蠕化劑是加入到鐵液內以獲得具有蠕蟲狀石墨組織的添加劑，目前廣泛使用含有多種元素的複合合金蠕化劑。常用的有稀土-矽-鈣、稀土-鎂-鈦、稀土-鎂等合金。
基本介紹
- 中文名：蠕化劑
- 外文名：vermiculizer
- 拼音：rú huà jì
- 舉例：稀土-矽-鈣、稀土-鎂-鈦等合金
- 性能特點：蠕化效果穩定
- 套用學科：冶金術語
概述,以稀土為基的蠕化劑及蠕化處理工藝,稀土矽鐵合金,稀土矽鈣合金,稀土矽鐵鎂合金,稀土鎂鋅合金,CMHTHMHⅢ-1合金,以鎂為基的蠕化劑及蠕化處理工藝,鎂鈦鈰合金,鎂鈦鋁合金,鎂—稀土合金,以鈣為基的蠕化劑及蟠化處理工藝,
概述
具有優良綜合性能的蠕墨鑄鐵是在變質劑加入量超過某一臨界點之後才能得到，並且只能穩定在一個不寬的範圍內。這種變質劑稱它為蠕化劑。正確地選用蠕化劑和掌握加入量是穩定生產蠕墨鑄鐵的首要條件，而蠕化劑的加入量應根據它的化學組成、鐵水狀態和冷卻條件等因素來加以確定。
在已發表的國外資料中，英美等國採用以鎂為主的蠕化劑，為了擴大蠕鐵生產的蠕化範圍，加入鈦、鋁等反球化元素製成多元蠕化劑。西德、奧地利等國則多採用混合稀土金屬，蘇聯近年來都必含釔的稀土矽鐵合金作蠕化劑。我國試驗和生產蠕墨鑄鐵主要採用稀土矽鐵、稀土矽鈣和稀土矽鐵鎂合金，也有用鎂鈦合金的。
由於蠕化劑的組成不同和不同條件的鐵水適宜加入量範圍必然不同，因此弄清主要變質元素和某些微量元素在鑄鐵中的作用是必要的。在此基礎上將能對現生產中套用的蠕化劑加以評價，並提出發展新蠕化劑的可能途徑。
蠕化劑對蠕化處理成敗起有重要的影響。
往鐵水中加入適量的變質元素，就能獲得蠕蟲狀石墨鑄鐵，例如用稀土元素，尤其是用鈰可以很好地得到蠕蟲狀石墨，但需要加入的稀土元素量比較高，特別是對含硫量較高的鐵水要加很多的稀土元素才能得到蠕蟲狀石墨。如右圖所示，這是不經濟的。只有用硫、氧及氮均很低的鐵水，採用稀土才是合理的。一般生產條件下是比較困難的。
另外，若僅用鎂處理低硫鐵水時，鎂必須控制在很窄的範圍內，殘餘鎂量大幹0.02%時會變成球墨鑄鐵，而當殘餘鎂量小於0.015%則會成為片狀石墨鑄鐵，因此它的蠕化作用範圍只有0.005%。當處理的原鐵水中硫量、鐵水量和鐵水溫度等不能準確掌握時，要求這樣精確地控制鎂含量是非常困難的。
這樣就迫使人們研究用多種元素來擴大鑄鐵蠕化作用範圍。國際上採用的蠕化變質劑主要有兩大類：英、美、羅馬尼亞等國所採用的以鎂為主加干擾元素鈦等並配以適量的鈰獲得處理範圍較寬的蠕化劑。另一類是西德、奧地利、挪威等國所採用的稀土混合金屬，蘇聯採用的鈰釔稀土矽鐵合金都是以稀土為主的蠕化劑。我國試製蠕鐵也是採用以稀土為主加入其它元素的或以鎂為主的蠕化劑。
以稀土為基的蠕化劑及蠕化處理工藝
稀土矽鐵合金
我國從1965年就用稀土矽鐵合金生產蠕墨鑄鐵，這種合金主要由中國稀土公司生產，已按成分系列化。稀土矽鐵合金的外觀為銀灰色，具有金屬光澤，密度為4.5～5.0
。熔點為1080—1250℃。
稀土矽鐵合金中主要是稀土中的鈰起脫硫、去氣和變質作用。雖然合金串含有大量的矽，由於稀土的白口傾向大，因此在用這種合金處理後，仍需用矽鐵合金進行孕育，合金的加入量主要由原鐵水含硫量來決定。右圖給出稀土矽鐵合金加入量與原鐵水含碲量的關係。原鐵水中的矽量、磷量對合金加入量略有影響，但在常規成分範圍內可以不考慮。
處理後的鐵水含矽量一般為2.0～3.0%，此時對錳和碳量可予以調整，如要求有較高的硬度或耐磨性時，可將錳調到1.1%。磷小於0.10%為宜。在生產中等厚度鑄件時，由於稀土的白口傾向比較大，需要大孕育量，因此應考慮適當降低原鐵水中的含矽量。
