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1、厚大断面铸件专用球化剂、孕育剂的开发与应用摘要：厚大断面球墨铸铁由于断面过厚，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造成石墨畸变、球数减少、组织粗大、石墨飘浮、化学成分偏析和晶间碳化物等问题，常规的稀土硅镁合金无法满足正常的生产要求，特别研究开发了适合的厚大断面铸件专用球化剂与孕育剂系列配套产品关键词：厚大断面铸件、专用球化剂、孕育剂厚大断面球墨铸铁件如风力发电铸件、大功率柴油机曲轴、冶金轧辊铸件等的需求量不断增加，厚大断面球铁件在生产时，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造成石墨畸变、球数减少、组织粗大、石墨飘浮、化学成分偏析和晶间碳
2、化物等问题。因而导致铸件的机械性能下降，尤其是韧性更为明显，给大断面铸件的生产带来困难。因此依据中国特有的实际状况开发了厚大断面铸件专用球化剂、孕育剂。一、专用球化剂的设计思路： Mg元素使球化的核心元素，是石墨球圆整度最主要元素，在厚大断面球铁中，只有保持较高的残余量，才能减缓球化衰退，并使石墨球的维持在高球化率的范围内，但Mg元素阻碍石墨析出，又有白口倾向，残余Mg量过高时，一方面增加缩松倾向和碳化物的脆性，又因Mg元素易氧化，在铁水表面形成氧化膜，进入砂型易使铸件产生夹渣和皮下气孔。所以，残余Mg量应控制在一定的范围内，在铸件中大致在0.05-0.06%之间，而在专用球化剂中则控制在6.
3、8-8.5%的范围。 RE有抵消中和反球化干扰元素的作用，并间接地起球化作用，但在厚大铸件中，RE残余量高时，容易造成碎块状石墨增多，芯部石墨发生变异，为了提高抗衰退能力，而且加入一定量的钇基重稀土，以保持较高的抗衰退能力，并使磷共晶减少并弥散，但原则是低稀土，依据炉料的组成及纯净度调整其含量，在铸件中大致在0.01-0.03%之间，而在专用球化剂中则控制在1.5-3.5%之间的范围。 Ca元素在球化剂中主要起延缓爆发作用，其含量的大小在球化现场处理时体现了爆发的剧烈程度，但由于厚大断面铸件低温球化处理与低温浇注的特点，Ca元素一般控制在2.0-3.0%范围，并趋于下限，一方面可以适当地脱氧、
4、脱硫，同时延缓爆发的时间，抑制反应的剧烈程度，但同时Ca的溶解性差，很容易形成夹渣等铸造缺陷，一般不能太高。Ba元素配入一方面与Ca元素复合，延缓爆发和平稳反应，另一方面使反应后的炉渣易于清理，更主要的是保持石墨结晶核心质点在高温下的化学稳定性，同时还有与石墨晶格具有优良的晶格匹配性，从而使铸件达到较高的石墨数量，在专用球化剂中，一般控制在1.0-2.5%的范围。在各种元素的比例方面，主要是Mg/RE、Mg/（Ca+Ba）的控制，目的是控制爆发的时间、反应的平稳程度以及Mg元素的有效吸收，减少操作的安全以及现场的污染控制，期望在较深的铁液下才开始反应，并且反应时，烟尘少、镁光少，飞溅少，整个过
5、程要平稳，球化反应时间在2-3分钟左右较为合适，太短太长都不好。同时各元素的范围也随着铸件的大小不同、壁厚不同而适度调整。 厚大断面铸件专用球化剂的特色是：高镁、低稀土、中低钙、适度的钡,注重各元素之间的比例组合，一方面延缓球化衰退，另一方面促进异质形核。化学成分列表如下：元素MgRE、YRECaBaSiBi、Sb、CFe%6.8-8.51.0-3.52.0-3.0适量40-42微量余量备注：RE中含有一定比例的重稀土，以延缓球化衰退； Bi、Sb、C等微量元素酌情加入，有促进晶核、增加石墨数量、改善石墨圆整度等作用，并因炉料、铸件等因素而易； 粒度：5-25mm的粒度完全可行，因粒度相对越小
6、，有效元素吸收的越好；二、孕育剂系列产品设计思路： 孕育剂设计原则是异质核心的晶格的匹配性、高温的化学稳定性，要求具有强烈的促进石墨化作用，并能维持时间较长，吸收率高而稳定，具有很好的延缓孕育衰退。针对于厚大件来讲，更主要是孕育的长效性，所以孕育分为炉前孕育和瞬时孕育，两者缺一不可。炉前孕育剂主要含有Ba、Ca等元素，一方面高效地形核，另一方面形核后的保持长时间的稳定性，使晶核质点不聚集、不粘合，从而保证较高的石墨数量，是抗衰退的长效孕育剂。浇注随流是含有特殊成分的孕育剂，主要是表面活性低熔点元素的应用，其中应用于风力发电铸件时配入适微量的Bi与Sb元素，即改善断面中心部位的球化状况，使得球径
