%。在选择球化剂的含镁量时，一般高温球化铁液时（1500～1550℃）选用Mg含量稍低的球化剂（镁5%～6%），低温球化铁液时（1400～1450℃）选用Mg含量稍高的球化剂（镁6%～8%），这样可以控制球化反应的平稳性，获得合适的残留镁量。在实际生产时，在温度差别不很大时，工人为了操作方便，往往不会这么严格地区分，一般采用合理覆盖球化剂，控制加入量的方式，来控制球化爆发的平稳性，以获得合适的残留镁量。

稀土元素球化能力次于镁，国内球化剂中的稀土含量一般分为高量(7%～9%)、中量(4%～6%)和低量(1%～3%)三档。相比之下国外球墨铸铁大量使用电炉熔炼，采用脱硫工艺，所以主要采用低Mg(2.5%～6.0%)、低RE(＜2.0%)的球化剂，因而球化反应平稳，石墨球圆整度较高。

稀土有轻稀土和重稀土之分，国内生产普通球墨铸铁主要以铈、镧为主的轻稀土球化剂，但是随着对重稀土的不断研究，其在厚大断面球墨铸铁中已开始使用，且使用效果良好，可以有效地克服厚断面大型球墨铸铁件易出现球化衰退、断面敏感性强、断面中心部位力学性能低等问题。

钙一般在球化剂中是限量元素，适量（电炉用一般采用2%～3%Ca）可以控制球化剂在铁液中的吸收与反应速度。但要注意过量的钙，不仅球化剂熔化慢，而且还会导致石墨向蠕虫状发展，尤其是大断面球墨铸铁。因此，在大断面球墨铸铁生产中一定要注意球化剂中钙的控制，球化剂中的钙低还有一个直观反映是球化后浇包里渣子少。

钡在球化剂中是为发挥稀土、镁、钙元素的协调作用，降低稀土和镁的含量，使球化效果更好。钡作为石墨化元素与镁一起可降低镁在高温下的蒸气压，提高镁的吸收率，增加单位体积球墨铸铁的石墨球数，强化孕育效果，抑制碳化物的形成。

2.铁、硅的含量

硅和铁是球化剂中的基本成分，是熔炼合金时配入的，改变它们的含量能调整球化剂的密度和熔点。稀土镁硅铁球化剂中的硅一般在40%～50%，熔点为1220℃，Si低、Fe高则熔点升高，密度增大。Si过低(Fe必高)，球化剂难以熔解，而且这种球化剂在熔炼时，终点温度高，Mg的烧失较大，所含MgO量可能较多。当需多用球墨铸铁回炉料时，宜使用压制的低Si 或“无Si”球化剂。

二、球化剂的品质要求

球化剂的品质是决定球墨铸铁能否稳定生产的一个重要因素。优质球化剂必须具备：化学成分稳定，波动小；合金纯度高，MgO含量低；合金组织致密；粒度分布均匀合理等。

1.化学成分

球化剂的化学成分要做到稳定波动小，否则会严重影响球墨铸铁生产的质量稳定性。成分中尤其要注意Mg、RE的波动值。国标规定各个牌号中Mg、RE含量的允许偏差为±1%。评价球化剂的首要内容是该球化剂中Mg、RE实际含量偏离名义含量的幅度大小。一般好的球化剂，偏差应控制在±0.2%～±0.3%。在这里需要指出的是，球化剂厂家供应的球化剂中的RE类型及比例是否稳定可靠，对于球墨铸铁生产厂家来说很重要。

2.MgO含量

球化剂中的球化元素必须是活性的，如果它们被氧化或硫化，将失去球化能力，因此在生产球化剂时，对MgO含量要给予特殊的注意。

1993年新国标中规定MgO＜1%，但是根据许多优质球化剂厂家生产的球化剂MgO检验结果，以及球墨铸铁生产厂家的实际使用来看，MgO控制＜0.50%可以获得需要的有效镁量，有利于球化质量的稳定。清华大学的盛达认为，球化剂中的氧化镁含量随镁的变化而变化的，用单一1.0%的氧化镁含量控制所有球化剂是不适当的，控制指标应改为MgO%/Mg%≤0.1+0.02。

3.断口密实程度

观察球化剂断口，可以直观分辨球化剂的优劣。优质球化剂色灰蓝略黄，断口组织致密，断口呈金属光泽（见图1a），劣质球化剂断面致密性差，有气缩孔、夹渣等，断面灰暗（见图1b）。

