CN114269491A - 用于处理熔融铁以产生具有零收缩并具有朗斯代尔石型球状石墨的铸铁的添加剂 - Google Patents

Abstract

一种添加剂，用于热化学处理熔融铁，以便将呈液态的熔融铁中存在的结合的、溶剂化的和/或胶体的碳分离、分布、附聚、沉淀、球化和/或结晶为呈其六角金刚石或朗斯代尔石形式的石墨，以便产生具有优异机械性能的延展性铁、粒状铁、球状铁、蠕虫状铁、珊瑚状铁、球化铁或灰口铁，在铸造期间具有高金属收率和零收缩的铁；添加剂包含选自元素周期表的第2至第7周期的S‑区的呈金属状态的两种或更多种元素；以及选自元素周期表的第6至第7周期的F‑区的呈金属状态的两种或更多种元素。添加剂使得可以产生具有根据ASTM‑A247标准的呈六角金刚石或朗斯代尔石形式的I型和II型球状石墨的铸铁部件。

Description

用于处理熔融铁以产生具有零收缩并具有朗斯代尔石型球状 石墨的铸铁的添加剂

发明领域

本发明涉及一种添加到大量熔融铁中以产生具有球状石墨的铸铁(cast ironwith spheroidal graphite)的添加剂、用于产生所述添加剂的方法、用于产生具有球状石墨的铸铁的方法以及具有球状石墨的铸铁物品(item of cast iron)。更具体地，本发明涉及一种用于产生具有高金属收率和在铸造期间零收缩的铸铁的有效的添加剂，这是由于根据标准ASTM-A247的I型球体分类，所述铸铁的大量的呈六角金刚石或朗斯代尔石形式(Lonsdaleite form)的球状石墨。

发明背景

铸铁通常在冲天炉或感应炉中产生，并且通常包含从按重量计2％至4％的碳。碳与铁紧密地混合，并且固化的铸铁中碳的形状对铸铁物品的特性和性质是非常重要的。如果碳采取碳化铁的形式，则铸铁被称为白口铸铁(white cast iron)或白口铸件(whitecasting)，并且它具有硬且脆的物理特性，这在某些应用中是不期望的。如果碳采取石墨的形式，则铸铁具有不同范围的机械性质和塑性性质(例如，机械加工性)，并且被分类为灰口铸件、可锻铸件、致密铸件(compact casting)、蠕虫状铸件(vermicular casting)、延展性铸件(ductile casting)、粒状铸件(nodular casting)和/或球状铸件(sphericalcasting)。

石墨或游离碳可以以层状形式、致密形式、珊瑚状形式、蠕虫状形式、粒状形式和/或球状形式及其变体存在于铸铁中。石墨的球形形状为铸铁提供较大的抗性(resistance)和延展性。

石墨所采取的形状、尺寸、分布和数量以及石墨的量相对于碳化铁的量可以通过某些添加剂来控制，该添加剂在熔融铁的固化之前或期间促进石墨的形成。这些添加剂被称为球化剂(spheroidizing agent)、粒化剂(nodularizer)、活化剂、晶粒细化剂(grainrefining agent)或孕育剂(inoculant)，并且它们向铸件中的添加是作为孕育完成的。在铸铁产品中，从液态熔融铁中，将总是存在碳化铁的形成。铸铁产品中碳化铁的形成通过向液态熔融铁中添加添加剂而被防止或减少。这些添加剂是粒化剂和/或球化剂和孕育剂、活化剂和/或晶粒细化剂。

目前，熔融铁的固化的过程带来一系列具有重大产业利益的转变，因为石墨的形成、其最终形态以及金属基体在室温的结构依赖于这些转变。所有这些特性界定用于具有高要求的部件的材料的机械性能和功能。

在固化阶段，孔隙率、密度、体积和粒化率缺陷的形成在与体积的收缩和膨胀以及金属的收缩和膨胀(宏观缩孔、缩孔、微观缩孔以及石墨球粒中的变形)相关的材料中是常见的，这些不利地影响铸件的金属收率和获得的铸铁物品的机械性能。

缺陷和孔隙率的形成在半固态中尤其重要，其中，在最后固化的区域中的液态材料的供应存在不足。随着状态变化的推进，固化前沿必须不断地在液态铸造中被供给铁，以防止在固态中形成永久性空腔。然而，随着温度的降低，在液态铸铁中铁的粘度增加，这大大降低铁补偿收缩现象的能力；关于粒化，后者非常快地劣化(从反应时刻起8分钟的最大安全时间)，产生在类型、密度和尺寸上不均匀的球粒(nodules)，产生收缩性并且周期地可膨胀的液体。尽管这些缺陷目前在铸造领域中非常常见，但它们的发生率仍然是当今铁铸件的品质和金属收率的主要问题之一。

