一種孕育劑及其制備方法和在冶煉球墨鑄鐵的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于冶金技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種孕育劑及其制備方法和該孕育劑在冶煉 球墨鑄鐵中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對鑄鐵力學(xué)性能的要求也愈來愈高。提高鑄鐵材料力學(xué)性 能的途徑主要有以下幾種：改變鑄鐵的碳與硅之比；孕育處理；熱處理；合金化。其中孕育 處理是比較簡便又經(jīng)濟、行之有效的方法。孕育處理要有合適的孕育劑，孕育劑對鑄鐵件的 質(zhì)量、成本，尤其對高檔鑄鐵件的發(fā)展有重要作用。孕育處理的作用在于改變鑄鐵共晶結(jié)晶 的凝固條件，達到消除白口、促進石墨化、細化晶粒、提高組織均勻性的目的，從而改善鑄鐵 的力學(xué)性能和加工性能。
[0003] 球墨鑄鐵的綜合性能接近于鋼，基于其優(yōu)異的性能，目前已成功地用于鑄造一些 受力復(fù)雜、強度、韌性、耐磨性要求較高的零件。球墨鑄鐵已迅速發(fā)展為僅次于灰鑄鐵的、應(yīng) 用十分廣泛的鑄鐵材料。我國球鐵生產(chǎn)主要采用冶金用75硅鐵作孕育劑，這種硅鐵中對孕 育起重要作用的Ca、A1沒有限定含量范圍，其孕育效果不穩(wěn)定。其他目前常用的硅鐵孕育 劑孕育生產(chǎn)的鐵液得到的鑄件的抗拉強度在300N/mm2以下，屈服強度也在250N/mm2以下， 不能滿足一些需要高韌性的機器鑄件要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的技術(shù)存在上述問題，提出了一種孕育方便，孕育效果 好，孕育后鑄鐵的延伸率和初性均大幅提尚的孕育劑。
[0005] 本發(fā)明的目的可通過下列技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種孕育劑，所述孕育劑的組成成分 及其質(zhì)量百分比為：Si :58% -62%，Ca :1. 0% -2. 5%，Sb :8% -12%，A1 :0· 2% -0· 6%，Bi : 2% -4%，Sr :0. 2% -0. 5%，余量為Fe以及不可避免的微量元素。
[0006] 孕育處理可促進石墨化，減少白口傾向，改善石墨形態(tài)和分布狀況，增加共晶團數(shù) 量，細化基體組織，提高力學(xué)性能。孕育衰退時，孕育元素的微粒消失，引起石墨形核結(jié)晶的 核心減少，造成滲碳體體積分數(shù)增加，白口傾向增加，硬度上升，影響鑄件的加工性能，導(dǎo)致 出現(xiàn)畸形石墨，降低鑄件的力學(xué)性能。由于澆包較大，一包鐵液可澆多件，澆注一定時間后 存在孕育衰退，因此，導(dǎo)致鑄件的力學(xué)性能不穩(wěn)定。本發(fā)明的孕育劑一方面含有Sr、Si等 元素，能夠生成穩(wěn)定的碳化物，因而衰退的時間可延長，能夠避免因澆注時間過長造成的孕 育元素消耗完畢而產(chǎn)生的孕育衰退現(xiàn)象。另一方面，在加入金屬元素的同時，引進一定濃度 的非金屬元素（S和0)，本發(fā)明的孕育劑通過Ca-Bi-S-Ο的配合作用，大幅增加了球墨鑄鐵 的石墨球數(shù)，改善了球墨鑄鐵的基體組織和力學(xué)性能，尤其是伸長率得到了明顯的提高。另 外，本發(fā)明孕育劑中的鋁和鈣會與氧、氮反應(yīng)，形成高熔點的化合物，成為石墨結(jié)晶的核心。 且，加入本發(fā)明的孕育劑后，鐵液中可形成局部的富硅微區(qū)，有利于石墨析出。但是，鐵液中 的鋁含量又不能太高，由于鋁元素具有很強的吸氧特性，多加入〇. 01 %的鋁元素，就可能導(dǎo) 致鑄件產(chǎn)生皮下氣孔；相應(yīng)地，鈣的化學(xué)性質(zhì)活潑，具有很強的脫氧去硫能力。因此，需要合 理的配置鈣和鋁的質(zhì)量百分比比例，一方面使得鐵液中盡量不產(chǎn)生皮下氣孔，另一方面又 要使得鐵液中可形成局部的富硅微區(qū)，便于石墨析出。
