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铸钢件-熔模铸造壳型材料的化学稳定性研究
时间:2011-11-09 14:34 作者:admin 点击:

       研究了三种不同的壳型材料与合金中的强活性金属Nd的化学反应情况。结果表明,壳型中的矿化剂最容易与活性金属Nd反应,氧化钇作为壳型材料具有很好的化学稳定性。

  在熔模铸造过程中,壳型作为一个“容器”充满了熔融金属,尤其在定向和单晶工艺中,合金保持液态的时间长达60min,壳型材料各组份很容易与合金液发生化学反应,为了较好地体现壳型材料与合金发生反应的情况,本试验选用含强活性金属元素Nd较多的某合金作为研究对象,研究了各种壳型材料与这种熔融合金的反应情况,为选用合适的壳型材料提供依据。
  试验方法

  试验用合金的主要成分为:Nd 24%~28%, B 0.7%~1.2%, Al<0.05%, Si<0.1% ,Fe 余量。

   试验采用三种制成坩埚状的壳型,壳型材料和分组情况见表1。

  表1 试验用的壳型

  把10kg合金放入这三种壳型内熔炼,在ZG-0.025型真空感应炉内升温至1550℃保温20min,炉内压力20Pa,自然冷却,取样后用能谱仪分析合金中Al,Si和Y等各元素的含量。

 试验结果及讨论

  用三种壳型熔炼合金部分元素的分析结果见表2。

  表2 合金与三种壳型反应后的分析结果(wt%)

  从表2可以看出,与原合金成分相比,用三种壳型熔炼后的合金成分有所变化,说明在高温下三种壳型都与熔融合金发生过一定的化学反应,其中壳型A的反应最为严重,致使合金中Al含量提高了约7倍。壳型A的组分中最重要的特点是含有经过锻烧的高岭土作为矿化剂。高岭土的主要成分是SiO2与Al2O3,从微观结构看,具有层状结构,一层硅氧四面体和一层铝氧八面体互相重叠,层间以氧键连接且距离较大,高温下与合金液接触时,合金中的活性金属元素Nd大量进入层间结构,与其中的Al2O3发生置换反应,置换出的Al进入合金中,反应式如下:

  2Nd+Al2O3 Nd2O3+2Al

 从分析结果看,壳型B也有一定程度的反应,该壳型与壳型A不同处是不含矿化剂,只含电熔刚玉,电熔刚玉的主要成分是Al2O3,熔化后再结晶的Al2O3以铅氧八面体的铺展形成晶体,键结构稳定,要破坏这种结构需要很高的能量,当电熔刚玉与合金接触时,Nd原子不容易深入Al2O3的晶格中把Al置换出来,但仍有部分处于晶体边缘的Al参加了反应,只是量很少,对比结果A和B,少量的矿化剂(约4wt%)被置换出来的Al与电熔刚玉(约95wt%)中被置换出的Al几乎相等。这说明,当壳型材料与合金发生化学反应时,矿化剂的活性比电熔刚玉的活性大得多
  从分析结果看,采用壳型C熔炼的熔炼合金中钇的含量仅为 0.0084%,这说明与合金反应的Y2O3的量很少,其反应式为:2Nd+Y2O3→Nd2O3+Y2。由于Y2O3是结构坚强的离子键化合物,键结构非常稳定,从原子结构看,Nd与Y的原子半径和三价离子半径相差不多,因此化学性质极为相近,所以Nd不容易置换Y。仅有少部分Y2O3参加了化学反应,这也说明氧化钇壳型具有很好的化学稳定性。

  对于矿化剂中的SiO2和粘结剂SiO2,则有如下反应:SiO2+ Nd2O3Nd2O3。SiO2,Nd2O3由原材料带入或在熔炼过程中产生,Nd2O3。SiO2熔入合金液中,由于生产条件的控制,Nd2O3的带入量是有限的,从反应结果看三种情况的Si含量变化不大。
  结论

 在本试验条件下,三种壳型中,含有高岭土的壳型与熔融合金中的活性金属元素发生严重化学反应,而氧化钇壳型的化学稳定性最好。

 

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