出现缺陷是因为石墨球粒是通过在铁的固化阶段中生长形成的，即是在从材料的收缩至膨胀的阶段并且反之亦然中生长形成的，目前，因为粒状石墨的尺寸、形状、结构和分布不充分而被促进的缺陷导致在铸造业中的金属效率在50％的范围内。

由于这些原因，从使用添加剂产生延展性铁部件是很有兴趣的，该添加剂通过结晶石墨(朗斯代尔石)球粒在高碳包晶反应区中的沉淀或不一致的碳熔合在热力学原理下促进球状石墨从液相铁中形成，使得现在使用与来自稀土元素的金属结合的粒化剂和/或镁基添加剂，元素主要是呈其稀土元素状态(RE)的铈或镧、稀土元素的金属(REM)、稀土元素(REE)、来自稀土元素的氧化物(REO)及其组合；然而，呈晶体六角金刚石I型(朗斯代尔石)的球状石墨的产量很低，呈现出用这些添加剂产生的部件优先是由根据ASTM A-247标准I型、II型、III型、IV型、V型粉末状六角石墨构成的无定形球粒，这产生了限制金属收率的相当大的膨胀和收缩以及内部缺陷和结构性球粒缺陷的形成，因此实质上，直到今天在从该金属的共晶温度或低于该金属的共晶温度的固化阶段中产生根据ASTM A-247的I型、II型、III型、IV型和V型石墨的结构上无定形球粒的形成。

基于上文，存在为熔融铁浴提供球化添加剂的需求，该球化添加剂在铸造过程期间(在液相中)促进球状石墨的形成和沉淀的适当模式，以确保这样的球状石墨获得主要是根据ASTM-A247 I型和/或II型分类标准的六角金刚石或朗斯代尔石形状，以提供具有优越的球体密度和呈六角金刚石或朗斯代尔石形式的球状石墨的适当分布的铸铁物品，其总是在固化(液体的结晶)抗共晶(anti-eutectic)(即源自共晶)内，以便通过提高铸铁的金属收率以及改进所产生的铸铁物品的物理特性和性能以及机械特性和性能来防止孔隙率和/或空腔缺陷、体积收缩和/或体积膨胀。

发明概述

参照上述内容并且为了提供所遇到的限制的解决方案的目的，本发明旨在提供一种用于处理熔融铁的添加剂，该添加剂允许以在延展性铁中主要作为朗斯代尔石的游离碳(石墨)的形式存在于液态熔融铁中的结合碳、溶剂化碳和/或胶体碳的分离、扩散、附聚、沉淀、球化和/或结晶，该过程通过热化学处理产生，以产生具有高于50级的优异机械性能的延展性铁、粒状铁、球状铁、蠕虫状铁、珊瑚状铁、球化铁或灰口铁。该添加剂包含选自元素周期表的第2至第7周期的S-区的呈金属状态的两种或更多种元素以及选自元素周期表的第6至第7周期的F-区的呈金属状态的两种或更多种元素。

本发明的目的还是提供一种用于产生添加剂的方法，该添加剂用于处理包含碳的熔融铁以产生具有呈六角金刚石或朗斯代尔石形式的球状石墨的铸铁，该方法包括以下步骤：(a)提供选自元素周期表的第2至第7周期的S-区的呈金属状态的两种或更多种元素以及选自元素周期表的第6至第7周期的F-区的呈金属状态的两种或更多种元素；以及(b)将选自元素周期表的第2至第7周期的S-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素与选自元素周期表的第6至第7周期的F-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素铸造、混合和/或接合。

本发明的目的还是提供本发明的添加剂在用于处理包含碳的熔融铁以产生具有呈六角金刚石或朗斯代尔石形式的球状石墨的铸铁的铸造工艺中的用途。

本发明的另一个目的是提供一种用于产生具有呈六角金刚石或朗斯代尔石形式的球状石墨的铸铁物品的方法，该方法包括以下步骤：(a)从确定的金属负载(metallicload)制备具有碳的熔融铁；(b)使所述熔融铁与作为球化剂的添加剂反应，所述添加剂包含选自元素周期表的第2至第7周期的S-区的呈金属状态的两种或更多种元素以及选自元素周期表的第6至第7周期的F-区的呈金属状态的两种或更多种元素；(c)允许通过热化学反应在呈液相的所述熔融铁中形成球状石墨和沉淀球状石墨；(d)用作为活化剂或晶粒细化剂的添加剂孕育所述熔融铁，以使来自剩余碳的剩余石墨粒化，并且仅将所需的结合碳保留在所述熔融铁中的结构相内，其中所述活化剂或晶粒细化剂包含选自元素周期表的第2至第7周期的S-区的呈金属状态的两种或更多种元素以及选自元素周期表的第6至第7周期的F-区的呈金属状态的两种或更多种元素；以及(e)将所述熔融铁倒入模具中。基于使用本发明的添加剂产生的低线性收缩、体积收缩和/或金属收缩，一种被称为“零收缩”的技术原理，采用该方法产生任何类型的铸铁物品提供等于或高于75％的金属收率(在英文中高收率的75％最小值)。