[0007] 作為優(yōu)選，所述孕育劑的組成成分及其質(zhì)量百分比為：Si :59% -60%，Ca: 1· 5% -2· 0%，Sb :9% -10%，A1 :0· 3% -0· 5%，Bi :2. 5% -3· 5%，Sr :0· 3% -0· 4%，余量 為Fe以及不可避免的微量元素。
[0008] 進一步優(yōu)選，所述孕育劑的組成成分及其質(zhì)量百分比為：Si :59. 5%，Ca :1. 8%， Sb :9. 5%，A1 :0. 4%，Bi :3. 0%，Sr :0. 3-0. 4%，余量為Fe以及不可避免的微量元素。
[0009] 進一步優(yōu)選，所述孕育劑的組成成分及其質(zhì)量百分比為：Si :59%，Ca :2. 0%，Sb : 9%，A1 :0. 5%，Bi :2. 5%，Sr :0. 4%，余量為Fe以及不可避免的微量元素。
[0010] 進一步優(yōu)選，所述孕育劑的組成成分及其質(zhì)量百分比為：Si :60%，Ca :1. 5%，Sb : 10%，A1 :0.3%，Bi :3. 5%，Sr :0.3%，余量為Fe以及不可避免的微量元素。
[0011] 進一步優(yōu)選，所述孕育劑的組成成分及其質(zhì)量百分比為：Si :58%，Ca :2. 5%，Sb : 8%，A1 :0.6%，Bi :2%，Sr :0.5%，余量為Fe以及不可避免的微量元素。
[0012] 進一步優(yōu)選，所述孕育劑的組成成分及其質(zhì)量百分比為：Si :62%，Ca :1. 0%，Sb : 12%，A1 :0.2%，Bi :4%，Sr :0.2%，余量為Fe以及不可避免的微量元素。
[0013] 本發(fā)明中上述孕育劑的制備方法包括如下步驟：
[0014] S1 :按上述孕育劑的質(zhì)量百分比稱取合金原料，并將稱取的合金原料粉碎；
[0015] S2 :將粉碎的合金原料放入真空坩堝內(nèi)升溫至1150°C至1300°C以使得各原料熔 化；
[0016] S3 :待原料充分熔化混合后，真空冷卻得到本發(fā)明孕育劑。
[0017] 本發(fā)明還提供一種上述孕育劑在冶煉球墨鑄鐵中的應(yīng)用，其利用三次孕育處理制 得球墨鑄鐵，三次孕育處理為在球化包的球化劑一側(cè)放入第一層孕育劑，在第一層孕育劑 上覆蓋第一層球狀球化劑，在第一層球狀球化劑上覆蓋一層生鐵片I，在生鐵片I上面覆 蓋第二層孕育劑，然后在第二層孕育劑上面依次覆蓋第二層球狀球化劑、一層生鐵片II和 第三層孕育劑，澆入鐵液進行球化和孕育處理。
[0018] 為了進一步提高球化和孕育效果，本發(fā)明改進了球化劑和孕育劑的放置方法，孕 育劑和球化劑采用疊放的方式，從下到上形成孕育劑-球化劑-孕育劑-球化劑-孕育劑 的形式，使球化和孕育處理基本上同時進行，提高了處理效果，最底層放置一層孕育劑，使 得球化完成后仍然在進行孕育處理，減緩了球化衰退，并且球化劑和孕育劑一次性放入，操 作方便。本發(fā)明在第一層球化劑上和第二次球化劑上覆蓋有一層生鐵片，因為鐵液熔化生 鐵片和需要一定的時間，所以延長了球化劑的起爆時間，使鐵液的液面得以上升，球化劑和 孕育劑上浮的路徑延長，在上浮過程中反應(yīng)的時間較長，從而提高球化劑的吸收率。由于生 鐵片的延緩作用，鐵液也可一次性澆入球化包，操作更加方便簡單，避免了傳統(tǒng)沖入法對于 工人的操作技能要求高，如果出鐵溫度高或者鐵液直接沖在球化劑上，很容易造成球化不 良的缺點，另外取消了灰鐵鐵肩的覆蓋，由于覆蓋所用灰鐵轉(zhuǎn)肩往往含錳、磷、硫及其它微 量元素較高，可導(dǎo)致球化衰退和性能不穩(wěn)定。
