幾種常用孕育劑的特點及應(yīng)用機理

幾種常用孕育劑的特點及應(yīng)用機理

妊娠劑和妊娠方法是提高鑄鐵性能的重要手段。其中，鈣、鈣、鎂、鉀、鋯、鋯和稀土氮的抗劑對提高生產(chǎn)力和鑄造性能發(fā)揮著很好的作用。硅系復合孕育劑在鑄造生產(chǎn)應(yīng)用中面廣量大,它的主要元素是Si,其次是Ca、Ba、Sr、Al、Ti、Zr、Mn、Cr、B、C、Bi、Sb、Ce、La等元素。除Si以外的元素,在孕育劑中的含量僅百分之幾,孕育劑加入量最多為0.5%,由孕育劑進入鐵液的元素含量要比合金化進入鐵液的量少1~2個數(shù)量級,鑄鐵凝固以后,有的元素往往檢測不到,所以很難用合金成分的增加來分析孕育的影響。鐵液中含有微量N、H、O和S,它們與孕育有密切關(guān)系:(1)孕育劑中的Si,與鐵液中的氧反應(yīng)生成SiO2晶體,作為石墨結(jié)晶的外來晶核,起到促進石墨化的作用。(2)孕育劑中的硫與鐵液中的Ca、Mn、Mg、Al、Ce、La反應(yīng)生成硫化物,起到去除鐵液中硫的作用。(3)孕育劑中的Si、Mg、Ca、Al、Ba與氧生成氧化物,減少溶解氧量,促進石墨化。(4)孕育劑中的Si、Al、Ca、Sr、Ba與碳反應(yīng)生成碳化物,構(gòu)成石墨非均質(zhì)化晶核。(5)孕育劑中的Si、Al、Ti、Zr、Ce與氮反應(yīng)生成氮化物,減少過量溶解氮含量,可以減小鑄鐵白口傾向。(6)孕育劑中的稀土元素Ce、La與Pb、Bi、Sb、Te、Sn、As生成金屬間化合物,抑制微量干擾元素的有害作用[1~2]。1一些一般的育種材料1.1元素及及微量元素的作用硅鋇孕育劑消除白口和石墨化能力強、抗孕育衰退效果好,目前是國內(nèi)外鑄造工廠使用最為廣泛的孕育劑。該孕育劑的成分為w(Si)≥72%;w(Ba)1.0%~2.0%;w(Ca)1.0%~2.0%;w(Al)1.0%~2.0%。鈣與鋇同屬鹼土金屬,鈣能生成氧化物、硫化物、氮化物,造渣凈化鐵液和構(gòu)成晶核內(nèi)物質(zhì)。鋇則是鹼土金屬中活性最大的元素,與氧生成穩(wěn)定的化合物,具有良好的脫氧作用。鑄鐵凝固后并不含鋇,其長效抗衰退能力,被認為是鋇的氧化物在鐵液表面形成“氣套”,阻止氧與氮的溶入。由于該孕育劑的加入量一般為0.3%~0.4%,因此孕育劑中含有w(Al)≤2.0%,對鑄鐵含氣量影響不大。Al作為脫氧劑,有弱孕育作用,能生成穩(wěn)定的氮化物,減少氮的負面影響,延長孕育作用時間。人們對孕育劑中Al的作用有不同看法,但是大量生產(chǎn)實踐證實,此種孕育劑的孕育效果十分理想,沒有發(fā)生由此引發(fā)的任何質(zhì)量事故。硅鋇孕育劑比75硅鐵孕育劑效果顯著。用于灰鑄鐵孕育:1)石墨化能力強,有效消除鑄件硬質(zhì)點和邊緣白口;2)改善斷面均勻性,鑄件不同壁厚硬度差可以在10HBS以內(nèi);3)降低鐵液過冷傾向,增加共晶團數(shù),提高鑄鐵強度;4)使D、E形枝晶石墨轉(zhuǎn)變成細小A型石墨。用于球墨鑄鐵孕育:1)增加石墨球數(shù)量,石墨圓整度好、球化等級高;2)消除球化帶來的白口傾向,確保鑄態(tài)無滲碳體;3)抗衰退時間長,被譽為長效孕育劑。對于鐵素體型球鐵,推薦采用二次孕育,促進形成鐵素體,提高伸長率。