CN111020097A - 一种低镁球化剂的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低镁球化剂的制备方法，属于球墨铸铁技术领域。本发明以镁粉、钇粉、铈粉、钙粉为原料，制备一种低镁球化剂，镁是基本的石墨球化元素，镁的化学性质活泼,脱硫去氧能力强,生成的硫化物、氧化物熔点高，密度小，较易浮出铁液而除去，钇、铈等稀土元素的球化能力很强，添加钇、铈这类稀土元素可以起到良好的辅助球化作用，加入钇、铈元素，可以减小镁的加入量，减少可能产生的黑渣缺陷，即使原铁水硫含量较高，也能取得稳定的球化效果；铁液中加入钙能产生脱氧除硫、提高铁液表面张力的作用，可以降低主要球化元素的加入量，增强球化效果。

Description

一种低镁球化剂的制备方法

技术领域

本发明涉及一种低镁球化剂的制备方法，属于球墨铸铁技术领域。

背景技术

铸铁作为重要的金属材料广泛的应用于工业生产中，成为机械制造业的重要基础。球墨铸铁于1947年发明，大幅提高了铸铁原有的综合性能，其强度、塑初性和延展性与钢相似，可以较好的用于受力较复杂，强度、初性和耐磨性要求较高的铸造零件。球墨铸铁迅速成为应用广泛的金属材料。

随着工业技术的发展，球墨铸铁除了满足常温环境下的使用要求，还需要满足低温环境下具备较好的力学性能和低温抗冲击性能的要求，避免低温运行发生脆性断裂，实现低温工作环境下良好的使用效果。此外，球墨铸铁厚大件的工艺优化也是发展趋势之一。对于大型复杂的结构件，由于球墨祷铁的画有凝固特点，石墨组织在厚大部位处易发生畸变从而严重影响球墨铸铁的性能，其工艺与质量的控制仍然困难。

球墨铸铁最主要的应用是在球墨铸铁管和机械制造业。随着目前我国城镇化进程的加快，大规模开展城镇的基础设施建设，并且球墨铸铁材料优异的品质，球墨铸铁管在很多新建项目上已经代替灰口铸铁管等，成为高质量的工程建设材料，其需求持续性增长。而珠光体和铁素体球墨铸铁在机械制造业中占有重要地位，是制造曲轴、齿轮、活塞受压阀门等的重要金属材料。另外，奥贝球铁又给球墨铸铁的发展提供了新的动力。在美国，轿车的控制臂和小型卡车的牵引钩等产品都釆用奥贝球铁进行制造。英国奥贝球铁的应用也十分广泛，因此可以说，新发展的奥贝球铁产生了球墨铸铁应用的新飞跃。

目前球化剂的种类繁多，国内外的球化剂使用也不尽相同，目前在国内应用最广泛的是稀土镁合金球化剂，合金的好处在于可以一定程度上降低主要球化元素镁和稀土的加入量，避免因残留量过高而引起的恶化现象，并己经形成了一个完整的球化剂系列。稀土镁合金球化剂同时具有RE和Mg元素的优点，又弥补了二者在球化反应中的不足。稀土镁合金球化剂中主要球化元素是镁，RE元素则有辅助球化作用，同时可以脱硫脱氧、净化铁液和消除干扰元素作用。

镁和稀土的残留量需要综合考虑铸件大小和壁厚等相关因素，一般来讲，铸件越

大，壁越厚，应该提高镁的残留量，降低稀土的残留量。

国外球化剂主要有镁系和妈系两大类，镁系球化剂应用最广泛，韩系球化剂主要应用是在日本最初纯镁用作球化剂进行球化处理，球化工艺采用压力加镁法，苏联釆用采用此方法一次最多可以生产球墨铸铁loot以上。最近美国开始用充镁焦炭生产球墨铸铁，比例大约为15%。此方法具有球化处理时降温少、价格便宜和除渣容易等优点。而耗系球化剂生产的球墨铸铁表面较清洁，石墨漂浮较少，白口倾向较低。

