球化剂文档格式.docx

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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。

　　稀土元素残留量对石墨球化有明显的影响。

轻稀土处理过共晶铁水，当残留铈含量0.04%时，石墨就可以球化，而且很稳定；

处理亚共晶铁水时，轻稀土加入量要增加。

轻稀土处理得球铁，石墨圆整度比镁处理得球铁要差，并出现碎块状石墨；

另外轻稀土处理得球铁白口倾向大，因此需要控制其加入量。

重稀土钇本身熔点高，其脱氧除硫产生的氧化物、硫化物在高温下比较稳定，因此其抗球化衰退能力很强。

1400度的铁水保温1小时，球化率降低不超过10%，含硫0.06%的铁水，用钇基重稀土合金处理后，能得到完整的球状石墨。

铁水中残留钇0.10—0.15%，石墨球化良好；

低于此限度，随钇量减少一次出现不规则石墨和蠕虫状石墨；

残留钇超过0.15而低于0.30%时，白口倾向逐渐增大，石墨圆整度变差，并在更高残留量时出现YTe4。

　　Ca：

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。

　　1、1、2反球化元素（球化干扰元素）的作用

　　该类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：

　　一是消耗型反球化元素，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。

　　二是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。

　　三是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。

Te\B强烈促进白口的形成，As\Sn\Sb\Pb\Bi稳定珠光体，Al\Zr促进铁素体形成，Se无影响。

　　1、2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。

1、2、1球化元素的配置

　　——成分配制原则和特点:

要有强烈的球化能力，着显然要以镁为主，镁的沸点低，加入铁水中可以使铁水剧烈翻腾，反应上下均匀；

配成合金后增加比重，使其在铁水中不易上浮，可以减少镁的氧化和烧损。

——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，而且我国稀土资源丰富，获取原料成本较低。

——球化剂反应平稳，易于操作。

钙虽然不能作为秋化剂单独使用，但用它和和镁、稀土配成复合球化剂，就既可以减少球化剂中MgO的含量，使球化处理平稳，还可以减少因稀土造成的较大白口倾向。

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。

　　1、2、2球化剂的种类

　　按照球化和反球化元素配置的原则，国内外曾先后开发了多种球化剂，大体上有以下几种：

————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。

————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。

————硅镁铁合金：

一般镁含量最低3.5—4.5%，最高10—15%，常用的合金是镁5—10%、硅42—47%，其余为贴。

含镁量越低，球化反应越平稳，镁回收率越高（含镁4%的能比9%个合金镁回收率提高10%），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。

目前在国内要大批量用于制造球墨铸铁将会与我国铸造企业的生产条件和原材料采购产生一定的矛盾。

————稀土镁类合金：

包括稀土硅镁、稀土钙镁、稀土铜镁等合金，是我国工程技术人员立足我国实际，在六十年代初研制开发的稀土镁类系列合金球化剂，它们综合了各种球化元素的优缺点，尤其是稀土镁钙合金，是目前国内应用量大面广的主要球化剂，从而走出了一条适合我国国情的球墨铸铁制造技术道路。

　　2、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：

　　2、1原材料准备

　　——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。

有资料介绍高硅稀土硅铁（俗称一步法生产的稀土硅铁，含硅55%）和常用的低硅稀土硅铁（俗称两步法生产的稀土硅铁，含硅36-44%）用来生产球化剂，实验室条件下，所制取的球铁组织、性能基本相当，都能满足生产要求。