最后，本发明的另一个目的是提供一种铸铁物品，该铸铁物品根据本发明的用于产生具有球状石墨的铸铁物品的方法来制备，该铸铁物品包括：根据在所述铸铁物品的制备期间使用的作为球化剂的添加剂和作为活化剂的添加剂的百分比以化学计量比例的镧系收缩元素和钪系收缩元素；至少80％的根据ASTM-A247标准I型和II型球体分类的呈六角金刚石或朗斯代尔石形式的球状石墨的存在；300个球体/mm²的最小石墨球体密度；以及小于4号的球状石墨尺寸。

附图说明

从下面结合附图考虑的详细描述中，本发明的其他特征将是明显的。然而，应当理解，制作附图仅作为说明而不作为本发明的限制性定义，在附图中：

图1示出了本发明的用于处理熔融铁的添加剂的呈现的照片；

图2示出了在砂模中模制的用于汽车悬架的控制臂的树型铸件(tree casting)的实现方式，该树型铸件从本发明的用于产生具有呈六角金刚石或朗斯代尔石形式的球状石墨的铸铁物品的方法中获得；

图3A是图2中的用于汽车悬架的控制臂的金相样品的100X显微照片，其示出了根据本发明的I型结晶石墨(朗斯代尔石)的分布；图3B是图2中的用于汽车悬架的控制臂的金相样品的1000X显微照片，其详细地示出了根据本发明存在的I型结晶石墨(朗斯代尔石)的结构；

图4示出了在砂模中模制的铁道用途的轮轴的树型铸件的实现方式，该树型铸件从本发明的用于产生具有呈六角金刚石或朗斯代尔石形式的球状石墨的铸铁物品的方法中获得；以及

图5A是来自图4的铁道的轮轴的金相样品的100X显微照片，其示出了根据本发明的I型晶体(朗斯代尔石)石墨的分布；图5B是图4中的铁道的轮轴的金相样品的1000X显微照片，其详细地示出了根据本发明存在的I型结晶石墨(朗斯代尔石)的结构。

本发明的详细描述

在以下段落中描述了本发明的特征细节，这些段落是为了限定本发明的目的，但不限制本发明的范围。

在本发明的上下文中，术语“呈金属状态的元素”意指构成金属的元素(在本发明的用于处理熔融铁的添加剂中)，其中“金属”完全可以是碱金属、碱土金属、过渡金属或内过渡金属(internal transition)，以每种特定元素的至少85％的纯度被还原；术语“呈金属状态的元素”对应于纯金属，并且不包括任何具有离子键或共价键的化合物，例如其氧化物、氟化物、硫化物、碳酸盐或氮化物。呈金属状态的元素被并入到或不被并入到包括其母相或母溶剂的合金或金属间化合物、无机化合物或合成化合物中。

在本发明的上下文中，术语“零收缩”意指抵消由结合碳和/或碳化铁之间的密度(Gr/cc)的变化产生的石墨膨胀，以防止在铁内形成石墨(六角)或游离碳。它还适用于抵消在熔融转变和/或固化的过程中在物质的相变中由铁产生的体积收缩和/或体积膨胀。

在本说明书中，术语“铸铁”意指具有高机械性能的延展性铁、粒状铁、球状铁、蠕虫状铁、珊瑚状铁、球状化铁(globulized iron)或灰口铁。

在本说明书中，术语“延展性铁”意指在室温在熔融铁中伸长性质的倾向和/或存在。

根据本发明的用于处理包含碳的熔融铁以产生具有球状石墨的铸铁的添加剂的组成示出了又可以由多种组分组成的化合物。

这些化合物在下文单独地描述，而不必按重要性的顺序描述。

来自周期表的S-区的元素

本发明的用于处理包含碳的熔融铁以产生具有呈六角金刚石或朗斯代尔石形式的球状石墨的铸铁的添加剂包含选自元素周期表的第2至第7周期的S-区的呈金属状态的两种或更多种元素，特别地选自IA族的元素，例如锂、钠、钾和铷，以及选自IIA族的元素，例如铍、镁、钙和钡。

呈金属状态的这两种或更多种元素以总添加剂的按重量计2％至15％的量。

来自周期表的F-区的元素

本发明的用于处理包含碳的熔融铁以产生具有呈六角金刚石或朗斯代尔石形式的球状石墨的铸铁的添加剂包含选自元素周期表的第6至第7周期的F-区的呈金属状态的两种或更多种元素。在F-区、第6周期中，呈金属状态的元素选自镧、铈、镨和钕；并且在F-区、第7周期中，呈金属状态的元素选自锕、钍和镤。

