CN110438281B - 一种不含Si的稀土镁合金球化剂及其制备方法与应用 - Google Patents

一种不含Si的稀土镁合金球化剂及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种不含Si的稀土镁合金球化剂及其制备方法与应用，属于球磨铸铁技术领域。该不含Si的稀土镁合金球化剂中各组成元素的质量百分比为：Al 1％～3％，RE 8％～10％，Ca 3％～5％，Sb 1％～3％，Bi 1％～3％，余量为Mg，其中：RE为Ce、La和Y中的任意一种或多种。本发明还提供了该不含Si的稀土镁合金球化剂的制备方法及应用。本发明球化剂不含有Si，用于铸铁可以避免在球化处理时引入大量的硅，从而对原铁水的硅含量要求降低，从而实现球墨铸铁铸件生产，保证铸件质量，降低生产成本。

Description

一种不含Si的稀土镁合金球化剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种不含Si的稀土镁合金球化剂及其制备方法与应用，属于球墨铸铁技术领域。
背景技术
铁素体基球铁具有优良的综合力学性能，尤其是低温性能优良，在核电、风电、交通运输等领域得到广泛应用。为了保证球墨铸铁的低温性能，一般要求在铸态条件下获得全部铁素体基体，并且随着硅含量的降低，球墨铸铁的低温冲击提高。因此，为了保证铁素体基体球墨铸铁的低温性能，在化学成分选择上采取高碳低硅原则。然而，现阶段使用的厚大断面球铁球化剂含有较高的硅含量，高达45％；此外，孕育剂中也含有较高的硅含量，高达75％。因此，在球墨铸铁生产过程中，球化处理和孕育处理会引入大量的硅。为保证球墨铸铁铸件硅含量合格，必须降低原铁水硅含量特别低，因此在生产铁素体基体球墨铸铁时，经常需要特别订购低硅生铁、高纯生铁等原材料，为生产带来一定的难度与不便，致使生产成本增加。另外，对于厚大断面球墨铸铁来说，由于凝固时间长，非常容易产生石墨衰退、石墨畸变、石墨球数量少、石墨球尺寸大等缺陷，从而造成厚大断面球墨铸铁铸件质量和性能不合格。因此，在厚大断面球墨铸铁生产时，一般会控制铸件凝固条件和选择抗衰退能力强的球化剂。因此，开发一种低硅或不含硅的长效抗衰退球化剂，可以避免在球化处理时引入大量的硅，从而对原铁水的硅含量要求降低，从而实现球墨铸铁铸件生产，保证铸件质量，降低生产成本。
发明内容
为解决球化处理过程中引入较多Si、普通球化剂抗衰退能力差及对原材料要求较高的问题，本发明提供了一种不含Si的稀土镁合金球化剂及其制备方法与应用，采用的技术方案如下：
本发明的目的在于提供一种不含Si的稀土镁合金球化剂，该不含Si的稀土镁合金球化剂中各组成元素的质量百分比为：Al 1％～3％，RE 8％～10％，Ca 3％～5％，Sb 1％～3％，Bi 1％～3％，余量为Mg，其中：RE为Ce、La和Y中的任意一种或多种。
优选地，包括如下步骤：
1)以纯镁、纯铝、Mg-RE中间合金和Mg-Ca中间合金为原料，将各块状原料烘干；
2)将熔炼用坩埚预热至500℃，然后加入纯铝、纯镁和镁合金熔炼用溶剂并升温至720℃-730℃至纯铝和纯镁熔化；
3)然后加入Mg-RE中间合金和Mg-Ca中间合金并升温至750℃-760℃，保温15min-20min，然后搅拌后加入纯锑和纯铋，保温3-5min；
4)扒渣浇铸即得不含Si的稀土镁合金球化剂；
熔炼过程中当出现火花时补加镁合金熔炼用溶剂，且在熔炼过程中采用保护气体进行保护。
优选地，步骤1)所述烘干是于200℃下烘干至少3小时。
优选地，步骤2)所述熔炼用坩埚采用低碳钢材质。
优选地，步骤3)所述搅拌时间为1min～5min。
本发明还提供了不含Si的稀土镁合金球化剂，或权利要求2或3所述制备方法制得的不含Si的稀土镁合金球化剂在球墨铸铁中的应用。
优选地，所述应用包括将铸铁熔炼成铁水后利用球化剂和孕育剂进行球化孕育处理的步骤。
优选地，所述球化剂的添加量为铁水重量的0.15％-0.2％。
优选地，所述孕育剂为75#硅铁。
优选地，所述孕育剂的添加量为铁水重量的1.4％。
本发明中纯镁是指纯度在99.7％以上的工业纯镁。
本发明中纯铝是指纯度在99.7％以上的工业纯铝。
本发明中纯锑是指纯度在99.7％以上的锑颗粒。