[0019] 作為優(yōu)選，所述的球化劑先制成粒徑1-25 μ m的超微粉體，再將超微粉體使用鋼 板包裹制成直徑均勻5-15mm的第一層球狀球化劑和第一層球狀球化劑。在球化孕育處理 時對傳統(tǒng)沖入法進行了改進，將傳統(tǒng)使用的塊狀球化劑制成超微粉體使用，試驗表明，使用 相同劑量的粉超微粉體球化劑，石墨的球化效果更好，石墨大部分呈球狀分布，只有很少量 呈團狀，石墨球細小均勻，圓整度和分散性較同量塊狀球化劑有明顯改善，鑄件的力學(xué)性能 也得到顯著提高。但是由于球化劑本身密度較小，制成超微粉體后，反應(yīng)中更容易上浮，并 且粉體球化劑在鐵液中更容易劇烈燃燒，為了讓粉體球化劑能夠在鐵液中均勻吸收并減緩 溶解速度，采用鋼板對粉體球化劑進行包裹制成球狀球化劑。作為優(yōu)選，所述鋼板選用冷 乳低碳鋼，因為冷乳低碳鋼不會影響鐵液的化學(xué)成分，也不會對球化處理過程中的球化效 果造成影響。本發(fā)明在進行球化處理時，球化劑的使用量較塊狀球化劑有很大幅度的減少， 可大幅節(jié)省生產(chǎn)成本，并且因本發(fā)明的球化劑具有超微粉體的特性，較大提高了球化劑的 吸收，減少了球化劑中鎂的燒損，同時也大大減少了球化處理中的閃光和煙霧，顯著改善環(huán) 境，保障操作工人的身體健康。
[0020] 進一步優(yōu)選，所述第一層球狀球化劑中包裹超微粉體的鋼板的厚度為5-8mm，第二 層球狀球化劑中包裹超微粉體的鋼板的厚度為2-5mm。第一層球狀球化劑和第二層球狀球 化劑中包裹超微粉體的鋼板的厚度不均一，是為了使得其與鐵液接觸后，每個球狀球化劑 的熔化時間不同，保證球狀球化劑可以到達不同的液面高度，球化劑在能夠被均勻吸收。這 樣設(shè)置可以使得球化處理時，球化劑分別在不同的液面高度與鐵液發(fā)生反應(yīng)，保證球化處 理時每一層球化劑都能被均勻吸收。鐵液注入到球化包內(nèi)，第二層覆蓋劑熔化后，第二層球 狀球化劑中包裹超微粉體的鋼板較薄，上升到較低液面即會熔化，首先與較低液面鐵液接 觸并反應(yīng)，隨著鐵液的繼續(xù)注入，第一層覆蓋劑也開始熔化，此時鐵液液面已經(jīng)上升到了較 高的位置，由于第一層球狀球化劑中包裹超微粉體的鋼板厚度較厚，上浮到較高的液面外 部包裹的鋼板才會熔化，第一層球化劑接觸鐵液開始反應(yīng)。
[0021] 作為優(yōu)選，所述球化劑包括以下質(zhì)量百分比的組分：Si :42-44%，Mg :7. 5-8%， RE :0. 1-0. 3%，納米SiC :10-15%，其余為Fe及不可避免的微量元素。本發(fā)明選用配比合理 高效的球化元素制成復(fù)配球化劑，球化劑中Mg含量較高，可有效去除鐵液中的氧、硫元素， 輔以稀土元素和高含量的Si，可緩解Mg過于激烈的反應(yīng)，Si有利于孕育。由于本發(fā)明采用 上述特殊的球化處理方法，可以減緩反應(yīng)的劇烈程度，因此可選用較低配比的稀土含量，有 利于降低成本。本發(fā)明在球化劑中添加了納米SiC，能有效增加球化效果，并增加球墨鑄鐵 的韌性和磨損性能。原因在于SiC納米粉體屬于硬質(zhì)點，其穩(wěn)定性好，恪點較高。當(dāng)含有SiC 納米粉體的球化劑加入到鐵液中時，其中的SiC粉體作為外來異質(zhì)形核，增加了石墨核心， 促進了石墨的細化，起到了孕育作用，縮短了石墨球在液態(tài)的自由生長時間，減少了液態(tài)下 畸變的可能，提高了圓整度，孕育處理使核心增多，減少了干擾元素的偏析，從而明顯改善 了石墨球的形態(tài)、分布和大小。所以，隨著含有SiC納米粉體的球化劑的加入，石墨球的尺 寸變小，圓整度變好，球鐵金相組織中的鐵素體含量增加，珠光體含量減小，鑄鐵的強度、塑 性、韌性和磨損性能也隨之提高，尤其是韌性和磨損性能。
[0022] 進一步優(yōu)選，所述納米SiC的粒徑為15-25nm。該粒徑范圍內(nèi)的納米SiC作為外來 異質(zhì)形核能較好地分散在鐵液中，對石墨有較好的吸附性能，有效促進球狀石墨的形成。
[0023] 作為優(yōu)選，生鐵片I的厚度為9-12_，生鐵片II的厚度為5-8_。本發(fā)明在球化劑 層均覆蓋有一層生鐵片，進行球化處理時能夠吸收一部分熱