呈金属状态的这两种或更多种元素是以总添加剂的按重量计1％至15％的量，条件是至少四种元素一起在添加剂中，两种在S-区，并且两种在F-区：

a.当发现F-区的两种元素(总是至少两种)在最小重量每种元素的百分比为1％时，获得相同的结果。

b.这具有强制性的条件，并且规定添加剂的其他两种元素(对应于S-区的最少两种元素)保持在按添加剂中每种元素的最小重量浓度计相同的2％。

本发明是考虑在这种类型的应用中联合使用F-区的两种元素(一起工作)的第一个实践。

来自元素周期表的P-区的元素

本发明的用于处理包含碳的熔融铁以产生具有呈六角金刚石或朗斯代尔石形式的球状石墨的铸铁的添加剂还包括选自元素周期表的P-区的元素，特别地选自IVA族的元素，例如碳和硅，以及选自VIA族的元素，例如氧和硫。

可以发现来自IVA族和/或VIA族的P-区的元素是以总添加剂的按重量计7％至70％的量。

添加剂的基底、媒介物或溶剂

本发明的用于处理包含碳的熔融铁以产生具有呈六角金刚石或朗斯代尔石形式的球状石墨的铸铁的添加剂可以用于冶金，用于延展性铁、粒状铁、球状铁、蠕虫状铁、珊瑚状铁、球状化铁的生产和制造，以及用于高机械性能的灰口铁(来自50级灰口铁)的生产和制造，其可以在以下基底中被发现：

(A)金属或类金属基底：

·由金属和/或类金属组成的基底或溶剂，例如：锰铁、硅铁，它们与上文指示的元素周期表的S-区和F-区的呈金属状态的元素合金化，作为溶剂的基底以固体在固体中或固体在可溶物中的关系将它们作为溶质包含。

о金属合金和/或类金属的基底或溶剂，其充当用于上文指示的元素周期表的S-区和F-区的呈金属状态的元素的媒介物，该基底可以包含作为金属基底和/或类金属的任何百分比水平的类金属或金属，其具有与矿物遗传学(用于制造基底或溶剂的矿物领域的遗传学)相关的对应水平的金属和非金属污染物，以及由用于制造基底或溶剂的所有其他矿物组分产生的杂质，例如焊剂、还原剂和在这样的金属或类金属基底的生产过程中固有的其他杂质。

о金属和/或类金属基底，其作为溶剂可以在固体混合物中以相溶液或金属和/或非金属的形式包含属于所述金属和/或类金属基底的生产工艺的任何质量(重量)百分比水平的杂质和/或元素的合金，所述元素例如铝、硫、钡、铍、钙、碳、氟、铁、锂、镁、锰、钾、铷、硅、钠；以及微量物质的可能存在，所述微量物质例如金属硫化物、氧、金属氧化物、镧系元素氧化物、镧系元素氟化物、镧系元素硫化物和/或稀土元素。

(b)非金属基底

·由以相或非金属形式的元素(金属和/或非金属)组成的基底或溶剂，例如：混凝土、矿物的压制砖、塑料、合成糊状物，它们用作基质或支撑物(sustenance)或溶剂，在它们已经被添加和/或附聚的情况下，在该非金属基底中以相或固体混合物的形式包含上文指示的元素周期表的S-区和F-区的呈金属状态的元素。

о非金属基底，其作为溶剂可以在混合物中以金属相和/或非金属相包含来自这种非金属基底的生产工艺的任何质量(重量)百分比水平的杂质和/或元素的聚集体，所述元素例如铝、硫、钡、铍、钙、碳、氟、铁、锂、镁、锰、钾、铷、硅、钠；以及微量物质的可能存在，所述微量物质例如金属硫化物、氧、金属氧化物、镧系元素氧化物、镧系元素硫化物和/或稀土元素。

本发明的添加剂的制备方式

本发明的用于处理包含碳的熔融铁以产生具有呈六角金刚石或朗斯代尔石形式的球状石墨的铸铁的添加剂可以通过以下工业过程中的一种、若干种或部分联合来制备：

1.通过金属还原，直接还原、一次还原和/或二次还原，其中选自周期表的S-区和F-区的呈金属状态的元素可以一起和/或分开地被还原和/或金属化。

2.通过熔合和/或二次分裂，其中选自周期表的S-区和F-区的呈金属状态的元素可以一起和/或分开地被还原和/或金属化。

3.通过联合和/或分开的合金调整，在直接还原相、一次还原相和/或金属二次还原相中；或者在熔合和/或二次金属分裂的后期，其中选自周期表的S-区和F-区的呈金属状态的元素可以一起和/或分开地被还原、混合和/或金属化。

4.通过一起或分开地机械混合选自元素周期表的S-区和F-区的呈金属状态的元素，这些元素可以根据上文指示的工业过程1、2和3被预先还原、金属化和/或熔合。

5.通过合金的溶剂化和/或通过金属化合物和/或非金属化合物的聚集体，其包含选自周期表的S-区和F-区的呈金属状态的元素，并且根据上文指示的工业过程1、2和3获得。

