简介概要

交替变向电磁场对稀土镁球铁球化衰退的影响

来源期刊：稀有金属2005年第3期

论文作者：王丽萍郭二军康福伟何洪亮

关键词：稀土镁球铁; 电磁场; 脱硫; 脱氧; 球化衰退;

摘要：自行研究和设计了交替变向电磁场装置. 将采用稀土镁球化处理后的铁水, 经不同保温时间后, 分别在重力场和电磁场中凝固, 利用对比试验的方法考察电磁场对球墨铸铁球化衰退的影响规律. 结果表明: 交替变向电磁场可加速球化元素镁和稀土的脱S脱O作用, 使电磁场中凝固的球墨铸铁S, O含量相对较低, 从而抑制了球墨铸铁的球化衰退.

稀有金属 2005,(03),297-301 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2005.03.010

交替变向电磁场对稀土镁球铁球化衰退的影响

康福伟王丽萍郭二军

哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,哈尔滨理工大学材料科学与工程学院黑龙江哈尔滨150080 ,黑龙江哈尔滨150080 ,黑龙江哈尔滨150080 ,黑龙江哈尔滨150080

摘要：

自行研究和设计了交替变向电磁场装置。将采用稀土镁球化处理后的铁水, 经不同保温时间后, 分别在重力场和电磁场中凝固, 利用对比试验的方法考察电磁场对球墨铸铁球化衰退的影响规律。结果表明:交替变向电磁场可加速球化元素镁和稀土的脱S脱O作用, 使电磁场中凝固的球墨铸铁S, O含量相对较低, 从而抑制了球墨铸铁的球化衰退。

关键词：

稀土镁球铁;电磁场;脱硫;脱氧;球化衰退;

中图分类号： TG255

作者简介：郭二军通讯联系人 (E mail:guoerjun@126.com) ;

收稿日期：2005-03-03

基金：黑龙江省自然基金资助项目 (E200421);

Influence of Alternative Electromagnetic Field on Nodulizing Degradation of Rare Earth Magnesium Nodular Cast Iron

Abstract：

The rare earth magnesium spheroidized liquid iron was held for 0, 10, 30 min and solidified in gravity field and alternative electromagnetic field by means of self-designed alternative electromagnetic device, respectively, to investigate the effect of alternative electromagnetic field on nodulizing degradation. The results show that alternative electromagnetic field plays a positive role on reinforcing desulphurization and deoxidation, and reducing the S and O content in the solidified spheroidal cast iron by alternative electromagnetic field. The results also indicate that the alternative electromagnetic field could restrain nodulizing degradation.

Keyword：

rare earth magnesium nodular cast iron; electromagnetic field; desulphurization; deoxidation; nodulizing degradation;

Received： 2005-03-03

球铁是在灰铸铁的基础上发展起来的一种有价值的结构材料。球铁由于石墨呈球状分布, 大大降低了对基体的割裂作用, 其力学性能比灰铁有显著的提高。具体表现在具有较高的强度和刚度, 有相当的塑性和动载性能, 还具有良好的耐磨性、耐热性和耐蚀性。因此, 球铁一出现, 立即得到了迅猛的发展。 20世纪90年代后期, 世界球铁产量已达到了1500～1600万t, 2000年超过了2000万t, 球铁是20世纪材料科学最重大的技术进展之一 ^[1] 。与灰口铁相比, 球铁的生产中会出现一些特有的缺陷, 球化衰退就是球墨铸铁特有的一种常见铸造缺陷。其表现为处理过的同一包铁水, 先浇注的铸件球化良好, 而后浇注的铸件球化不良, 随着停留时间的延长, 球化率逐渐降低。对球铁的球化衰退的研究受到了铸造工作者的普遍重视, 关于球化衰退机制, 目前还没有统一的认识 ^[2] 。

