液態(tài)金屬的冶金處理

液態(tài)金屬的冶金處理影響形核的冶金處理孕育處理孕育處理孕育處理：向液態(tài)金屬中添加少量物質(zhì)已達(dá)到細(xì)化晶粒、改善組織目的的一種方法。在鑄鐵中稱為孕育處理，在有色合金中稱為變質(zhì)，在鋼中則兩種混用。本質(zhì)上說，孕育處理主要影響形核過程和促進晶粒游離以細(xì)化晶粒；變質(zhì)則是改變晶體的生長機制，從而影響晶體形貌。一般來說，晶粒越細(xì)，綜合性能就越好，抗疲勞性能也越高。非均勻晶核數(shù)越多，晶粒游離的作用越強，熔體內(nèi)部越有利于游離晶的殘存，形成的等軸晶就越細(xì)。孕育處理孕育處理的關(guān)鍵是合理選用孕育劑和孕育工藝。1）形核劑（作用是強化非均勻形核過程）直接作為外加晶核的形核劑。這是一些與欲細(xì)化相界共格對應(yīng)的高熔點物質(zhì)或同類金屬碎粒。他們在液態(tài)金屬中可直接作為欲細(xì)化相的有效襯底而促進非均勻形核。已證明：在高錳鋼中加錳鐵，在高鉻鋼中加入鉻鐵都可以直接作為晶核而細(xì)化晶粒并消除柱狀晶組織。通過與液態(tài)金屬的相互作用而產(chǎn)生非均勻形核的形核劑。這里有兩種情況：形核劑能與液相中某些元素（最好是欲細(xì)化相的原子）組成較穩(wěn)定的化合物。如鋼中的V、Ti形成碳化物和氮化物促進非均勻形核從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。通過在液相中造成很大的微區(qū)富集而使結(jié)晶相提前彌散析出。如硅加入鐵水中瞬間形成很多富硅區(qū)，造成局部過共晶成分迫使石墨提前析出。而硅的氧化產(chǎn)物二氧化硅及硅中的某些微量元素形成的化合物可作為石墨析出的有效襯底而促進非均勻形核。表1.細(xì)化α-Al的常用形核劑加入形核劑，形成穩(wěn)定化合物。在包晶相圖中，先析出化合物彌散分布在液相中，當(dāng)α相結(jié)晶析出時則作為α相的晶核，因此有很好的孕育效果。2）強成分過冷元素孕育劑通過在生長界面前沿著的富集使晶粒根部和樹枝晶分枝根部產(chǎn)生細(xì)弱縮頸，從而促進晶粒的游離。還能強化熔體內(nèi)部的非均勻形核，而孕育劑富集抑制了晶體生長也能促組織細(xì)化，從而最終有利于等軸晶的獲得和細(xì)化。強成分過冷元素形核劑的聯(lián)合使用，可得更強的孕育效果。實驗指出，幾乎所有的孕育劑都有一個時間效應(yīng)問題，即在處理后存在孕育衰退的現(xiàn)象。因此孕育效果不僅取決于孕育劑本身，而且也與孕育處理工藝有關(guān)。處理溫度越高，孕育衰退越快。孕育劑粒度也要根據(jù)處理溫度和處理方法來選擇。液態(tài)金屬的冶金處理影響生長的冶金處理：1）變質(zhì)處理2）球化處理1）變質(zhì)處理本質(zhì)上說，孕育處理主要影響形核過程和促進晶粒游離以細(xì)化晶粒；變質(zhì)則是改變晶體的生長機制，從而影響晶體形貌。變質(zhì)在改變共晶合金的非金屬相的結(jié)晶形貌上有著重要作用。共晶鋁硅合金Sr、Re變質(zhì)處理的研究鍶在硅相表面吸附的同時又存在著鍶的氧化,只有鋁液中鍶的濃度達(dá)到一定值時才能達(dá)到最佳變質(zhì)效果。由于鍶的氧化在一般情況下不可避免,隨著鍶變質(zhì)處理后保持時間的延長,又肯定有變質(zhì)作用的衰退。