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          熔模鑄造殼型材料的化學穩定性研究
          發布者:admin  點擊:3642
               研究了三種不同的殼型材料與合金中的強活性金屬Nd的化學反應情況。結果表明,殼型中的礦化劑容易與活性金屬Nd反應,氧化釔作為殼型材料具有很好的化學穩定性。

            在熔模鑄造過程中,殼型作為一個“容器”充滿了熔融金屬,尤其在定向和單晶工藝中,合金保持液態的時間長達60min,殼型材料各組份很容易與合金液發生化學反應,為了較好地體現殼型材料與合金發生反應的情況,本試驗選用含強活性金屬元素Nd較多的某合金作為研究對象,研究了各種殼型材料與這種熔融合金的反應情況,為選用合適的殼型材料提供依據。

            試驗方法

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

            試驗采用三種制成坩堝狀的殼型,殼型材料和分組情況見表1。

            表1 試驗用的殼型

            把10kg合金放入這三種殼型內熔煉,在ZG-0.025型真空感應爐內升溫至1550℃保溫20min,爐內壓力20Pa,自然冷卻,取樣后用能譜儀分析合金中Al,Si和Y等各元素的含量。

            試驗結果及討論

            用三種殼型熔煉合金部分元素的分析結果見表2。

            表2 合金與三種殼型反應后的分析結果(wt%)

            從表2可以看出,與原合金成分相比,用三種殼型熔煉后的合金成分有所變化,說明在高溫下三種殼型都與熔融合金發生過一定的化學反應,其中殼型A的反應為嚴重,致使合金中Al含量提高了約7倍。殼型A的組分中重要的特點是含有經過鍛燒的高嶺土作為礦化劑。高嶺土的主要成分是SiO2與Al2O3,從微觀結構看,具有層狀結構,一層硅氧四面體和一層鋁氧八面體互相重疊,層間以氧鍵連接且距離較大,高溫下與合金液接觸時,合金中的活性金屬元素Nd大量進入層間結構,與其中的Al2O3發生置換反應,置換出的Al進入合金中,反應式如下:

            2Nd+Al2O3 Nd2O3+2Al

            從分析結果看,殼型B也有一定程度的反應,該殼型與殼型A不同處是不含礦化劑,只含電熔剛玉,電熔剛玉的主要成分是Al2O3,熔化后再結晶的Al2O3以鉛氧八面體的鋪展形成晶體,鍵結構穩定,要破壞這種結構需要很高的能量,當電熔剛玉與合金接觸時,Nd原子不容易深入Al2O3的晶格中把Al置換出來,但仍有部分處于晶體邊緣的Al參加了反應,只是量很少,對比結果A和B,少量的礦化劑(約4wt%)被置換出來的Al與電熔剛玉(約95wt%)中被置換出的Al幾乎相等。這說明,當殼型材料與合金發生化學反應時,礦化劑的活性比電熔剛玉的活性大得多。

            從分析結果看,采用殼型C熔煉的熔煉合金中釔的含量僅為 0.0084%,這說明與合金反應的Y2O3的量很少,其反應式為:2Nd+Y2O3→Nd2O3+Y2。由于Y2O3是結構堅強的離子鍵化合物,鍵結構非常穩定,從原子結構看,Nd與Y的原子半徑和三價離子半徑相差不多,因此化學性質極為相近,所以Nd不容易置換Y。僅有少部分Y2O3參加了化學反應,這也說明氧化釔殼型具有很好的化學穩定性。

            對于礦化劑中的SiO2和粘結劑SiO2,則有如下反應:SiO2+ Nd2O3Nd2O3。SiO2,Nd2O3由原材料帶入或在熔煉過程中產生,Nd2O3。SiO2熔入合金液中,由于生產條件的控制,Nd2O3的帶入量是有限的,從反應結果看三種情況的Si含量變化不大。

            結論
            在本試驗條件下,三種殼型中,含有高嶺土的殼型與熔融合金中的活性金屬元素發生嚴重化學反應,而氧化釔殼型的化學穩定性好。

           
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