一种孕育剂及其制备方法和在冶炼球墨铸铁的应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于冶金技术领域，尤其涉及一种孕育剂及其制备方法和该孕育剂在冶炼 球墨铸铁中的应用。
【背景技术】
[0002] 随着工业技术的发展，对铸铁力学性能的要求也愈来愈高。提高铸铁材料力学性 能的途径主要有以下几种：改变铸铁的碳与硅之比；孕育处理；热处理；合金化。其中孕育 处理是比较简便又经济、行之有效的方法。孕育处理要有合适的孕育剂，孕育剂对铸铁件的 质量、成本，尤其对高档铸铁件的发展有重要作用。孕育处理的作用在于改变铸铁共晶结晶 的凝固条件，达到消除白口、促进石墨化、细化晶粒、提高组织均匀性的目的，从而改善铸铁 的力学性能和加工性能。
[0003] 球墨铸铁的综合性能接近于钢，基于其优异的性能，目前已成功地用于铸造一些 受力复杂、强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。球墨铸铁已迅速发展为仅次于灰铸铁的、应 用十分广泛的铸铁材料。我国球铁生产主要采用冶金用75硅铁作孕育剂，这种硅铁中对孕 育起重要作用的Ca、A1没有限定含量范围，其孕育效果不稳定。其他目前常用的硅铁孕育 剂孕育生产的铁液得到的铸件的抗拉强度在300N/mm2以下，屈服强度也在250N/mm2以下， 不能满足一些需要高韧性的机器铸件要求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种孕育方便，孕育效果 好，孕育后铸铁的延伸率和初性均大幅提尚的孕育剂。
[0005] 本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种孕育剂，所述孕育剂的组成成分 及其质量百分比为：Si :58% -62%，Ca :1. 0% -2. 5%，Sb :8% -12%，A1 :0· 2% -0· 6%，Bi : 2% -4%，Sr :0. 2% -0. 5%，余量为Fe以及不可避免的微量元素。
[0006] 孕育处理可促进石墨化，减少白口倾向，改善石墨形态和分布状况，增加共晶团数 量，细化基体组织，提高力学性能。孕育衰退时，孕育元素的微粒消失，引起石墨形核结晶的 核心减少，造成渗碳体体积分数增加，白口倾向增加，硬度上升，影响铸件的加工性能，导致 出现畸形石墨，降低铸件的力学性能。由于浇包较大，一包铁液可浇多件，浇注一定时间后 存在孕育衰退，因此，导致铸件的力学性能不稳定。本发明的孕育剂一方面含有Sr、Si等 元素，能够生成稳定的碳化物，因而衰退的时间可延长，能够避免因浇注时间过长造成的孕 育元素消耗完毕而产生的孕育衰退现象。另一方面，在加入金属元素的同时，引进一定浓度 的非金属元素（S和0)，本发明的孕育剂通过Ca-Bi-S-Ο的配合作用，大幅增加了球墨铸铁 的石墨球数，改善了球墨铸铁的基体组织和力学性能，尤其是伸长率得到了明显的提高。另 外，本发明孕育剂中的铝和钙会与氧、氮反应，形成高熔点的化合物，成为石墨结晶的核心。 且，加入本发明的孕育剂后，铁液中可形成局部的富硅微区，有利于石墨析出。但是，铁液中 的铝含量又不能太高，由于铝元素具有很强的吸氧特性，多加入〇. 01 %的铝元素，就可能导 致铸件产生皮下气孔；相应地，钙的化学性质活泼，具有很强的脱氧去硫能力。因此，需要合 理的配置钙和铝的质量百分比比例，一方面使得铁液中尽量不产生皮下气孔，另一方面又 要使得铁液中可形成局部的富硅微区，便于石墨析出。
