用于高性能球铁处理的纯镧基镁硅铁合金的优化设计


含 有镧稀土的硅铁镁合金应用于球墨铸铁的生产已有40年的历史。初期其只用于“型内球化”处理工艺,最近12年中,在铁水包处理

中的应用也在不断增加,其应用范围越来越广的原因有如下几方面,减少缩松、改善微观组织、相对于常规混合稀土,总的稀土用量可以相对减少。由于2010-2012年期间的稀土价格危机,镧稀土合金的成本优势表现的更为明显。本文将对使用镧稀土作为硅铁镁合金中单一稀土元素的该类型球化剂的优势进行探讨。

2004年,Torbjørn Skaland博士在世界铸造会议上发表的一篇论文获得了最佳论文奖,其论文题目是:“一种控制球铁过冷和缩松的铁水处理新工艺”。
该论文对镧基硅铁镁合金和铈基硅铁镁合金的效果进行了研究,并明确提出镧基合金具有更广泛的应用范围,远不止是型内球化。

在接下来的12年里,研究成果发生了深刻的变化,镧基硅铁镁合金从小众产品发展成为现有市场规模的超过150万吨球磨铸铁件的基础材料。

铸铁和稀土元素
自20世纪40年代,镁替代稀土成为促使球墨铸铁的石墨球化的主要生产元素后,稀土元素的很多优势也逐渐被人们所发现。目前,稀土元素已成为球铁生产中的一个基础组分,控制其成分在一定的范围,可以减少边角碳化物、增加石墨球数。微量元素控制被认为是生产好的球墨铸铁的关键,尤其在目前废钢质量持续下降的情况下,稀土元素可有效中和有害微量元素的影响,如铅、锑、铋和砷。

首次使用镧作为镁硅铁合金中的唯一稀土元素可追溯到早期的型内球化过程中,在采用纯镧稀土的镁硅铁合金后,缩松倾向有了明显减少[6]。自12年前这一技术引入开始,由于其在减少缩松倾向、改善力学性能和改善加工表面光洁度等方面取得的成功,其市场份额也不断获得壮大。

那么,镧又有哪些特殊的特点呢?它属于稀土元素,与铈的分子大小和活性相似。与其他稀土元素一样,镧具有较强的还原性和脱硫性,帮助镁来束缚硫和氧,可以帮助改善孕育效果、获得更多的石墨球数和减少碳化物的形成。此外,它具有与其他稀土元素类似的特性,即中和铁水中的有害元素。

而且,纯镧稀土硅铁镁合金还显示了其特有的石墨球大小分布的趋势,这一特点与减小和消除收缩以及减小过冷的作用有关。球化剂中使用镧稀土作为单一稀土元素时,可观察到石墨球尺寸呈曲线分布,其大量后期形成的小球带来的石墨化膨胀可帮助减少缩松。

优化合金中的镧含量
项目初期研发时,硅铁镁合金的试验添加量为1.5%,研究发现,当使用的硅铁镁合金中的镧含量为0.5%时,铁水的过冷倾向、石墨球数和热分析性能达到最佳。长时间以来,行业通过不断改善铁水包的设计、增加镁的吸收率,继而转向添加更少的硅铁镁合金,从而降低成本以及之前提到的稀土价格风险。现在,稀土硅铁镁合金的平均加入量预计在1.2%左右。因此,在许多情况下,镧的总百万分比已经减少,后期使用中需要确认镁硅铁中的镧含量是否仍然处于合适的水平。

下图是MgFeSi中不同镧含量及不同的球化剂加入量所对应的石墨球数。

加入量调整后,试验2和3显示了相同的峰值,相当于在铁水中添加了0.006%的镧。实验中的使用热分析检测时也显示出了明显的不同。结果显示,当球化剂中镧含量在0.5%时,形核水平最佳,而更高和更低的镧含量的成核效果都相对较差。

但是,在使用相同稀土镧含量的球化剂时,需要保持谨慎。鉴于镧在平衡有害元素中的重要性,原铁水的冶金质量也应考虑在内。至少应该达到一种理论平衡,也就是,稀土元素和有害元素的比例约为0.5(有害元素= 铅、砷、铋和锑)。若铅、砷、铋和锑的总含量为0.008%,则需要添加0.004%的镧。

案例分析:转向节的缩松
某汽车铸件企业的转向节出现缩松问题,前期的球化处理工艺是,球化剂为Mg5.5RE1.5,加入量1.3%,转包时加入0.4%的CaBa孕育剂至浇注包。

后来,该铸造厂试用了Mg5.8La0.5的球化剂(纯镧稀土球化剂),为保证Mg残量不变,加入量降为1.2%。结果如图2所示,获得了更好的微观组织,缩松情况也显著减少。

结论
经过首次推广使用并取得成功后,同时在近10年间,铸造企业不断的工艺完善,纯镧球化剂的应用也逐步得到推广、演变,不管怎样,镧基的镁硅铁合金的应用及优势与最初的结论仍都是成立的。

不过,铸造工艺人员仍需警惕球化剂的加入量,炉料的纯净度较低和微量元素含量较高将会增加铁水对稀土元素的需求。合金设计中的柔性调整也是非常重要的。

从混合稀土球化剂转变为纯镧稀土球化剂后,最好不要过度补充减少的稀土元素总量。如果铁水中中添加了高于最佳比例的镧,那么纯镧稀土所带来的对缩松和组织改善的优势将会降低,而且铁水的冶金成本也会增加。

总之,如果添加比例适当的话,镧系球化剂将有诸多优势,因此,镧系球化剂的应用范围在未来几年还会继续扩大。