随着科学技术的快速发展，球墨铸铁综合性能与生产工艺的要求越来越高。曾经广泛使用的球化处理方法逐渐不适应新时代的工业生产，因此球化剂和球化工艺的改进日益重要。

国内球化剂的使用现状是纯镁和稀土镁合金作为球化剂广泛使用。采用纯镁

处理的球化效果好，并且价格便宜。但纯镁的沸点仅为1108℃，远低于球化处理温度，镁在铁液中迅速气化使铁水沸腾，加大了镁与空气中的氧接触燃烧，造成氧化烧损。所以纯镁作为球化剂，一般需配合压力加镁法或盖包法使用，以防止镁的损失稀土镁合金具有球化处理简单，抗干扰元素的能力强等优点，但石墨易出现畸形从而影响球墨铸铁的综合性能。

综合国内外关于研究与应用现状，球化剂主要有下列两方面的问题需要解决:第一，球化剂在球化反应中速度快，吸收率低，消耗大，应该抑制其反应速率，提高吸收率，是该研究成功关键。第二，MgO含量高反应过于剧烈，导致球化处理不良，球化剂加入量增大，因此降低MgO含量也是至关重要的因素。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对球化剂中含有大量Mg，导致MgO含量高，反应过于剧烈，球化处理不良，球化剂加入量增大的问题的问题，提供了一种低镁球化剂的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案是：

（1）取一块硅铁合金孕育剂浸没于原始球化剂前驱体浆料内，得含有硅铁合金孕育剂的原始球化剂前驱体浆料；

（2）将含有硅铁合金孕育剂的原始球化剂前驱体浆料倒入模具中，置于管式气氛炉中，通入氩气保护，从常温升至600~800℃，保温30~40min，再升至1600~1800℃，保温煅烧20~30min，随炉冷却至室温，脱模，得含孕育剂的原始球化剂；

（3）将2/3的镀锌铁粉均匀铺撒至模具中，将含孕育剂的原始球化剂置于模具内，将剩余1/3镀锌铁粉均匀铺撒至含孕育剂的原始球化剂上，置于马弗炉中，从常温升至800~900℃，保温煅烧1~2h，随炉冷却至室温，脱模，得低镁球化剂。

所述的原始球化剂前驱体浆料、镀锌铁粉的重量份为80~100份原始球化剂前驱体浆料、40~50份镀锌铁粉。

步骤（2）所述的模具规格为400mm×160mm×160mm，氩气的通入速率为120~140mL/min，升温速率为20℃。

步骤（3）所述的模具规格为500mm×180mm×180mm，升温速率为15℃/min。

步骤（1）所述的原始球化剂前驱体浆料的具体制备步骤为：

（1）将纯硅粉、镁粉、钇粉、铈粉、钙粉、铁粉置于高速搅拌机中，常温下以1600~1800r/min转速搅拌20~30min，得混合粉末；

（2）将混合粉末加入无水乙醇中，置于球磨机内，常温下以200~240r/min转速球磨8~10h，得混合浆料；

（3）将混合浆料置于超声波分散机中，在40~50℃的条件下超声处理30~40min，得原始球化剂前驱体浆料。

所述的纯硅粉、镁粉、钇粉、铈粉、钙粉、铁粉、无水乙醇的重量份为80~100份纯硅粉、8~10份镁粉、8~10份钇粉、16~20份铈粉、4~5份钙粉、80~100份铁粉、400~500份无水乙醇。

步骤（3）所述的超声处理的功率为300~400W。

步骤（1）所述的硅铁合金孕育剂的具体制备步骤为：

（1）将纯硅粉、钡粉、锆粉、铁粉置于高速搅拌机中，常温下以1200~1600r/min转速搅拌混合20~30min，得孕育剂胚粉；

（2）将孕育剂胚粉置于多功能熔融炉中，从常温升至1700~1800℃，保温1~2h，得孕育剂熔融液，将孕育剂熔融液趁热倒入模具中，置于冷水中淬冷，取出，得硅铁合金孕育剂。