6.通过不同的金属化合物与非金属化合物的机械混合，其包含选自周期表的S-区和F-区的呈金属状态的元素，并且根据上文指示的工业过程1、2和3获得。

7.通过金属聚集体和非金属聚集体，以块体(block)、团体(mass)、糊状物、线、包封的形式，或者已经根据上文指示的工业过程1、2和3获得的、包含选自周期表的S-区和F-区的呈金属状态的元素的聚集体。

本发明的添加剂，用于呈现为市场上的产品，可以被并入金属粉末或颗粒中(如图1中所示)，被并入非金属粉末或颗粒中，被并入封装或包覆在其他金属或其他材料中的金属粉末和/或颗粒和非金属粉末和/或颗粒中，被并入金属颗粒和/或非金属颗粒中，被并入金属聚集体和/或非金属聚集体中，被并入任何粒度测量法中的固态金属合金或非金属合金中，被并入金属糊状物和/或非金属糊状物中，被并入任何形式的合成化合物中，及其组合。

添加剂在铸造中的应用方式

在本发明中的添加剂可以用于产生和制造具有高机械性能的延展性铁、粒状铁、球状铁、蠕虫状铁、珊瑚状铁、球状化铁或灰口铁。在本发明中的添加剂充当：

a)游离碳的球化剂(石墨)，通过液态铁的热力学操作，生成呈六角金刚石或朗斯代尔石的特定形式的球体，根据ASTM-A247在还被称为粒状铁的延展性铁铸造中，该球体已经被归类为I型和II型球体。

b)通过在热力学上形成石墨旋风(graphitic cyclone)的石墨簇、石墨喷口(graphitic spout)和/或石墨套筒的联合偏析(joint segregation)，呈其无定形、半晶体和/或晶体六角石墨的同素异形形式的游离碳的珊瑚保持剂。这些石墨附聚物被分为六角石墨蛭石、六角石墨石质珊瑚状物、六角石墨无定形吸盘、六角金刚石石墨朗斯代尔石和/或联合混合物，根据ASTM-A247，它们作为以六角石墨存在于所产生的铁中的游离碳附聚物的形式呈现I型、II型、III型、IV型、V型和VII型。

c)六角石墨片的纵向生长的抑制剂和减速剂(moderator)，并且在具有A型、B型和C型分布的高机械性能的灰口铁铸件中，作为在根据ASTM-A247的VII型的六角石墨片在其轴向平面(层状石墨)的增加剂。

d)遗传活化剂，例如金属浴的自由能贡献者，例如等温保持剂，例如离子钝化剂，例如共减速剂和/或例如奥氏体晶粒细化剂；它用来控制将在固化的铁铸件中存在的结晶结构相(基体)内结合碳的偏析、可持续性和扩散。

基于上文，本发明还是一种用于在高金属收率的实践下产生铸铁的方法，以产生需要通过高金属收率和高模具收率实现的高收益性的物品，因此，根据ASTM-A247 I型和II型球体分类标准，期望大量呈六角金刚石或朗斯代尔石的形式的球状石墨在熔融铁的液相中结晶，因此必须使熔融铁与分别作为球化剂和/或活化剂或晶粒细化剂的本发明的添加剂反应并且孕育所述添加剂。因此，用于产生零收缩的并且具有球状石墨的铸铁物品的方法预期以下步骤：(a)从确定的金属负载制备具有碳的熔融铁；(b)使所述熔融铁与本发明的作为球化剂的添加剂反应；(c)允许通过热化学反应在呈液相的所述熔融铁中形成球状石墨和沉淀球状石墨；(d)用本发明的作为活化剂或晶粒细化剂的添加剂孕育所述熔融铁，以使来自剩余碳的剩余石墨粒化，并且仅将所需的结合碳保留在所述熔融铁中的结构相内；以及将所述熔融铁倒入模具中，其中具有每公吨处理和倾倒的铁铸件750kg物品的最低比率。

本发明的作为球化剂的添加剂和作为活化剂或晶粒细化剂的添加剂包含选自元素周期表的第2至第7周期的S-区的呈金属状态的两种或更多种元素以及选自元素周期表的第6至第7周期的F-区的呈金属状态的两种或更多种元素。

采用1,350℃的最低温度和1,500℃的建议的最高温度，采用金属铁、钢废料和/或铸铁，将化学组成调整到建议的正常碳值、硅和合金元素例如锰、铬以及根据这样的熔融铁合金的建议的等级所要求的其他元素，在任何铁熔化设备中制备具有碳的熔融铁。该金属浴随后用本发明的添加剂球化和孕育。

作为球化剂的添加剂可以是多种基底，例如硅铁、锰铁、金属坯块、非金属坯块、还原的坯块、混凝土、陶瓷、金属团体、线、填充的封装的金属线、塑料等，并且通过任何孕育方法被添加或并入到熔融铁中，总是在待球化的和/或待活化的液态金属中。

