CN110484675A - 一种用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂及其制备方法，所述用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，各组分重量百分比为：Mg5%~6%、Al0.4%~1.0%、Si45%~50%、Ca0.8%~1.2%、Ba0.1%~1%、Ce0.5%~1%、La0.1%~1%、无机粉末缓冲剂2~5%,余量为Fe及不可避免的微量元素，所述无机粉末缓冲剂是高岭土、陶土、石灰石、珍珠岩、炉渣的一种或者其组合，所述无机粉末缓冲剂还包括促进剂。本发明所述的用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂及其制备方法，配方成分准确，配比合理，制备方法简单，制得的球化剂致密、无偏析、无缩孔缩松等缺陷，在球化处理工艺中发挥良好的作用，球化效果好，使生产出的球墨铸铁具有良好的组织与性能。

Description

一种用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂及其制备方法

技术领域

本发明属于球化剂技术领域，具体涉及一种用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂及其制备方法。

背景技术

在我国的国民经济的各个领域中都有球墨铸铁件的应用，其中铸管和管件的应用比例约为33.6％，汽车铸件占32％，其它如机床、农机、工程机械、建筑、冶金、矿山、能源工业部门约占35％。

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。

球化剂是一种能使铸铁中的石墨通过球化反应转变成球形的添加剂，其主要成分为促使石墨成球的元素，这些元素即为球化元素。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。国外球化剂主要有镁系和钙系两大类，镁系球化剂应用最广泛，钙系球化剂主要应用是在日本。

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，因此球化剂改进日益重要。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。

中国专利申请号为CN91108271.9公开了一种铸态高韧性球墨铸铁球化剂，配方过于简单，并且Mg含量过高。

发明内容

发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂及其制备方法，配方成分准确，配比合理，制备方法简单，制得的球化剂致密、无偏析、无缩孔缩松等缺陷，在球化处理工艺中发挥良好的作用，球化效果好，使生产出的球墨铸铁具有良好的组织与性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，其特征在于，所述用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，各组分重量百分比为：Mg5％～6％、Al0.4％～1.0％、Si45％～50％、Ca0.8％～1.2％、Ba0.1％～1％、Ce0.5％～1％、La0.1％～1％、无机粉末缓冲剂2～5％,余量为Fe及不可避免的微量元素，所述无机粉末缓冲剂是高岭土、陶土、石灰石、珍珠岩、炉渣的一种或者其组合，所述无机粉末缓冲剂还包括促进剂。

球化处理为形成球状石墨提供了结晶条件，而一般进行球化处理并不是把球化元素直接加入铁液中，而是制成合金，这种合金称为球化剂。厚大断面球墨铸铁在生产过程中，由于断面过厚，冷却速度缓慢，因而凝固时间过长，在铸件厚壁中心或热节处容易完成畸变、球数减少、组织粗大、石墨漂浮、化学成分偏析和晶间碳化物等问题。

现有技术中球化剂一般以Mg作为主要球化元素，Mg含量过高，由于Mg的爆发性较大，且密度较低，因此在球化反应时会有大量Mg损失，难以控制残余Mg量，并且Mg残量高，会增加收缩和脆性，由于Mg会氧化，会在铁水表面形成氧化膜(特别是厚大断面凝固时间长)，进入砂型易使铸件产生夹渣和皮下气孔。本发明所述的用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，当Mg、Al、Si、Ca等多种球化元素共同存在时，可以发挥各自的特点，提高球化效果，适应各种祷件的需要。

其中，由于大件凝固时间长，Ca、Ba可以提高抗衰退能力；Ce、La是轻稀土元素，可以起到良好的脱硫、去氧、保护主要球化元素Mg的效果，以及中和有害元索的干扰作用，并与其相互作用生成稳定的化合物，提高了球化效果的同时增加铁液的石墨核心；无机粉末缓冲剂可以控制球化剂的反应速度，使反应平缓进行，提高了球化效果。

进一步的，上述的用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，所述用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，各组分粒度范围为4～30mm。

