【热坛学习】Y和Sb对厚大断面球墨铸铁石墨形态的影响
厚大断面球墨铸铁是一种高性能铸铁，其力学性能优良，成形性能好，且成本较低，在国内外被广泛用来制造大型重要零件，特别是用来替代大型铸钢件，具有明显的优势。厚大断面球铁铸件由于冷却速度缓慢，凝固时间长，则铸件中常出现石墨球数减少，石墨球径粗大，球化衰退，石墨畸变，石墨漂浮，元素偏析及晶间碳化物等一系列缺陷，其中，石墨畸变是厚大断面球铁中最常见的一种缺陷。
关于石墨畸变而出现的碎块状石墨的形成原因有两种说法。一种是球状石墨破碎引起的;另一种是由于热流、某些合金元素等因素破坏了奥氏体外壳的稳定性，致使奥氏体破碎而改变了石墨的生长方式而形成。由此可见，碎块状石墨的出现，通常都是在厚大断面铸件凝固速度缓慢的条件下产生的。
抑制石墨畸变的措施主要有铁水脱硫、增加冷却速度、控制含硅量等。在厚大断面球铁中加入少量Sn、Sb或Bi等可以有效防止石墨畸变，并增加石墨球数，提高力学性能。有人在大断面球铁中添加0.03%Sn+0.05%Sb, 提高了石墨的圆整度，抑制了石墨球畸变。据报道，当铁水中添加20~100ppm的Sb时，8英寸立方体硅量即使达2.5%也不会出现碎块状石墨，而铁素体含量达 90~95%，心部伸长率可达20%以上。但是，关于Sb对重稀土钇基球化剂处理球铁的石墨形态的影响尚不明确。
本文采用具有良好抗衰退性的重稀土钇基球化剂处理铁水，浇注400mm×400mm×450mm 球铁试块。研究球化处理时添加微量Sb对大断面球铁石墨形态的影响，并分析石墨畸变形成的原因，为厚大断面球铁生产的石墨形态控制提供试验依据。
试验选用优质低锰Q10生铁，球化剂选用钇基重稀土球化剂。采用SiBa孕育剂包内孕育和75SiFe浮硅孕育。其主要成分如下：
Q10生铁：C3.86，Si1.23，Mn0.11，S0.02，P0.05
球化剂：Y3.43，Mg6，Ca3.27，Ba1.56，Si42.37
硅钡孕育剂：Si59.04，Ca3.97,Ba7.98，Al0.85
75硅铁：Si75
铁水熔炼设备采用2t中频感应电炉，冲入法球化处理，金属Sb和SiBa孕育剂覆盖在球化剂上，采用75SiFe进行浮硅二次孕育。处理后铁水浇注尺寸为 400mm×400mm×450mm的厚大断面球铁模拟试块。铸型为自硬树脂砂型。从模拟试块的中间部位截取400mm×400mm×20mm的方板，然后按标注位置截取试样，由外到内分别用A、B、C表示。采用DMM-440C型光学金相显微镜观察石墨组织，利用FEI-Quanta-200型电子扫描显微镜（SEM）观察球铁试样的显微组织特征、破碎状石墨表面形貌，并用EDX能谱仪进行微区成分分析。
试样化学成分如下：
采用钇基球化剂处理的1#试样石墨数量少，石墨直径较大，形态较差；试样心部出现了较多的破碎石墨。这是因为，与轻稀土球化剂相比，重稀土球化剂具有较强的抗衰退能力，但是在抗石墨畸变的能力方面并不优于轻稀土球化剂，所以，1#试样中出现了较多的破碎石墨。
采用钇基球化剂加Sb处理的2#试样，石墨数量多，直径较小，圆整度好，试块心部的球状石墨形态好，直径较小。由此可见，在钇基球化剂处理时添加 Sb，可显著提高石墨的圆整度，防止石墨球畸变。并能有效地增加大断面球铁的石墨球数。Sb在铸铁中是一种低熔点的表面活性物质（熔点630℃），Sb与石墨的润湿性很差，而与铁有很好的润湿性。Sb适量加入时，有强烈的表面吸附作用，富集在石墨界面处，既可防止石墨球的崩裂破碎，又可细化石墨。
本实验中采用了SiBa孕育剂，Ba具有强烈的孕育作用，其形核能力强，在铁水中能大量增加石墨结晶核心并具有抗衰退性能，但单独加Ba的作用是有限度的，加入过量的Ba，由于同时析出大量核心，也会使孕育衰退加快，当 Ba与Sb复合加入时，Ba促使大量石墨形成核心，而Sb则吸附结晶界面上，可抑制石墨的长大。因此，在钇基球化剂处理时加Sb，并采用SiBa孕育，可获得良好的球化效果和抗球化衰退能力。
图为2#试样石墨的 SEM 照片。由图可知，石墨呈典型放射状生长特征。在石墨中心有一白亮物质，对其进行 EDX 分析可知，白亮物质主要是氧化钇，可以推断石墨以Y2O3为核心形核和生长。因为Y2O3熔点高，具有六方晶系结构，可作为作为石墨析出的核心。另一方面，由于Y2O3的熔点高达 2410℃，高于轻稀土氧化物（氧化镧：2217℃、氧化铈：2397℃），在铁水中的残存时间长，可起到有效核心作用，因此，钇基球化剂较轻稀土球化剂具有更强的抗衰退能力。
2#试样心部的破碎石墨呈不规则形状，放大观察时，石墨中空， 而四周则沿特定的方向向外生长。这可能是由于石墨晶体眼[0001]方向生长速度过快， 不能形成实心球体所造成的。
对变异石墨进行EDX分析，夹杂物除了含有 C、O、Fe 等基本元 素以外，还含有 Mg、La、Ce 等球化元素以及过高的残留 P，过量的 P 易形成磷共晶。La、Ce 等稀土元素的存在说明有大量稀土元素偏析奥氏体晶界上，使得包围石墨的奥氏体长时间不能封闭，碳原子向石墨球扩散，沿未封闭路线长大出来，导致石墨畸变， 形成破碎状石墨。
由于 Ti 的反球化作用，使石墨产生变异。
MgO富集在晶界，破坏了奥氏体壳的稳定性，由于奥氏体壳的破碎，使石墨产生变异。
从上面的分析可以得出，铁水中Ti的偏析和球化元素Mg或稀土等球化元素的氧化是造成石墨变异的主要原因。
本文通过浇注400mm×400mm×450mm的厚大断面球铁试块，研究了Sb对钇基球化剂处理球铁石墨形态的影响，分析石墨结晶的核心，探讨了破碎石墨的形成原因，获得了如下结论：
① 使用钇基球化剂处理铁水时添加微量Sb，可增加石墨球数，细化石墨球，提高石墨球的圆整度。Sb还可改善含Ba孕育剂的孕育效果，提高孕育剂的抗衰退性。
② Y 在铁水中形成的高熔点六方晶系的Y2O3可作为石墨结晶的核心。
③ 在厚大断面球铁中，Ti 的偏析和球化元素Mg或稀土等的氧化夹杂，破坏了奥氏体壳的稳定性，是造成石墨畸变的主要原因。