本发明中纯铋是指纯度在99.7％以上的铋颗粒。
本发明中Mg-RE中间合金含有20％(重量百分比)RE(Ce、La或Y)。
本发明中Mg-Ca中间合金含有30％(重量百分比)Ca。
本发明有益效果：
经球化处理的铁水，白口倾向较大，Si元素可以减小白口倾向，因此，生产球墨铸铁时会加入较多的Si。然而，Si含量高时，会降低球墨铸铁的塑韧性，尤其是低温韧性。现有的球化剂中大都含有较多的Si，但是球化剂中Si过高会使得球墨铸铁生产过程中引入大量的硅，进而使得铁素体基体球墨铸铁的低温性能得不到保障。另外，对于厚大断面球墨铸铁来说，由于凝固时间长，非常容易产生石墨衰退、石墨畸变、石墨球数量少、石墨球尺寸大等缺陷，从而造成厚大断面球墨铸铁铸件质量和性能不合格。为了降低球化处理引入的Si含量，并同时提高球化剂的抗衰退能力，本发明通过设计不含Si并复合添加Sb和Bi元素的球化剂，从而降低了球化处理时引入的Si含量，并同时提高了球化剂的抗衰退能力。
本发明球化剂具有生产简便、球化处理时不引入Si、抗衰退能力强等优点。由于本发明球化剂不含有Si，用于铸铁可以避免在球化处理时引入大量的硅，从而对原铁水的硅含量要求降低；由于球化剂中含有抗衰退能力强的元素Sb和Bi，提高球化剂的抗衰退能力，降低球墨铸铁生产时的工艺控制条件，从而实现球墨铸铁铸件生产，保证铸件质量，降低生产成本。且在铸铁过程中按照0.15％～0.3％(质量百分比)加入球化剂时，可以获得较好的石墨球化良好的效果。
本发明球化剂的在球化处理过程中不引入Si，并且含有抗球化衰退能力强、抗石墨畸变、细化石墨球及增加石墨球数量的元素，适用于制备低温球墨铸铁、厚大断面球墨铸铁铸件生产。
附图说明
图1为Mg-Al-Ca-Ce合金球化剂按照0.05％添加量制备的Y型球墨铸铁试样的金相图；
图2为Mg-Al-Ca-Ce合金球化剂按照0.10％添加量制备的Y型球墨铸铁试样的金相图；
图3为Mg-Al-Ca-Ce合金球化剂按照0.15％添加量制备的Y型球墨铸铁试样的金相图；
图4为Mg-Al-Ca-Ce合金球化剂按照0.20％添加量制备的Y型球墨铸铁试样的金相图；
图5为Mg-Al-Ca-La合金球化剂按照0.15％添加量制备的Y型球墨铸铁试样的金相图；
图6为Mg-Al-Ca-La合金球化剂按照0.20％添加量制备的Y型球墨铸铁试样的金相图；
图7为Mg-Al-Ca-Y合金球化剂按照0.15％添加量制备的Y型球墨铸铁试样的金相图；
图8为Mg-Al-Ca-Y合金球化剂按照0.20％添加量制备的Y型球墨铸铁试样的金相图；
图9为Mg-Al-Ca-Y合金球化剂按照0.25％添加量制备的Y型球墨铸铁试样的金相图；
图10为普通的稀土镁球化剂制备的方型球墨铸铁试样的金相图；
图11为本发明Mg-Al-Ca-Ce-Y合金球化剂制备的方型球墨铸铁试样的金相图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
以下实施例中纯镁是指纯度在99.7％以上的工业纯镁；纯铝是指纯度在99.7％以上的工业纯铝；纯锑是指纯度在99.7％以上的锑颗粒；纯铋是指纯度在99.7％以上的铋颗粒；Mg-RE中间合金含有20％(重量百分比)RE(Ce、La或Y)；Mg-Ca中间合金含有30％(重量百分比)Ca。上述原料均可以通过商业途径购买获得。
实施例1
本实施例提供了一种不含Si的稀土镁合金球化剂及其制备方法：该不含Si的稀土镁合金球化剂中各组成元素的质量百分比为：Al 1％，RE 8％，Ca 3％，Sb 1％，Bi 1％，余量为Mg，其中：RE为Ce。
该球化剂的制备方法按照如下步骤进行：
1)以纯镁、纯铝、Mg-RE中间合金和Mg-Ca中间合金为原料按照上述各组成元素的质量百分比的要求进行备料，将各块状原料于200℃下烘干至少3小时；
2)将熔炼用坩埚(采用低碳钢材质)预热至500℃，然后加入纯铝和纯镁并升温至720℃至纯铝和纯镁熔化；
3)然后加入Mg-RE中间合金和Mg-Ca中间合金并升温至750℃，保温15min，然后搅拌1min后加入纯锑和纯铋，保温3min；
4)扒渣浇铸，浇铸的圆柱形铸锭尺寸为Φ60mm×高100mm，即得不含Si的稀土镁合金球化剂；