普通球铁的球化衰退常常表现为球化元素的减少, 从20世纪50年代开始就有人做了这方面的研究 ^[3] , 即将球化处理良好的铁水在共晶温度以上的高温 (≥1300 ℃) 保持一段时间之后, 当残镁量低到一定临界值 (0.002%～0.003%) 时, 球化效果就消失了; 文献 [ 4] 认为当氧硫含量高到一定程度时石墨就不会球化或球化不良。但在厚大断面球铁的生产中却发生了另一种衰退形式: 即球化良好的铁水经长时间共晶凝固后, 球化元素并未降低到通常的临界值, 并且往往高出此值许多时, 球墨已经衰退了 ^[4] 。

对球化衰退机制的认识不清, 也就导致了无法从根本上防止和消除球化衰退缺陷。目前只能通过控制氧硫含量、球化元素含量、缩短凝固时间来防止球化衰退 ^[5,6] 。

有关电磁场对凝固组织 ^{[7,8,9,10,11,12]} 、凝固缺陷 ^[13,14] 、金属凝固行为 ^[15,16,17] 的影响已有很多研究, 但电磁场对球化衰退影响的报道却很少 ^[18] 。本文利用自行研制的交替变向电磁装置研究其对球墨铸铁球化行为的影响, 考察交替变向电磁场对球化衰退的作用, 目的在于寻求一种新的防止球化衰退的工艺方法。

1 实验

1.1 实验装置及原理

实验装置是一套方向定时交替变化的电磁场发生设备, 如图1所示。主要由组合线圈、自耦变压器, 控制线路等组成。其工艺过程是将铸型放在组合线圈中, 在铸型中浇注金属液后线圈中立即通入特定频率的一次电流, 线圈中就会产生交变电磁场, 在磁场作用下金属液中就会产生感生电流, 磁场对感生电流发生作用就会产生电磁力, 在电磁力的作用下, 金属液就会产生定向运动。通过控制线路定时的交替的改变一次电流的方向, 这样在液体金属中就会产生强烈的反复的震荡作用。液体金属在反复的震荡作用下冷却、结晶、凝固。

图1 交替变相电磁场装置原理示意图 (1) 变压器; (2) 触发电路; (3) 示波器; (4) 平衡记录仪; (5) 热电偶; (6) 感应器; (7) 铸型; (8) 可控硅; (9) 金属液

Fig.1 Schematic of experimental device

1.2 实验方法

采用对比的实验方法进行研究。在其他条件保持不变的条件下, 把重力场中凝固所得试样与在交替变向电磁场中凝固的试样进行比较。在60 kW高频感应炉中熔化, 每次熔化量8 kg。当铁水温度达1500 ℃时, 进行球化处理。球化剂为常用的稀土镁球化剂, 其成分为RE: 6%～8%, Mg: 8%～10%, Si: 40%～45%, 其余为Fe, 球化剂加入量为2%, 采用冲入法。处理后的铁水重新倒入炉中, 在炉内进行孕育处理后, 将铁水温度提升为1500±10 ℃。然后立即浇注第一组试样; 保温10 min后浇注第二组试样, 保温30 min后浇注第三组试样。

2 结果与讨论

2.1 磁场对石墨形态的影响

不同保温时间后重力场和磁场下石墨形态的金相照片总结于图2～4。由图2可见: 在球化、孕育处理后立即浇注的试样, 无论在重力场中和电磁场中凝固都球化良好。由图3可见: 保温10 min后, 在重力场中凝固的试样石墨形状基本上已变成片状, 只有零星的球状和少量蠕虫状石墨, 就是说已经严重球化衰退。而在电磁场中凝固的试样, 石墨形状还保持球状, 没有产生衰退现象, 只不过石墨球稍大一些, 石墨球数量稍少了一些。图4的照片可以看出: 保温30 min后, 在重力场中凝固的试样石墨形状已是粗大的片状, 说明已完全球化衰退。而在电磁场中凝固的试样, 还有50%是球状石墨, 50%是蠕虫状石墨, 无片状石墨。可见交替变向电磁场具有明显抑制球化衰退的作用。