[0007] 作为优选，所述孕育剂的组成成分及其质量百分比为：Si :59% -60%，Ca: 1· 5% -2· 0%，Sb :9% -10%，A1 :0· 3% -0· 5%，Bi :2. 5% -3· 5%，Sr :0· 3% -0· 4%，余量 为Fe以及不可避免的微量元素。
[0008] 进一步优选，所述孕育剂的组成成分及其质量百分比为：Si :59. 5%，Ca :1. 8%， Sb :9. 5%，A1 :0. 4%，Bi :3. 0%，Sr :0. 3-0. 4%，余量为Fe以及不可避免的微量元素。
[0009] 进一步优选，所述孕育剂的组成成分及其质量百分比为：Si :59%，Ca :2. 0%，Sb : 9%，A1 :0. 5%，Bi :2. 5%，Sr :0. 4%，余量为Fe以及不可避免的微量元素。
[0010] 进一步优选，所述孕育剂的组成成分及其质量百分比为：Si :60%，Ca :1. 5%，Sb : 10%，A1 :0.3%，Bi :3. 5%，Sr :0.3%，余量为Fe以及不可避免的微量元素。
[0011] 进一步优选，所述孕育剂的组成成分及其质量百分比为：Si :58%，Ca :2. 5%，Sb : 8%，A1 :0.6%，Bi :2%，Sr :0.5%，余量为Fe以及不可避免的微量元素。
[0012] 进一步优选，所述孕育剂的组成成分及其质量百分比为：Si :62%，Ca :1. 0%，Sb : 12%，A1 :0.2%，Bi :4%，Sr :0.2%，余量为Fe以及不可避免的微量元素。
[0013] 本发明中上述孕育剂的制备方法包括如下步骤：
[0014] S1 :按上述孕育剂的质量百分比称取合金原料，并将称取的合金原料粉碎；
[0015] S2 :将粉碎的合金原料放入真空坩埚内升温至1150°C至1300°C以使得各原料熔 化；
[0016] S3 :待原料充分熔化混合后，真空冷却得到本发明孕育剂。
[0017] 本发明还提供一种上述孕育剂在冶炼球墨铸铁中的应用，其利用三次孕育处理制 得球墨铸铁，三次孕育处理为在球化包的球化剂一侧放入第一层孕育剂，在第一层孕育剂 上覆盖第一层球状球化剂，在第一层球状球化剂上覆盖一层生铁片I，在生铁片I上面覆 盖第二层孕育剂，然后在第二层孕育剂上面依次覆盖第二层球状球化剂、一层生铁片II和 第三层孕育剂，浇入铁液进行球化和孕育处理。
[0018] 为了进一步提高球化和孕育效果，本发明改进了球化剂和孕育剂的放置方法，孕 育剂和球化剂采用叠放的方式，从下到上形成孕育剂-球化剂-孕育剂-球化剂-孕育剂 的形式，使球化和孕育处理基本上同时进行，提高了处理效果，最底层放置一层孕育剂，使 得球化完成后仍然在进行孕育处理，减缓了球化衰退，并且球化剂和孕育剂一次性放入，操 作方便。本发明在第一层球化剂上和第二次球化剂上覆盖有一层生铁片，因为铁液熔化生 铁片和需要一定的时间，所以延长了球化剂的起爆时间，使铁液的液面得以上升，球化剂和 孕育剂上浮的路径延长，在上浮过程中反应的时间较长，从而提高球化剂的吸收率。由于生 铁片的延缓作用，铁液也可一次性浇入球化包，操作更加方便简单，避免了传统冲入法对于 工人的操作技能要求高，如果出铁温度高或者铁液直接冲在球化剂上，很容易造成球化不 良的缺点，另外取消了灰铁铁肩的覆盖，由于覆盖所用灰铁转肩往往含锰、磷、硫及其它微 量元素较高，可导致球化衰退和性能不稳定。
