定稿：钇基重稀土镁复合球化剂的应用研究

剂具有脱硫、球化、抗球化衰退、抗石墨畸变能力强，细化基体组织、白口倾向小及提高厚大断面球铁本体力学性能的作用。
为厚大断面球铁件生产的首选球化剂。
关键词：钇基重稀土镁复合球化剂；厚大断面球铁；抗球化衰退；抗石墨畸变
中图分类号：
文献标识码：
一、前言
为了提高厚大断面球铁的性能，彻底解决球铁 组织性能不均一的“三明治”现象。国内外众分别
：DY-4-A ：DY-4-B 3 球 化 等 级2
1
0
30
60

120 150
180
保温时间（min）
图 1：钇基重稀土镁复合球化剂球化处理石墨球变
化情况
表 1：重稀土镁复合球化剂处理工艺的球铁成分
试验炉次
原
DY-4-A
球
原
DY-4-B
球
元 素 含 量（%）
C
S
Si
P
Mn
Mg
RE
3.84 0.038 1.31 0.087 0.25
DY-4-B
① 球化后：球化等级 1-2 级，石墨球多，大小 6-7 级，渗碳体＜1%； ② 保温 30min：球化等级 2 级，大小 6-7 级，渗碳体＜1-2%； ③ 保温 60min：球化等级 2-3 级，石墨圆整度较②差些，大小 6 级，渗碳体 1-2%； ④ 保温 90min：球化等级 2-3 级，石墨球数较②时间段多，大小 6 级，渗碳体 1-2%； ⑤ 保温 120min：球化等级 2-3 级，石墨形态与④差不多，渗碳体 1-2%； ⑥ 保温 150min：球化等级 3 级，球数较前少些，大小 6 级，渗碳体 2%； ⑦ 保温 180min：球化等级 3 级，石墨形态与⑥差不多，球大小 6 级，渗碳体＜2%。
作者简介：杨青(1962.6-)，男，大学，高级工程师，从事 (57La)、铈(58Ce)、镨(59Pr)、钕(60Nd)、钷(61Pm)、
稀土材料在黑色金属及有色金属材料中的应用研究工作。 钐 (62Sm) 、 铕 (63Eu) 、 钆 (64Cd) 、 铽 (65Tb) 、 镝
0797-6581278、13907972490
文章编号：
钇基重稀土镁复合球化剂的成分组成与应用研究
杨 青 许瑞高
( 江西省龙钇重稀土材料有限责任公司，江西龙南 341700)
摘要：研究了钇基重稀土镁复合球化剂的组成，试验了钇基重稀土镁复合球化剂对球铁铁液球化、抗球化衰退、抗石墨球畸
变、铸态金相组织、力学性能的影响。选择具有代表性的关键球铁件进行工厂应用试验。结果表明，钇基重稀土镁复合球化
(66Dy)、钬(67Ho)、铒(68Er)、铥(69Tm)、镱(70Yb)、
1
镥(71Lu)，再加上与电子结构和化学性质相近的钪 (21Sc)和钇(39Y)，共计 17 个元素，除钪与钷外， 其余 15 个元素往往共生。
根据稀土元素间物理化学性质和地球化学性 质的某些差异和分离工艺的要求，往往把稀土元素 分为轻、重两组。钆以前的镧、铈、镨、钕、钐、 铕 7 个元素为轻稀土元素，亦称铈组稀土元素；钆 与钆以后的铽、镝、钬，铒、铥、镱、镥和钇等 9 个元素称为重稀土元素，亦称钇组稀土元素。尽管 钇的原子量仅为 89，但由于其离子半径在其它重稀 土元素的离子半径链环中，其化学性质更接近重稀 土元素，在自然界中也与其它重稀土元素共生，故 它被归于重稀土组。
求的验收标准也发生了根本变化，化学成分仅供参 加锑、加铋，强化孕育，强制冷却，低温浇注等多
考，不作验收依据，而力学性能和球化级别则要求 种手段，但都无法根本解决球铁心部衰退问题，而
附铸试块检测，有的用户则要求解剖铸件本体及心 且给球铁件生产带来很多副反应，增加了球铁生产
部检测，并作验收依据。基于球墨铸铁的形成特点， 的工艺复杂性，提高了球铁生产制造成本。要彻底
3.58 0.017 2.76 0.078 0.25
0.07 0.037
4.06 0.039 1.33 0.073 0.34
3.64 0.015 2.83 0.051 0.25 0.058 0.041
表 2：钇基重稀土镁复合球化剂球化效果
炉次
球化质量
DY-4-A