所述的纯硅粉、钡粉、锆粉、铁粉的重量份为40~50份纯硅粉、8~10份钡粉、4~5份锆粉、60~80份铁粉。

步骤（2）所述的升温速率为50℃/min，模具规格为200mm×80mm×80mm。

本发明与其他方法相比，有益技术效果是：

（1）本发明以镁粉、钇粉、铈粉、钙粉为原料，制备一种低镁球化剂，镁是基本的石墨球化元素，镁的化学性质活泼,脱硫去氧能力强,生成的硫化物、氧化物熔点高，密度小，较易浮出铁液而除去，镁进入铁液后首先起脱硫去氧作用，当铁液中的硫降至一定值时，镁开始对石墨起球化作用，促使石墨长成球状，从而有效提高球化剂的球化效率，钇、铈等稀土元素的球化能力很强，添加钇、铈这类稀土元素可以起到良好的辅助球化作用，钇、铈在球化剂中有脱硫、除氧、净化铁液、消除干扰元素作用，能降低共晶点，增加过冷度，同时对球铁性能有良好的改善作用，可以提高铸造流动性，降低铁液氧化膜温度，改变球铁收缩特性，减少缩松，提高机械性能，细化石墨提高耐磨性，钇、铈脱氧脱硫、除气能力强，能够有效降低干扰元素的作用，对于厚壁铸件，冷却速度小，凝固时间长，残留的钇、铈容易富集在共晶团边界，产生晶间碳化物，对于薄壁铸件，冷却速度较快，钇、铈容易提高白口倾向，因此需要适当控制球化剂的加入量，钇、铈元素和镁同时存在时，该合金的球化效果比较好，加入钇、铈元素，可以减小镁的加入量，减少可能产生的黑渣缺陷，即使原铁水硫含量较高，也能取得稳定的球化效果；铁液中加入钙能产生脱氧除硫、提高铁液表面张力的作用，脱硫后铁液中的钙含量对石墨形态有影响。增加钙，石墨尺寸减小，分支倾向降低，钙与镁、稀土元素配成球化剂，可以降低主要球化元素的加入量，增强球化效果；

（2）本发明通过添加纯硅粉和铁粉，制备一种低镁球化剂，球化剂中加入一定的铁、硅可以调节球化剂的熔点和密度，铁、硅、稀土组成的球化剂中，硅在一范围内可以使合金熔点降至最低，使得生产球化剂时熔炼方便，同时，在球化处理时，合金能迅速熔化，从而提高球化剂的利用率，降低球化剂的使用量。

具体实施方式

按重量份数计，分别称量40~50份纯硅粉、8~10份钡粉、4~5份锆粉、60~80份铁粉，将纯硅粉、钡粉、锆粉、铁粉置于高速搅拌机中，常温下以1200~1600r/min转速搅拌混合20~30min，得孕育剂胚粉，将孕育剂胚粉置于多功能熔融炉中，以50℃/min的升温速率从常温升至1700~1800℃，保温1~2h，得孕育剂熔融液，将孕育剂熔融液趁热倒入规格为200mm×80mm×80mm的模具中，置于冷水中淬冷，取出，得硅铁合金孕育剂；再按重量份数计，分别称量80~100份纯硅粉、8~10份镁粉、8~10份钇粉、16~20份铈粉、4~5份钙粉、80~100份铁粉、400~500份无水乙醇，将纯硅粉、镁粉、钇粉、铈粉、钙粉、铁粉置于高速搅拌机中，常温下以1600~1800r/min转速搅拌20~30min，得混合粉末，将混合粉末加入无水乙醇中，置于球磨机内，常温下以200~240r/min转速球磨8~10h，得混合浆料，将混合浆料置于超声波分散机中，在40~50℃的条件下以300~400W的功率超声处理30~40min，得原始球化剂前驱体浆料；再按重量份数计，分别称量80~100份原始球化剂前驱体浆料、40~50份镀锌铁粉，取一块硅铁合金孕育剂浸没于原始球化剂前驱体浆料内，得含有硅铁合金孕育剂的原始球化剂前驱体浆料，将含有硅铁合金孕育剂的原始球化剂前驱体浆料倒入规格为400mm×160mm×160mm的模具中，置于管式气氛炉中，以120~140mL/min的速率通入氩气保护，以20℃的升温速率从常温升至600~800℃，保温30~40min，再升至1600~1800℃，保温煅烧20~30min，随炉冷却至室温，脱模，得含孕育剂的原始球化剂，将2/3的镀锌铁粉均匀铺撒至规格为500mm×180mm×180mm的模具中，将含孕育剂的原始球化剂置于模具内，将剩余1/3镀锌铁粉均匀铺撒至含孕育剂的原始球化剂上，置于马弗炉中，以15℃/min的升温速率从常温升至800~900℃，保温煅烧1~2h，随炉冷却至室温，脱模，得低镁球化剂。