稀土矽鐵合金在處理時沒有煙霧，這是它的一大優點，但是由於稀土沒有沸騰能力，合金的密度又比較小，處理時合金容易漂浮於鐵水表面，這樣就影響到它在鐵水中的溶解，若放在包底，令鐵水沖入，則合金容易凍結。因此採用這種合金，需要在處理方法上加以改進，可以採用把這種合金撤入鐵水流的方法、爐內熔融法和氣動攪拌法等等。
爐內熔融法是在電爐中，把鐵水熔清提溫後，在出鐵水前將稀土矽鐵合金置於爐內鐵水表面，待合金處於半熔融狀態時，將鐵水全部出清，利用鐵水沖入澆包時將蠕化劑攪拌均勻。
氣動攪拌法是在澆包底部中心安置一個多孔塞，待鐵水隨流加入合金進入澆包後，吹入氮氣進行攪拌。這不僅使浮於鐵水表面的合金熔解，而且加快了稀土元素的擴散，提高了稀土的吸收率。這對厚大蠕鐵件是比較合適的處理工藝。
稀土矽鐵合金仍然是最經濟的蠕化劑，通過處理工藝的改進已套用於中等壁厚及厚大鑄件的生產上。對於薄壁鑄件，由於稀土的白口傾向大，爐前需要加強攪拌，而且合金加入量(獲得蠕蟲狀石墨)的範圍比較狹窄，不容易穩定生產，因此在使用上尚受到一定的限制。
稀土矽鈣合金
在稀土矽鐵合金基礎上發展起來的稀士矽鈣合金，主要目的是利用鈣對形成蠕蟲狀石墨的有利因素，來擴大合金加入量(獲得蠕蟲狀石墨)的範圍，以穩定爐前處理工藝；另一方面利用鈣的石墨化作用，解決稀土矽鐵合金的白口傾向大的問題，以適應薄壁蠕鐵件生產的需要。
通過50kg中頻感應爐熔煉鐵水，分別用稀土矽鐵合金和稀土矽鈣合金處理的結果對比，可以看出，稀土矽鈣合金的處理穩定性比稀土矽鐵要好，因而有利於生產；而且白口傾向小，可以套用於薄壁蠕鐵件的生產。
供應的稀土矽鈣合金系列如右圖所示。稀土矽鈣合金除了以上有利於生產的優點以外，尚有一些不利之處。由於它在處理時與鐵水接觸，合金表面容易生成高熔點反應物(例如氧化鈣熔點2572℃，氧化鈰1965℃，硫化鈰1930℃，形成一層薄膜包圍在未熔的合金表面，阻礙了合金進一步反應，而使其很容易漂浮於鐵水表面捲入渣中。因此，在處理時，不能把合金置於包底，這樣合金會凍結，為此必須把合金撒入鐵水流中，靠鐵水的攪動將合金表面反應產物的薄膜不斷衝破，以利於合金的作用完全。另一方面，還需要高溫鐵水，並配以少量的熔劑(螢石的加入量為合金加入量的10~30%)。因此稀土矽鈣合金適用於電爐熔煉的高溫鐵水生產蠕墨鑄鐵件，包括薄壁件。
稀土矽鐵鎂合金
我國長期用稀土矽鐵鎂合金作球化劑，一些單位也用它來做蠕化劑。供應的合金已系列化。合金的外觀呈藍灰色，帶有金屬光澤、呈塊粒狀。密度為4.0~4.1 ，熔點為980~1180℃。
稀土矽鐵鎂合金主要是利用鎂能在鐵水中沸騰的特點，有助於合金的熔解和熔渣的稀釋，以減輕爐前攪拌的勞動量，武漢重型工具機廠用低鎂的稀土矽鐵鎂合金，用雙層旋渦槽沖法處理，使合金的吸收率達到90%左右。
稀土鎂鋅合金
鎂的熔點為650℃，沸點為1107℃；鋅的熔點為419℃，沸點為907℃。蠕化劑中含有鎂和鋅，主要是使合金具有良好的沸騰效應，其蒸汽可以衝破蠕化劑顆粒外表的包覆層，以代替人工攪拌，並能提高蠕化劑的吸收率。再則，鎂和鋅可以降低蠕化劑熔點：鋅還可以適當提高合金的密度(鎂的密度1.74
，鋅的密度為7.14 )從而提高了合金的吸收率。
供應的稀土鎂鋅合金(牌號為20XtZnM94-4)主要成分：Re：18~22%，Ca：3～5%，Mg：3--~5%，Ti：1~2%，Si<45%。
合金加入方法為包底凹坑沖入法。為了進行孕育，在澆注前採用大塊矽鐵(鐵水重量的0.2~0.3%)在包嘴進行瞬時孕育。在即將全部熔化時再補加一塊矽鐵“接力”。處理溫度為1380～1400℃。