进一步的，上述的用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，所述用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，各组分粒度为5mm。

进一步的，上述的用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，所述CE、La的总质量百分比为1％，并且CE/La＝2：1。

当CE、La的总质量百分比为1％，并且CE/La＝2：1时，球化剂适合生产大断面铁素体球墨铸铁，得到的铸件组织优良，拉伸和低温韧性优异，特别是容易发生问题的铸件厚壁中心，铸件厚壁中心的拉伸强度、延伸率、低温冲击值综合最好。

进一步的，上述的用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，所述用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，各组分重量百分比为：Mg5％、Al0.5％、Si45％、Ca1％、Ba0.5％、Ce0.67％、La0.33％、无机粉末缓冲剂2％,余量为Fe及不可避免的微量元素。

本发明还涉及所述用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)熔炼：在200kg的中频感应电炉中进行，先加入Mg、Si，再加入无机粉末缓冲剂、Al、Ba，最后加入Ca、Ce、La；熔炼过程中，每隔0.5h，进行人工搅拌；

(2)除渣：对上述熔炼好的进行除渣处理，

(3)浇注：球化剂在中频感应炉中熔炼、除渣结束后，采用铁包覆法浇注，通过浇注机构将球化剂浇注到镀锌管中充型，浇注温度为1250℃～1300℃；

(3)出炉：浇注充型完毕后，出炉。

在熔炼过程中，由于金属镁的性质活拨且熔点沸点较低，极易与铁发生反应，因此要注意避免镁和废钢铁直接接触。首先，加入Mg、Si，使金属Mg焰化后与Si结合生成Mg-Si相，这样熔炼与浇注过程中才会始终以Mg-Si相存在，实现减少Mg的氧化烧损的效果，对球化剂中Mg含量的保持与MgO含量的控制具有重要的意义。接下来，加入无机粉末缓冲剂、Al、Ba，最后加入Ca、Ce、La。球化剂熔炼过程中需要注意人工适时的搅拌，同时要避免“跑镁”和“碰炉”等不良现象发生。

浇注前需要进行除渣处理，保证球化剂合金在熔炼过程中实现成分均匀，使球化剂合金中杂质含量较低和无成分偏析等。

本发明选用铁包覆法球化剂浇注，因为在绕注过程中，熔融的球化剂铁液接触到镀锌管会加快冷却速度，同时在重力补缩的作用下，减少了缩孔夹杂等缺陷，提高了致密度。为了使熔炼后的球化剂在在无氧化的充满镀锌管的同时，保证镀锌管也完好无烧损，通过浇注机构将球化剂浇注到镀锌管中充型。球化剂浇注温度的选择对是否能够浇注成功铁包覆球化剂尤为重要。浇注温度过高，会引起包覆镀锌管烧损；浇注温度过低，则会导致球化剂流动性变差，不能够充满镀锌管使最终研制的铁包覆球化剂组织致密度差。

进一步的，上述的用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂的制备方法，所述步骤(3)中充型过程中充入氩气。

进一步的，上述的用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂的制备方法，所述浇注机构为浇口杯、砂箱，在所述砂箱内安装有浇口杯，所述浇口杯为水玻璃砂，所述浇口杯内设置有浇口孔，所述浇口孔为2×3个，长度为30cm，所述浇口杯、砂箱之间留有1～10cm厚度的排气缝隙。

熔融的球化剂直接通过浇口杯进入镀锌管，以减少充型时间，弥补球化剂因流动性差而造成的充型能力差的缺点。浇注机构要耐高温，选取水玻璃砂制作浇注杯。浇口杯上孔由镀锌管的截面积和排列方式决定。所述浇注机构的造型简单，金属消耗小并且易清理。

进一步的，上述的用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂的制备方法，所述镀锌管2×3根，长度为30cm，所述镀锌管之间留有2cm厚度的缝隙，所述缝隙内填充黄沙。