实施例1

按重量份数计，分别称量40份纯硅粉、8份钡粉、4份锆粉、60份铁粉，将纯硅粉、钡粉、锆粉、铁粉置于高速搅拌机中，常温下以1200r/min转速搅拌混合20min，得孕育剂胚粉，将孕育剂胚粉置于多功能熔融炉中，以50℃/min的升温速率从常温升至1700℃，保温1~2h，得孕育剂熔融液，将孕育剂熔融液趁热倒入规格为200mm×80mm×80mm的模具中，置于冷水中淬冷，取出，得硅铁合金孕育剂；再按重量份数计，分别称量80份纯硅粉、8份镁粉、8份钇粉、16份铈粉、4份钙粉、80份铁粉、400份无水乙醇，将纯硅粉、镁粉、钇粉、铈粉、钙粉、铁粉置于高速搅拌机中，常温下以1600r/min转速搅拌20min，得混合粉末，将混合粉末加入无水乙醇中，置于球磨机内，常温下以200r/min转速球磨8h，得混合浆料，将混合浆料置于超声波分散机中，在40℃的条件下以300W的功率超声处理30min，得原始球化剂前驱体浆料；再按重量份数计，分别称量80份原始球化剂前驱体浆料、40份镀锌铁粉，取一块硅铁合金孕育剂浸没于原始球化剂前驱体浆料内，得含有硅铁合金孕育剂的原始球化剂前驱体浆料，将含有硅铁合金孕育剂的原始球化剂前驱体浆料倒入规格为400mm×160mm×160mm的模具中，置于管式气氛炉中，以120mL/min的速率通入氩气保护，以20℃的升温速率从常温升至600℃，保温30min，再升至1600℃，保温煅烧20min，随炉冷却至室温，脱模，得含孕育剂的原始球化剂，将2/3的镀锌铁粉均匀铺撒至规格为500mm×180mm×180mm的模具中，将含孕育剂的原始球化剂置于模具内，将剩余1/3镀锌铁粉均匀铺撒至含孕育剂的原始球化剂上，置于马弗炉中，以15℃/min的升温速率从常温升至800℃，保温煅烧1h，随炉冷却至室温，脱模，得低镁球化剂。

实施例2

按重量份数计，分别称量45份纯硅粉、9份钡粉、4.5份锆粉、70份铁粉，将纯硅粉、钡粉、锆粉、铁粉置于高速搅拌机中，常温下以1400r/min转速搅拌混合25min，得孕育剂胚粉，将孕育剂胚粉置于多功能熔融炉中，以50℃/min的升温速率从常温升至1750℃，保温1.5h，得孕育剂熔融液，将孕育剂熔融液趁热倒入规格为200mm×80mm×80mm的模具中，置于冷水中淬冷，取出，得硅铁合金孕育剂；再按重量份数计，分别称量90份纯硅粉、9份镁粉、9份钇粉、18份铈粉、4.5份钙粉、90份铁粉、450份无水乙醇，将纯硅粉、镁粉、钇粉、铈粉、钙粉、铁粉置于高速搅拌机中，常温下以1700r/min转速搅拌25min，得混合粉末，将混合粉末加入无水乙醇中，置于球磨机内，常温下以220r/min转速球磨9h，得混合浆料，将混合浆料置于超声波分散机中，在45℃的条件下以350W的功率超声处理35min，得原始球化剂前驱体浆料；再按重量份数计，分别称量90份原始球化剂前驱体浆料、45份镀锌铁粉，取一块硅铁合金孕育剂浸没于原始球化剂前驱体浆料内，得含有硅铁合金孕育剂的原始球化剂前驱体浆料，将含有硅铁合金孕育剂的原始球化剂前驱体浆料倒入规格为400mm×160mm×160mm的模具中，置于管式气氛炉中，以130mL/min的速率通入氩气保护，以20℃的升温速率从常温升至700℃，保温35min，再升至1700℃，保温煅烧25min，随炉冷却至室温，脱模，得含孕育剂的原始球化剂，将2/3的镀锌铁粉均匀铺撒至规格为500mm×180mm×180mm的模具中，将含孕育剂的原始球化剂置于模具内，将剩余1/3镀锌铁粉均匀铺撒至含孕育剂的原始球化剂上，置于马弗炉中，以15℃/min的升温速率从常温升至850℃，保温煅烧1.5h，随炉冷却至室温，脱模，得低镁球化剂。

