铸铁孕育事项

 

孕育是用来控制铸铁的组织和性能的一种手段， 它是通过为灰铁的石墨片和球铁的石墨球的生长增加成核点的数量来达到的。它将减小共晶凝固期间的过冷，从而使组织中形成坚硬的铁碳化合物或白口的危险减至最小，尤其是在薄壁铸件的情况下。

孕育剂是在浇铸前往铁水中加入的一种材料，它将为石墨提供合适的成核点。最有效的孕育剂是含有少量一种或几种元素（如Ca、Ba、Sr、Zr和/或Ce）的FeSi合金。

下面的金相照片和表格示出的是几个加和不加孕育剂的灰铁和球铁的组织和性能的例子。如同从金相照片中可以看出的那样，未进行孕育的铸件（左边的）含有大量硬而脆的铁碳化合物（渗碳体、Fe3C）和很差的石墨组织。进行过孕育的铸件（右边的）则是含有许多无序排列的细小石墨片的均匀组织（灰铁）和在铁素体和珠光体基体中存在大量细小石墨球的组织（球铁）。

孕育的重要优点：

（1）可以消除组织中通常被称为 “白口”的硬而脆的铁碳化物（渗碳体）的形成，促进石墨在共晶凝固过程中的生成。

（2）提高切削性能和机械性能，减少因断面尺寸改变引起的变化。

（3）增加球铁的石墨球数，从而在整个断面厚度上形成更细更均匀的组织。这样的组织将有利于改善机械性能，减小合金化元素或微量元素在铸铁中的偏析倾向以及获得较好的机加性能。

注：铸铁的某些条件，如原铁水的硫含量（灰铁），温度和总的“衰退”时间将会影响对某一专利孕育剂的选择。

孕育实践

通常都是在浇铸作业三个阶段中的一个或几个阶段里把孕育剂加入到铸铁中的：

（1）加入到出铁时的铁水包中。

（2）加入到随它进入铸型的金属流中。

（3）采用放置在浇道系统关键地方的镶块。

影响孕育方法选择的因素是：

（1）从开始出铁到浇完最后一件的时间，即通常所说的衰退时间。

（2）铁水温度。

（3）在过程的特定位置处入孕育剂的可能性。

（4）浇铸系统对后期随流孕育的适应性。

铁水包孕育

由于运送铁水包所涉及的时间长度是无法消除的，因此，为弥补会出现的衰退损失，必须加入量比较多的孕育剂。加入量从大多数灰铁的0.2%到最苛刻球铁的0.75%。孕育合金应根据铁水包尺寸加以选择，并且应是无灰尘的，从而避免因氧化和热气流引起的损失。在一般情况下，300公斤以下的铁水包可以采用0.5-3mm粒度的，大于300公斤的铁水包建议采用1-6mm粒度的。

为从孕育剂获得最高的效率，应遵循以下加入原则：

（1）不是在装入铁水前进行添加，而是将孕育剂加到进入铁水包的金属流中；

（2）随铁水包被装满到25%和75%之间时，使孕育剂细细地流入金属流中。这将保证其很好的混合和溶解；

（3）确保在装入铁水包之前铁水是无渣的。被渣包裹的孕育剂是无效的；

（4）当需要使金属在包和包之间进行多次转移时，应在浇铸前的最后一次转移过程中加入孕育剂，以便使衰退减至最小。

注意：绝不应在出铁前将孕育剂加到包底，尤其是当铁水包还是红热的时候或铁水包中还残留有少量前一次浇铸剩余的铁水时。

对球铁进行孕育时，很重要的一点就是必须在Mg反应完成后加入孕育剂。与球化剂一起加入或者正发生反应时加入，会大大减少孕育剂的有效性，并可能导致铸件碳化物含量的增加。在必须将球化剂和孕育剂加到同一个铁水包中的情况下，当已经把大约2/3的铁水浇到球化剂上时，应停止出铁。然后进行等待，直至反应结束，而后将孕育剂加入到剩余的铁水流中。

随流孕育

后期的随流孕育，是将孕育剂加到进入铸型的金属流中，这样实际上可以消除衰退。照此，同常规的铁水包处理相比，可大大减少孕育剂的加入量。在通常情况下，灰铁的用量为0.02-0.05%，球铁的用量为0.05-0.2%。在一般情况下，必须将孕育剂的粒度专门定在0.2-0.7mm以确保其在铁水中的快速溶解，以及很好通过应用机械的流动性。虽然专业应用机械在市场上就可以买到，但是，为在浇铸期间获得稳定的加入量，许多铸造厂已经设计和制造出了螺旋给料机构。

很容易将后期的随流孕育应用到固定式浇铸站或铁水包输送装置上，在移动包上使用是不容易达到的。

型内孕育

由压制或铸造的孕育剂制成的镶嵌块可作用一种保险手段，但是，将这种处理用作主要孕育作用源还很稀少。有多种不同规格和成分的镶嵌块可资利用，而且已经证明：当衰退时间较长时，或当无法进行后期的随流孕育时，用其担任次要孕育任务是很有价值的。有可能产生不能将镶嵌块加入铸型的人为错误，但也无需对铸件进行严密的事后检查，因为通常将镶嵌块用作唯一孕育剂的情况很少。

孕育机理

在过去的时间里，为了解释在铸铁凝固过程中石墨成核的机理，已经研究出了许多理论。大多数理论都是建立在这样的设想上：即，石墨是由非金属基质在冷凝过程中的多相成核结果形成的以及微量元素Ca、Ba、Sr等在成核过程中将起重要作用。