7、小，球数多，并能提高铁素体含量，提高铸态性能；当应用于大功率柴油机曲轴、冶金轧辊等珠光体型铸件时，配入适微量的Sb、Sn等元素，即改善断面中心部位的球化状况，使得球径小，球数多，提高铸态性能。粒度根据铁水量而定，炉前使用一般有3-6mm和5-12mm的两种粒度，而随流使用一般有0.5-1.2mm和1-3mm的两种粒度。化学成分列表如下：SiREBaCaAlBi、Sb炉前孕育剂66-704.0-8.01.0-3.01.0瞬时孕育剂64-68适量2.0-6.01.01.0微量三、专用球化剂、孕育剂在实际生产中的应用1、在风力发电球铁件生产中实际应用 风力发电球铁件的材质欧洲标准为EN-GJS-40
8、0-18U-LT，国家标准为QT400-18AL，相关的机械性能如下表：牌号参考厚度（mm）抗拉强度(Mpa)屈服点(Mpa)延伸率(%)低温冲击值-202三次试验平均值（J）单个值（J）QT400-18AL30-603902501512960-20037024012107HBS130-180金相组织球化率90% +石墨数100个/mm2 +95%的铁素体+5%珠光体在实际生产中，对于壁厚在70-180mm、重量约12吨（含较冒口）的风电铸件叶轮毂大型铸件，如何稳定地达到机械性能要求，选择非常纯净的原材料是非常必要的，原材料中的生铁应控制Si、Mn、S、P等元素，其含量要低（Si1.0%, M
9、n0.2% S0.02%, P0.040%），对Cu、Cr、Mo、Ti、Sn、V、W等其它一些促进碳化物元素以及正偏析合金元素要严格控制含量，尤其是反球化干扰元素（如Pb、As、Ti等）更要很低，因考虑到低温性能的要求，铸件中的硅含量要控制在1.8-2.3%之间，由于硅含量较低，可以特别添加适量的镍元素，以补充低硅的副作用，同时促进石墨化。废钢一定要选择低锰的纯净的碳素钢，同时不得有焊缝、油漆、铁锈等，回炉料最好是同类材质的成分，铸件的最终化学成分，必须是低CE量，大致成分为：C3.4-3.8%，Si1.8-2.3%，Mn0.2%，S0.015%，P0.04%， Mg0.04-0.06%，RE
10、0.015%；炉料组成：80%国内生铁（如本溪、林州、山西等）、10%低锰的纯净的碳素钢或很薄的冷轧板以及10%回炉料；原铁水控制成分：C3.5-3.8%、Si0.6-0.8%、Mn0.2%、S0.02%、P0.04%、球化剂与孕育剂的成分：成分MgRECaBaSiSbBi专用球化剂ND-1T6.8/7.81.0/2.52.0/3.02.0/3.040/42微量微量炉前孕育剂FYJ-3适量4.0/8.066/70瞬时孕育剂FYJ-T适量1.0/5.064/68微量微量 熔炼铁液共计12.5吨，15吨的铁水处理包； 球化孕育处理过程：球化处理前，用清渣剂进行扒渣处理，并进行原铁水成分化验；将5-
11、25mm粒度的球化剂ND-1T放入用15吨的处理包底的一侧的凹槽内，加入量1.6%，略加紧实，上面覆盖0.3%炉前孕育剂FYJ-3（粒度为5-12mm）,再覆盖一定量的纯净铁屑、SiC、覆盖剂等，处理温度在1400-1450，先冲入约2/3的到另一侧，进行球化处理，反应时间在2.5-3分钟之间，待反应结束后将再冲入剩余1/3的铁水，同时将剩余的炉前孕育剂FYJ-3（粒度为5-12mm）随铁水流入冲入铁水包，加入量0.4%，进行铁水随流孕育，然后扒渣2-3次，最后用保温覆盖剂覆盖。在铸件设置设置浇口箱，开设了2个浇口，一边将铁水倾倒到浇口箱，一边将粒度为1-3mm瞬时孕育剂FYJ-T通过特制的漏
12、斗随流加入，加入量0.2-0.4%，依据倾倒的时间控制瞬时孕育剂的加入速度，倾倒结束后，搅拌、扒渣、测温、在温度为1320-1360时进行迅速浇注，结束后保温96小时，即铸件温度约500以下开箱。取铸件本体试棒，分析化学成分结果：C3.58%，Si2.2%，Mn0.15%，S0.012%，P0.038%，残余Mg0.051%，残余RE0.016%；金相检测结果：球化率90-92%，石墨数108-130个/mm2，铁素体99-100%，机械性能检测结果：抗拉强度屈服点延伸率温度冲击值J/cm2硬度(HB)38025019.5-2018.817.517.513813314139026026.5-2