图2 保温0 min浇注的试样照片 (a) 重力场; (b) 电磁场

Fig.2 Microstructure holding for 0 min

图3 保温10 min浇注的试样照片 (a) 重力场; (b) 电磁场

Fig.3 Microstructure holding for 10 min

图4 保温30 min浇注的试样照片 (a) 重力场; (b) 电磁场

Fig.4 Microstructure holding for 30 min

2.2 磁场对化学成分的影响

为了分析电磁场抑制球化衰退的机制, 对不同保温时间重力场、磁场下凝固的试样进行了化学成分分析, 结果总结于表1, 由表可见: (1) 球化处理后的铁水, 在1500 ℃液态保持过程中, 随保温时间的延长铁水中硫、氧含量增加, 说明保持过程中有回硫、增氧现象发生; 同时残余镁量降低, 1500 ℃超过了镁的沸点, 保持过程有镁的逃逸, 而且保持时间越长镁的逃逸越严重; 稀土的熔点和沸点较高, 在保持过程中有所降低, 但变化较小; 保持过程中C和Si都有一定的烧损。 (2) 磁场下凝固的试样的硫、氧、镁、稀土的含量均低于重力场下凝固的试样, 说明磁场有明显的促进镁和稀土脱硫脱氧反应的作用。

2.3 分析与讨论

铁水中存在着硫和氧等反球化元素, 同时也存在着镁、稀土等球化元素。铁水中的硫、氧、镁、稀土的含量与石墨的球化率有密切的关系。铁水中具有较低的硫和氧, 加之适当的残留镁量和残留稀土量, 铁水凝固后就能获得球状石墨。因此国内外专家认为, 根据铁水中氧的活度、含硫量、残留镁、残留稀土量就可以确定石墨的形状 ^[4] 。

由表1的化验结果可知, 在电磁场下凝固的球铁试样中, 硫、氧、镁和稀土的残留量普遍低于重力场下凝固的球铁试样。这说明电磁场有加速铁水中镁和稀土脱硫脱氧消耗的作用。铁水中镁和稀土在铁水保温阶段被消耗的主要原因是在高温下与硫和氧的反应。镁、稀土脱硫、脱氧是多相反应。多相反应的特点是反应局限在相界面处进行。图5是铁水中稀土镁球化剂脱硫反应的示意图。多相反应都要经历一系列的过程, 主要包括以下环节: (1) 铁水中硫、氧通过铁水一侧的边界层向反应界面扩散; (2) 在相界上发生脱硫、脱氧反应, 生成反应生成物; (3) 反应生成物通过扩散离开界面边界层, 使继续扩散来的硫和氧能与球化剂继续进行反应, 或通过反应生物向球化剂扩散, 在新的球化界面上进行脱硫脱氧反应。

任何多相反应的反应速度, 主要决定于组成其反应过程中的最慢的步骤。这一最慢的步骤称为控制因子。如果能设法增加控制因子的进行速度, 才能提高多相反应的速度。上述的脱硫、脱氧反应的三个环节中, 过程 (2) 不会成为控制因子。脱氧脱硫反应的控制因子是 (1) 和 (3) , 即扩散过程。扩散过程是决定脱硫、脱氧反应速度的决定性因素。

根据菲克扩散第一定律:

式中: 为扩散速度; 为浓度梯度; D为扩散系数; A为与扩散物质束垂直的扩散面。

表1重力场试样和电磁场试样的化学成分

Table 1Chemical composition of specimens in gravity and electromagnetic field

保温时间/ min	凝固状态	成分/%
保温时间/ min	凝固状态	C	Si	Mn	P	S	O	Mg_残	RE_残
0	重力场	3.60	3.48	0.51	0.057	0.020	0.0056	0.054	0.041
0	电磁场	3.60	3.48	0.51	0.057	0.015	0.0055	0.050	0.037
10	重力场	3.40	3.39	0.54	0.058	0.026	0.016	0.049	0.040
10	电磁场	3.40	3.39	0.54	0.058	0.021	0.0087	0.041	0.037
30	重力场	3.20	3.10	0.60	0.06	0.028	0.023	0.038	0.038
30	电磁场	3.20	3.10	0.60	0.06	0.021	0.010	0.030	0.035