用稀土鎂鋅合金處理的鐵水浮渣少、白口傾向小，但這種合金獲得蠕蟲狀石墨的範圍比較狹窄。它適用於生產一等以上厚度的蠕墨鑄鐵件。
CMHTHMHⅢ-1合金
蘇聯採用的CMHTHMHⅢ-1型中間合金，其中含稀土金屬30%左右，釔4～5%，矽40---,50%。當原鐵水含硫0.015~0.03%時，合金加入量為0.7～0.9%，而含有硫0.08~0.10%(沖天爐鐵水)，則需加入2.0～2.5%。因此鐵水預先脫硫是經濟的。在生產薄壁件(<20mm)時，合金加入量需減少15~20%。
變質處理時，把合金置於包底或金屬流中，處理溫度為1430～1480℃。雖然合金中帶入了很多矽量，但是為了抑制在鑄件中形成萊氏體或自由滲碳體，處理後仍需用矽鐵進行孕育處理，矽鐵加入量為0.3~0.8%。
為了獲得最高的物理二機械佳能，良好的鑄造工藝性能，薄壁鑄件具有最小的收縮及白髓傾向等，推薦蠕墨鑄鐵的最佳成分：C：3.5~3.6%，Si：2.4～2.6%，Mn：0.6~0.8%，P：0.02～0.06%，Re0.10～0.15%。所能達到的性能：抗拉強度300-500
，屈服強度270-420 ，延伸率2～8%，布氏硬度143～241，衝擊韌性20～30
(無缺口試樣)，彈性模量140000-170000 。
以鎂為基的蠕化劑及蠕化處理工藝
鎂鈦鈰合金
用鎂處理以獲得蠕蟲狀石墨的殘留鎂量範圍僅有0.005%，這在生產上很難實現，因此發展成用球化(如鎂，鈰)和反球化元素(如鈦、鋁)共同配製的合金。鈦是反球化元素，可以阻止石墨球的形成，與鎂配製可以擴大殘留鎂量的範圍，如有鈦0.06—0.13%存在，則殘留鎂量的上限可以由0.020%擴大到0.030%。進一步的試驗證明，鈰和鈣都是對形成蠕蟲狀石墨有利的因素，在合金中配入適量的鈰和鈣，可以擴大獲得蠕蟲狀石墨的範圍，穩定生產，因此由英國鑄鐵研究協會研製成功鎂鈦鈰合金。
鎂鈦鈰合金適用於接近共晶成分，含硫量低於0.03%的鐵水。這時台金加入0.7—1.3%就可以穩定地獲得蠕蟲狀石墨。合金加入的方法可以是包底沖入法、插入謝多孔塞處理法或者型內處理法。
雖然鎂鈦鈰合金與其它合金相比已有改進，但是由於它在回爐料及廢鑄件中殘存著鈦，會引起鈦的積累和污染的問題。因此仍需進一步研究無鈦的蠕化劑。
我國生產的鎂鈦鈰合金生產汽車發動機排氣管。處理時合金放入包底，操作簡便，反應平穩，白口傾向小，但是爐前的穩定性尚待進一步改進。這種合金經過試生產證明它適用於薄壁蠕墨鑄鐵件的生產。
鎂鈦鋁合金
從一發現球墨鑄鐵開始，元素是促進還是阻止石墨球化的問題，是研究工作者所關心的問題。現在這些元素的作用大部分已查明，具有球化作用主要是周期表中的ⅡA及ⅢB元素，而在純鐵碳矽合金中，特別是在快速冷卻時，周期表中的其他組中的一‘些元素也具有球化作用。必須注意，在工業鑄鐵中有明顯反球化作用的一些元素(Zn、Cd，Al，Sn，Li)在高純鑄鐵快速冷卻時卻起球化作用。
直接反球化的元素，特別是屬於周期表中ⅡB，ⅢA、Ⅳ及V組的是Zn、Cd、Hg、A1，Sn、Pb、 As、Sb、Bi。間接反球化作用的是Ⅳ組元素(Ti、Zr、Hf)，而一般反球化元素則是Ⅵ組(O、S)。
各元素的反球化作用能力是各不相同的，它也取決於元素之間的結合。鈦的存在可以促進一些元素阻止石墨緻密的能力。
羅馬尼亞的索夫朗寧(L。Sofroni)和瑞波申(1．Riposan)等發現，反球化元素的綜合作用可以用 
係數值表示。
上式中各係數的值表示各元素的反球化能力。他們從中找出鈦和鋁反球化作用(綜合係數x真值)與鐵水中殘留鎂量之間的關係，以獲得蠕蟲狀石墨，因此，又引出一個係數 
