球铁生产技术资料

球铁生产技术资料哈尔滨科德威冶金新材料有限责任公司2目录页FeSi合金在储存过程中的氧化作用4铸铁的孕育4铝在铸铁中的作用6Ba在铸铁中的作用7Ca在铸铁中的作用8Ce在铸铁中的作用8S和O在铸铁中的作用9Sr在铸铁中的作用10孕育实践11孕育机理13孕育衰退14球铁的Mg含量16铁水的取样17加盖中间包的球化处理19“带凹坑的Sandwhich”法21微量和痕量元素铸在铁中的作用22蠕墨铸铁25铁合金储仓的结构27灰铁用孕育剂的选择29球铁用孕育剂的选择31推荐的灰铁目标成分313球铁的推荐目标成分33球化剂的选择34铁水的保温35后期的随流孕育37影响镁在球铁的包处理中的加入量和回收率的因素39渣相在球铁处理和浇铸时的分布43球化不良45球铁的球化衰退47可供选择的中间包包盖结构49球铁的镁/硫比51氮气孔52氢针孔53灰铁中的一氧化碳气孔54灰铁中的渣缺陷55型内球化56厚大断面铸件的孕育584FeSi合金在储存过程中的氧化作用在球铁生产中用作孕育剂的FeSi合金，如果在运输和储存过程中受了潮或处于高湿度空气中，很容易产生表面氧化。这种氧化作用会演变成为一个严重问题，尤其是经过破碎的，低级细粒硅铁合金，当其被加入到铁水中时，会降低其使用效率。这意味着将加大用量，并因此而增加成本和增多因渣而可能导致的问题。可以把FeSi的氧化程度与其氧含量关联起来。已经测定过孕育剂和MgFeSi合金的含氧量与其在干燥和高湿度条件下的储存时间的关系。下图是所获得的典型结果。合金在干燥条件下储存时，其氧含量只会发生很小的变化，而在储存过程中受潮时，则显示出了严重的氧化倾向。在干燥和潮湿储仓中储存的硅铁的氧化长度储存FeSi合金的重要措施（1）总应用密封容器或防水包装物，如大包装袋或钢桶，运输铁合金。包装应很好加以遮盖以防下雨和水淋。（2）如果铁合金不得不露天存放，则必须将它们装在密闭的防水铁桶或包装袋中，以免暴露在水或雨中。为使产生冷凝的危险减至最小，应避免大的温度变化（避免暴露在阳光下）。（3）避免FeSi合金氧化的最好办法是将其储存在恒温的干燥仓库中。铸铁的孕育孕育是用来控制铸铁的组织和性能的一种手段，它是通过为灰铁的石墨片和球铁的石墨球的生长增加成核点的数量来达到的。它将减小共晶凝固期间的过冷，从而使组织中形成坚硬的铁碳化合物或白口的5危险减至最小，尤其是在薄壁铸件的情况下。孕育剂是在浇铸前往铁水中加入的一种材料，它将为石墨提供合适的成核点。最有效的孕育剂是含有少量一种或几种元素（如Ca、Ba、Sr、Zr和/或Ce）的FeSi合金。下面的金相照片和表格示出的是几个加和不加孕育剂的灰铁和球铁的组织和性能的例子。如同从金相照片中可以看出的那样，未进行孕育的铸件（左边的）含有大量硬而脆的铁碳化合物（渗碳体、Fe3C）和很差的石墨组织。进行过孕育的铸件（右边的）则是含有许多无序排列的细小石墨片的均匀组织（灰铁）和在铁素体和珠光体基体中存在大量细小石墨球的组织（球铁）。6孕育的重要优点：（1）可以消除组织中通常被称为“白口”的硬而脆的铁碳化物（渗碳体）的形成，促进石墨在共晶凝固过程中的生成。（2）提高切削性能和机械性能，减少因断面尺寸改变引起的变化。（3）增加球铁的石墨球数，从而在整个断面厚度上形成更细更均匀的组织。这样的组织将有利于改善机械性能，减小合金化元素或微量元素在铸铁中的偏析倾向以及获得较好的机加性能。注：铸铁的某些条件，如原铁水的硫含量（灰铁），温度和总的“衰退”时间将会影响对某一专利孕育剂的选择。在选用孕育剂之前，应参考Elkem技术资料第15和16页.有关孕育和专利孕育剂的详细的资料请看Elkem下列小册子：铸铁的孕育Foundrisil孕育剂Surerseed孕育剂铝在铸铁中的作用铝在铸铁熔炼时将起脱氧剂的作用，会同溶解于铁液中的氧反应生成Al2O3。这种氧化物会与SiO2形成硅酸盐相—Al2O3SiO2，或作为一种组份进入含钙硅酸盐相—CaOAl2O3SiO2中。