通过浇注机构从熔炼炉直接绕注，一次充型完毕，充型压头大，球化剂易于充满镀锌管；镀锌管内气体在较大的充型压力下被排出，铁包覆球化剂组织致密。为了有利于散热，镀锋管之间留有2cm缝隙，之间填充黄沙。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明公开的用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，配方成分准确，配比合理，Mg、Al、Si、Ca等多种球化元素共同存在时，可以发挥各自的特点，提高球化效果，适应各种祷件的需要；其中，由于大件凝固时间长，Ca、Ba可以提高抗衰退能力；Ce、La是轻稀土元素，可以起到良好的脱硫、去氧、保护主要球化元素Mg的效果，以及中和有害元索的干扰作用，并与其相互作用生成稳定的化合物，提高了球化效果的同时增加铁液的石墨核心；无机粉末缓冲剂可以控制球化剂的反应速度，使反应平缓进行，提高了球化效果。

(2)本发明公开的用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂的制备方法，简单快速，制得的球化剂致密、无偏析、无缩孔缩松等缺陷，在球化处理工艺中发挥良好的作用，球化效果好，使生产出的球墨铸铁具有良好的组织与性能；其中，用铁包覆法球化剂浇注，加快了冷却速度，同时在重力补缩的作用下，减少了缩孔夹杂等缺陷，提高了致密度。通过浇注机构从熔炼炉直接绕注，一次充型完毕，充型压头大，球化剂易于充满镀锌管；镀锌管内气体在较大的充型压力下被排出，铁包覆球化剂组织致密，浇注机构的造型简单，金属消耗小并且易清理。

附图说明

图1为本发明所述一种用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂及其制备方法中的浇口机构结构示意图；

图2为本发明所述一种用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂及其制备方法中的镀锌管排列示意图

图中：1砂箱、2浇口杯、3浇口杯孔、4镀锌管。

具体实施方式

下面将结合具体实验数据和附图1～2，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

以下实施例提供了一种用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂及其制备方法，所述用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，所述用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，各组分重量百分比为：Mg5％～6％、Al0.4％～1.0％、Si45％～50％、Ca0.8％～1.2％、Ba0.1％～1％、Ce0.5％～1％、La0.1％～1％、无机粉末缓冲剂2～5％,余量为Fe及不可避免的微量元素，所述无机粉末缓冲剂是高岭土、陶土、石灰石、珍珠岩、炉渣的一种或者其组合，所述无机粉末缓冲剂还包括促进剂。

进一步的，所述用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，各组分粒度范围为4～30mm。所述CE、La的总质量百分比为1％，并且CE/La＝2：1。

如图1所示，所述浇注机构为浇口杯2、砂箱1，在所述砂箱1内安装有浇口杯2，所述浇口杯2为水玻璃砂，所述浇口杯2内设置有浇口孔3，所述浇口孔3为2×3个，长度为30cm，所述浇口杯2、砂箱1之间留有1～10cm厚度的排气缝隙。

如图2所示，所述镀锌管4为2×3根，长度为30cm，所述镀锌管之间留有2cm厚度的缝隙，所述缝隙内填充黄沙。

实施例1

用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，各组分重量百分比为：Mg6％、Al1.0％、Si50％、Ca1.2％、Ba1％、Ce1％、La1％、无机粉末缓冲剂2％,余量为Fe及不可避免的微量元素，熔炼在200kg的中频感应电炉中进行。

先加入Mg、Si，再加入无机粉末缓冲剂、Al、Ba，最后加入Ca、Ce、La；熔炼过程中，每隔0.5h，进行人工搅拌，人工搅拌时要避免“跑镁”和“碰炉”等不良现象发生。

熔炼好的球化剂进行除渣处理，以保证球化剂合金在熔炼过程中实现成分均匀，使球化剂合金中杂质含量较低和无成分偏析等。

球化剂在中频感应炉中熔炼、除渣结束后，采用铁包覆法浇注，通过浇注机构将球化剂浇注到镀锌管中充型，充型过程中充入氩气，浇注温度为1300℃；

浇注充型完毕后，出炉。

实施例2

用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，各组分重量百分比为：Mg5.5％、Al0.5％、Si45％、Ca1.0％、Ba0.2％、Ce0.6％、La0.1％、无机粉末缓冲剂3％,余量为Fe及不可避免的微量元素，熔炼在200kg的中频感应电炉中进行。