作为活化剂或晶粒细化剂的添加剂可以是多种基底，例如硅铁、锰铁、金属、被还原的和/或非金属的坯块、混凝土、陶瓷、金属团体、线、填充的封装的线、塑料以及其他，其通过任何孕育方法被添加或并入到熔融铁中，这确保了它将始终接触待孕育的和/或待活化的液态金属并且在待孕育的和/或待活化的液态金属内。

作为球化剂的添加剂以基于待处理的或待球化的液态金属的从按重量计0.40％至1.50％的量被添加；同时作为活化剂或晶粒细化剂的添加剂以从按重量计0.10％至1.0wt％或与待孕育的铁的液态金属成比例的量被添加。

金属收率和产生的铸铁物品

根据本发明的用于产生具有零收缩并且具有呈六角金刚石或朗斯代尔石形式的球状石墨的铸铁物品的方法获得的铸铁物品，它们示出具有在300个球体/mm²的最小范围内的六角金刚石或朗斯代尔石的球状石墨的微结构，所述石墨的尺寸小于4并且I型和II型石墨的分布是以80％的最小值。这些密度、尺寸和分布参数已经根据ASTM A-247标准被测量。

此外，根据本发明的用于产生具有零收缩并且具有呈六角金刚石或朗斯代尔石形式的球状石墨的铸铁物品的方法获得的铸铁物品，它们在其化学组成中提供镧系收缩元素和钪系收缩元素，这些元素来源于选自元素周期表的第6至第7周期的F-区的呈金属状态的元素的反应，所述呈金属状态的元素被包含在制备本发明的添加剂所采用的本发明的方法中使用的本发明的添加剂中。这些镧系收缩元素和钪系收缩元素的含量是由于以使用的添加剂的重量的化学计量比。

以下事实：即在本发明的用于产生具有零收缩并且具有呈六角金刚石或朗斯代尔石形式的球状石墨的铸铁物品的方法期间，六角金刚石或朗斯代尔石的球状石墨根据ASTM-A247标准I型和II型球体分类被形成和沉淀，与在从45％至55％的典型平均金属收率的范围的所有现有工业过程中的传统铸造方法相比，允许在55％和95％之间、优选地在75％和95％之间的高金属收率，其中操作生产率(operating productivity)为在41％和50％之间的典型平均值。这些高的金属收率是通过由呈六角金刚石或朗斯代尔石形式的高浓度的所形成的球状石墨引起的零收缩的技术效果实现的，通过被定义为“冶金质量”的稳定的操作密度的作用以及通过当其被倾倒时液体的较低粘度，导致石墨膨胀和金属收缩的补偿。

实施本发明的实施例

现在将根据以下实施例来描述本发明，这些实施例具有表示如何实现本发明的原理的唯一目的。以下实施例不试图是本发明的详尽表示，它们也不试图限制本发明的范围。

本发明的添加剂的实施例的制备

根据本发明制备了12种充当实施例1至实施例12的化学组成的球化剂的添加剂，并且其以重量百分比％的组成在表1中示出。

表1

此外，根据本发明制备了12种充当实施例13至实施例24的化学组成的球化剂的其他添加剂，并且其以重量百分比％的组成在表2中示出。

表2

在另一方面中，根据本发明制备了12种充当实施例25至实施例36的化学组成的活化剂或晶粒细化剂的添加剂，并且其以重量百分比％的组成在表3中示出。

表3

此外，根据本发明制备了12种充当实施例37至实施例48的化学组成的活化剂或晶粒细化剂的其他添加剂，并且其以重量百分比％的组成在表4中示出。

表4

机动车的粒状铁制备ASTM D-654512级

在1,480℃的熔合温度，从由30％的返回铸铁(return cast iron)和70％的钢片组成的1,500kg的金属负载制备具有按重量计3.70％的碳的熔融铁。熔融铁在1,480℃的温度在包含以10.5kg的量的根据表1的实施例10的作为球化剂的添加剂的反应罐中反应，这允许在45秒的反应期间在呈液相的熔融铁中球状石墨的形成和沉淀；随后将根据表3的实施例34的添加剂以2.25kg的量以颗粒形式作为活化剂或晶粒细化剂孕育到熔融铁中；然后将180.5kg的熔融铁倒入用于汽车悬架的10个控制臂的湿砂模中(如图2中所示)，用于汽车悬架的每个控制臂需要15.52kg的铸铁，给出对于全部用于汽车悬架的控制臂所需的总共155.20kg的铸铁，这代表全部用于汽车悬架的控制臂获得了与倾倒的全部熔融铁总量(180.5kg)相比85.98％的金属收率；它们最终经历正常冷却持续1小时，并且从砂模中移除用于汽车悬架的铸铁控制臂。