只是前者抗拉强度稍高，后者铁素体量较多，在使用时要加以注意。

当然，这还需要工业化批量生产的进一步验证。

　　——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。

合金中的镁还可以分为有效镁和无效镁，无效镁主要就是指氧化镁，因此，要求原材料金属镁必须纯度高（一级镁，含镁99.7%以上），杂质少，不能氧化。

——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。

——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。

——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。

另外，要求废钢无油无锈无污责，尤其是铁锈容易被镁还原为氧化镁。

2、2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。

要让熔点低的镁熔化后首先与硅作用生成Mg-Si相，以减少镁的烧损。

　　二是熔制的成分要均匀。

除利用中频炉的自身感应搅拌外，还要人工适时适力的搅拌，以使合金成分在冶炼过程中均匀化。

冶炼过程中要防止“跑镁”、“棚料”和“碰炉”现象发生。

　　三是合金锭厚要适当。

合金液体浇注冷却后的锭厚如果太薄，其表面积大，合金冷却过程中容易造成更多的镁燃烧氧化，如果太厚，则因为合金元素的比重不一样，容易造成凝固过程中成分偏析。

适宜的厚度一般在10—15MM。

　　四是筛分粒度要分级。

凝固后的合金锭在破碎筛分前要进行表面清理氧化物、以及挑出夹杂物。

并根据用户的铁水包大小，把粒度分级包装，但不能有合金粉子存在。

　　2、3化学成分检验

　　一个合格的球化剂，除了外观致密、没有夹杂物等之外，更重要的还是其化学成分的含量及均匀性。

　　球化剂中，除了常规的Re,Mg,Si,Ca等元素的分析之外，生产厂和使用厂常常忽略了对合金中MgO的分析。

这也与没有统一的MgO国家分析标准有关，同一种合金在不同的厂家用不同的分析方法，得出的成分结论不一样。

这就要求合金生产厂和铸造厂用户要达成一个统一的验收分析标准来共同遵守。

　　3、球化剂质量的评价

　　什么样的球化剂是最好的？

这往往会成为诸多铸造厂的常年话题。

其实，可以说，球化剂没有最好的，只有适合的，适合自己的就是最好的。

那么，到底该如何评价球化剂的质量哪？

　　有资料从球化元素在铁液中的反应热力学、反应动力学和球化剂生产过程质量影响因素、铸造厂使用过程工艺影响因素，提出了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。

　　4、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，究竟选用什么样的球化剂才可以避免以上问题哪？

　　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。

　　4、1熔炼条件

　　冲天炉熔制球铁，在我国约有80%比例的企业采用，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，如FeSiMg10Re7,FeSiMg8Re7,FeSiMg8Re5；

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。

　　4、2铸件厚薄大小

　　不同壁厚、不同重量的铸件因为其凝固冷却条件不一致，那么对球化剂的选择也不能一样。

对于薄壁小件，凝固快、过冷度大，适宜球状石墨生长，同时也很容易出现碳化物，增加白口倾向，当残余镁超过0.07%时，更易产生碳化物，因此宜选用低稀土、低镁球化剂；

而对于厚大断面球铁件（壁厚在100mm以上），由于中心部位凝固速率小，存在球化衰退现象，易选用高牌号球化剂或者提高球化剂加入量（比一般球铁的残余镁含量高0.01—0.02%）。

但是残留稀土过高也会引起爆裂装石墨和反白口现象，因此又有研究在铁水中加入少量反球化元素（如0.005%的锑，或者铋、锡）来中和过量的稀土元素。

还有就是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。

　　4、3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%）。

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，或者说由于球化剂的因素引起球铁件缺陷有哪些?