先加入Mg、Si，再加入无机粉末缓冲剂、Al、Ba，最后加入Ca、Ce、La；熔炼过程中，每隔0.5h，进行人工搅拌，人工搅拌时要避免“跑镁”和“碰炉”等不良现象发生。

熔炼好的球化剂进行除渣处理，以保证球化剂合金在熔炼过程中实现成分均匀，使球化剂合金中杂质含量较低和无成分偏析等。

球化剂在中频感应炉中熔炼、除渣结束后，采用铁包覆法浇注，通过浇注机构将球化剂浇注到镀锌管中充型，充型过程中充入氩气，浇注温度为1300℃；

浇注充型完毕后，出炉。

实施例3

用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，各组分重量百分比为：Mg6％、Al0.4％、Si45％、Ca0.8％、Ba0.3％、Ce0.9％、La0.1％、无机粉末缓冲剂3％,余量为Fe及不可避免的微量元素，熔炼在200kg的中频感应电炉中进行。

先加入Mg、Si，再加入无机粉末缓冲剂、Al、Ba，最后加入Ca、Ce、La；熔炼过程中，每隔0.5h，进行人工搅拌，人工搅拌时要避免“跑镁”和“碰炉”等不良现象发生。

熔炼好的球化剂进行除渣处理，以保证球化剂合金在熔炼过程中实现成分均匀，使球化剂合金中杂质含量较低和无成分偏析等。

球化剂在中频感应炉中熔炼、除渣结束后，采用铁包覆法浇注，通过浇注机构将球化剂浇注到镀锌管中充型，充型过程中充入氩气，浇注温度为1250℃～1300℃；

浇注充型完毕后，出炉。

实施例4

用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，各组分重量百分比为：Mg5％、Al0.8％、Si45％、Ca1％、Ba0.1％、Ce0.5％～1％、La0.1％、无机粉末缓冲剂2％,余量为Fe及不可避免的微量元素，熔炼在200kg的中频感应电炉中进行。

先加入Mg、Si，再加入无机粉末缓冲剂、Al、Ba，最后加入Ca、Ce、La；熔炼过程中，每隔0.5h，进行人工搅拌，人工搅拌时要避免“跑镁”和“碰炉”等不良现象发生。

熔炼好的球化剂进行除渣处理，以保证球化剂合金在熔炼过程中实现成分均匀，使球化剂合金中杂质含量较低和无成分偏析等。

球化剂在中频感应炉中熔炼、除渣结束后，采用铁包覆法浇注，通过浇注机构将球化剂浇注到镀锌管中充型，充型过程中充入氩气，浇注温度为1250℃。浇注充型完毕后，出炉。

实施例5

用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，各组分重量百分比为：Mg5％、Al0.5％、Si45％、Ca1％、Ba0.5％、Ce0.67％、La0.33％、无机粉末缓冲剂2％,余量为Fe及不可避免的微量元素，熔炼在200kg的中频感应电炉中进行。

先加入Mg、Si，再加入无机粉末缓冲剂、Al、Ba，最后加入Ca、Ce、La；熔炼过程中，每隔0.5h，进行人工搅拌，人工搅拌时要避免“跑镁”和“碰炉”等不良现象发生。

熔炼好的球化剂进行除渣处理，以保证球化剂合金在熔炼过程中实现成分均匀，使球化剂合金中杂质含量较低和无成分偏析等。

球化剂在中频感应炉中熔炼、除渣结束后，采用铁包覆法浇注，通过浇注机构将球化剂浇注到镀锌管中充型，充型过程中充入氩气，浇注温度为1250℃。浇注充型完毕后，出炉。

效果验证：

对由上述实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5得到的用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，对实验铸件进行球化处理，观察对实验铸件性能的影响。

