熔模铸造壳型材料对熔融合金活性元素的化学稳定性研究

HEATS 发表于 2010-9-12 19:25:49

熔模铸造壳型材料对熔融合金活性元素的化学稳定性研究

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。 1　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 Table 1　The shell mould adopted in the test

<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 border=1>
<TBODY>
<TR>
<TD align=middle>壳型类别</TD>
<TD align=middle>浆料</TD>
<TD align=middle>涂料挂砂</TD></TR>
<TR>
<TD align=middle>A</TD>
<TD align=middle>硅溶胶＋刚玉粉＋高岭土(矿化剂)</TD>
<TD align=middle>刚玉砂</TD></TR>
<TR>
<TD align=middle>B</TD>
<TD align=middle>硅溶胶＋刚玉粉</TD>
<TD align=middle>刚玉砂</TD></TR>
<TR>
<TD>　　C</TD>
<TD>硅溶胶＋电熔氧化钇粉</TD>
<TD>氧化钇砂</TD></TR></TBODY></TABLE>
　　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。 2　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％) Table 2　The analytical result of reaction between three shell materials and alloy

<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 border=1>
<TBODY>
<TR>
<TD align=middle>壳型</TD>
<TD align=middle>Al</TD>
<TD align=middle>Si</TD>
<TD align=middle>Y</TD></TR>
<TR>
<TD align=middle>A</TD>
<TD align=middle>0.35</TD>
<TD align=middle>＜0.10</TD>
<TD align=middle>-</TD></TR>
<TR>
<TD align=middle>B</TD>
<TD align=middle>0.15</TD>
<TD align=middle>＜0.10</TD>
<TD align=middle>-</TD></TR>
<TR>
<TD align=middle>C</TD>
<TD align=middle>-</TD>
<TD align=middle>＜0.10</TD>
<TD align=middle>0.0084</TD></TR></TBODY></TABLE>
　　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<IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_ggvpf82008825151254.jpg">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。
3　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。<A href="http://www.mechnet.com.cn" >【MechNet】</a>

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