球铁

在Mg处理过的铸铁中，处理后的微小夹杂物主要含有Mg，Ca、S、Si和O。这些都是镁处理的一次反应产物。这些夹杂物由一个硫化物核心和一个具有许多小平面的硅酸盐外壳组成。硫化物核心含有MgS和CaS这两者，外壳则是镁的复合硅酸盐（例如MgSiO3、Mg2SiO4）。这些相在冷凝过程中将不起石墨潜在成核点的作用，因为存在一个大的晶核/石墨界面能阻挡层。

用含钙硅铁孕育后，在球化过程中产生的硫化物/氧化物夹杂物表面上，将会形成CaSiO3和CaAl2Si2O3类型的六角形硅酸盐相。在冷凝过程中，这些钙硅酸盐对石墨的成核将起最最好的成核点的作用，这是因为它们的六角形晶体结构同石墨的晶格（即低能界面）非常相似。下图左边示出的是球化后在球铁中生成的典型微笑夹杂，右边的则是用含Ca、Ba或者Sr的硅铁进行孕育处理后的夹杂物的组成示意图。

表面壳体含有加入孕育剂期间生成的六角形钙的硅酸盐，而大颗粒则是球化处理的产物。因此，孕育处理不会增加熔体晶核粒子总数，而是使已经存在的球化处理产物表面发生变质。

这可说明Mg处理和孕育之间的重要关系，而且，为球化处理期间球铁的有效孕育提出了基本原理。由于夹杂物表面的变质结果，球数的最终密度也会大大的不同。当用含Sr或Ba的硅铁孕育剂进行孕育时，会形成与钙的硅酸盐等效的六角形硅酸盐（即SrSiO3、SrAl2Si2O8、BaSiO3、BaAl2Si2O8）。

灰铁

灰铁的成核机理与球铁的情况有些不同，主要因为孕育处理之前不加镁入。因此，其它基质将为在孕育处理期间形成的Ca、Ba或Sr的硅酸盐起作为成核点的重要作用。从原理上讲，同一种孕育剂既可用于灰铁，也可用于球铁，而且产自原生夹杂物表面上的六角形硅酸盐相的孕育机理对所有的铸铁都是胜任的。

然而，灰铁中没有镁的原生硫化物和硅酸盐意味着是其它粒子在起主要作用。假定的是：大量存在硫化锰（MnS）会取代可在球铁中看到的含镁粒子。灰铁中Mn和S之间的关系应是如下那样：

Mn%=1.7×S%+0.3

当达到这种平衡时，便可获得形成细小MnS粒子的最佳条件。此外，按照有效孕育的原理，为有一个最大可能的MnS粒子密度数，灰铁的S含量应大大高于球铁才行。通常情况下推荐的S含量为0.05-0.15%。

一些重要的考虑

·纯硅铁一点孕育作用也没有；

·孕育处理不会增加灰铁和球铁潜在成核点的数量，但可以把现存的成核点改变成有利于的形态；

·有效孕育的重要考虑是在球铁的Mg处理期间生成大量的非金属微小粒子（硫化物和氧化物），在灰铁中生成大量的MnS粒子；

·孕育剂中除了Si之外含有的微量元素（如Ca、Ba、Sr）对孕育剂的有效性来说是至关重要的；

·基铁的氧含量在生成供石墨成核用的有效氧化物基质方面也是很重要的。

孕育衰退

铸铁孕育剂是通过使共晶凝固期间适合于石墨生长的成核点数显著增加的途径尔产生它们孕育作用的。这些作用会因灰铁中共晶晶粒数和球铁中石墨球数的显著增多而变得十分明显。这将导致过冷度的减小，从而使铸件生成铁碳化物或白口的危险减至最小，尤其是在快速冷却的薄壁铸件情况下。

孕育剂的作用是加入之后立刻就能达到最大，而且它们会随时间而衰退。衰退速度与以下因素有关：

·孕育剂成分；

·往其中加入的生铁的类型；

·温度；

·表面能；

·扩散速度。

衰退会因为加入后头几分钟内孕育作用的大量损失而变得很快。孕育衰退可用导致成核点总数减少（即晶核粒子按照Ostwala Ripenmg效应进行生长或长大）的晶核群的聚合与重新分离加以解释。这一特点与下图所示的衰退试验结果非常符合。

衰退的主要后果

（1）导致共晶凝固期间发生较大过冷，从而增大灰铁和球铁的白口倾向，尤其是在薄壁铸件的情况下；

（2）减少组织中的共晶晶粒数或石墨球数，使石墨形态变坏。严重衰退可在灰铁中形成含有共生铁素体的过冷石墨，以及使球铁大量增加非球形石墨，这两者都会对铸铁的性能产生不利影响。

有关孕育衰退的一些得到很好肯定的事实

·所有孕育剂的作用都会随时间而衰退；

·孕育处理之后没有哪个时间不发生衰退。为取得最大的效果，孕育处理之后应尽快进行浇铸，最好是将孕育剂加到铸流中；

·依附于成分和使用条件的不同，有些孕育剂的作用会比其他孕育剂衰退的慢；

·能获得大量共晶晶粒的孕育剂在减少白口方面未必是最有效的。在灰铁方面，为了获得粗晶组织，小收缩倾向和低白口量的最好组合，得到公认的是含Sr孕育剂。

·在任何一组具体的条件下，孕育剂的衰退特性不可能用它的成分进行预测。因此，铸造厂应通过试验来确定最合适其应用目的的孕育剂。避免铁水温度、孕育剂储存情况等因素造成假象，应仔细进行这些试验。