分析铸造中如何合理选用球化剂

　　所谓球化剂是使铸铁中的石墨呈球状析出的铁水添加剂叫球化剂。其主要成分为：金属镁、稀土、硅铁及其他孕育剂。目前球墨铸铁的生产比较普遍，球化剂作为其生产必不可少的辅料，引起了人们的关注。那么，本文中国铸造网小编从球化剂的生产和使用两个角度来说明如何选择好的球化剂

　　球化剂及球化元素的作用

　　尽管国内外球化剂的种类很多，但在我们国内目前应用最多的还是稀土镁类合金，现主要论述该类合金及其球化元素的作用。

　　球化元素及反球化元素

　　1、球化元素的作用：

　　所谓球化元素是指那些能够促进石墨球状化、使石墨球生成或增加的元素。球化元素一般有以下共同性质：

　　(1)元素最外电子层上有一个或两个价电子，次内层有8个电子。这种电子结构使元素与硫、氧和碳有较强的亲和力，反映产物稳定，能显著减少贴水中的硫和氧。

　　(2)元素在铁水中溶解度低，凝固过程中有显著偏析倾向。

　　(3)虽然和碳有一定亲和力，但在石墨晶格内溶解度低。

　　根据以上特点，Mg,Ce,Y,Ca属于有效球化元素。

　　Mg元素的特性分析：

　　一是在铁水中蒸气压力高，使铁水佛腾。因此，镁加入铁水时，要产生汽化，使铁水翻腾。

　　二是与硫、氧有很强的亲和力。因此镁处理后的铁水，硫和羊的含量都很低;

　　三是在铁水凝固过程中有偏析于石墨的倾向

　　Re元素的特性分析：稀土族元素对石墨球化有显著作用的是轻稀土元素中的铈和重稀土中的钇。

　　一是稀土元素的沸点均比镁高，加入铁水中时，不会引起铁水的翻腾和喷溅;

　　二是铈和钇基稀土元素有比镁更强的脱硫脱氧能力，生成的硫化稀土、氧化稀土等化合物熔点高、稳定性好;

　　三是，稀土元素与铁水中的球化干扰元素也能形成稳定的化合物，因此含稀土的球化剂比镁球化剂的抗干扰能力强。

　　Ca元素的特性分析：钙在铁水中的溶解度很低，它对金相组织的影响是通过与氧和硫的结合而间接实现的。与镁相比，钙与硫、氧的亲和力更强，能够有效的脱硫除氧。钙残留量很低时，石墨分枝倾向增加，残留量较多时，可是使石墨尺寸减小，分枝倾向降低。钙残留量达到0.2%时，白口倾向明显加大。

　　2、反球化元素的作用

　　反球化元素主要是指破坏和阻碍使石墨球化的元素，按其作用机理大概可以分三类：

　　1、消耗型反球化元素，如硫、氧、硒、碲等，它们与镁、稀土元素生成化合物，通过消耗球化元素来阻止球状石墨的形成。

　　2、境界偏析的球化干扰元素，包括锡、锑、砷、铜、硼、钛、铝等，这些元素富集到晶界，促使碳在共晶后期结晶时，形成畸形的枝晶状石墨，如果这些元素含量较高，也可在共晶中期促成石墨畸变，形成团状或厚片状石墨。

　　3、一些中间球化干扰元素，如铝、铋，它们在含量较低时主演通过偏析作用促成石墨畸变，含量较高时也能消耗球化元素。另外，反球化元素对球铁基体也有不同的影响。TeB强烈促进白口的形成，AsSnSbPbBi稳定珠光体，AlZr促进铁素体形成，Se无影响。

　　球化元素的配置和球化剂的种类

　　镁、稀土和钙，是目前公认的有促进石墨球化的能力，但如何结合工业生产实际来制备和使用，既保证球化剂的球化能力，又要在生产中容易制取，原料经济，使用方便，便成为配制和使用球化剂的的原则。

　　球化元素的配置

　　球化元素的成分配制原则和特点:

　　1、要有强烈的球化能力，以镁为主。

　　2、消化中和反球化元素能力，稀土元素有有很强的脱硫除气、净化铁水和消除反球化元素的能力。

　　3、球化剂反应平稳，易于操作。因此，配制球化剂成分的原则和特点，就是要发挥各种球化元素的长处，来提高球化效果，并通过调整球化元素的含量来满足不同生产条件、不同结构铸件的需求。