對于珠光體型球鐵,改善石墨形態(tài),提高球化等級,提高力學性能。1.2硅殼及球墨鑄鐵的孕育作用硅鍶是有效的石墨化孕育劑,價格比硅鋇孕育劑約高1.6倍。該孕育劑的成分為:w(Si)≥75%;w(Ca)≤0.1%;w(Sr)0.6%~1.8%;w(Al)≤0.5%。優(yōu)點是防止薄壁部位產(chǎn)生氣孔、針孔、夾渣、縮松等缺陷,有效防止薄壁鑄件的滲漏。硅鍶孕育劑在歐美、日本應(yīng)用廣泛;國內(nèi)活塞環(huán)鑄件幾乎全部使用;缸體、缸蓋等復雜結(jié)構(gòu)的薄壁鑄件及要求鐵素體量高的鑄件,多數(shù)也使用硅鍶孕育劑。鍶改善鑄鐵石墨形態(tài),提高斷面均勻性,延長孕育衰退時間。鍶與鋇在元素周期表上同屬鹼土金屬,有長效孕育作用。孕育劑中w(Sr)≤2%。生產(chǎn)實踐表明:鑄鐵的共晶團數(shù)量增多,則縮松傾向增大;共晶團數(shù)量減少,鑄鐵白口量會加大。采用硅鍶孕育劑,不會像硅鋇孕育劑那樣明顯增加共晶團數(shù),線收縮敏感性小,而消除白口能力卻很強,有利于減少鑄件縮松。對于球墨鑄鐵:澆注5mm試片,硅鍶孕育劑加入0.2%,石墨球數(shù)達到450個/mm2,鐵素體量達到90%。孕育量超過0.2%,5mm試片石墨球數(shù)、鐵素體量不增反減,原因是薄壁冷卻太快,超量孕育劑獲得熔化潛熱不足,難以溶解擴散,孕育作用受到抑制。澆注10~30mm試樣,硅鍶孕育劑加入0.25%,石墨球數(shù)和鐵素體量比5mm試片略有增加,孕育量達到0.6%,石墨球數(shù)達到500個/mm2,鐵素體量達到100%。該孕育劑特別強調(diào)w(Ca)≤0.1%,有利于減少鍶的渣化,確保孕育作用。到目前為止尚未探明硅鍶孕育劑特殊孕育效果的原理,只是生產(chǎn)實踐中證實了上述功效。應(yīng)該說明的是硅鍶孕育劑含鋁量越低越好,但盲目追求過低的含鋁量,只會增加生產(chǎn)成本[3~4]。1.3減少鐵液產(chǎn)生的缺陷近年來使用硅鋯孕育劑的鑄造廠數(shù)量在增多,資料介紹沖天爐-電爐雙聯(lián)熔煉宜采用硅鋯孕育劑。硅鋯孕育劑中w(Zr)3%~6%。鋯與氮反應(yīng)生成氮化物降低鐵液中的溶解氮,抑制孕育衰退減少氮氣孔。廢鋼中有較多的氮,爐料中如果廢鋼比例大,使用硅鋯孕育劑,可以減少鐵液因此產(chǎn)生的缺陷。鎂、鋯、稀土可以降低鐵液的含氫量,溶解氫會增大鑄鐵過冷度增加白口傾向,降低鑄鐵的抗拉強度和韌性。因此減少溶解氫量,有助于提高鑄鐵的內(nèi)在質(zhì)量。鋯在鐵液中生成ZrC可以作為石墨形核的核心,增加共晶團數(shù),少量Zr溶于基體起到微合金化的作用。微量Zr是有效的石墨化元素,超過一定量則是很強的碳化物形成元素,鋯的碳化物可以增加析出和細化奧氏體枝晶,提高鑄鐵強度。鋯、鍶、鋇的碳化物和氧化物,晶格常數(shù)與石墨接近,它們與氧的親和力較弱,滯后發(fā)生氧化反應(yīng),因此抗衰退能力強?？傊?硅鋯孕育劑抗衰退能力強,改善石墨組織,有效消除白口傾向,能使灰鑄鐵獲得均勻細小的A型石墨。鑄造生產(chǎn)中采用硅鋯孕育劑的有機床類鑄件,汽車配件安保類鑄件等等。1.4復合孕育劑的制備硅鈣孕育劑是強力孕育劑,增加共晶團數(shù)的能力極大,但國內(nèi)鑄造工廠應(yīng)用較少。