在保溫45min的3#試樣中,共晶硅基本上從片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榱罨蚨虠U狀,但仍有一部分為片狀,同時有枝晶狀的a相出現(xiàn)。在保溫90min的4#式樣中，共晶硅已幾乎全為粒狀或短桿狀，此時的變質(zhì)效果最佳。2#式樣為Re的變質(zhì)效果，共晶硅基本上為短桿狀或粒狀，有少部分為細(xì)長片狀。6#、7#式樣為Re-Sr復(fù)合變質(zhì)的顯微組織，與單純Sr變質(zhì)的效果相差不大。這是由于Sr和Re的變質(zhì)機理相似，變質(zhì)元素量達(dá)到要求時，再繼續(xù)增加加入量，變質(zhì)效果也不會有明顯改善。結(jié)論：（1）鍶變質(zhì)處理后有一最佳保持時間，本實驗中，鍶加入量為0.08%，變質(zhì)溫度為750℃時，最佳保持時間為90min。（2）稀土是一種良好的變質(zhì)劑。稀土，鍶復(fù)合變質(zhì)同其他單一元素變質(zhì)相比，在變質(zhì)劑加入量足夠的情況下，效果差別不明顯。2）球化處理球墨鑄鐵具有高的力學(xué)性能，是以石墨球化狀況良好為前提的，衡量石墨球化狀況的標(biāo)準(zhǔn)是球化率、石墨球徑和石墨球圓整度。為了保證球墨鑄鐵的性能，要求有高的球化率，圓整而細(xì)小的球狀石墨，為此需要進行良好地球化處理。球化處理球化元素：加入鐵液中能使石墨在結(jié)晶生長時長成球狀的元素稱為球化元素。球化能力強的元素都有很強的脫氧及去硫的作用，在鐵液中不溶解，與鐵液中的碳能夠結(jié)合。在生產(chǎn)條件下，實際目前是Mg、Ce（或Ce與La等的混合稀土元素）和Y三種。反球化元素：某些元素會使石墨在生長時無法長成球狀，稱為反球化元素。球化處理為保證石墨良好的球化，應(yīng)對鐵液中的反球化元素的含量加以限制。元素AlTiPbAsSbBiZrSnTeSe界限量（%）0.050.070.0020.050.010.0020.030.050.0030.03表2.反球化元素的界限量由于鎂和大部分反球化元素不相化合，化合程度很小，故對反球化元素的抵抗能力低，加入稀土元素Ce和Y則能和大多數(shù)反球化元素相結(jié)合，一定程度上抵消干擾作用。球化劑的選擇:（1）對鑄件鑄態(tài)組織的要求。鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵選用低稀土球化劑，鑄態(tài)珠光體球墨鑄鐵選用含銅或鎳的球化劑。（2）鐵液中干擾元素的含量。如果干擾元素，諸如鈦、釩、鉻、錫、銻、鉛、鋅等含量較高，須選用稀土含量較高的球化劑。如果干擾元素含量較低（總量小于0.1%），可選用純鎂或鎂合金球化劑。（3）鐵液含硫量。硫含量較高時，一般采用稀土和鎂含量較高的球化劑，如有條件，可進行脫硫處理。硫含量較低時，可選用低稀土低鎂的稀土硅鐵鎂球化劑。（4）鑄件冷卻條件。冷卻速度較快的金屬型鑄造條件下,可選用低稀土球化劑。冷卻速度較慢的大型厚斷面鑄件可選用釔基重稀土球化劑。球化劑1）鎂球化劑：化學(xué)性質(zhì)活潑，脫硫，取樣的能力強。生成的硫化鎂、氧化鎂熔點高，密度小，較易浮出鐵液而被除去。鎂進入鐵液后首先起脫硫去氧的作用，當(dāng)鐵液中硫降至一定值時，鎂開始對石墨的球化起作用，使石墨成長成球狀。鎂又是強烈穩(wěn)定碳化物的元素，因此，殘留有一定鎂含量的鐵液在凝固時有很大的白口傾向。鎂球化劑的球化處理方法鎂作為球化劑時，只有一種元素鎂殘留在鐵液中的含量一般在0.04%~0.06%范圍內(nèi)才能保證石墨球化。以下為幾種鎂作為球化劑的球化處理方法。自建壓力加鎂法