获取先前获得的铸铁物品的样品用于金相分析，主要包括切割、抛光和在显微镜下观察，在100X增加的情况下，观察到100％的I型结晶石墨(朗斯代尔石)，其中尺寸为6并且球形密度为480个球体/mm²(如图3A中所示)；而在1000X的增加时，观察到由石墨结晶球体组成的朗斯代尔石(如图3B中所示)。

铁道粒状铁的制备ASTM D-805506级

在1,500℃的熔合温度，从由40％的返回铸铁、55％的钢片和5％的生铁组成的3,500kg的金属负载制备具有按重量计3.85％的碳的熔融铁。熔融铁在1,450℃的温度在包含以35kg的量的根据表2的实施例22的作为球化剂的添加剂的反应罐中反应，这允许在56秒的反应期间在呈液相的熔融铁中球状石墨的形成和沉淀；随后将根据表4的实施例45的添加剂以5.25kg的量以颗粒形式作为活化剂或晶粒细化剂孕育到熔融铁中；然后将218.75kg的熔融铁倒入用于铁道的60个轮轴的砂模中(如图4中所示)，铁道的每个轮轴需要3.5kg的铸铁，给出对于全部铁道的轮轴所需的总共210kg的铸铁，这代表全部铁道的轮轴获得与倾倒的全部熔融铁总量(218.75kg)相比96％的金属收率；它们最终经历正常冷却持续1小时，并且从砂模中移除铁道的铸铁轮轴。

获取上文获得的铸铁物品的样品用于金相分析，其主要包括切割、抛光和以100X增加观察的显微镜观察。100％的I型结晶石墨(朗斯代尔石)，其中尺寸为6至7，并且球密度为520个球体/mm²(如图5A中所示)；而在1000X增加时，可以看到由石墨结晶球体组成的朗斯代尔石(如图5B中所示)。

基于上文描述的成果，预期对所描述的这些成果以及可选择的实现方式的修改对于本描述下的技术领域的技术人员来说将被视为明显的。因此，预期权利要求书涵盖落在本发明或其等同物的范围内的这样的可选择的实现方式。

Claims (37)

1.一种添加剂，用于处理包含碳的熔融铁以产生具有呈六角金刚石或朗斯代尔石形式的球状石墨的铸铁，所述添加剂包括：

选自元素周期表的第2至第7周期的S-区的呈金属状态的两种或更多种元素；以及

选自元素周期表的第6至第7周期的F-区的呈金属状态的两种或更多种元素。

2.根据权利要求1所述的添加剂，其中选自元素周期表的第2至第7周期的S-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素选自元素周期表的IA族。

3.根据权利要求2所述的添加剂，其中选自元素周期表的IA族的S-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素选自由锂、钠、钾和铷组成的组，其量为总添加剂的按重量计2％至15％。

4.根据权利要求1所述的添加剂，其中选自第6至第7周期的F-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素选自由镧、铈、镨、钕、锕、钍和镤组成的组，其量为总添加剂的按重量计1％至15％。

5.根据权利要求1所述的添加剂，其中选自第2至第7周期的S-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素选自元素周期表的IIA族。

6.根据权利要求5所述的添加剂，其中选自元素周期表的IIA族的S-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素选自由铍、镁、钙和钡组成的组，其量为总添加剂的按重量计2％至15％。

7.根据权利要求1所述的添加剂，其中选自第6至第7周期的F-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素选自由镧、铈、镨、钕、锕、钍和镤组成的组，其量为总添加剂的按重量计1％至15％。

8.根据权利要求1所述的添加剂，其中还包括选自元素周期表的IVA族的P-区的元素。

9.根据权利要求8所述的添加剂，其中选自IVA族的P-区的所述元素选自由碳和硅组成的组，其量为总添加剂的按重量计7％至70％。

10.根据权利要求1所述的添加剂，其中还包括选自元素周期表的VIA族的P-区的元素。

11.根据权利要求10所述的添加剂，其中选自VIA族的P-区的所述元素选自由氧和硫组成的组，其量为总添加剂的按重量计7％至70％。

12.根据权利要求1所述的添加剂，其中所述添加剂是游离碳和/或石墨的球化剂和/或粒化剂、自由能活化剂、晶粒细化剂或孕育剂。

13.一种用于产生权利要求1所述的添加剂的方法，所述方法包括以下步骤：

提供选自元素周期表的第2至第7周期的S-区的呈金属状态的两种或更多种元素以及选自元素周期表的第6至第7周期的F-区的呈金属状态的两种或更多种元素；以及

将选自第2至第7周期的S-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素与选自元素周期表的第6至第7周期的F-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素铸造、混合和/或接合。

14.根据权利要求13所述的方法，其中选自第2至第7周期的S-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素选自元素周期表的IA族。

15.根据权利要求14所述的方法，其中选自来自元素周期表的IA族的第2至第7周期的S-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素选自由锂、钠、钾和铷组成的组，其量为总添加剂的按重量计2％至15％。