　　本文研究表明，几乎所有的球铁件缺陷都与球化剂有关。

这主要有以下几方面：

（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。

这是由于球状石墨沿辐射方向生长时，局部晶体生长模式和生长速率偏离正常生长规律所致。

铸件中残余球化元素量超出应有范围时，如残余镁太高，超过了保持石墨球化所需的最低量时，也会影响石墨结晶条件，就容易产生蝌蚪壮石墨。

而残余稀土较多时，高碳当量铁水易产生碎块石墨，碎块石墨的集中区域一般称做“灰斑”。

而蠕虫状石墨的出现则是由于球化元素残余量不足或者含有超限的钛和铝。

（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。

石墨漂浮程度与碳当量、球化元素的种类及残留量、铸件凝固时间、浇注温度等因素有关系。

镁能使球铁的共晶含碳量提高，碳当量相同的铁水，提高其残余镁量就能减少石墨漂浮，残留稀土量过高，有助于爆裂状石墨的升成。

　　（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。

球化元素残余量过多时，有促进反白口缺陷产生的作用，稀土元素强于镁，它们一般都能增加球铁组织形成时的过冷度。

　　（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。

残余镁量过高时，也同时加强了从湿型中吸收氢的倾向，因而产生皮下针孔的几率增加。

另外，球化铁水停留时间长也能增加针孔的数量。

　　（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。

缩松，宏观的出现在热节处，细微的收缩孔洞，大多是孔洞内部互相连通。

与球化元素有关的是，要控制残余镁和稀土不能过高，这对减少宏观和微观缩松都有明显效果，缩松倾向几乎与球化元素成正比。

　　（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。

黑渣的主要成分硅酸镁，是由铁水中MgO和SiO2反应生成的，并受其相对含量的影响。

因此，作为控制黑渣的措施之一就是减少镁的残余量（加镁0.15%时，渣总量约占铁水重量的0.1%），而残余稀土因与氧有很强的亲和力，在减少黑渣方面有明显的效果。

　　（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。

这种球化衰退与球化剂中稀土含量较低、或者球化剂加入量偏低有一定的关系，但紧靠增加其加入量也很不可取，因为镁残余量高了，熔渣量和渗碳体都会增加，在厚大断面中还会使石墨球蜕变为蝌蚪状石墨。

生产实践表明：

原铁水含硫量低对防止球化衰退才是最有效的。

　　包括还有的球铁件缺陷，几乎都与球化剂的成分和加入量有关系，但我们不能指望球化剂解决很多问题，更不能解决所有问题，因为球化元素的作用以及球化剂的加入量都是利弊共存的，球化剂只是球墨铸铁稳定生产控制系统中的一个很重要的因素，只有和其他配套措施结合在一起，才能够稳定的进行球化处理。

6、稳定球铁生产的配套措施

　　要稳定生产球铁件，选用一种适宜的球化剂是至关重要的，但绝对不是唯一的因素。

一般来说，什么球化剂都可以成功的生产出球铁。

但要稳定的生产出球铁件，其实就是个系统工程，本文称作球铁稳定生产控制系统，出正确选用球化剂外，还需要以下配套措施：

（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。

球化处理方法现在有冲入法、包盖法、喂丝法、压力加镁法、型内球化等10多种，但作为稀土镁类球化剂常用冲入法进行球化处理，但铁水不能直接冲向合金。

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，堤坝一边空间能够放置所有紧实后的球化剂和覆盖材料，

（2）确立适宜的球化剂加入量和球化元素残余量。

球化剂加多少为宜，反应后到底该保证残余的球化元素含量多少为好，也常常成为求铁件生产时的一个老大难。

现在的企业对车间生产成本都进行控制和考核，总是希望球化剂加入量越小越好，否则就埋怨球化剂不好使用。

事实上，球化剂的加入量要依照预期设计的残余球化元素的含量来控制，而残余球化元素则要根据具体的铸件结构、球化等级和性能要求等来确立，一般球化元素残余量在Mg0.04—0.06%、Re0.02—0.03%时，可以获得无碳化物、球化良好的铸件，中等厚度（50—100mm）铸件比薄壁的残余Mg可增加0.01%，厚壁铸件可以提高到0.050—0.08%。

厚断面铸件铈基轻稀土超过0.006%，其心部出现碎块状始末，应限制其加入量而最好代之以钇基稀土球化剂，残余钇含量应小于0.018%。

　　（3）选择合理的原铁水化学成分。

球铁件化学成分选择的出发点是应充分考虑铸件的基体组织、性能要求、壁厚结构以及是否铸态使用等。

推荐成分如下：

　　铁素体球铁推荐成分

球铁件类型

C

Si

Mn≤

P≤

S≤

其他

铁素体

铸态

3.5-3.9

2.5-3.0

0.25

0.07

0.02

退火

2.0-2.7

0.40

　　珠光体球铁推荐成分球铁件类型

珠光体

3.6-3.8

2.1-2.5

0.40-0.55

Cu0.5-1.0Mo0.3-0.7

正火

3.5-3.7

2.0-2.4

0.40-0.80

　　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，具体是：

C要高些，一般情况是球化处理后的减碳量为原铁水的5-8%，残余镁越高，则减碳量越多，这是由于球化处理过程中，铁水温度快速降低，部分初生石墨漂浮并与铁水中的硫化镁、硅酸镁等结合而转入熔渣；