实施例3

按重量份数计，分别称量50份纯硅粉、10份钡粉、5份锆粉、80份铁粉，将纯硅粉、钡粉、锆粉、铁粉置于高速搅拌机中，常温下以1600r/min转速搅拌混合30min，得孕育剂胚粉，将孕育剂胚粉置于多功能熔融炉中，以50℃/min的升温速率从常温升至1800℃，保温2h，得孕育剂熔融液，将孕育剂熔融液趁热倒入规格为200mm×80mm×80mm的模具中，置于冷水中淬冷，取出，得硅铁合金孕育剂；再按重量份数计，分别称量100份纯硅粉、10份镁粉、10份钇粉、20份铈粉、5份钙粉、100份铁粉、500份无水乙醇，将纯硅粉、镁粉、钇粉、铈粉、钙粉、铁粉置于高速搅拌机中，常温下以1800r/min转速搅拌30min，得混合粉末，将混合粉末加入无水乙醇中，置于球磨机内，常温下以240r/min转速球磨10h，得混合浆料，将混合浆料置于超声波分散机中，在50℃的条件下以400W的功率超声处理40min，得原始球化剂前驱体浆料；再按重量份数计，分别称量100份原始球化剂前驱体浆料、50份镀锌铁粉，取一块硅铁合金孕育剂浸没于原始球化剂前驱体浆料内，得含有硅铁合金孕育剂的原始球化剂前驱体浆料，将含有硅铁合金孕育剂的原始球化剂前驱体浆料倒入规格为400mm×160mm×160mm的模具中，置于管式气氛炉中，以140mL/min的速率通入氩气保护，以20℃的升温速率从常温升至800℃，保温40min，再升至1800℃，保温煅烧30min，随炉冷却至室温，脱模，得含孕育剂的原始球化剂，将2/3的镀锌铁粉均匀铺撒至规格为500mm×180mm×180mm的模具中，将含孕育剂的原始球化剂置于模具内，将剩余1/3镀锌铁粉均匀铺撒至含孕育剂的原始球化剂上，置于马弗炉中，以15℃/min的升温速率从常温升至900℃，保温煅烧2h，随炉冷却至室温，脱模，得低镁球化剂。

将本发明制备的低镁球化剂进行性能检测，具体检测结果如下表表1。

拉伸试验

金属材料在外力作用下表现出的力学性能，包括抗拉强度、屈服强度、延伸率、硬度等。尺寸按照拉伸试验机和 GB/T1348-1988 中的拉伸尺寸设计。每种试验参数下的拉伸试样数量为 3 根，剔除偶然误差后，取其平均值作为最终的试验结果。在WBW-300B 型的微机屏显液压万能试验机上进行拉伸实验。

布氏硬度试验

硬度试验按照 GB/T231-1984 《金属布氏硬度试验方法》在 HB-3000 型布氏硬度计上进行。硬度测试试样均取自于浇铸试样的芯部，在做硬度试验前，要求试验面应为光滑平面，不应有氧化皮及外来污物。试验面粗糙度 Ra值应为 0.8μm，以保证压痕直径能准确地测量。试验时所施加的载荷为 30kN，选择压头直径为 10mm，加载时间为 30s。采用读数显微镜测量压痕直径。每种试验参数下取 5 个测量点，剔除偶然误差后，取其平均值作为最终的试验结果。

