球墨铸铁用孕育剂及其制备方法和应用与流程

本技术涉及铸铁领域，尤其是涉及一种球墨铸铁用孕育剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、球墨铸铁是通过向铁液中加入球化剂使石墨呈球状析出的铸铁材料，因其兼具良好的强度、韧性及耐磨性，被广泛应用于汽车零部件、工程机械、风电装备及市政管道等领域。在球墨铸铁的生产过程中，孕育处理是继球化处理之后的关键工序，其主要目的在于增加铁液中石墨的形核核心数量，促进石墨均匀形核与生长，从而获得球数多、分布均匀、圆整度高的理想石墨形态，同时抑制薄壁部位的白口倾向及厚大截面部位的碎块状石墨。

2、孕育剂通常以硅铁合金为基体，通过复合添加钙（ca）、钡（ba）、锶（sr）、铈（ce）等活性元素以增强形核效果。近年来的研究表明，微量铋（bi）元素对球墨铸铁孕育具有促进作用：一方面，bi能够提高铁液凝固过程中石墨的形核核心密度，有效增加石墨球数量并改善石墨球圆整度；另一方面，bi能够抑制厚大截面中碎块状石墨的形成，同时减轻薄壁部位的白口倾向。因此，开发含bi的硅铁基复合孕育剂已成为本领域的研究热点。

3、然而，目前工业上实现孕育剂含bi的方案主要有以下两种，均存在明显不足。第一种方案为铋化合物物理混合法，即将bi2s3、bif3等铋化合物粉末与硅铁基孕育剂颗粒进行物理掺混。由于铋化合物粉末的粒径通常小于100μm，而硅铁基孕育剂颗粒的粒径通常为0.2~5mm，二者在粒度和密度上均存在显著差异。在实际储存、运输及使用过程中，细粒级铋化合物粉末易从孕育剂颗粒间隙中迁移、流失或偏聚，导致不同批次乃至同一批次不同取样位置的孕育剂中bi含量波动较大，孕育效果的均匀性和重现性难以保证。

4、第二种方案为铋直接合金化法，即在硅铁合金熔炼过程中直接加入金属bi，制备含bi的硅铁复合合金。然而，在合金熔体从熔炼结束至浇注凝固的过程中，高密度的富bi相液滴在重力作用下迅速沉降，导致铸锭中bi元素严重偏聚于底部区域，导致各颗粒之间的bi含量差异极大，同样无法满足均匀孕育的使用要求。

5、综上，如何在硅铁基孕育剂中均匀、稳定地引入铋元素是本领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、本技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本技术提出一种球墨铸铁用孕育剂及其制备方法和应用。

2、第一方面，本技术提供的一种球墨铸铁用孕育剂的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、按照孕育剂的化学组成提供相对应的原料，其中，按重量百分比计，所述孕育剂的化学组成为：si 75~80%，ce 0.5~2.5%，bi 0.05~0.30%，ba 0.8~2.5%，al 1.0~1.8%，ca0.3~0.8%，sr 0.1~0.3%，余量为fe及不可避免的杂质；所述原料包括硅铁合金、硅钡合金、含ce合金、ba-si-bi三元中间合金、含al合金、含ca合金及含sr合金；

4、s2、在保护气氛下，将硅铁合金熔炼得到硅铁基体液，向硅铁基体液中加入硅钡合金，搅拌，加入含ce合金，搅拌，加入所述ba-si-bi三元中间合金、含al合金、含ca合金及含sr合金，搅拌，得到合金液；

5、s3、在保护气氛下，将所述步骤s2所得合金液温度调节至1400~1450℃，将合金液通过导流嘴形成连续合金液流，导入旋转粒化盘中心，在离心力作用下被甩出形成球形液滴，所形成的球形液滴落至流动冷水槽中水淬凝固，取出、干燥，得到孕育剂。