該孕育劑用于超厚壁高強度灰鑄鐵,可以提高抗拉強度50MPa,能使厚大鑄件中心部位有接近表層的力學性能。用于中厚壁球墨鑄鐵,可以細化晶粒,提高球化率。用于壁厚差較大的蠕墨鑄鐵,細化石墨提高強度,在蠕化效果不足時可有效促成蠕蟲狀石墨。硅鈣孕育劑可以與其它種類孕育劑充分機械混合,組成復合孕育劑。采用正確工藝,這種復合孕育劑能獲得特殊的孕育效果。通常硅鈣孕育劑中w(Si)在50%~60%;根據(jù)含鈣量高低有w(Ca)9%、w(Ca)15%、w(Ca)25%、w(Ca)35%,分別稱為硅鈣9、硅鈣15、硅鈣25、硅鈣35。鈣是活性很大的元素,大量的鈣與鐵液中的氧和硫生成穩(wěn)定的化合物,有效凈化鐵液。硅鈣孕育劑良好的去硫能力,對含硫高的薄壁鑄鐵十分理想。由此也形成大量晶核,產(chǎn)生非常理想的孕育效果。硅鈣孕育劑應(yīng)在澆包注入鐵液1/5~4/5期間連續(xù)添加。當然,使用硅鈣孕育劑會產(chǎn)生大量的渣,出鐵后需充分攪拌和扒渣。1.5提高力學性能稀土孕育劑有:稀土硅、稀土硅鈣、稀土硅鈣鋇、硅鐵鑭、硅鐵鈰等。稀土對石墨形態(tài)影響很大,在一定含量內(nèi),有很強的石墨化能力和抗孕育衰退能力,特別對低硫和電爐熔煉的鐵液更為有效。它能形成金屬間化合物,有效中和鉛、鉍等元素對灰鑄鐵片狀石墨的有害影響,減少Cr引起的強烈過冷。稀土可以強化鐵素體,提高耐磨性。但超過一定量,反而增加白口傾向,使球狀石墨畸變?yōu)楫愋问?。碳在鑄鐵中的形態(tài)對力學性能有決定性的影響。有人提出灰鑄鐵準蠕化的概念,通過鈍化片墨尖端提高力學性能。稀土硅鈣鋇孕育劑,用在HT250、HT300鑄件上,對保證力學性能,降低鑄件脆性特別是薄壁鑄件有較大的效果?？梢灶A期,稀土孕育劑將得到更多的應(yīng)用。2妊娠劑的質(zhì)量和應(yīng)用2.1小粒度的孕育劑孕育劑的質(zhì)量包括孕育劑的有效性、化學成分穩(wěn)定性、表面氧化程度、粒度。孕育劑熔點低、擴散快的特性包含在有效性范疇之內(nèi)。孕育劑的元素組成決定它的熔點和密度。小粒度的孕育劑往往添加助熔劑,加速其熔解和吸收。孕育劑粒度推薦按澆包容量選擇(表1)。如果給孕育處理后產(chǎn)生的效果打分,那么鐵液經(jīng)過孕育處理,甚至經(jīng)二次孕育獲得的效果,可以打3分;而鐵液經(jīng)型內(nèi)孕育加泡沫陶瓷過濾器,此時獲得的效果可以打9分。國內(nèi)鑄造工廠使用孕育塊的廠家逐漸增多。僅從孕育劑加入量的粗略計算,就足以顯示應(yīng)用孕育塊的優(yōu)勢,這一改變,既節(jié)約成本提高鑄件質(zhì)量,又大大節(jié)約能源、資源,有利環(huán)保。2.2u2004生產(chǎn)前鐵液含硅量的控制孕育劑加入方法對孕育效果影響很大。孕育劑加在沖天爐出鐵槽上或者加在球化處理包的球化劑上,與孕育劑在出鐵槽上方隨流均勻沖入或在出鐵液時均勻加入包內(nèi)作用不同。實踐表明,采用后一種方法,硬度可下降10HBS以上。采用純凈爐料,鐵液適當過熱。孕育劑在稱量后隔火烘干,二次隨流孕育劑使用前,應(yīng)過篩防止下料孔堵塞。孕育前鐵液含硅量應(yīng)給硅系孕育劑增硅留有足夠空間。鑄鐵的碳當量越低,孕育