：
。
表示殘留鎂量(%)。
隨著 值的變化，石墨形狀由片狀變為蠕蟲狀，以至球狀。
為片狀石墨，
為球狀石墨，蠕蟲狀石墨則 為10~25。
處理時合金放於熱包底的中央凹坑內，上面覆蓋冷硬樹脂砂，形成砂膜，待鐵水接好後，用鋼棍將覆蓋的樹脂砂膜捅破。合金進行反應。這種處理方法的優點是合金反應平穩，吸收率高(在一定的鐵水壓頭下反應，而不是鐵水一進入澆包立即反應)。反應結束後，取樣用微分熱分析方法快速分沂蠕蟲狀石墨的含量。如果蠕蟲狀石墨太少、球狀石墨過多，立即加入鈦矽鐵合金調整；如果有處理不足、出現片狀石墨的危險，則立即加入鎂矽鐵調整，如果處理合適，則用矽鐵孕育，然後澆注。 ’
這種方法生產的蠕墨鑄鐵機械性能變化範圍：抗拉強度360±25 ，延伸率2±0.8%，硬度HB200±20。鑄造性能與灰鑄鐵基本相似。這種生產蠕墨鑄鐵的工藝巳申請專利，並套用於試生產大型鋼錠模和液壓閥體。 ·
鎂—稀土合金
蘇聯在鎂=稀土合金中加入鋁和鋇作蠕化劑。鋁，鋇加入合金可以降低鎂的蒸汽壓，或者生成Mg-Ba金屬間化合物，這些化合物在超過其熔點300~900℃時易於分解，從而避免了煙霧及沸騰。
當殘留鎂量低於0.015%，殘留鈰量低於0.05田時可以獲得蠕蟲狀石墨。這時的抗拉強度達455 。延伸率可達6.0%。
最近美國提出用高鎂—高鈰合金，附加微量鋁；鈣處理高硫鐵水以生產蠕墨鑄鐵。這種合金擴大了鐵水生產蠕墨鑄鐵含硫量的範圍，在鐵水含硫量增高后，反而增加生成蠕蟲狀石墨的幾率。
研究認為，用高硫鐵水製作蠕墨鑄鐵件時，不必要進行孕育處理．這是由於處理後在鐵水中生成大量的CeS，MgS，CeS等顆粒，它們可成為析出石墨核心的強有力的基底，這些基底甚至可使鑄件薄壁處的過冷度減少到最低限度，從而減少或甚至消除了碳化物。
這一方法還來能在生產中正式採用，還有大量的工作要做，例如還要確定工藝過程的重現性等。
以鈣為基的蠕化劑及蟠化處理工藝
據日本資料報導，在矽鈣顆粒外表面覆蓋氯化鈣，稀土氯化物，鉍(氧化鉍或氧氯化鉍)和鋁(氯化鋁或氟化鋁)製成蠕化劑．稀土氯化物作為球化元素，鉍和鋁作為反球化元素。合金成分：
，球化及反球化元素總計1~25%(其中比例為1：9或9：1)，其餘為矽鈣。這種蠕化劑的優點是：
（1）易熔於鐵水，且由於 
的作用，使鈣氧化燒損減少；
（2）成分分布均勻；
（3）縮孔傾向小，鑄造工藝可與灰鑄鐵相同；
（4）渣量少，扒渣方便；
（5）壁厚敏感性小。
這種蠕墨鑄鐵的機械性能：抗拉強度可達330~450 ，延伸率達2~12%。
另一種是以鈣為主，加少量鎂、鈰(球化元素)和鉍，鋁(反球化元素)製成蠕化劑。得到的蠕墨鑄鐵含Ca0.006~0.2%，Mg+Ce 0.005~0.02%，Al+Bi 0.002~0.02%，Mg+Ce：Al+Bi=1：0.3~0.6。當含鈣量高於上限，Mg+Ce亦高於上限，而Al+Bi低於下限時，則石墨易球化，反之，則形成片狀石墨。
如用含Ca 26~28%，Ce族2.5~3.5%，Al 2.5~3.5%的蠕化劑處理成出蠕墨鑄鐵，抗拉強度可達363~424 ，延伸率可達4.6~7.3%。
在歐洲有二家鑄造廣試用以鈣為主的鈣鈰矽挾合金，由於同時含有鈣和鈰，可以減少單獨用鈰處理所需要的加入量，而且壁厚敏感性機在過共晶或亞共晶鐵水時都可以處理成蠕墨鑄鐵．經過試驗工作，設計了一種處理原鐵水含硫量0.016%用的鈣鈰矽鐵合金。
如果處理時將合金放在包底，鐵水沖入，則必須經過很好的攪拌廠使合金與鐵水充分接觸。有一個廠用多孔塞的辦法處理，用空氣攪拌使合金熔解得又快又好。處理後，靜置22min不衰退。