图5 稀土镁球化剂脱硫反应示意图

Fig.5 Schematic of reaction

现在以脱硫反应为例, 讨论在交替变向电磁场的作用下稀土镁球化剂的消除反球化元素的速度问题和球化反应速度问题。

根据公式 (1) , 单位时间内扩散通过界面层的克原子数, 化为体积克原子浓度c, 则要除以铁水体积V, 即:

故脱硫速度可以表达为:

即:

式中: S₁为原铁水中含硫量 (%) ; S₂为脱硫反应进行到t 秒钟后铁水中含硫量 (%) ; A为反应界面面积 (cm²) ; W为处理铁水量 (g) ; ρ为铁水密度 (g·cm^-3) ; t为反应时间 (s) ; D为扩散系数 (cm²·s^-1) ; δ为扩散层厚度 (cm) 。

根据公式 (3) , 加速脱硫反应的速度主要是增大反应界面面积A, 减小扩散层厚度。

当施加交替变向电磁场作用于铁水时, 铁水在电磁力的作用下会产生反复的流动和震荡作用, 得以充分搅拌, 这样不但使反应的界面A不断增大, 而且界面还不断地变化和更新, 会大大加速脱硫反应的进行。而且搅拌也使扩散层的厚度减薄。这样就会使多相反应的限制性环节扩散加速, 加速了传质过程。同时球化剂中稀土元素熔点高, 扩散能力差, 在电磁场的作用下使其反复运动, 增加了与硫的接触机会, 使反应更能充分进行。

同理, 在交替变向电磁场作用于铁水时, 也会大大加速脱氧反应的进行。

S, O是石墨-铁水界面的表面活性元素, S, O在铁水中的含量变化必然影响石墨-铁水的界面性质。文献 [ 19] 的研究结果表明: 经过真空处理的高纯铁水中, 石墨柱面和铁水的界面能是石墨基面和铁水界面能的8倍。从结晶学的角度出发, 石墨基面的生长速度高于柱面, 石墨长成球状, 而S和O等表面活性元素将吸附在原先具有较高界面能的柱面上, 利用能谱对石墨进行分析的结果证实了这一点 ^[19] 。而且吸附在石墨柱面上的S, O原子降低了石墨柱面和铁水的界面能。在球化铁水高温保持的过程中, 铁水中S, O含量逐渐增加, 经球化元素净化的铁水, 其新形成或已形成的石墨组织石墨柱面将吸附较多的S, O原子, 结果使石墨柱面和铁水之间界面能降低, 当S, O含量增加到一定数值后, 石墨柱面和铁水之间的界面能将小于或等于石墨基面和铁水之间的界面能。如果铁水中尚没有大量石墨球析出, 则在随后的冷却过程中石墨将独立形核长大, 石墨和奥氏体共生生长成碎块状石墨; 如果铁水中已有尚未被奥氏体包围的球状石墨, 则石墨球继续长大时频繁分枝而长成异形石墨或碎块状石墨。所以, 球化衰退的程度可由球化铁水中S, O的回升量反映。

可以认为: 电磁场抑制球化衰退的机制就是由于电磁场作用于铁水时, 会大大加速脱硫脱氧反应的进行, 使铁水中的S, O含量降低, 石墨组织石墨柱面吸附的S, O原子减少, 结果使石墨柱面和铁水之间界面能提高, 当S, O含量降低到一定数值后, 石墨柱面和铁水之间的界面能将大于或等于石墨基面和铁水之间的界面能, 结果石墨又长成球状。