一种球化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，尤其涉及一种球化剂及其制备方法和该孕育剂在冶炼 球墨铸铁的应用。
【背景技术】
[0002] 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。随着工业技术的发展，对球墨铸铁力学性能 的要求也愈来愈高。提高球墨铸铁材料力学性能的途径主要有以下几种：改变铸铁的材料； 球化处理；孕育处理；热处理；合金化。其中，在球墨铸铁的生产中，根据生产条件、生产铸 件的技术要求，合理选择球化剂，正确使用球化剂，对稳定球铁件的生产，保证球铁件的质 量至关重要。
[0003] 球化即指铸铁中的石墨在加入的球化剂的影响下成为石墨结晶的过程。球化剂中 主要的球化元素有镁、稀土元素和钙，还有铁、硅、锰、铝及钛等。球化处理及铁水浇注过程 中，各元素间及其与铁水、空气中氧、硫间将发生许多反应，这些反应影响球化处理过程和 处理效果，影响最大的是球化元素的氧化与脱硫反应。铁水的特性对球铁件性能和质量有 明显影响。常规的球墨铸铁铸造过程中，通常仅加入一种球化剂以对其进行球化，但是一种 球化剂由于质量和成分的限制总是存在诸多缺陷。
【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，提出了一种球化处理方便，球化 效果好，球化后的球墨铸铁具有较高韧性和强度。
[0005] 本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种球化剂，所述球化剂的组成 成分及其质量百分比为：Si :41-44 %，Mg :7.5-8 %，Y :2.0-2. 5%，Ce :0.3-0. 5%，Sc : 0· 1-0.3%，Mn :0.2-0. 6%，Ca :3.0-4. 0%，Al :0· 1-0. 3%，粒径为 15-25nm 的纳米 SiC: 8-15%，其余为Fe及不可避免的微量元素，所述球化剂采用熔配法并破碎成粒径为 20-60 μ m的超微粉体。
[0006] 首先，本发明球化剂的配伍合理，在含有常见元素的基础上添加了纳米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。其原因在于SiC纳米粉体属于硬质 点，其稳定性好，熔点较高。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，球化孕育处理使核心 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。
[0007] 其次，本发明球化剂中还含有稀土金属元素 Y、Ce、Sc作为球化剂具有沸点高、能 抑制反球化元素干扰作用的优点；其中，添加0. 3-0. 5% Ce可降低Mg的临界残量，提高球 化率和石墨球数，降低白口倾向，还可一只Bi、Sb、Pb、Ti等微量元素的有害作用。但是稀 土合金元素单独作为球化剂时又具有如下缺点：（1)只能球化过晶成分铁水；(2)球化石墨 不太圆整；（3)稀土有加剧石墨漂浮和球化衰退的作用，稀土残留量〈0. 5%时，石墨形状就 明显恶化（粗大、形状变坏），使球铁的冲击韧性降得很低。因此，本发明在添加2. 0-2. 5% Y、0. 3-0. 5% Ce和0. 1-0. 3% Sc的同时，配合7. 5-8% Mg以及41-44% Si使用，使得镁合 金熔点增高，当在熔炼中间合金和球化处理时，镁不易烧损；添加 Mn、Ti、Al等元素增大合 金的比重，防止球化剂浮到铁水表面被烧掉，有利球化；添加 Sb元素强烈促进珠光体形成， 细化石墨球。
[0008] 再者，本发明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。在高温铁液的作用下，这些比重 大大小于铁的微小颗粒快速地、分散地进入铁液，在局部形成微观过冷。尺寸小的球化剂 迅速溶解，并与铁液中的硫、氧等反应，且此时的球化反应生成物容易在高温铁液里上浮， 这些上浮物经过后续的扒渣处理而被带出铁液，此部分微米级球化剂起到了脱硫去氧的主 要作用，同时也消耗了一定量的球化元素镁，因此，逐渐降低镁含量；尺寸较大的球化剂跟 铁液反应时间长，反应温度也低，球化反应的生成物（硫化物，氧化物等）来不及上浮到铁 液表面，而这些球化产物通常熔点高且与石墨的失配度小，能作为优良的石墨核心，因此大 量的球化剂颗粒与铁液反应后生成大量的球化产物，即得到大量的石墨核心，提高形核率， 增加石墨球数量，细化石墨球尺寸并最终得到综合性能高的球墨铸铁。另外，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。
[0009] 作为优选，所述球化剂的组成成分及其质量百分比为：Si :42-44 %, Mg: 7. 5-7. 8%，Y :2. 2-2. 5%，Ce :0· 3-0. 4%，Sc :0· 15-0. 25%，Mn :0· 3-0. 5%，Ca :3· 2-3. 8%， Al :0. 15-0. 25%，粒径为18-22nm的纳米SiC :10-12%,其余为Fe及不可避免的微量元素， 所述球化剂采用熔配法并破碎成粒径为30-50 μ m的超微粉体。
[0010] 本发明的第二个目的在于提供一种上述球化剂的制备方法，所述的制备方法包括 如下步骤：
[0011] Sl :按上述球化剂质量百分比配比原料；
[0012] S2 :将中频感应电炉加热至1050°C -IKKTC后，首先加入一定量的硅铁，然后加入 镁锭，再加入所需要的废钢，废钢表面覆盖一定量的硅铁，最后加入金属钙和稀土硅铁合金 的混合物；
[0013] S3 :将中频感应电炉加热至1220-1280°C，功率调至170-180KW，待镁锭完全融化 后，将中频感应电炉功率调至160KW，然后利用Φ18-Φ20的圆钢或螺纹钢制成的插杆每隔 4分钟插钎一次直至原料全部熔化；
[0014] S4 :待物料全部熔化后搅拌均匀，浇注冷却后即得到球化剂。
[0015] 本发明的第二个目的在于提供一种上述额球化剂在冶炼球墨铸铁中的应用，其利 用两次球化处理制得球墨铸铁，两次球化处理具体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。
[0016] 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。
[0017] 作为优选，所述的第一层球状球化剂和第二球化剂均是由粒径为20-60 μ