鎂的沸點與壓力呈正比，如果鐵液中有6～8個大氣壓時，鎂的沸點就會提高到1350～1400℃。在這樣的條件下加鎂，就可以避免鎂的沸騰。自建壓力法是在密封的條件下將裝有鎂的鐘罩壓入鐵液，使鎂在鐵液中有控制的沸騰，從而提高鎂的回收率，穩(wěn)定球化質(zhì)量。自建壓力加鎂法要求有安全可靠的處理設(shè)備，以防止鐵液噴射出來。處理包深度與內(nèi)徑之比應(yīng)為1.5～2，加鎂鐘罩壓入鐵液后距包底的距離應(yīng)為包深的10%。自建壓力加鎂法鎂的吸收率可達(dá)到70～80%，并且處理效果穩(wěn)定，無鎂光，無煙塵，但設(shè)備費用高，操作繁瑣。這種方法適用于大型厚斷面鑄件，鑄態(tài)高韌性鐵素體鑄件以及大量生產(chǎn)要求控制鎂量的鑄件。轉(zhuǎn)動包法如圖所示。反應(yīng)室內(nèi)裝入純鎂或鎂焦,轉(zhuǎn)包橫臥，接受鐵液，然后轉(zhuǎn)包立起，使鐵液通過反應(yīng)室的處理網(wǎng)孔進入反應(yīng)室與鎂反應(yīng)。這種方法鎂的吸收率可達(dá)到60～70%,煙塵及鎂光較輕，可處理含硫高達(dá)0.15%的鐵液。其缺點是需要專門的處理設(shè)備，操作較沖入法復(fù)雜。鎂合金法將鎂和其他金屬制成中間合金，由于密度加大，鎂量降低，所以可用簡單的方法加入鐵液，吸收率可較高。所用的合金有Si-Fe-Mg、Cu-Mg、Ni-Mg、Ni-Si-Mg等。國內(nèi)過去亦曾用過這些合金，但自從應(yīng)用稀土元素后，已全改為稀土鎂合金所替代。2）稀土鎂合金球化劑稀土元素的沸點大都高于鐵液溫度，因此單純用稀土處理時，完全沒有沸騰作用，非常平穩(wěn)。稀土元素的球化作用較鎂差些。他們密度大，不易從鐵液中除去，與鎂同時加入時比較有利。稀土鎂合金的球化處理方法-沖入法將球化劑破碎成小塊，放入處理包底部一側(cè)，或在處理包底部設(shè)置堤壩或凹坑，將球化劑放在堤壩內(nèi)側(cè)或凹坑內(nèi)，然后沖入1/2-2/3鐵液，待鐵液沸騰結(jié)束時，再沖入其余鐵液。沖入法要求處理包的深度與內(nèi)徑之比在1.5-1.8之間，處理包要預(yù)熱到600-800℃，鐵液溫度應(yīng)高于1400℃。沖入法的優(yōu)點是設(shè)備簡單，操作簡單。缺點是鎂的吸收率低，一般只有40%-45%，而且煙塵閃光較嚴(yán)重。為解決這一問題，不少工廠采用密流處理，即在爐前加一輔助處理室，鐵液通過處理室然后流入處理包。還有不少工廠采用加蓋處理法。目前沖入發(fā)法廣泛應(yīng)用于各種溫度和含硫量的各種生產(chǎn)規(guī)模的球墨鑄鐵件生產(chǎn)。稀土鎂合金的球化處理方法-型內(nèi)球化法把球化劑放置在澆注系統(tǒng)中專門設(shè)計的反應(yīng)室內(nèi)，在澆注過程中鐵液流經(jīng)反應(yīng)室時與球化劑發(fā)生反應(yīng)進行球化處理。為保證球化處理穩(wěn)定，減少燒損，要嚴(yán)格計算反應(yīng)室及澆注系統(tǒng)尺寸。一般情況下，反應(yīng)室設(shè)置于直澆道下的橫澆道中，澆口杯到冒口前的系統(tǒng)應(yīng)處于充滿狀態(tài)，冒口和鑄件型