不含钙硅酸盐的孕育作用有限。含钙硅酸盐相可促成最高的成核率（它是怎样起作用的，可在关于钙的一节中找到）。加入小量铝可以提高Fe-C相图中稳定系的熔点。增大稳定和亚稳定凝固之间的温度范围，并可在无任何太大亚稳定凝固危险的情况下允许铁水有较高的过冷。这也使得铝是石墨一种的强稳定剂。由于铁液中存在有铝，因而会增大对H的吸收，并可使较多的H含量溶解于铸铁液中。H在铁水中的溶解度将随熔体温度的下降而降低，过量的溶解H可成为气孔或所谓的针孔进行脱溶。这就是会使铸件机械性能和表面质量下降的铸造缺陷。众所周知，在灰铁方面，Al是用来增加抗拉强度。除了能促进H-针孔的形成之外，Al还会因为氧化膜的包裹而造成缺陷。在球铁方面，Al能促进蠕状石墨的形成，尤其是在厚大断面铸件情况下。作为一种脱氧剂来说，应当记住的是：渣量也会随其含量的增加而增大。Al的来源：7——Al镇静钢废料——孕育剂——铁合金——被炉料中有色金属废料的污染——故意加入通常的含量；小于0.03%Ba在铸铁中的作用Ba在铸铁熔体中将起脱氧剂的作用。Ba会同氧起反应，并生成为硅酸盐相BaOAl2O3SiO2和BaOSiO2的组份之一的氧化物BaO。这两种相都具有一个在尺寸方面仅与石墨稍稍不同的六角形晶体结构。Ba会以与钙相同的方式起作用，但它同氧的反应是发生在Ca同O的反应结束以后（关于Ba在铸铁熔体中的作用请见有关钙的那一节）。加Ba的优点是：含Ba的活化晶核在较长时间内都是稳定的，而且将使孕育剂更加抗衰退。这样的结果就是一种能保持20分钟以上时间的孕育剂。这样一种孕育剂在浇铸大件和常出现延迟的生产线方面是很有用的。在灰铁和球铁这两种情况下，Ba能增加成核率。在晶核具有长时间稳定性的球铁方面，这种作用就是高球数，即或在镁处理后不加孕育剂的情况下也如此。Ba会同钙生成一种易去除的渣。另一个作用是：因为含Ba渣将主要保留在处理包中，所以它易于使塞棒和浇铸机保持清洁。虽然表面看起来生成的渣很多，然而这只是一种假象，因为渣将保留在铁水包中，而不是被转入自动浇铸机里。因此，需要对铁水包进行更多的清理和维护，然而大多数铸造厂将会发现这是一种比起更换塞棒和清理浇铸机来更好，更清洁和更廉价的选择。这样的效果是塞棒和浇铸机内部都比较清洁，而且具有较长的使用寿命。由于Ba能促进和改善石墨的成核作用，因而使含Ba孕育剂成为白口的有效去除剂。Ba的来源：含Ba孕育剂常用量，很少不大于0.003%。8Ca在铸铁中的作用Ca在铸铁熔体中将起脱氧剂的作用。Ca将与O起反应，并生成氧化物CaO，成为硅酸盐相—CaOAl2O3SiO2和CaOSiO2的一部份。这两种硅酸盐相都有一个与石墨结构仅稍不同的六角形晶体结构。Ca是通过孕育剂加到铸铁熔体中的，在那里将发生Ca同O生成硅酸盐相的反应。这些相将沉积在熔体中的其它氧化物表面上，并成为加速石墨成核和生长的活化晶核。这意味着为使凝固作用得以发生，熔体必须较小的过冷。这将防止发生亚稳凝固和生成铁碳化物。由此可见，在灰铁和球铁的凝固条件下，Ca有助于石墨的形成以及改善石墨的成核。此外，Ca还有一个好作用：当将其用于球铁生产时，Ca能同S起反应从而生成CaS。这个CaS将对富Mg硅酸盐相起晶核作用，从而赋予石墨以球形而不是片形。在球铁生产中，Ca将通过同S和O的反应，并生成硅酸盐相的途径而促进孕育过程的发生。这样一来的效果是：一个高的成核率和一个赋予高球数的高石墨球生长率。Ca既能强化它自身的孕育作用，也能加强Al和Ba的孕育效果。在铸铁熔体中，因钙含量太高而带来的问题是：使熔体中渣的生成量增多，以及可能使石墨的形态不对。而且，如果Ca含量太高，则会使FeSi基孕育剂在熔体中的溶解度下降。此外，过高的Ca还会促进碳化物的生成。这就是为什么对孕育剂的Ca含量有一个建议的上、下限的原因。孕育剂的Ca含量取决于是让Ca仅起孕育作用，还是还要其与铸铁熔体中的S起反应。Ca的来源：铁合金球化剂孕育剂常用量：最多达0.01%Ce在铸铁中的作用Ce既可起孕育剂的作用和也可起球化剂的作用。