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(xué)反應(yīng)情況。結(jié)果表明，殼型中的礦化劑最容易與活性金屬Nd反應(yīng)，氧化釔作為殼型材料具有很好的化學(xué)穩(wěn)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(tài)的時間長達60min，殼型材料各組份很容易與合金液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，為了較好地體現(xiàn)殼型材料與合金發(fā)生反應(yīng)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(yīng)情況，為選用合適的殼型材料提供依據(jù)。
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% ，F(xiàn)e 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(nèi)熔煉，在ZG-0.025型真空感應(yīng)爐內(nèi)升溫至1550℃保溫20min，爐內(nèi)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(jié)果及討論
用三種殼型熔煉合金部分元素的分析結(jié)果見表2。
表2 合金與三種殼型反應(yīng)后的分析結(jié)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(fā)生過一定的化學(xué)反應(yīng)，其中殼型A的反應(yīng)最為嚴重，致使合金中Al含量提高了約7倍。殼型A的組分中最重要的特點是含有經(jīng)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(jié)構(gòu)看，具有層狀結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，與其中的Al2O3發(fā)生置換反應(yīng)，置換出的Al進入合金中，反應(yīng)式如下：
2Nd＋Al2O3 Nd2O3＋2Al
從分析結(jié)果看，殼型B也有一定程度的反應(yīng)，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(jié)晶的Al2O3以鉛氧八面體的鋪展形成晶體，鍵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，要破壞這種結(jié)構(gòu)需要很高的能量，當(dāng)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(yīng)，只是量很少，對比結(jié)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(dāng)殼型材料與合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，礦化劑的活性比電熔剛玉的活性大得多。
從分析結(jié)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(yīng)的Y2O3的量很少，其反應(yīng)式為：2Nd+Y2O3→Nd2O3+Y2。由于Y2O3是結(jié)構(gòu)堅強的離子鍵化合物，鍵結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，從原子結(jié)構(gòu)看，Nd與Y的原子半徑和三價離子半徑相差不多，因此化學(xué)性質(zhì)極為相近，所以Nd不容易置換Y。僅有少部分Y2O3參加了化學(xué)反應(yīng)，這也說明氧化釔殼型具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性。
對于礦化劑中的SiO2和粘結(jié)劑SiO2，則有如下反應(yīng)：SiO2+ Nd2O3Nd2O3。SiO2，Nd2O3由原材料帶入或在熔煉過程中產(chǎn)生，Nd2O3。SiO2熔入合金液中，由于生產(chǎn)條件的控制，Nd2O3的帶入量是有限的，從反應(yīng)結(jié)果看三種情況的Si含量變化不大。
結(jié)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(fā)生嚴重化學(xué)反應(yīng)，而氧化釔殼型的化學(xué)穩(wěn)定性最好。 |