对实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5五组实验铸件中心面、薄弱面各位置进行室温拉伸试验和对中心位置进行低温冲击试验，获得了中心位置和薄弱区的力学性能数据，其中拉伸强度数据见表1，延伸率数据见表2，低温韧性数据见表3。

本实验的实验祷件均为立方试块，在铸件中心面两侧分别取两片方板，一片为20mm，做拉伸试样，另一片厚36mm，沿水平对称轴取一系列的冲击试样。

其中，拉伸试验按GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法进行，室温拉伸试验设备为SHT4305微机控制电液巧服万能试验机。

低湿冲击试验按GB/T229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法进行，试样为标准夏比V型缺口冲击试样，试样样坯的切取按GB/T 2975的规定执行，试样制备过程中将由于过热或冷加工硬化而改变材料冲击性能的影响减至最小。低温冲击试验在摆捶式数显冲击试验机上进行，且保证每个位置进行3次以上试验，取平均值作为该位置的冲击功。

表1五组实施例的中心、薄弱各位置的拉伸强度

表2五组实施例的中心、薄弱各位置的延伸率

表3五组实施例的中心位置的低温韧性数据

此外，上述实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5的得到的所述用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，截面基本无气孔，致密度高。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，其特征在于，所述用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，各组分重量百分比为：

Mg 5%~6%

Al 0.4%~1.0%

Si 45%~50%

Ca 0.8%~1.2%

Ba 0.1%~1%

Ce 0.5%~1%

La 0.1%~1%

无机粉末缓冲剂 2~5%

余量为Fe及不可避免的微量元素；

所述无机粉末缓冲剂是高岭土、陶土、石灰石、珍珠岩、炉渣的一种或者其组合，所述无机粉末缓冲剂还包括促进剂。

2.根据权利要求1所述的用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，其特征在于，所述用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，各组分粒度范围为4~30mm。

3.根据权利要求1所述的用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，其特征在于，所述用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，各组分粒度为5mm。

4.根据权利要求1所述的用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，其特征在于，所述CE、La的总质量百分比为1%，并且Ce/La=2：1。

5.根据权利要求1所述的用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，其特征在于，所述用于厚大断面球墨铸铁的稀土镁硅球化剂，各组分重量百分比为：Mg5%、Al0.5%、Si45%、Ca1%、Ba0.5%、Ce0.67%、La0.33%、无机粉末缓冲剂2%, 余量为Fe及不可避免的微量元素。

6.根据权利要求1至5任一项所述用于球墨铸铁的稀土镁硅球化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）熔炼：在200kg的中频感应电炉中进行，先加入Mg、Si，再加入无机粉末缓冲剂、Al、Ba，最后加入Ca、Ce、La； 熔炼过程中，每隔0.5h，进行人工搅拌；

（2）除渣：对上述熔炼好的进行除渣处理；

（3）浇注：球化剂在中频感应炉中熔炼、除渣结束后，采用铁包覆法浇注，通过浇注机构将球化剂浇注到镀锌管中充型，浇注温度为1250℃~1300℃；

（4）出炉：浇注充型完毕后，出炉。

7.根据权利要求6所述用于球墨铸铁的稀土镁硅球化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中充型过程中充入氩气。

8.根据权利要求6所述用于球墨铸铁的稀土镁硅球化剂的制备方法，其特征在于，所述浇注机构为浇口杯、砂箱，在所述砂箱内安装有浇口杯，所述浇口杯为水玻璃砂，所述浇口杯内设置有浇口孔，所述浇口孔为2×3个，长度为30cm，所述浇口杯、砂箱之间留有1~10cm厚度的排气缝隙。

9.根据权利要求6所述用于球墨铸铁的稀土镁硅球化剂的制备方法，其特征在于，所述镀锌管为2×3根，长度为30cm，所述镀锌管之间留有2cm厚度的缝隙，所述缝隙内填充黄沙。