[0019] 作为优选，所述的球化剂先制成粒径1-25 μ m的超微粉体，再将超微粉体使用钢 板包裹制成直径均匀5-15mm的第一层球状球化剂和第一层球状球化剂。在球化孕育处理 时对传统冲入法进行了改进，将传统使用的块状球化剂制成超微粉体使用，试验表明，使用 相同剂量的粉超微粉体球化剂，石墨的球化效果更好，石墨大部分呈球状分布，只有很少量 呈团状，石墨球细小均匀，圆整度和分散性较同量块状球化剂有明显改善，铸件的力学性能 也得到显著提高。但是由于球化剂本身密度较小，制成超微粉体后，反应中更容易上浮，并 且粉体球化剂在铁液中更容易剧烈燃烧，为了让粉体球化剂能够在铁液中均匀吸收并减缓 溶解速度，采用钢板对粉体球化剂进行包裹制成球状球化剂。作为优选，所述钢板选用冷 乳低碳钢，因为冷乳低碳钢不会影响铁液的化学成分，也不会对球化处理过程中的球化效 果造成影响。本发明在进行球化处理时，球化剂的使用量较块状球化剂有很大幅度的减少， 可大幅节省生产成本，并且因本发明的球化剂具有超微粉体的特性，较大提高了球化剂的 吸收，减少了球化剂中镁的烧损，同时也大大减少了球化处理中的闪光和烟雾，显著改善环 境，保障操作工人的身体健康。
[0020] 进一步优选，所述第一层球状球化剂中包裹超微粉体的钢板的厚度为5-8mm，第二 层球状球化剂中包裹超微粉体的钢板的厚度为2-5mm。第一层球状球化剂和第二层球状球 化剂中包裹超微粉体的钢板的厚度不均一，是为了使得其与铁液接触后，每个球状球化剂 的熔化时间不同，保证球状球化剂可以到达不同的液面高度，球化剂在能够被均匀吸收。这 样设置可以使得球化处理时，球化剂分别在不同的液面高度与铁液发生反应，保证球化处 理时每一层球化剂都能被均匀吸收。铁液注入到球化包内，第二层覆盖剂熔化后，第二层球 状球化剂中包裹超微粉体的钢板较薄，上升到较低液面即会熔化，首先与较低液面铁液接 触并反应，随着铁液的继续注入，第一层覆盖剂也开始熔化，此时铁液液面已经上升到了较 高的位置，由于第一层球状球化剂中包裹超微粉体的钢板厚度较厚，上浮到较高的液面外 部包裹的钢板才会熔化，第一层球化剂接触铁液开始反应。
[0021] 作为优选，所述球化剂包括以下质量百分比的组分：Si :42-44%，Mg :7. 5-8%， RE :0. 1-0. 3%，纳米SiC :10-15%，其余为Fe及不可避免的微量元素。本发明选用配比合理 高效的球化元素制成复配球化剂，球化剂中Mg含量较高，可有效去除铁液中的氧、硫元素， 辅以稀土元素和高含量的Si，可缓解Mg过于激烈的反应，Si有利于孕育。由于本发明采用 上述特殊的球化处理方法，可以减缓反应的剧烈程度，因此可选用较低配比的稀土含量，有 利于降低成本。本发明在球化剂中添加了纳米SiC，能有效增加球化效果，并增加球墨铸铁 的韧性和磨损性能。原因在于SiC纳米粉体属于硬质点，其稳定性好，恪点较高。当含有SiC 纳米粉体的球化剂加入到铁液中时，其中的SiC粉体作为外来异质形核，增加了石墨核心， 促进了石墨的细化，起到了孕育作用，缩短了石墨球在液态的自由生长时间，减少了液态下 畸变的可能，提高了圆整度，孕育处理使核心增多，减少了干扰元素的偏析，从而明显改善 了石墨球的形态、分布和大小。所以，随着含有SiC纳米粉体的球化剂的加入，石墨球的尺 寸变小，圆整度变好，球铁金相组织中的铁素体含量增加，珠光体含量减小，铸铁的强度、塑 性、韧性和磨损性能也随之提高，尤其是韧性和磨损性能。
[0022] 进一步优选，所述纳米SiC的粒径为15-25nm。该粒径范围内的纳米SiC作为外来 异质形核能较好地分散在铁液中，对石墨有较好的吸附性能，有效促进球状石墨的形成。
[0023] 作为优选，生铁片I的厚度为9-12_，生铁片II的厚度为5-8_。本发明在球化剂 层均覆盖有一层生铁片，进行球化处理时能够吸收一部分热