合金锭断口要致密，不要出现大范围缩孔、气孔和夹渣，否则合金的致密度会降低，使合金未熔化前已漂浮到液面，爆发剧烈，不仅影响球化质量，而且也不安全。

图1 球化剂断面对比

4.粒度和密度

球化剂的粒度是影响反应速度的一个重要因数，需要经过用户允许。球化剂粒度大小主要与一次处理的铁液量有关（见下表）。此外还与浇包形状、球化剂覆盖程度，以及铁液温度等因素有关。一般而言，粒度过大易引起早爆和漂浮；粒度过小，在铁液温度不足时，极易结死包底。以上两种情况，都影响球化剂收得率，影响球化的稳定性。注意尺寸太小特别是粉状球化剂在生产中是不能应用的。一般情况下，超标的球化剂量应小于10%。

球化剂粒度与铁液量的关系

球化剂密度直接影响球化元素的收得率。球化剂密度小，则在铁液中上浮速度快。浮在铁液表面的球化剂，镁的汽化及氧化烧损增加，特别是铁液温度高、球化剂密度又小时，极易产生球化衰退。

此外有人提出，可以把球化剂的相作为球化剂品质检验依据之一。球化剂作为一种中间合金，其化学成分、熔炼工艺、合金锭的冷却速度与球化剂的金相之间有对应关系，金相组织不同，其使用性能就会不同(主要是指爆发反应的激烈程度)。球化剂中的Si-Mg相的形状很多，一般可以分成3大类:团状、球状和板条状，如图2所示。其形状、大小、数量及分布直接影响Mg在铁液中的释放行为。在实际使用过程中，我们发现同一成分的球化剂在使用和金相上都有区别，图3是球化剂的金相对比。但是目前遇到的主要问题是没有试样制备及金相评定的相关规定。

图2 Si-Mg相的形状

图3 球化剂的金相

三、球化剂的使用经验

在球墨铸铁生产中，只有充分了解球化剂中各种元素的作用，然后结合实际生产条件、铸件的技术要求，才能合理选择球化剂。下面以我公司中频感应炉熔炼的铁液为例分析。

中频感应炉熔炼的铁液硫一般较低（wS＜0.03%），我公司由于采用的是优质生铁以及大量使用废钢，所以铁液含硫量更低（wS＝0.01%～0.02%）且铁液杂质干扰元素少。在生产薄壁铸件（＜50mm）时，选用含wMg＝5%～5.5%、wRE＝1.5%～2.0%的球化剂；生产中等厚度铸件（50～100mm）时，选用含wMg＝5.5%～6.0%、wRE＝1.0%～1.5%的球化剂；生产厚大铸件（100～150mm）时，选用含wMg＝6.0%～6.5%、wRE＝0.5%～1.0%的球化剂（根据情况可配入部分重稀土球化剂）。

在实际生产中我们发现，在生产中等厚度铸件（50～100mm）和厚大断面球墨铸铁（100～150mm）中，轻稀土wCe有时超过0.006%，其最厚热节心部会出现碎块状石墨，厚大断面更严重，在这种情况下往铁液中加入微量锑或铋可避免出现碎块状石墨，且石墨球会细化，球化率也会相应提高。

虽然选择一种适宜的球化剂是至关重要的，但是要稳定地生产符合质量要求的球墨铸铁件，这绝对不是唯一的因素，而是一个系统工程，还需要重视以下事项：

（1）获得S、O 含量低且稳定优质的原铁液。

（2）确立适宜的球化剂加入量和球化元素残留量。

（3）选择合理的铁液化学成分。

（4）正确的球化孕育处理工艺。

以常用的冲入法球化处理为例，在出铁时要快且铁液不能直接冲向合金。处理包的高度一般为其直径的1.5～2倍，不能采用粗矮状包，包的底部应设有堤坝或凹坑，里面的空间能够放置所有紧实后的球化剂和覆盖材料。出炉温度要合理，在保证浇注温度的前提下，尽量降低球化处理温度。尽量缩短装球化剂与球化处理之间的时间以及转运浇注时间，从而保证在球化过程中稳定地获得需要的残留球化元素，防止出现球化不良及球化衰退。孕育剂成分需要严格筛选、合理搭配，要具有高效、长效，保证良好的孕育效果和抗衰退性能。孕育剂随铁液流均匀缓慢加入，加入时间应占全部出铁时间的70%以上。