Si在原铁水中的含量一般远低于球铁件终硅量，这是由于球化剂、孕育剂带进Si（处理过程中损失转入熔渣一部分后，带进它们总含量的70-80%），原铁水中的Si实际含量与预期值一般波动0.10-0.15%；

Mn在处理后的减少量约为原铁水中含量的3-8%；

P含量在处理前后基本不变化；

S属于有害元素，原铁水中应该是越低越好。

原铁水中反球化元素的允许含量如下：

锑0.002%,铋0.002%,铅0.002%,硒0.03%,钛0.07%,碲0.02%。

　　Al容易使铸件产生气孔；

生产高韧性球铁时，促进珠光体和碳化物形成的元素应尽量少，如铜、锑、镍、锡等。

　　（4）保持适宜的铁水处理温度和浇注温度。

球化处理过程中，熔化合金、镁气化、二次孕育、锑水翻腾辐射传导、镁在铁水表面燃烧、脱硫反应和硅氧化反应等，约将地铁水温度85-95度，因此铁水炉前处理温度要高于浇注温度110-130度，处理温度过高会加剧镁的烧损，回收率不稳定，造成球化不良。

浇注温度要根据铸件壁、复杂程度、补缩要求、同一包铁水要浇注的砂型数量、铸件重量、是否需要二次孕育等因素来定，厚大件不宜超过1320度，薄壁件在1320-1350度就可以，低温浇注可能使铸件产生诸如夹渣、冷隔、锁孔等缺陷。

出炉温度壁炉前处理高出20-30度就可以。

温度过高时，可以在包中稍作停留。

　　（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。

含硫超过0.1%的原铁水虽然也能生产出合格的球铁件，但代价是球化剂、去渣剂加入量高，球化等级低，因此，用脱硫剂对冲天炉高硫铁水进行脱硫预处理是稳定生产球铁的有效措施之一，至于是否采用预脱硫，每个厂要结合实际从经济上、技术上进行全面地衡量比较。

　　（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。

——孕育剂，常用孕育剂主要是硅铁，但要保证Si的含量在70%以上，通常国标75就可以，因为低牌号硅铁杂质和Al等有害元素多。

目前，又出现一些含Ca,Ba,Sr,Bi和Re等元素的复合孕育剂。

山东华晨有限公司生产的铸态铁素体和铸态珠光体专用孕育剂就是一种强墨化、反白口、抗衰退、脱硫脱氧能力强的复合长效孕育剂。

（见下标）——孕育工艺，孕育剂好，更需要准确地加入量、正确的处理工艺。

孕育剂加入量与铁水成分、出炉和浇注温度、处理后停留时间、铸件厚薄、浇注时间等有关；

孕育方法常用的就是覆盖在球化剂上面，另外还有二次孕育、浮硅孕育、型内孕育和喂丝孕育等。

——孕育衰退，这是孕育处理中相伴相生的问题。

为了避免这个问题，措施有：

保证孕育剂成分并且没有夹杂，粒度适宜，选择长效孕育剂，处理方法得当等。

（7）炉前快速分析。

比如购置光谱分析仪，能够及时快捷的指导铁水成分调整、炉前处理以及组织性能的跟踪监控。

　　（8）计算机集成技术应用。

铸造生产是一种材料通过“固态-液态-固态”的转变，一次性成型来完成产品生产的工艺过程。

利用计算机模拟球铁铸造工艺过程，即铸造工艺CAD，来模拟凝固过程、充型过程和铸件热应力、微观组织数值，实现铸造工艺的最优化设计，提高设计的质量和科学性、缩短设计的周期、保证铸件质量和提高经济效益。

同时，推行计算机集成制造系统（CMIS）,综合运用现代管理技术、制造技术、网络技术、电子商务、系统工程技术，将球铁生产过程中的采购、设备、技术、质量、人员和其他生产经营管理要素编入数据库，使物流、人流、信息流有机集成，达到铸件生产整体优化，从而实现铸造行业的优质、低耗运行。