稀土鎂球化劑的選擇與應(yīng)用

鷹普機(jī)械（宜興）有限公司（江蘇 214200）吳小雄 房 敏 戎 軍

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，主要的球化劑類(lèi)型有鎂硅系合金、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（分別是以鈰、鑭為主的輕稀土和以釔為主的重稀土）等。這些合金中目前世界上用得最為廣泛的是稀土鎂硅鐵合金，除此之外還衍生出單一輕稀土球化劑（以鈰、鑭為主）、單一重稀土球化劑（以釔為主）、含鋇球化劑、含銻球化劑、含鉍球化劑、含銅球化劑等。

球化劑是生產(chǎn)球墨鑄鐵必不可少的重要材料，其品質(zhì)好壞直接影響所生產(chǎn)的球墨鑄鐵的質(zhì)量，如鑄件球化率、石墨球大小，以及鑄件產(chǎn)生縮松、氣孔、夾渣的傾向等。在球墨鑄鐵的生產(chǎn)中，只有充分了解球化劑中各種元素的作用，然后根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件、鑄件的技術(shù)要求，合理選擇并正確使用球化劑，才能保證生產(chǎn)出高品質(zhì)的球墨鑄鐵。

一、球化劑中的元素及特性

目前普遍采用的稀土鎂硅鐵球化劑，其中含有元素鎂、稀土、鈣，還有一定的鐵、硅，以及少量的錳、鋁、鈦等。球化劑的成分與球化處理方式、鐵液條件等有關(guān)。本文以使用最普遍的稀土硅鐵鎂球化劑為例進(jìn)行分析。

1.球化元素的含量

球化元素就是能把鐵液中的片狀石墨轉(zhuǎn)化為球狀石墨的元素?；瘜W(xué)周期表中幾乎所有元素的轉(zhuǎn)化能力都被進(jìn)行了研究。最終認(rèn)為鎂是最好最主要的球化元素，此外某些情況下鈰、鑭、鈣、釔也能用作輔助的球化元素。

球墨鑄鐵件中球化元素的殘留量與鑄件的大小，壁的厚薄，以及原鐵液的硫含量有關(guān)，要保證石墨成球以及球化的穩(wěn)定性，有效殘留鎂量應(yīng)＞0.030%。為了保證鎂有必要的回收率，鎂合金球化劑的鎂含量常低于10%。在選擇球化劑的含鎂量時(shí)，一般高溫球化鐵液時(shí)（1500～1550℃）選用Mg含量稍低的球化劑（鎂5%～6%），低溫球化鐵液時(shí)（1400～1450℃）選用Mg含量稍高的球化劑（鎂6%～8%），這樣可以控制球化反應(yīng)的平穩(wěn)性，獲得合適的殘留鎂量。在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，在溫度差別不很大時(shí)，工人為了操作方便，往往不會(huì)這么嚴(yán)格地區(qū)分，一般采用合理覆蓋球化劑，控制加入量的方式，來(lái)控制球化爆發(fā)的平穩(wěn)性，以獲得合適的殘留鎂量。

稀土元素球化能力次于鎂，國(guó)內(nèi)球化劑中的稀土含量一般分為高量(7%～9%)、中量(4%～6%)和低量(1%～3%)三檔。相比之下國(guó)外球墨鑄鐵大量使用電爐熔煉，采用脫硫工藝，所以主要采用低Mg(2.5%～6.0%)、低RE(＜2.0%)的球化劑，因而球化反應(yīng)平穩(wěn)，石墨球圓整度較高。

稀土有輕稀土和重稀土之分，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)普通球墨鑄鐵主要以鈰、鑭為主的輕稀土球化劑，但是隨著對(duì)重稀土的不斷研究，其在厚大斷面球墨鑄鐵中已開(kāi)始使用，且使用效果良好，可以有效地克服厚斷面大型球墨鑄鐵件易出現(xiàn)球化衰退、斷面敏感性強(qiáng)、斷面中心部位力學(xué)性能低等問(wèn)題。

鈣一般在球化劑中是限量元素，適量（電爐用一般采用2%～3%Ca）可以控制球化劑在鐵液中的吸收與反應(yīng)速度。但要注意過(guò)量的鈣，不僅球化劑熔化慢，而且還會(huì)導(dǎo)致石墨向蠕蟲(chóng)狀發(fā)展，尤其是大斷面球墨鑄鐵。因此，在大斷面球墨鑄鐵生產(chǎn)中一定要注意球化劑中鈣的控制，球化劑中的鈣低還有一個(gè)直觀反映是球化后澆包里渣子少。

鋇在球化劑中是為發(fā)揮稀土、鎂、鈣元素的協(xié)調(diào)作用，降低稀土和鎂的含量，使球化效果更好。鋇作為石墨化元素與鎂一起可降低鎂在高溫下的蒸氣壓，提高鎂的吸收率，增加單位體積球墨鑄鐵的石墨球數(shù)，強(qiáng)化孕育效果，抑制碳化物的形成。

