常见球化元素解析

njrzm

      所谓球化元素是指那些能够促进石墨球状化、使石墨球生成或增加的元素。球化元素一般有以下共同性质：

　　(1)元素最外电子层上有一个或两个价电子，次内层有8个电子。这种电子结构使元素与硫、氧和碳有较强的亲和力，反应产物稳定，能显著减少铁水中的硫和氧。

　　(2)元素在铁水中溶解度低，凝固过程中有显著偏析倾向。

　　(3)虽然和碳有一定亲和力，但在石墨晶格内溶解度低。

　　根据以上要求，Mg,Ce,Y,Ca常用作有效球化元素，它们各自的特点如下。

　　Mg：镁是石墨球化能力最强的元素。

　　这是因为，一是镁沸点低，在铁水中蒸气压力高，使铁水沸腾。镁的原子量和密度比铁水小，熔点650度，沸点1108度，在铁水处理温度下，镁产生的蒸气压力很高(超过1Mpa)，镁的熔解热为21J/g,蒸发潜热为406J/g，因此，镁加入铁水时，会产生汽化，使铁水翻腾、球化均匀;二是镁脱氧除硫能力强，镁与硫、氧有很强的亲和力，所生成的MgO和MgS熔点高，密度也远小于铁，容易上浮与铁水分离，因此镁处理后的铁水，硫和氧的含量都很低;三是在铁水凝固过程中有偏析于石墨的倾向，当其在铁水中的残留量超过0.035%时，石墨就可以球化，但当镁残留量超过0.07%时，一部分镁偏析于晶界，并与晶界中的碳、磷等发生放热反应，生成MgC2、Mg2C3、Mg3P2等。残留镁量更多时，晶间碳化物将大量增多。

　　Re：稀土的石墨球化能力不如镁，但脱硫、脱氧能力比镁强。

　　稀土族元素对石墨球化有显著作用的是轻稀土元素中的铈和重稀土中的钇。一是稀土元素的密度、沸点均比镁高，熔点和铁液温度相近，球化处理时，无沸腾无火光烟尘，不会引起铁水的翻腾和喷溅，现场劳动条件较好，但球化反应的动力学条件不好，也因此不宜单独使用稀土做球化剂;二是铈和钇基稀土元素有比镁更强的脱硫脱氧能力，生成的硫化稀土、氧化稀土等化合物熔点高、稳定性好;三是稀土元素与铁水中的球化干扰元素也能形成稳定的化合物，因此含稀土的球化剂比镁球化剂的抗干扰能力强。

　　稀土元素残留量对石墨球化有明显的影响。轻稀土处理过共晶铁水，当残留铈含量0.04%时，石墨就可以球化，而且很稳定;处理亚共晶铁水时，轻稀土加入量要增加。以轻稀土为主的球化剂处理的球铁，石墨圆整度比镁处理得球铁要差，常出现团状和团片状石墨，并出现碎块状石墨;另外轻稀土处理的球铁白口倾向大，尤其是在厚大断面铸件及热节部位易产生石墨畸变，白口倾向和石墨漂浮都比镁为主做球化剂制得的球铁严重，因此需要控制稀土含量和加入量。但是，轻稀土元素与镁配合做球化剂时，能有效的净化铁水，降低白口倾向，中和干扰元素的有害影响，促进球化作用;重稀土钇在高碳过共晶铁液中，球化能力比轻稀土强，略逊于镁。钇本身熔点高，其脱氧除硫产生的氧化物、硫化物在高温下比较稳定，因此其抗球化衰退能力很强，而且不回硫。1400度的铁水保温1小时，球化率降低不超过10%，含硫0.06%的铁水，用钇基重稀土合金处理后，能得到完整的球状石墨。铁水中残留钇0.10—0.15%，石墨球化良好;低于此限度，随钇量减少依次出现不规则石墨和蠕虫状石墨;残留钇超过0.15而低于0.30%时，白口倾向逐渐增大，石墨圆整度变差，并在更高残留量时出现YTe4。

　　Ca：钙的球化能力不如镁和稀土，单独作球化剂效果并不好，但它与镁、稀土复合作球化剂时，可以减少镁的加入量，处理的球铁白口倾向小，而且球化反应平稳，还容易得到铸态的铁素体基体。尤其是，钙在铁水中的溶解度很低，它对金相组织的影响是通过与氧和硫的结合而间接实现的，与镁相比，钙与硫、氧的亲和力更强，能够有效的脱硫除氧。钙残留量很低时，石墨分枝倾向增加，残留量较多时，可是使石墨尺寸减小，分枝倾向降低，但钙残留量达到0.2%时，白口倾向明显加大。

　　Ba：钡常在一些复合、特殊用途球化剂中配入使用，它的作用在于，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。