液态金属的冶金处理

液态金属的冶金处理影响形核的冶金处理孕育处理孕育处理孕育处理：向液态金属中添加少量物质已达到细化晶粒、改善组织目的的一种方法。在铸铁中称为孕育处理，在有色合金中称为变质，在钢中则两种混用。本质上说，孕育处理主要影响形核过程和促进晶粒游离以细化晶粒；变质则是改变晶体的生长机制，从而影响晶体形貌。一般来说，晶粒越细，综合性能就越好，抗疲劳性能也越高。非均匀晶核数越多，晶粒游离的作用越强，熔体内部越有利于游离晶的残存，形成的等轴晶就越细。孕育处理孕育处理的关键是合理选用孕育剂和孕育工艺。1）形核剂（作用是强化非均匀形核过程）直接作为外加晶核的形核剂。这是一些与欲细化相界共格对应的高熔点物质或同类金属碎粒。他们在液态金属中可直接作为欲细化相的有效衬底而促进非均匀形核。已证明：在高锰钢中加锰铁，在高铬钢中加入铬铁都可以直接作为晶核而细化晶粒并消除柱状晶组织。通过与液态金属的相互作用而产生非均匀形核的形核剂。这里有两种情况：形核剂能与液相中某些元素（最好是欲细化相的原子）组成较稳定的化合物。如钢中的V、Ti形成碳化物和氮化物促进非均匀形核从而达到细化晶粒的目的。通过在液相中造成很大的微区富集而使结晶相提前弥散析出。如硅加入铁水中瞬间形成很多富硅区，造成局部过共晶成分迫使石墨提前析出。而硅的氧化产物二氧化硅及硅中的某些微量元素形成的化合物可作为石墨析出的有效衬底而促进非均匀形核。表1.细化α-Al的常用形核剂加入形核剂，形成稳定化合物。在包晶相图中，先析出化合物弥散分布在液相中，当α相结晶析出时则作为α相的晶核，因此有很好的孕育效果。2）强成分过冷元素孕育剂通过在生长界面前沿着的富集使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生细弱缩颈，从而促进晶粒的游离。还能强化熔体内部的非均匀形核，而孕育剂富集抑制了晶体生长也能促组织细化，从而最终有利于等轴晶的获得和细化。强成分过冷元素形核剂的联合使用，可得更强的孕育效果。实验指出，几乎所有的孕育剂都有一个时间效应问题，即在处理后存在孕育衰退的现象。因此孕育效果不仅取决于孕育剂本身，而且也与孕育处理工艺有关。处理温度越高，孕育衰退越快。孕育剂粒度也要根据处理温度和处理方法来选择。液态金属的冶金处理影响生长的冶金处理：1）变质处理2）球化处理1）变质处理本质上说，孕育处理主要影响形核过程和促进晶粒游离以细化晶粒；变质则是改变晶体的生长机制，从而影响晶体形貌。变质在改变共晶合金的非金属相的结晶形貌上有着重要作用。共晶铝硅合金Sr、Re变质处理的研究锶在硅相表面吸附的同时又存在着锶的氧化,只有铝液中锶的浓度达到一定值时才能达到最佳变质效果。由于锶的氧化在一般情况下不可避免,随着锶变质处理后保持时间的延长,又肯定有变质作用的衰退。在保温45min的3#试样中,共晶硅基本上从片状转变为粒状或短杆状,但仍有一部分为片状,同时有枝晶状的a相出现。在保温90min的4#式样中，共晶硅已几乎全为粒状或短杆状，此时的变质效果最佳。2#式样为Re的变质效果，共晶硅基本上为短杆状或粒状，有少部分为细长片状。6#、7#式样为Re-Sr复合变质的显微组织，与单纯Sr变质的效果相差不大。这是由于Sr和Re的变质机理相似，变质元素量达到要求时，再继续增加加入量，变质效果也不会有明显改善。结论：（1）锶变质处理后有一最佳保持时间，本实验中，锶加入量为0.08%，变质温度为750℃时，最佳保持时间为90min。（2）稀土是一种良好的变质剂。稀土，锶复合变质同其他单一元素变质相比，在变质剂加入量足够的情况下，效果差别不明显。2）球化处理球墨铸铁具有高的力学性能，是以石墨球化状况良好为前提的，衡量石墨球化状况的标准是球化率、石墨球径和石墨球圆整度。为了保证球墨铸铁的性能，要求有高的球化率，圆整而细小的球状石墨，为此需要进行良好地球化处理。球化处理球化元素：加入铁液中能使石墨在结晶生长时长成球状的元素称为球化元素。球化能力强的元素都有很强的脱氧及去硫的作用，在铁液中不溶解，与铁液中的碳能够结合。在生产条件下，实际目前是Mg、Ce（或Ce与La等的混合稀土元素）和Y三种。