　　目前球化剂主要有以下4种：

　　1、纯镁：这是国外常用的球化剂，国内应用比较少。压力加镁制取球铁，优点和缺点同样明显。

　　2、铜镁、镍镁：我国早期使用的该合金，但成本高，回炉料中铜和镍积累难以控制，造成韧性下降。

　　3、硅镁铁合金：一般镁含量最低3.5—4.5%。含镁量越低，球化反应越平稳，镁回收率越高，但是低镁球化剂是铁水的增硅量加大。该球化剂是用于处理硫和反球化元素含量较低的铁水，浇注中等断面厚度的铸件。

　　4、稀土镁类合金：包括稀土硅镁、稀土钙镁、稀土铜镁等合金，是目前国内应用量大面广的主要球化剂

　　球化剂质量的生产控制要点

　　目前，国内使用的稀土球化剂按照加工制造方法主要有火法冶炼、包芯线法、压块法、机械混合法等，而火法冶炼是后面几种方法的基础，也是生产稀土球化剂的主要方法。利用该方法生产球化剂，质量控制要点主要有以下几方面：

　　原材料准备

　　1、稀土硅铁合金：这是球化剂中稀土元素的唯一来源，要求不潮湿、不粉化、成份均匀、无夹杂物。以含稀土23-30%的稀土硅铁最为常用。

　　2、金属镁：镁在合金中主要以Mg-Si合金相状态存在，这有利于减少镁的氧化烧损。

　　3、硅铁：要求低铝，组织致密，无粉化、无夹杂物，国标75以下牌号的硅铁难熔且杂质多，不宜使用。

　　4、硅钙、硅钡：主要是要确定控制住合金中Ca、Ba的精确含量，其加入量少了会增加无效氧化镁的含量，造成球化剂使用时燃烧剧烈、白口倾向加大、衰退也快。

　　5、废钢：一般使用碳素钢，硅钢也可以，禁止使用其他合金钢，因为其中的合金元素可能是反球化元素，生产是不好控制。

　　熔炼过程控制

　　一是加料顺序要正确。要注意不让镁和废钢铁料直接接触。

　　二是熔制的成分要均匀。

　　三是合金锭厚要适当。

　　四是筛分粒度要分级。

　　判定球化剂质量的标准如下：

　　(1)球化元素与铁水中硫、氧等元素的亲和力。亲和力强，并与之形成化合物，作为铁液凝固过程中的外来核心，如稀土、镁、钙等球化元素。

　　(2)球化元素改变石墨形态由片状变为球状的能力。

　　(3)球化剂的密度、沸点均低于铁液。密度小能够在铁液中自动上浮，沸点低于铁液处理温度，镁能在该处理温度下转化为气态，有自搅拌作用，从而改善球化效果。

　　(4)球化剂中氧化镁含量等于镁含量的10%左右。

　　(5)球化剂致密、无偏析、无缩孔缩松、不粉化。

　　(6)球化剂粒度分布均匀，无粉状合金，钝角多变形颗粒为好。

　　(7)上述条件基本涵盖了球化剂生产和使用过程中的质量要求，因此可以作为供需双方判定质量的统一标准。

　　球化剂的选用

　　以上球化剂的质量评价标准，也可以说就是我们选用球化剂的依据，但那是按照普遍原理、普遍现象来说明，具体到球化剂的选用问题，现按照我们铸造厂的习惯来进行分析。

　　铸造厂在球化剂使用中遇到最多的普遍问题主要有：

　　(1)球化剂成分不准，并且波动。

　　(2)球化剂粉化合金粒度不合要求。

　　(3)球化剂不致密、上浮快，烧损严重。

　　(4)MgO含量过高，反应过于激烈，球化处理不良，球化剂加入量过大。

　　(5)球化处理后衰退快

　　(6)球化后白口倾向大。

　　那么，如何避免以上问题呢?