上述熔炼过程中采用的溶剂为镁合金熔炼用溶剂，熔炼过程中当出现火花时补加镁合金熔炼用溶剂，并在熔炼过程中采用保护气体进行保护。
实施例2
本实施例提供了一种不含Si的稀土镁合金球化剂及其制备方法：该不含Si的稀土镁合金球化剂中各组成元素的质量百分比为：Al 3％，RE 10％，Ca 5％，Sb 3％，Bi 3％，余量为Mg，其中：RE为Ce。
该球化剂的制备方法按照如下步骤进行：
1)以纯镁、纯铝、Mg-RE中间合金和Mg-Ca中间合金为原料按照上述各组成元素的质量百分比的要求进行备料，将各块状原料于200℃下烘干至少3小时；
2)将熔炼用坩埚(采用低碳钢材质)预热至500℃，然后加入纯铝和纯镁并升温至730℃至纯铝和纯镁熔化；
3)然后加入Mg-RE中间合金和Mg-Ca中间合金并升温至760℃，保温20min，然后搅拌5min后加入纯锑和纯铋，保温5min；
4)扒渣浇铸，浇铸的圆柱形铸锭尺寸为Φ60mm×高100mm，即得不含Si的稀土镁合金球化剂；
上述熔炼过程中采用的溶剂为镁合金熔炼用溶剂，熔炼过程中当出现火花时补加镁合金熔炼用溶剂，并在熔炼过程中采用保护气体进行保护。
实施例3
本实施例提供了一种不含Si的稀土镁合金球化剂及其制备方法：该不含Si的稀土镁合金球化剂中各组成元素的质量百分比为：Al 3％，RE 9％，Ca 3％，Sb 2％，Bi 1％，余量为Mg，其中：RE为Ce。
该球化剂的制备方法按照如下步骤进行：
1)以纯镁、纯铝、Mg-RE中间合金和Mg-Ca中间合金为原料按照上述各组成元素的质量百分比的要求进行备料，将各块状原料于200℃下烘干至少3小时；
2)将熔炼用坩埚(采用低碳钢材质)预热至500℃，然后加入纯铝和纯镁并升温至725℃至纯铝和纯镁熔化；
3)然后加入Mg-RE中间合金和Mg-Ca中间合金并升温至755℃，保温18min，然后搅拌3min后加入纯锑和纯铋，保温4min；
4)扒渣浇铸，浇铸的圆柱形铸锭尺寸为Φ60mm×高100mm，即得不含Si的稀土镁合金球化剂；
上述熔炼过程中采用的溶剂为镁合金熔炼用溶剂，熔炼过程中当出现火花时补加镁合金熔炼用溶剂，并在熔炼过程中采用保护气体进行保护。
实施例1-3中实施例3为最优实施例，综合效果最好。
实施例4
本实施例与实施例3的区别在于RE为La。
实施例5
本实施例与实施例3的区别在于RE为Y。
实施例6
本实施例与实施例3的区别在于RE为Ce和Y，Ce和Y的质量比为Ce：Y＝1：1，其他与实施例3均相同。
实施例7
本实施例与实施例3的区别在于RE为La和Y，La和Y的质量比为La：Y＝1：1，其他与实施例3均相同。
实施例8
本实施例与实施例3的区别在于RE为Ce、La和Y，Ce、La和Y的质量比Ce：La：Y＝0.5：0.5：1，其他与实施例3均相同。
本实施例还考察了Ce和La按照其他比例配比的方案，发现只要满足(Ce+La)：Y＝1：1，Ce和La可以以任意质量比混合都可获得效果相当的球化和抗衰退效果。
为验证本发明球化剂的球化效果，进行了如下实验：
一、球化效果实验
实验用铸铁成分：C 3.6％；Si 2.1％；Mn 0.2％；P＜0.03％；S＜0.02％。将铸铁熔炼成铁水后利用实施例3制备的球化剂和孕育剂进行球化孕育处理；其中：球化剂加入量分别为铁水重量的0.05％，0.10％，0.15％，0.20％，0.30％；铁水熔炼温度为1520℃；球化剂加入方法为冲入法，孕育剂为75#硅铁，孕育剂加入量为铁水重量的1.4％。按国标GB/T1348-2009制备Y型试块，取样位置尺寸为25mm×40mm×210mm，浇铸温度为1350-1380℃。
按照实施例3制备的Mg-Al-Ca-Ce合金球化剂分别按照0.05％，0.10％，0.15％，0.20％的添加量添加，制备的铁素体基球铁在100倍放大倍数下的金相图分别如图1-图4所示。
从图1至图4中可以看出，当球化剂加入量为0.05％时，石墨球基本没有球化，石墨形态为蠕虫状。当球化剂加入量为0.10％时，部分石墨球化，石墨球化等级为6级。当球化剂加入量为0.15％-0.20％时，石墨球化良好，球化等级大于2级。球化剂的添加量在0.30％时添加量过大，镁爆反应剧烈，不宜选择以0.30％的添加量进行铁水球化处理。