2.鐵、硅的含量

硅和鐵是球化劑中的基本成分，是熔煉合金時(shí)配入的，改變它們的含量能調(diào)整球化劑的密度和熔點(diǎn)。稀土鎂硅鐵球化劑中的硅一般在40%～50%，熔點(diǎn)為1220℃，Si低、Fe高則熔點(diǎn)升高，密度增大。Si過(guò)低(Fe必高)，球化劑難以熔解，而且這種球化劑在熔煉時(shí)，終點(diǎn)溫度高，Mg的燒失較大，所含MgO量可能較多。當(dāng)需多用球墨鑄鐵回爐料時(shí)，宜使用壓制的低Si 或“無(wú)Si”球化劑。

二、球化劑的品質(zhì)要求

球化劑的品質(zhì)是決定球墨鑄鐵能否穩(wěn)定生產(chǎn)的一個(gè)重要因素。優(yōu)質(zhì)球化劑必須具備：化學(xué)成分穩(wěn)定，波動(dòng)小；合金純度高，MgO含量低；合金組織致密；粒度分布均勻合理等。

1.化學(xué)成分

球化劑的化學(xué)成分要做到穩(wěn)定波動(dòng)小，否則會(huì)嚴(yán)重影響球墨鑄鐵生產(chǎn)的質(zhì)量穩(wěn)定性。成分中尤其要注意Mg、RE的波動(dòng)值。國(guó)標(biāo)規(guī)定各個(gè)牌號(hào)中Mg、RE含量的允許偏差為±1%。評(píng)價(jià)球化劑的首要內(nèi)容是該球化劑中Mg、RE實(shí)際含量偏離名義含量的幅度大小。一般好的球化劑，偏差應(yīng)控制在±0.2%～±0.3%。在這里需要指出的是，球化劑廠家供應(yīng)的球化劑中的RE類(lèi)型及比例是否穩(wěn)定可靠，對(duì)于球墨鑄鐵生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)很重要。

2.MgO含量

球化劑中的球化元素必須是活性的，如果它們被氧化或硫化，將失去球化能力，因此在生產(chǎn)球化劑時(shí)，對(duì)MgO含量要給予特殊的注意。

1993年新國(guó)標(biāo)中規(guī)定MgO＜1%，但是根據(jù)許多優(yōu)質(zhì)球化劑廠家生產(chǎn)的球化劑MgO檢驗(yàn)結(jié)果，以及球墨鑄鐵生產(chǎn)廠家的實(shí)際使用來(lái)看，MgO控制＜0.50%可以獲得需要的有效鎂量，有利于球化質(zhì)量的穩(wěn)定。清華大學(xué)的盛達(dá)認(rèn)為，球化劑中的氧化鎂含量隨鎂的變化而變化的，用單一1.0%的氧化鎂含量控制所有球化劑是不適當(dāng)?shù)模刂浦笜?biāo)應(yīng)改為MgO%/Mg%≤0.1+0.02。

3.斷口密實(shí)程度

觀察球化劑斷口，可以直觀分辨球化劑的優(yōu)劣。優(yōu)質(zhì)球化劑色灰藍(lán)略黃，斷口組織致密，斷口呈金屬光澤（見(jiàn)圖1a），劣質(zhì)球化劑斷面致密性差，有氣縮孔、夾渣等，斷面灰暗（見(jiàn)圖1b）。

合金錠斷口要致密，不要出現(xiàn)大范圍縮孔、氣孔和夾渣，否則合金的致密度會(huì)降低，使合金未熔化前已漂浮到液面，爆發(fā)劇烈，不僅影響球化質(zhì)量，而且也不安全。

圖1 球化劑斷面對(duì)比

4.粒度和密度

球化劑的粒度是影響反應(yīng)速度的一個(gè)重要因數(shù)，需要經(jīng)過(guò)用戶(hù)允許。球化劑粒度大小主要與一次處理的鐵液量有關(guān)（見(jiàn)下表）。此外還與澆包形狀、球化劑覆蓋程度，以及鐵液溫度等因素有關(guān)。一般而言，粒度過(guò)大易引起早爆和漂浮；粒度過(guò)小，在鐵液溫度不足時(shí)，極易結(jié)死包底。以上兩種情況，都影響球化劑收得率，影響球化的穩(wěn)定性。注意尺寸太小特別是粉狀球化劑在生產(chǎn)中是不能應(yīng)用的。一般情況下，超標(biāo)的球化劑量應(yīng)小于10%。

球化劑粒度與鐵液量的關(guān)系

球化劑密度直接影響球化元素的收得率。球化劑密度小，則在鐵液中上浮速度快。浮在鐵液表面的球化劑，鎂的汽化及氧化燒損增加，特別是鐵液溫度高、球化劑密度又小時(shí)，極易產(chǎn)生球化衰退。