6、通过采用上述技术方案，本技术从加料设计和成形工艺两个层面解决bi的均匀分布问题：

7、其一，以ba-si-bi三元中间合金作为bi元素的载体引入硅铁基孕育剂体系，而非直接加入金属bi。ba-si-bi三元中间合金将高密度的bi预先固溶或弥散分布于ba-si基体中，缩小了其与硅铁基体液之间的密度差，从合金液阶段即抑制了bi因重力沉降所导致的宏观偏聚。同时，本技术中ba的来源分为两部分：步骤s2先行加入的硅钡合金在基体液中率先建立了一定浓度的ba溶质场，使基体液的化学环境与后续加入的ba-si-bi三元中间合金中的ba-si基体相近，当ba-si-bi三元中间合金加入后，其外层ba-si基体与已含ba的硅铁基体液之间具有化学亲和性，促使三元中间合金快速熔化并释放bi，所释放的bi随即被含ba基体液均匀承接和分散，而非以高密度液滴形式孤立存在而迅速沉降。

8、其二，在加料顺序上，步骤s2将ba-si-bi三元中间合金安排在含ce合金之后加入。ce为高活性稀土元素，先行加入并搅拌熔化后，ce在基体液中以弥散分布的含ce微区形式存在；当随后加入ba-si-bi三元中间合金并释放bi时，bi与已均匀分散的ce之间存在化学亲和作用，倾向于在微观尺度上与ce形成邻近分布，ce的弥散微区对bi起到化学钉扎和分散稳定效果，进一步抑制bi原子的长程迁移和局部聚集。这种ce先布场、bi后填充的加料策略，不仅从动力学上缩短了bi的自由扩散路径，还使最终孕育剂中ce与bi在微观尺度上保持邻近协同分布。

9、其三，步骤s3采用旋转粒化结合水淬快速凝固的方式成形，合金液在极短时间内完成从液态到固态的转变，从凝固动力学层面锁定了上述两项措施在合金液阶段所建立的bi均匀分布状态，避免了缓慢凝固过程中bi因扩散和偏析再次富集。

10、综上，本技术通过“ba预溶→ce布场→bi载体化引入→快速凝固锁定”的协同控制，使所制备孕育剂颗粒间bi含量均匀性提高，实现了含bi孕育剂的稳定生产。

11、可选地，所述步骤s1中，ba-si-bi三元中间合金由硅钡合金与金属bi按质量比（45~70）：（30~55）配料并熔炼制得。

12、通过采用上述技术方案，通过控制硅钡合金与金属bi的质量配比，所制得的三元中间合金中bi可均匀分布于ba-si基体中。且该配比所制得的三元中间合金加入硅铁基体液后，能够以适宜的速率熔化并均匀释放bi。

13、可选地，所述步骤s1中，ba-si-bi三元中间合金由硅钡合金与金属bi按质量比（58~62）：（38~42）配料并熔炼制得。

14、通过采用上述技术方案，通过进一步控制硅钡合金与金属bi的质量配比，所制得的三元中间合金加入硅铁基体液后，能够以较适宜的速率熔化并均匀释放bi。

15、可选地，所述步骤s1中，ba-si-bi三元中间合金的制备方法，包括以下步骤：

16、在保护气氛下，将硅钡合金于1400~1550℃熔炼得到熔体，将熔体温度降至1200~1380℃，向熔体中加入金属bi，搅拌，得到熔体液，将熔体液浇注入模具中凝固，冷却至室温后脱模，破碎、筛分，得到ba-si-bi三元中间合金。

17、通过采用上述技术方案，首先将硅钡合金在保护气氛下于1400~1550℃熔炼得到均匀熔体，为后续bi的均匀溶入提供均一的液态ba-si基体环境。随后将熔体温度降至1200~1380℃，再加入金属bi，bi加入后快速溶入ba-si熔体，搅拌操作进一步促使液态bi在ba-si熔体中均匀分散，形成组成均匀的熔体液。随后将熔体液浇注入模具中凝固，冷却至室温后脱模、破碎、筛分，得到粒度可控、组成均匀的ba-si-bi三元中间合金，为后续步骤s2中bi的稳定引入提供了组成稳定、密度适中的载体原料。

