新型高品质球化剂的生产工艺及应用

摘要

球墨铸铁作为工业应用最广泛的金属材料之一，大幅提高了铸铁原有的综合性能，其强度、塑韧性和延展性与钢相似，可以较好的用于受力较复杂，强度、韧性和耐磨性要求较高的铸造零件，其发展前景更加广阔。球化处理作为球墨铸铁获得的主要手段，是由球化剂发挥作用实现的。球化处理使石墨的形态转变为球形从而得到球墨铸铁，并能有效的提高球墨铸铁的综合力学性能。
　　目前国内使用最广泛的球化剂是稀土镁合金，该球化剂存在的问题主要有:球化剂浇注过程中Mg易氧化，球化剂中的有效Mg元素的含量需进一步提高，球化剂组织致密度不稳定;球化处理时Mg元素氧化烧损严重，有效元素的吸收率低;Mg燃烧产生大量的白烟，污染环境;球化剂加入量较大。面对上述提到的问题，稳定并提高球化剂品质，降低生产成本并做到节能减排，实现环境污染的减少是目前球化剂研制的主要目标。
　　本课题通过浇注系统的设计与出炉温度等工艺改进分别研制加压法和铁包覆高品质球化剂，以球化过程中所加入球化剂的类型的变化，对球化效果进行总结分析。同时深入研究了高品质球化剂对生产的球铁的化学成分、显微组织和力学性能的影响，并研究比较了高品质球化剂的加入量对球墨铸铁化学成分、组织与性能的影响。
　　研究结果表明，通过添加设计的模具盖的加压法球化剂的生产工艺，使球化剂冷却时受模具系统内高温产生的压力作用而使其组织致密，缺陷减少，品质提高。并且可以在保证品质的前提下将出炉温度降低至约1250℃，有利于减少镁的氧化烧损和节能减排。铁包覆球化剂通过浇注系统的设计，采用熔炼炉浇注工艺，浇注温度为1250℃，镀锌管长度25cm以2×3排列，可获得致密度高的铁包覆球化剂。
　　研制的高品质球化剂（加压法和铁包覆法）与普通球化剂相比，提高了Mg含量，降低了MgO含量和MgO/Mg的值。其致密度也比普通球化剂有了不同程度的提高。球化剂的组织主要由构成基体的富Si相(Si-Fe相)和位于富Si相间隙的富Mg相(Mg-Si-Ca相)组成。富镁相的形状影响着球化剂的使用性能，非连续状的富镁相在球化处理时能够产生大量细小的镁气泡，有利于镁的充分吸收，使球化反应的效果良好。
　　相同的粒度和加入量的普通球化剂和加压法球化剂的球化反应时间都在70～80s的正常范围内。40×20×1.5铁包覆球化剂则明显延长了球化反应时间，由于表面包覆的铁起到钝化镁的作用，同时使球化剂上浮速度减慢，球化反应进行平稳，利于球化剂的充分吸收，使镁的残留量提高。
　　从金相组织和力学性能分析，普通球化剂、加压法球化剂和40×20×1.5铁包覆球化剂生产的球墨铸铁的石墨分布较均匀，圆整度好，球化率均在85％以上，球化等级为3级。其抗拉强度和伸长率都满足质量标准，试样断口可以观察到明显缩颈现象和大量的韧窝存在，属于延性断裂。当外力拉伸时，属于薄弱环节的石墨球与基体间形成空穴，产生微小裂纹并扩大导致石墨和基体脱离，形成断裂。
　　通过不同球化剂不同加入量的对比研究发现，普通球化剂、加压法球化剂和40×20×1.5铁包覆球化剂的最佳石墨形貌分布和最佳力学性能的加入量结论一致，分别为1.2％（普通）、1.1％（加压法）与1.0％和1.1％（铁包覆）。与球铁中石墨的球化率与球化等级相吻合。
　　在保证良好品质的前提下，加压法高品质球化剂的加入量可由普通球化剂的1.2％减至1.1％，有效降低生产成本。铁包覆高品质球化剂的生产成本也可降低15％，另外不需要添加硅铁粉和草木灰。因此高品质球化剂可以提高有效元素的利用率，节约自然资源，在实现较高的经济效益和良好的社会效益。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 球墨铸铁的研究现状

1．2．1 国内外研究与发展

1．2．2 球墨铸铁的应用与发展前景

1．3 球化剂的研究现状

1．3．1 球化元素

1．3．2 球化干扰元素

1．3．3 球化剂的现状与未来展望

1．4 球化剂的球化处理工艺

1．4．1 球墨铸铁的球化机理

1．4．2 球墨铸铁的球化处理方法

1．5 本课题的意义及研究内容

1．5．1 选题意义

1．5．2 课题研究内容

第二章 试验材料与方法

2．1 试验材料的选择

2．1．1 铁液的选用

2．1．2 球化剂的选用

2．1．3 孕育剂的选用

2．1．4 球化工艺的选择

2．1．5 包覆球化剂材料的选择

2．2 试验路线

2．3 试验设备及检测仪器

2．4 具体检测方法

2．4．1 三角试块分析

2．4．2 金相组织分析

2．4．3 球化率与球化等级

2．4．4 抗拉强度与伸长率的检测

第三章 高品质球化剂的生产工艺研究

3．1 球化剂的熔炼

3．2 加压法生产高品质球化剂工艺研究

3．2．1 球化剂浇注系统的设计

3．2．2 出炉温度与浇注过程的研究

3．3 铁包覆法高品质球化剂的生产工艺研究

3．3．1 球化剂浇注系统的设计

3．3．2 球化剂浇注温度及浇注方式的选择

3．3．3 铁包覆球化剂的浇注过程及分析

3．4 本章小结

第四章 高品质球化剂的成分及组织研究

4．1 高品质球化剂的化学成分分析

4．2 高品质球化剂的组织研究

4．2．1 高品质球化剂中的相及其分布

4．2．2 高品质球化剂相形成与影响因素

4．2．3 高品质球化剂的组织对使用性能的影响

4．3 高品质球化剂的致密性分析

4．4 本章小结

第五章 高品质球化剂对球墨铸铁的影响

5．1 高品质球化剂的球化处理工艺

5．2 高品质球化剂对球墨铸铁化学成分的影响

5．2．1 铁液成分与镁和稀土的残留量

5．2．2 镁的吸收率

5．3 高品质球化剂对球墨铸铁的组织与性能的影响

5．3．1 金相组织

5．3．2 力学性能

5．4 加入量对高品质球化剂球化效果的影响

5．4．1 加入量对球化反应时间的影响

5．4．2 加入量对球铁的化学成分和镁的吸收率的影响

5．4．3 加入量对球铁的组织的影响

5．4．4 加入量对球铁的力学性能的影响

5．5 经济价值

5．6 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文