反球化元素：某些元素会使石墨在生长时无法长成球状，称为反球化元素。球化处理为保证石墨良好的球化，应对铁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镁和大部分反球化元素不相化合，化合程度很小，故对反球化元素的抵抗能力低，加入稀土元素Ce和Y则能和大多数反球化元素相结合，一定程度上抵消干扰作用。球化剂的选择:（1）对铸件铸态组织的要求。铸态铁素体球墨铸铁选用低稀土球化剂，铸态珠光体球墨铸铁选用含铜或镍的球化剂。（2）铁液中干扰元素的含量。如果干扰元素，诸如钛、钒、铬、锡、锑、铅、锌等含量较高，须选用稀土含量较高的球化剂。如果干扰元素含量较低（总量小于0.1%），可选用纯镁或镁合金球化剂。（3）铁液含硫量。硫含量较高时，一般采用稀土和镁含量较高的球化剂，如有条件，可进行脱硫处理。硫含量较低时，可选用低稀土低镁的稀土硅铁镁球化剂。（4）铸件冷却条件。冷却速度较快的金属型铸造条件下,可选用低稀土球化剂。冷却速度较慢的大型厚断面铸件可选用钇基重稀土球化剂。球化剂1）镁球化剂：化学性质活泼，脱硫，取样的能力强。生成的硫化镁、氧化镁熔点高，密度小，较易浮出铁液而被除去。镁进入铁液后首先起脱硫去氧的作用，当铁液中硫降至一定值时，镁开始对石墨的球化起作用，使石墨成长成球状。镁又是强烈稳定碳化物的元素，因此，残留有一定镁含量的铁液在凝固时有很大的白口倾向。镁球化剂的球化处理方法镁作为球化剂时，只有一种元素镁残留在铁液中的含量一般在0.04%~0.06%范围内才能保证石墨球化。以下为几种镁作为球化剂的球化处理方法。自建压力加镁法

镁的沸点与压力呈正比，如果铁液中有6～8个大气压时，镁的沸点就会提高到1350～1400℃。在这样的条件下加镁，就可以避免镁的沸腾。自建压力法是在密封的条件下将装有镁的钟罩压入铁液，使镁在铁液中有控制的沸腾，从而提高镁的回收率，稳定球化质量。自建压力加镁法要求有安全可靠的处理设备，以防止铁液喷射出来。处理包深度与内径之比应为1.5～2，加镁钟罩压入铁液后距包底的距离应为包深的10%。自建压力加镁法镁的吸收率可达到70～80%，并且处理效果稳定，无镁光，无烟尘，但设备费用高，操作繁琐。这种方法适用于大型厚断面铸件，铸态高韧性铁素体铸件以及大量生产要求控制镁量的铸件。转动包法如图所示。反应室内装入纯镁或镁焦,转包横卧，接受铁液，然后转包立起，使铁液通过反应室的处理网孔进入反应室与镁反应。这种方法镁的吸收率可达到60～70%,烟尘及镁光较轻，可处理含硫高达0.15%的铁液。其缺点是需要专门的处理设备，操作较冲入法复杂。镁合金法将镁和其他金属制成中间合金，由于密度加大，镁量降低，所以可用简单的方法加入铁液，吸收率可较高。所用的合金有Si-Fe-Mg、Cu-Mg、Ni-Mg、Ni-Si-Mg等。国内过去亦曾用过这些合金，但自从应用稀土元素后，已全改为稀土镁合金所替代。2）稀土镁合金球化剂稀土元素的沸点大都高于铁液温度，因此单纯用稀土处理时，完全没有沸腾作用，非常平稳。稀土元素的球化作用较镁差些。他们密度大，不易从铁液中除去，与镁同时加入时比较有利。稀土镁合金的球化处理方法-冲入法将球化剂破碎成小块，放入处理包底部一侧，或在处理包底部设置堤坝或凹坑，将球化剂放在堤坝内侧或凹坑内，然后冲入1/2-2/3铁液，待铁液沸腾结束时，再冲入其余铁液。冲入法要求处理包的深度与内径之比在1.5-1.8之间，处理包要预热到600-800℃，铁液温度应高于1400℃。冲入法的优点是设备简单，操作简单。缺点是镁的吸收率低，一般只有40%-45%，而且烟尘闪光较严重。为解决这一问题，不少工厂采用密流处理，即在炉前加一辅助处理室，铁液通过处理室然后流入处理包。还有不少工厂采用加盖处理法。目前冲入发法广泛应用于各种温度和含硫量的各种生产规模的球墨铸铁件生产。稀土镁合金的球化处理方法-型内球化法把球化剂放置在浇注系统中专门设计的反应室内，在浇注过程中铁液流经反应室时与球化剂发生反应进行球化处理。为保证球化处理稳定，减少烧损，要严格计算反应室及浇注系统尺寸。一般情况下，反应室设置于直浇道下的横浇道中，浇口杯到冒口前的系统应处于充满状态，冒口和铸件型