18、可选地，所述步骤s1中，按重量百分比计，所述孕育剂的化学组成为：si 78%，ce1.5%，bi 0.15%，ba 1.5%，al 1.5%，ca 0.5%，sr 0.2%，余量为fe及不可避免的杂质。

19、可选地，所述步骤s2中，ba-si-bi三元中间合金分2~4批次加入，各批次的加料量为ba-si-bi三元中间合金总重量的30~50%，且上一批次加料完成后，搅拌1~5min，再加入下一批次。

20、通过采用上述技术方案，将ba-si-bi三元中间合金分批次加入并在每批次之间进行搅拌均化，可避免一次性大量加入时局部bi浓度过高而形成富bi偏聚区。

21、可选地，所述步骤s2中，ba-si-bi三元中间合金分三批次加入，且第一批次ba-si-bi三元中间合金、第二批次ba-si-bi三元中间合金和第三批次ba-si-bi三元中间合金的重量比为4：3：3；

22、其中，第一批次ba-si-bi三元中间合金、第二批次ba-si-bi三元中间合金和第三批次ba-si-bi三元中间合金依次加入，且上一批次加料完成后，搅拌2~3min，再加入下一批次。

23、通过采用上述技术方案，首批加入量占比较大（40%），可在基体液中快速建立bi的基础浓度场；后续两批各30%的加入量则起到补充和均化作用，配合每批次间的搅拌，使bi浓度梯度逐步消除，最终获得组成均匀的合金液。

24、可选地，所述步骤s3中，导流嘴出口端与旋转粒化盘表面之间的距离为5~15mm，导流嘴内径为4~8mm，旋转粒化盘的盘径为200~300mm，转速为1000~2500rpm，冷水槽水温≤30℃，水流流速为0.5~2.0m/s。

25、通过采用上述技术方案，通过控制旋转粒化以及水淬快速凝固的参数，以获得粒径可控且颗粒内部bi元素的均匀固溶或弥散分布的孕育剂。

26、第二方面，本技术提供了一种采用如上述任一项所述的制备方法制得的孕育剂。

27、通过采用上述技术方案，该孕育剂中bi元素在各颗粒间均匀分布，该孕育剂在球墨铸铁孕育处理时，能够为铁液提供数量稳定且分布均匀的形核核心，使铸件各部位的石墨球数量和形态一致性更好。

28、第三方面，本技术提供了一种如上所述的孕育剂在球墨铸铁中的应用，所述孕育剂的添加量为铁液质量的0.1~0.8%，孕育处理的温度为1350~1450℃。

29、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

30、1. 通过将金属bi以ba-si-bi三元中间合金的形式引入硅铁基体液，利用硅钡基体对bi的包裹和稀释作用，缩小了bi载体与基体液之间的密度差，从源头抑制了bi因重力沉降导致的偏聚问题，实现了bi在硅铁合金中的均匀分布。且通过控制三元中间合金中硅钡合金与金属bi的质量配比，使三元中间合金加入硅铁基体液后以适宜的速率熔化并均匀释放bi，从而保证了bi分布的均匀性及批次间的稳定性。

31、2. 将ba-si-bi三元中间合金安排在含ce合金之后加入。ce为高活性稀土元素，ce在基体液中以弥散分布的含ce微区形式存在。当随后加入ba-si-bi三元中间合金并释放bi时，bi与已均匀分散的ce之间存在化学亲和作用，倾向于在微观尺度上与ce形成邻近分布，ce的弥散微区对bi起到化学钉扎和分散稳定效果。

32、3. 采用旋转粒化结合水淬快速凝固的方式成形，合金液在极短时间内完成从液态到固态的转变，冷却速率远高于传统铸锭，从凝固动力学层面锁定了上述两项措施在合金液阶段所建立的bi均匀分布状态，避免了缓慢凝固过程中bi因扩散和偏析再次富集。