9Ce可以使对石墨结构有负面影响的痕量元素(如Pb、As、Bi、Sb、Sn、Al、Ca和Ti)处于停顿状态。额外的Ce将同铸铁熔体中的溶解O和S起反应。许多夹杂物都属X2Y3和XY2类型，其中X代表Ce，Y代表S或O。这些夹杂物将对石墨的成核起晶核的作用，并会降低熔体开始共晶凝固所需的过冷。遵循稳态Fe—C相图的凝固作用是较容易发生的，而且显微组织将由石墨而不是碳化铁所组成。尤其是含S夹杂物已经显示出能增加球铁中石墨球的成核率。含Ce夹杂物以及含Ca和Al的硅酸盐相都是良好的成核点，Ce基孕育剂会造成大量的成核点。由于S和O被有效地加以了冻结，因此，石墨的生长形态将从片状改变成球状。在球铁熔体中，Ce的作用是增加成核点和使有较多的球数。当孕育剂中含有Ce时，Ca和Al之类的其它活性元素的敏感性将增大。过量的Ce可以导致不希望的石墨组织和碳化物的形成，Ce过量还可导致开花状和块状石墨组织的生成。这两种组织都会导致铸件机械强度的降低。这是一个问题，尤其是在厚大断面铸件方面。另外还知道Ce能促进块状石墨在奥氏体球铁中的形成。Ce的来源：大多来自所加入的MgFeSi作为混合稀土加入到纯Mg球化过程中的可能存在于有些孕育剂中的常用量：小于0.02%S和O在铸铁中的作用将S和O加到铸铁熔体中是为了使熔体对孕育更加敏感。进行球铁生产时，是在Fischer转包中用纯Mg或MgFeSi对熔体进行Mg处理。进行这种处理的目的是为了抑制表面活性元素S和O，借此使石墨的生长形态从片状改变成球状。S和O将固定在石墨的斜方晶晶面上，并减小该晶面的表面能，使斜方晶晶面成为生长较快的晶面。这样的结果就是形成许多石墨片。问题是当所有的S和O被球化过程固定住，且没有留下足够的S和O同10孕育剂中的活性元素Al、Ca、Ba、Ce相反应时。这些元素以及S和O将提供在晶体方面与石墨稍有不同的氧化物和硅酸盐，成为石墨的合适成核点。当熔体中不存在这些氧化物和硅酸盐时，则需要较大的过冷，以便激活使铁水发生亚稳凝固的石墨的成核。如果不是石墨而是铁碳化物被成核，则铸件的机械性能将大大下降。另外，如果S和O在熔体中的含量很高，为了得到球铁，则必需在球化处理之前，加入较多的Mg。较高的加Mg量将导致较多的渣和烟雾的产生，Mg回收率的下降以及比较猛烈的反应。S含量过高还会对球铁的石墨结构产生负面影响。当不能对S加以抑制时，它可能同Fe相反应从而生成可在晶边附近看到的低熔点共晶相FeS。这样的结果就是铸件机械性能的下降，尤其是高温性能的下降。O含量过高会导致渣量增加，从而增加成品铸件因渣的关系而产生缺陷的危险。总之，由渣造成的缺陷会降低铸件的机械性能，如同在FeS的情况下那样。虽然灰铁中的S含量比球铁中的S含量高，但是，仍然要记住的是：尽管S将增大对孕育剂的响应，但它也会增大产生MnS气孔和反白口的倾向。S和O的来源：焦炭增碳剂生铁废铁加入的FeS灰铁通常的S含量：小于0.15%球铁通常的S含量：小于0.015%Sr在铸铁中的作用锶总是以FeSi基孕育剂形态Superseed75、Superseed50或SuperseedExtra精确地加入到铸铁中的。这个元素不会自然存在于用来生产铸铁的炉料中，然而作为孕育剂进行很少量的添加却对金属的组织具有有益的作用。孕育剂Superseed75和Superseed50最初是由英国铸铁研究学会研制的，现在则是由在挪威和加拿大的Elkem工厂进行生产。11这种孕育剂主要用于中、高S含量的灰铁，而这些含Sr的孕育剂大多是在灰铁生产中用的最广的配方。这是因为Sr具有独特的性能。当今铸铁厂最关心的问题之一就是缩松或收缩。这主要是因铸型膨胀而由砂子引起的，但偶尔也是由铸件的状况（例如，起热点作用的小圆角）造成的。孕育剂中的Sr具有促进A型石墨生长的作用，尽管保持比其它孕育系统少的共晶晶粒数不变的时间相同。虽然其它孕育剂也能促使大量A型石墨的生成，但大量成核点会引