① 球化后：球化等级 2 级，石墨球数多，细小，大小 6-7 级，渗碳体＜1%； ② 保温 30min：球化等级 2 级，大小 6 级，渗碳体＜1%； ③ 保温 60min：球化等级 3 级，大小 6 级，渗碳体＜1%； ④ 保温 90min：球化等级 2-3 级，大小 6 级，渗碳体＜1%； ⑤ 保温 120min：球化等级 2-3 级，大小 6 级，渗碳体 1-2%； ⑥ 保温 150min：球化等级 3-4 级，石墨形态较⑤好，更圆整，大小 6 级，渗碳体 2-3%； ⑦ 保温 180min：球化等级 2 级，石墨圆整度比①更好，但球数较①少些，大小 6 级，渗碳体 2-3%。
三、钇基重稀土镁复合球化剂球化能
力及抗球化衰退性能试验
1、试验材料：
① 球化剂：DY-4 牌号钇基重稀土镁复合球化 剂，其化学成分为：
REO(Y) 3.2%、Mg 7%、Si 44%、Ca 2.0%、Ba 1-3%、 微量 Bi，Fe 余量。
② 生铁：安阳生铁，化学成分为： C 4.06%、Si 1.32%、Mn 0.33%、P 0.07%、S 0.04%。 ③ 孕育剂：青海山川硅铁，牌号为 FeSi75AL1.5-A。
2
① 100kg 中频感应电炉 ② JGMT 系列升降式程序控制电阻炉。 ⑶ 球化处理工艺： ① 球化剂加入量：1.5%；孕育剂加入量： 1.0-1.2% ② 球化处理温度：1450-1500℃ ③ 球化处理采用堤坝式冲入法，孕育剂加到球化 剂上。球化处理后取 20kg 铁液放入保温炉内保温。 ④ 铁液保温温度：1250-1300℃；铁液保温时 间为：0min、30min、60min、90min、120min、150min、 180min，每段保温点取样浇注Φ20mm 的金相试棒， 用金相显微镜和电子显微镜分析金相试棒的石墨 形态和基体组织。选择 DY-4-A 炉次球化后铁液和 保温 150 分钟铁液浇注 Y 型单铸试块以测试力学性 能的变化情况。 ⑤ 铁液处理量：50-60kg/炉。
3、试验结果与分析：
从表 2 及图 1 可以看出，钇基重稀土镁复合球
化剂的净化铁液的能力、球化能力及抗球化衰退性 能较强，从球化开始到铁液保温 180min，球化等级 仍能保持 2-3 级，大小 6 级，从 DY-4-A 炉次石墨 球变化情况，可以反映出重稀土（Y）的抗球化衰 退性能与抗石墨畸变能力是相辅相成、共同作用。 在铁液凝固前其石墨形态在不断变化转变之中，已 变态的石墨球在 Y 的作用下仍可能变得圆整，球化
二、钇基重稀土镁复合球化剂的成分
化衰退；第四、大批量流水线生产中小铸件，电炉 保温、浇注时间长、球化衰退快，无法得到质量稳
组成
定、性能组织均一的球墨铸铁。
根据国际纯粹与应用化学联合会对稀土元素
的定义，稀土类元素是门捷列夫元素周期表第三副
收稿日期：2004-04-04
族中原子序数从 57 至 71 的 15 个镧系元素。即镧
降低保证石墨球化所必须的最低残余镁量，增加铁 液保持球化效果的时间(抗球化衰退能力)。加钡是 为了发挥稀土、镁、钙、钡元素的协调作用，降低 稀土和镁的含量，使球化效果更好，钡作为石墨化 元素与镁一起可降低镁在高温下的蒸气压，提高镁 的吸收率，增加单位体积球墨铸铁的石墨球数，强 化孕育(二次石墨化变质处理)的效果，以及抑制碳 化物的形成。 加钙主要是它与镁、钡同属ⅡA族元 素，有强烈的促进石墨化作用，同时，Ca与Mg可 形Mg2Ca金属间化合物使镁分解延缓，控制球化剂 在铁液中的吸收与反应速度。这种系列的球化剂都 具有以下特征：抗球化衰退能力及抗石墨畸变能力 强，氧化镁含量低，密度合理、反应平稳、成分均 匀，并且每一种牌号的合金中镁、稀土、钙、硅、 钡和其它元素的最佳含量范围都很窄。球化剂供货 时都考虑到了用户的具体条件，即考虑到铁液包的 特点，铁液的温度和成分、生产的规模和特点，以 及对铸件使用性能的要求等。这就避免了把球化剂 放到加入球化剂的机构或铁液包底工序上的困难， 最大限度地保证了球化处理过程的简化和稳定。因 此，这种系列的钇基重稀土镁复合球化剂是一种针 对我国国情、解决我国关键球铁件生产普遍存在球 化衰退问题的优质高效球化剂。