　　这当然要根据本厂的熔炼条件、铸件结构、组织和性能要求等条件，具体问题具体分析。为了叙述方便，本文按以下类型划分。

　　熔炼条件

　　1、冲天炉熔制球铁，因为冲天炉铁水温度低、含硫及其他杂质高，需要球化剂较强的脱硫和去渣能力，因此宜选用高牌号的球化剂，;

　　2、而对于电炉或者“双联”铁水熔制球铁，较常用低稀土低镁含量的球化剂，如含Mg1-6、Re4-8的球化剂。

　　铸件厚薄大小

　　1、选用低稀土、低镁球化剂;

　　2、而对于厚大断面球铁件(壁厚在100mm以上)，易选用高牌号球化剂或者提高球化剂加入量

　　3、选择钇基重稀土球化剂，它比铈系球化剂抗衰退能力强，白口倾向也小。

　　珠光体和铁素体铸件

　　影响球铁组织中珠光体含量的主要因素有凝固组织特点、通过共析区冷却速率、碳硅含量、合金元素种类和含量等。凝固组织中石墨球少、尺寸大，不利于碳的充分扩散，有利于增加珠光体，减少铁素体;奥氏体含炭量高、铸件冷却速率大都有增加珠光体的倾向。选用含有铜、锑或镍的球化剂或在铁水中加入铜、锑、镍、锡等元素，都可以稳定珠光体组织。而对于铁素体球铁一定要控制这些元素的含量，另外，由于稀土元素增加铁水的过冷倾向，生产铁素体铸件时，适宜选用稀土含量低的球化剂(Re含量不宜高于5%)。

　球化剂应用不当造成的常见缺陷

　　铸件缺陷诸如夹杂、孔洞、裂纹(指气孔、锁孔、裂纹、冷隔等)常常影响着铸件的力学性能、物理和化学性能、加工性能，决定了铸件的质量高低。球铁件几乎可能产生所有的铸造缺陷，但由于其生产方式、结晶规律、铸造性能和其他铸造合金不同，导致球铁常出现一些特有的缺陷。

　　那么与球化剂有关的球铁件缺陷有哪些?

　　(1)石墨球异化：石墨球异化出现不规则石墨，如团块状、蝌蚪状、蠕虫状、角状或其他非圆球状。

　　(2)石墨漂浮：过共晶成分的厚壁球铁件中，在浇注位置顶部，常常出现一个石墨密集区域，即“始末漂浮”现象，这是由于石墨与铁水密度不同，过共晶铁水直接析出的石墨受到浮力作用向上所致。

　　(3)反白口：一般铸铁件的白口组织容易出现在冷却较快的表层、尖角、披缝等处，反白口缺陷则相反，碳化物相出现在铸件中等断面心部、热节等部位。

　　(4)皮下针孔：皮下针孔内主要含有氢，也有少量一氧化碳和氮。

　　(5)缩孔缩松：缩孔常出现在铸件最后凝固部位(热节处、冒口颈与铸件连接处、内角或内浇口与铸件连接处)，是隐蔽于铸件内部或与外表连通的孔洞。

　　(6)黑渣：它一般发生在铸件的上部(浇注位置)，主要分为块状、绳索状和细碎黑渣。

　　(7)球化衰退：这是由于球化铁水停留时间较长，残留镁逐渐减少，熔渣没有及时扒除，硫还会回到铁水中，使凝固组织中的石墨减少甚至消失，衰变为不规则状、蠕虫状或片状石墨。

　　如何解决由于球化剂产生的铸件缺陷

　　(1)正确的球化处理工艺。其中包括选用处理方法、设计处理包、球化剂的放置、铁水冲入处理包的方式等。

　　(2)确立适宜的球化剂加入量和球化元素残余量。

　　(3)选择合理的原铁水化学成分。推荐成分如下：

　　铁素体球铁推荐成分

　　珠光体球铁推荐成分球铁件类型

　　上述成分是炉前球化处理后符合铸件要求的成分，原铁水的成分与这些含量会有变化。

　　(4)保持适宜的铁水处理温度和浇注温度。

　　(5)脱硫。球化处理虽然能使硫脱到预期含量，但高硫贴水处理后易产生较多的硅酸镁夹渣、“黑渣”缺陷、“回硫”现象等，降低球铁的球化率。

　　(6)保证孕育不衰退。球化后的铁水在较高过冷度下辖凝固时，易产生白口组织，因此需要进行孕育处理。

　　(7)炉前快速分析。

　　(8)计算机集成技术应用。