延伸率的测定

延伸率是通过拉伸试样前后的长度改变来进行计算得出的数据，它是考察球墨铸铁塑性能力的一个重要指标。断后伸长率按下列公式计算：

δ =100%( L1−L0)/L0式中，

δ——延伸率（%）；

L1 ——试样拉断后的标距（mm）；

L 0——试样原始标距（mm）

4.石墨球化率的测量与计算方法

按球墨铸铁金相标准（GB/T9441-1988）规定，球化率的测量条件是：试样抛光不侵蚀；观察与测量视野为φ70mm 内的石墨（与外接圆相割的石墨不在测量计数之内）；观察与拍照的倍率为 100 倍；观察视野中石墨球径小于 2mm 时不测量；视野中石墨球数不少于 20颗；石墨球径小于 2mm 或大于 12mm 时，可适当改变放大倍数。通过将被观察视野中的石墨与标准对比确定等级。

表1低镁球化剂性能表征

由表1可知，本发明制备的低镁球化剂，力学性能优异，球化率高。

Claims (10)

1.一种低镁球化剂的制备方法，其特征在于，具体制备步骤为：

（1）取一块硅铁合金孕育剂浸没于原始球化剂前驱体浆料内，得含有硅铁合金孕育剂的原始球化剂前驱体浆料；

（2）将含有硅铁合金孕育剂的原始球化剂前驱体浆料倒入模具中，置于管式气氛炉中，通入氩气保护，从常温升至600~800℃，保温30~40min，再升至1600~1800℃，保温煅烧20~30min，随炉冷却至室温，脱模，得含孕育剂的原始球化剂；

（3）将2/3的镀锌铁粉均匀铺撒至模具中，将含孕育剂的原始球化剂置于模具内，将剩余1/3镀锌铁粉均匀铺撒至含孕育剂的原始球化剂上，置于马弗炉中，从常温升至800~900℃，保温煅烧1~2h，随炉冷却至室温，脱模，得低镁球化剂。

2.根据权利要求1所述的一种低镁球化剂的制备方法，其特征在于，所述的原始球化剂前驱体浆料、镀锌铁粉的重量份为80~100份原始球化剂前驱体浆料、40~50份镀锌铁粉。

3.根据权利要求1所述的一种低镁球化剂的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的模具规格为400mm×160mm×160mm，氩气的通入速率为120~140mL/min，升温速率为20℃。

4.根据权利要求1所述的一种低镁球化剂的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的模具规格为500mm×180mm×180mm，升温速率为15℃/min。

5.根据权利要求1所述的一种低镁球化剂的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的原始球化剂前驱体浆料的具体制备步骤为：

（1）将纯硅粉、镁粉、钇粉、铈粉、钙粉、铁粉置于高速搅拌机中，常温下以1600~1800r/min转速搅拌20~30min，得混合粉末；

（2）将混合粉末加入无水乙醇中，置于球磨机内，常温下以200~240r/min转速球磨8~10h，得混合浆料；

（3）将混合浆料置于超声波分散机中，在40~50℃的条件下超声处理30~40min，得原始球化剂前驱体浆料。

6.根据权利要求5所述的一种低镁球化剂的制备方法，其特征在于，所述的纯硅粉、镁粉、钇粉、铈粉、钙粉、铁粉、无水乙醇的重量份为80~100份纯硅粉、8~10份镁粉、8~10份钇粉、16~20份铈粉、4~5份钙粉、80~100份铁粉、400~500份无水乙醇。

7.根据权利要求5所述的一种低镁球化剂的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的超声处理的功率为300~400W。

8.根据权利要求1所述的一种低镁球化剂的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的硅铁合金孕育剂的具体制备步骤为：

（1）将纯硅粉、钡粉、锆粉、铁粉置于高速搅拌机中，常温下以1200~1600r/min转速搅拌混合20~30min，得孕育剂胚粉；

（2）将孕育剂胚粉置于多功能熔融炉中，从常温升至1700~1800℃，保温1~2h，得孕育剂熔融液，将孕育剂熔融液趁热倒入模具中，置于冷水中淬冷，取出，得硅铁合金孕育剂。

9.根据权利要求8所述的一种低镁球化剂的制备方法，其特征在于，所述的纯硅粉、钡粉、锆粉、铁粉的重量份为40~50份纯硅粉、8~10份钡粉、4~5份锆粉、60~80份铁粉。

10.根据权利要求8所述的一种低镁球化剂的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的升温速率为50℃/min，模具规格为200mm×80mm×80mm。