根据现代球墨铸铁的要求和现代球化剂的发 展方向，以及前人的研究成果，结合我省的资源优 势，选择钇基重稀土、镁、钡、钙、硅等元素作为 钇基重稀土复合球化剂主要成分，通过大量的研 究、应用实践，我们最终成功地开发出了钇基重稀 土镁复合球化剂并形成了系列化，并大规模地应用 于生产实践，这种系列的钇基重稀土镁复合球化剂 中，镁的配比仍保证它是主要球化元素，而重稀土 元素则起辅助球化作用，它主要起深度脱氧、脱硫 作用，保证抵消反球化杂质元素的不良作用，有利 于铸铁的结晶，促进铸铁中形成大量细小石墨球的 细晶粒组织，从而增加单位体积球墨铸铁中的石墨 球数，减少球墨铸铁形成缩孔和夹渣缺陷的隐患，
的再分配，还会出现成分偏析，晶间碳化物增多， 中所出现的球化衰退、石墨畸变等技术难题。本文
造成球铁性能的低下；第二、我国的熔炼设备仍以 是这种钇基重稀土镁复合球化剂试验研究及应用
冲天炉为主，铁液温度不稳定，杂质含量高，球化 实践的一些结果，并作一些概述。
衰退快；第三、国内生产球铁的原料来源杂，球化 干扰元素含量高，质量控制不稳定，同样易导致球
部或热节处的凝固时间短则几十分钟，长的达数十 我们利用江西富产的钇基重稀土资源，并结合前人
小时，使铸件中尤其厚壁中心或热节处出现石墨畸 的研究结果，以及现代球化剂的发展方向，开发生
变，形成各种非球状石墨，造成球化衰退，形成组 产了一种钇基重稀土镁复合球化剂。通过多年的研
织性能“三明治”现象。同时由于凝固时溶质元素 究和应用实践表明，它完全能够解决我国球铁生产
我们通常所说的轻稀土镁球化剂中的稀土成 分，是以轻稀土为主含铈 50％左右的混和稀土金 属，而钇基重稀土镁复合球化剂中的稀土组份，是 以重稀土为主含钇 50％左右的混和稀土金属。
前苏联、英国、德国等发达国家，曾研究过纯 钇及钇硅合金处理球墨铸铁，并指出钇是目前所有 元素中抗球化衰退、细化晶粒最好的元素，但由于 原料来源稀缺，价格昂贵，最终没有应用于生产实 践。我国 70 年代到 80 年代，由于江西省南部极其 丰富的离子吸附型钇基重稀土资源的发现，利用其 丰富的钇基重稀土资源，相继开发成功了重稀土硅 合金。因此，我国一些科研院所、大专院校及工厂 对用钇基重稀土硅合金生产球墨铸铁进行了研究， 并取得了一些成果，也证实了钇基重稀土具有较强 的抗球化衰退、抗石墨畸变、脱氧、脱硫能力强、 细化基体组织的特点，但限于当时的条件，再加上 钇基重稀土硅合金中稀土含量高，冶炼工艺水平落 后，用于生产球铁件还存在很多问题，也没有产生 能够保证供应系列商品钇基重稀土球化剂的工厂， 再加上价格昂贵，最终没有应用于生产实践。
随着国内球铁生产工艺水平的发展，球铁应用 从不同的方面对厚大断面球铁进行了研究并取得
日益广泛，产量逐年递增。特别是近年来，中国加 了进展，为解决大断面球铁的球化衰退问题，主要
入 WTO，中国与国际市场接轨，高性能、高质量 还是从原材料的选择，严格控制铁液的化学成分，
大型球铁件需求量剧增。而应用客户对球铁质量要 球化处理前予脱硫，净化铁液，提高球化剂加入量，
以及以下几个方面的原因，要得到符合用户要求的 解决这些问题，根据我国铸造企业的实际情况，以
组织均一、高性能、高质量球墨铸铁，则相当困难。 及我国球铁生产原料以及现有熔炼手段的现状，最
第一、大型球铁件不仅重量大，而且壁厚也都在 有效的手段就是研究出优质高效、抗球化衰退能力
200mm 以上，铸造时的热容量大，冷却缓慢，其心 强、适用范围广的球化剂并应用于球铁生产实践。
2、试验方法：
⑴ 试验对象： ① 球铁牌号：QT450-10 ② 基体组织：铁素体+珠光体 ③ 球铁成分：C 3.8%、Si 2.6%、Mn≤0.3%、 P≤0.07%、S≤0.02%、Mg 残 0.03-0.06%、RE 残 0.02-0.04%。 ④ 实验炉次：同一种球化剂分别进行二炉次 试验，编号分别为 DY-4-A、DY-4-B。 ⑵ 试验设备：