图5和图6为按照实施例4制备的Mg-Al-Ca-La合金球化剂分别按照铁水重量的0.15％和0.20％添加时制备的铁素体基球铁在100倍放大倍数下的金相图。从图5和图6中可以看出当球化剂加入量为0.15％-0.20％时，石墨球化良好，球化等级大于2级。球化剂的添加量在0.30％时添加量过大，镁爆反应剧烈，不宜选择以0.30％的添加量进行铁水球化处理。
图7至图9为按照实施例5的Mg-Al-Ca-Y合金球化剂分别按照铁水重量的0.15％、0.20％和0.25％添加时制备的铁素体基球铁在100倍放大倍数下的金相图。从图7和图8中可以看出当球化剂加入量为0.15％-0.20％时，石墨球化良好，球化等级大于2级。从图9可以看出球化剂的添加量在0.25％时添加量过大，会恶化石墨形貌，产生石墨畸变，致使球化等级下降。
二、抗衰退能力实验
本实验以普通的稀土镁球化剂作为对照，该球化剂的配方为(质量百分比)：Mg7％；RE2％；Ca2％；Al1％；Si 43％；其余为F。
将对照用的普通稀土镁球化剂与本发明实施例6制备的球化剂分别按照上述实验一中的方法浇铸300mm×300mm×300mm方型试块，试块心部凝固时间长达150min。通过观察心部石墨组织评判本发明球化剂抗石墨畸变和衰退能力。
普通稀土镁球化剂和本发明Mg-Al-Ca-Ce-Y球化剂制备的方型球墨铸铁试样在100倍放大倍数下的金相图如图10和图11所示。
从图10和图11中可以看出：普通稀土镁球化剂处理试样已发生明显畸变和衰退；而本发明球化剂还能保持良好的球化等级，并且石墨球比较细小，数量较多。
本实验还考察了实施例1-5和实施例7-8制备的球化剂的抗衰退能力，结果发现，按照实施例1-5和实施例7-8制备的球化剂用于制备球磨铸铁试样都可以获得较好抗衰退能力的效果，并且实施例6-8相比于实施例1-5具有更好的抗衰退效果。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种不含Si的稀土镁合金球化剂的制备方法，其特征在于，所述不含Si的稀土镁合金球化剂中各组成元素的质量百分比为：Al 1％～3％，RE 8％～10％，Ca 3％～5％，Sb1％～3％，Bi 1％～3％，余量为Mg，其中：RE为Ce、La和Y中的任意一种或多种；
该制备方法包括如下步骤：
1)以纯镁、纯铝、Mg-RE中间合金和Mg-Ca中间合金为原料，将各块状原料烘干；
2)将熔炼用坩埚预热至500℃，然后加入纯铝、纯镁和镁合金熔炼用溶剂并升温至720℃-730℃至纯铝和纯镁熔化；
3)然后加入Mg-RE中间合金和Mg-Ca中间合金并升温至750℃-760℃，保温15min-20min，然后搅拌后加入纯锑和纯铋，保温3-5min；
4)扒渣浇铸即得不含Si的稀土镁合金球化剂；
熔炼过程中当出现火花时补加镁合金熔炼用溶剂且在熔炼过程中采用保护气体进行保护。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)所述烘干是于200℃下烘干至少3小时。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)所述熔炼用坩埚采用低碳钢材质。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)所述搅拌时间为1min～5min。
5.权利要求1或2所述制备方法制得的不含Si的稀土镁合金球化剂在球墨铸铁中的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，包括将铸铁熔炼成铁水后利用球化剂和孕育剂进行球化孕育处理的步骤。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述球化剂的添加量为铁水重量的0.15％-0.2％。
8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述孕育剂为75#硅铁。
9.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述孕育剂的添加量为铁水重量的1.4％。
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