16.根据权利要求13所述的方法，其中选自第6至第7周期的F-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素选自由镧、铈、镨、钕、锕、钍和镤组成的组，其量为总添加剂的按重量计1％至15％。

17.根据权利要求13所述的方法，其中选自第2至第7周期的S-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素选自元素周期表的IIA族。

18.根据权利要求17所述的方法，其中选自来自元素周期表的IIA族的S-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素选自由铍、镁、钙和钡组成的组，其量为总添加剂的按重量计2％至15％。

19.根据权利要求13所述的方法，其中还包括选自元素周期表的IVA族的P-区的元素。

20.根据权利要求19所述的方法，其中选自IVA族的P-区的所述元素选自由碳和硅组成的组，其量为总添加剂的按重量计7％至70％。

21.根据权利要求13所述的方法，其中还包括选自元素周期表的VIA族的P-区的元素。

22.根据权利要求21所述的方法，其中选自VIA族的P-区的所述元素选自由氧和硫组成的组，其量为总添加剂的按重量计7％至70％。

23.根据权利要求13所述的方法，其中将选自第2至第7周期的S-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素与选自元素周期表的第6至第7周期的F-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素铸造、混合和/或接合的所述步骤是在铸造中的金属或类金属基底中或在溶液中的固体混合物中实现。

24.根据权利要求1所述的添加剂在用于处理包含碳的熔融铁以产生具有呈六角金刚石或朗斯代尔石形式的球状石墨的铸铁的铸造工艺中的用途。

25.一种用于产生具有呈六角金刚石或朗斯代尔石形式的球状石墨的铸铁物品的方法，所述方法包括以下步骤：

从确定的金属负载制备具有碳的熔融铁；

使所述熔融铁与作为球化剂的添加剂反应，所述添加剂包含选自元素周期表的第2至第7周期的S-区的呈金属状态的两种或更多种元素以及选自元素周期表的第6至第7周期的F-区的呈金属状态的两种或更多种元素；

允许通过热化学反应在呈液相的所述熔融铁中形成球状石墨和沉淀球状石墨；

用作为活化剂或晶粒细化剂的添加剂孕育所述熔融铁，以使来自剩余碳的剩余石墨粒化，并且仅将所需的结合碳保留在所述熔融铁中的结构相内，其中所述活化剂或晶粒细化剂包含选自元素周期表的第2至第7周期的S-区的呈金属状态的两种或更多种元素以及选自元素周期表的第6至第7周期的F-区的呈金属状态的两种或更多种元素；以及

将所述熔融铁倒入模具中。

26.根据权利要求25所述的方法，其中选自第2至第7周期的S-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素选自元素周期表的IA族。

27.根据权利要求26所述的方法，其中选自来自元素周期表的IA族的S-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素选自由锂、钠、钾和铷组成的组，其量为总添加剂的按重量计2％至15％。

28.根据权利要求25所述的方法，其中选自第6至第7周期的F-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素选自由镧、铈、镨、钕、锕、钍和镤组成的组，其量为总添加剂的按重量计1％至15％。

29.根据权利要求25所述的方法，其中选自第2至第7周期的S-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素选自元素周期表的IIA族。

30.根据权利要求29所述的方法，其中选自来自元素周期表的IIA族的S-区的呈金属状态的所述两种或更多种元素选自由铍、镁、钙和钡组成的组，其量为总添加剂的按重量计2％至15％。

31.根据权利要求25所述的方法，其中还包括选自元素周期表的IVA族的P-区的元素。

32.根据权利要求31所述的方法，其中选自IVA族的P-区的所述元素选自由碳和硅组成的组，其量为总添加剂的按重量计7％至70％。

33.根据权利要求25所述的方法，其中还包括选自元素周期表的VIA族的P-区的元素。

34.根据权利要求33所述的方法，其中选自VIA族的P-区的所述元素选自由氧和硫组成的组，其量为总添加剂的按重量计7％至70％。

35.根据权利要求25所述的方法，其中所述铸铁选自具有高机械性能的延展性铁、粒状铁、球状铁、蠕虫状铁、珊瑚状铁、球化铁或灰口铁。

36.根据权利要求25所述的方法，其中所述方法具有从55％至95％、优选地从75％至95％的金属收率。

37.一种铸铁物品，所述铸铁物品根据权利要求25所述的方法制备，所述铸铁物品包括：

根据在所述铸铁物品的制备期间使用的作为球化剂的添加剂和作为活化剂的添加剂的百分比以化学计量比例的镧系收缩元素和钪系收缩元素；

至少80％的根据ASTM-A247标准I型和II型球体分类的呈六角金刚石或朗斯代尔石形式的球状石墨的存在；

300个球体/mm²的最小石墨球体密度；以及

小于4号的球状石墨尺寸。

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