此外有人提出，可以把球化劑的相作為球化劑品質(zhì)檢驗(yàn)依據(jù)之一。球化劑作為一種中間合金，其化學(xué)成分、熔煉工藝、合金錠的冷卻速度與球化劑的金相之間有對(duì)應(yīng)關(guān)系，金相組織不同，其使用性能就會(huì)不同(主要是指爆發(fā)反應(yīng)的激烈程度)。球化劑中的Si-Mg相的形狀很多，一般可以分成3大類(lèi):團(tuán)狀、球狀和板條狀，如圖2所示。其形狀、大小、數(shù)量及分布直接影響Mg在鐵液中的釋放行為。在實(shí)際使用過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)同一成分的球化劑在使用和金相上都有區(qū)別，圖3是球化劑的金相對(duì)比。但是目前遇到的主要問(wèn)題是沒(méi)有試樣制備及金相評(píng)定的相關(guān)規(guī)定。

圖2 Si-Mg相的形狀

圖3 球化劑的金相

三、球化劑的使用經(jīng)驗(yàn)

在球墨鑄鐵生產(chǎn)中，只有充分了解球化劑中各種元素的作用，然后結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件、鑄件的技術(shù)要求，才能合理選擇球化劑。下面以我公司中頻感應(yīng)爐熔煉的鐵液為例分析。

中頻感應(yīng)爐熔煉的鐵液硫一般較低（wS＜0.03%），我公司由于采用的是優(yōu)質(zhì)生鐵以及大量使用廢鋼，所以鐵液含硫量更低（wS＝0.01%～0.02%）且鐵液雜質(zhì)干擾元素少。在生產(chǎn)薄壁鑄件（＜50mm）時(shí)，選用含wMg＝5%～5.5%、wRE＝1.5%～2.0%的球化劑；生產(chǎn)中等厚度鑄件（50～100mm）時(shí)，選用含wMg＝5.5%～6.0%、wRE＝1.0%～1.5%的球化劑；生產(chǎn)厚大鑄件（100～150mm）時(shí)，選用含wMg＝6.0%～6.5%、wRE＝0.5%～1.0%的球化劑（根據(jù)情況可配入部分重稀土球化劑）。

在實(shí)際生產(chǎn)中我們發(fā)現(xiàn)，在生產(chǎn)中等厚度鑄件（50～100mm）和厚大斷面球墨鑄鐵（100～150mm）中，輕稀土wCe有時(shí)超過(guò)0.006%，其最厚熱節(jié)心部會(huì)出現(xiàn)碎塊狀石墨，厚大斷面更嚴(yán)重，在這種情況下往鐵液中加入微量銻或鉍可避免出現(xiàn)碎塊狀石墨，且石墨球會(huì)細(xì)化，球化率也會(huì)相應(yīng)提高。

雖然選擇一種適宜的球化劑是至關(guān)重要的，但是要穩(wěn)定地生產(chǎn)符合質(zhì)量要求的球墨鑄鐵件，這絕對(duì)不是唯一的因素，而是一個(gè)系統(tǒng)工程，還需要重視以下事項(xiàng)：

（1）獲得S、O 含量低且穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的原鐵液。

（2）確立適宜的球化劑加入量和球化元素殘留量。

（3）選擇合理的鐵液化學(xué)成分。

（4）正確的球化孕育處理工藝。

以常用的沖入法球化處理為例，在出鐵時(shí)要快且鐵液不能直接沖向合金。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)有堤壩或凹坑，里面的空間能夠放置所有緊實(shí)后的球化劑和覆蓋材料。出爐溫度要合理，在保證澆注溫度的前提下，盡量降低球化處理溫度。盡量縮短裝球化劑與球化處理之間的時(shí)間以及轉(zhuǎn)運(yùn)澆注時(shí)間，從而保證在球化過(guò)程中穩(wěn)定地獲得需要的殘留球化元素，防止出現(xiàn)球化不良及球化衰退。孕育劑成分需要嚴(yán)格篩選、合理搭配，要具有高效、長(zhǎng)效，保證良好的孕育效果和抗衰退性能。孕育劑隨鐵液流均勻緩慢加入，加入時(shí)間應(yīng)占全部出鐵時(shí)間的70%以上。

四、結(jié)語(yǔ)

球墨鑄鐵的穩(wěn)定生產(chǎn)除了選擇合適的球化劑以及保證球化劑的質(zhì)量外，還需正確使用球化劑，才能保證生產(chǎn)出穩(wěn)定的球墨鑄鐵件，這是一個(gè)系統(tǒng)工程，具體總結(jié)以下幾點(diǎn)。

（1）優(yōu)質(zhì)的原鐵液是穩(wěn)定生產(chǎn)高品質(zhì)球墨鑄鐵的基礎(chǔ)。

（2）成分合適的高品質(zhì)球化劑是生產(chǎn)球墨鑄鐵的關(guān)鍵。

（3）正確的球化孕育處理工藝是保證。