13、017.516.217.513313313237524025.5-2016.217.516.2126127124-3014.013.814.2-3014.013.013.0-4013.815.013.8-4013.812.511.2 2、在冶金轧辊铸件中应用 冶金轧辊铸件的金相与机械性能如下表：牌号参考厚度（mm）抗拉强度(Mpa)屈服点(Mpa)延伸率(%)QT600-3A30-60600360260-2005503401硬度（HB）180-270金相组织球化率90%+石墨数9075%珠光体+20%铁素体极少量的弥散状碳化物选择非常纯净的原材料是非常必要的，原材料中的生铁应控制Si、S、P等
14、元素，其含量要低（Si1.0%、S0.02%、P0.04%），尤其是反球化干扰元素（如Pb、As、Ti等）更要很低，铸件中的硅含量要控制在1.8-2.3%之间，废钢一定要选择纯净的废钢，同时不得有焊缝、油漆、铁锈等，回炉料最好是同类材质的成分，为了促进珠光体的形成，加入了一些Cu、Mo、Sb等元素，但也导致了白口倾向，所以生产的重点是强化孕育、多次孕育。铸件的最终化学成分，必须是低CE量，大致成分为：C3.4-3.8%，Si1.8-2.2%，Mn0.4-0.6%，S0.015%，P0.04%， Mg0.04-0.06%，RE0.015%；炉料组成：80%国内林州生铁、10%回炉料以及10%废钢
15、；熔炼铁液共计4.4吨，6吨的铁水处理包，铸件直径100mm，重量4吨；原铁水成分：C3.2-3.4%、Si0.9-1.1%、Mn0.4-0.6%、S0.02%、P0.04%、Cu0.4%、Mo0.3%球化剂与孕育剂的成分：成分MgRECaBaSiBiSb专用球化剂ND-1Z6.8/7.82.0/3.01.0/2.02.0/3.040/42微量适量炉前孕育剂FYJ-3适量4.0/8.065/70瞬时孕育剂FYJ-5微量2.03.0/6.065/70微量微量球化孕育处理过程：球化处理前，用清渣剂进行扒渣处理，并进行原铁水成分化验；将5-25mm粒度的球化剂ND-1Z放入用6吨的处理包底的一侧的凹
16、槽内，加入量1.6%，略加紧实，上面覆盖0.3%炉前孕育剂FYJ-3（粒度为5-12mm）,再覆盖一定量的纯净铁屑、SiC、覆盖剂等，处理温度在1460-1480，先冲入约2/3的到另一侧，进行球化处理，反应时间在2.5-3分钟之间，待反应结束后将再冲入剩余1/3的铁水，同时将剩余的炉前孕育剂FYJ-3（粒度为5-12mm）随铁水流入冲入铁水包，加入量0.4%，进行铁水随流孕育，然后扒渣2-3次，最后用保温覆盖剂覆盖。浇注温度：1350-1400，一边浇注，一边将粒度为1-3mm瞬时孕育剂通过特制的漏斗随流加入，加入量0.2-0.3%，依据浇注时间控制瞬时孕育剂FYJ-5的加入速度，浇注结束后
17、,迅速冷却，在600左右开箱。铸件成分结果：C3.4%、Si2.1%、Mn0.55%、S0.012%、P0.040%、残余Mg0.051%、残余RE0.018%、Cu0.4%、Mo0.3%、Sb0.03%；金相检测结果：球化率88-90%、石墨数118-140个/mm2，珠光体80%，铁素体19%；、碳化物约1-2%，而且呈团絮状、棒状，极少数呈颗粒状；机械性能检测结果：抗拉强度653 Mpa、707 Mpa、698Mpa，平均686 Mpa；屈服强度383 Mpa、395 Mpa、403Mpa，平均393.6 Mpa；延伸率4.2%、3.6%、3.7%，平均3.8%；五、专用球化剂、孕育剂在
18、应用过程中的分析与总结：1、 选用纯净度高的生铁和废钢，注意废钢的选择不能有焊缝、油漆、铁锈等回炉料最好是同类材质的成分，铁液中杂质越少越好，尤其是反球化干扰元素（如Pb、As、Ti等）；2、 铁水成分方面：生产风力发电铸件时，控制要点是低CE、低Mn、S、P以及尽可能低的Cr、Mo、Ti、Sn、V等正偏析元素；生产厚大断面珠光体铸件时，控制要点是低CE、低S、P、Cr、Ti、Sn、V等，适量的的Mn 、Cu、Mo等元素；3、球化处理方面：高温熔炼、低温处理、低温浇注、多次孕育、瞬时孕育，处理后残余Mg要高、残余RE要低；4、厚大断面铸件专用球化剂、孕育剂比使用单一的轻稀土球化剂以及常规孕育如硅铁等，处理后球化率高、石墨数多，尤其是中心部位的石墨畸变几率大大减少，组织相对致密，铸件综合机械性能相应提高，尤其是生产风力发电铸件时，抗拉强度、延伸率、低温性能等满足要求，稳定保持；5、厚大断面铸件专用球化剂、孕育剂是技术组合型配套使用，不得单一使用，否则将严重影响使用效果。特别致谢国内某气轮机铸造公司、冶金轧辊有限公司提供相关数据！