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

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。 / F' B C) G( Y7 e+ H1 `

表1　试验用的壳型
Table 1　The shell mould adopted in the test

, M) {0 S* a) N( M: x. z

2 s0 h2 O/ W/ x8 E j4 V9 b3 [( d Y0 ^* f( x+ `- z0 R& e$ @" g, |0 }. y" r L; J$ f T6 ^+ A! R, z5 l; @% s5 ~' y2 j6 T4 i" T+ l! Q( N- t8 ~4 P; j+ B; B+ k" R9 j, S' {6 X5 ?9 d2 S L3 y* ]3 ~8 u8 _& ^' z1 t4 w

壳型类别	浆 料	涂料挂砂
A	硅溶胶＋刚玉粉＋高岭土(矿化剂)	刚玉砂
B	硅溶胶＋刚玉粉	刚玉砂
C	硅溶胶＋电熔氧化钇粉	氧化钇砂

　　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

. |2 p+ Y5 F6 C& `

% W/ r4 p- J% M4 T4 {% i. F- i# p/ H) y' j- ]) b" @) q. k: M# S |4 b% j9 q8 @/ n8 y, E' [( m, c2 e# i" M1 G- {$ r# g- s. G5 U8 u: X; o; p& m+ L3 w8 w1 d* X! A% i9 [0 h$ Y5 j8 @5 D9 x, K \+ J M6 M$ M' O/ K% d& m. u) |! {1 V+ _; I! H& ]# _& X/ ]$ [1 B) v: D+ M/ _1 z. ~% C# Z$ Y: @! U5 V: k9 K) p! m) ?

壳型	Al	Si	Y
A	0.35	＜0.10	-
B	0.15	＜0.10	-
C	-	＜0.10	0.0084

4 u; `0 U7 y% I/ J7 O

　　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：

% {+ C, K. e( @' X

2Nd＋Al₂O₃Nd₂O₃＋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

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　　 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。【MechNet】