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1、-.孕育处理的作用灰铸铁的力学性能在很大程度上取决于其显微组织。未经孕育处理的灰铸铁，显微组织不稳定、力学性能低下、铸件的薄壁处易出现白口。为保证铸件品质的一致性，孕育处理是必不可少的。铸铁孕育处理所用的孕育剂，加入量很少，对铸铁的化学成分影响甚小对其显微组织的影响却很大，因而能改善灰铸铁的力学性能，对其物理性能也有明显的影响。良好的孕育处理有以下作用： 消除或减轻白口倾向； 避免出现过冷组织； 减轻铸铁件的壁厚敏感性，使铸件薄、厚截面处显微组织的差别小，硬度差别也小； 有利于共晶团生核，使共晶团数增多； 使铸铁中石墨的形态主要是细小而且均匀分布的A型石墨，从而改善铸铁的力学性能。孕育良好的铸
2、铁流动性较好，铸件的收缩减少、加工性能改善、残留应力减少。二.灰铸铁的显微组织灰铸铁的力学性能决定于其基体组织和片状石墨的分布状况。灰铸铁的力学性能主要取决于其基体组织，为了得到高强度，希望基体组织以珠光体为主、尽量减少铁素体含量。如果铁素体量过多，不仅导致铸铁的强度低，而且加工时会使刀具过热，显著降低刀具的寿命。与球墨铸铁不同，对灰铸铁不可能有延性和韧性的要求，只要求其强度，所以一般都以珠光体含量高为好。灰铸铁中的石墨片，有切割金属基体、破坏其连续性、使其强度降低的作用。从强度考虑，应避免产生长而薄的石墨片和粗大的石墨片，具明显方向性的石墨片影响尤大。控制石墨片的分布状况，是保证灰铸铁性能的
3、关键。A型石墨是在铸铁的石墨生核能力较强、冷却速率较低、在过冷度很小的条件下发生共晶转变时形成的。在光学显微镜下观察时，石墨呈均匀分布的弯曲片状，无方向性，其长度则因铸铁的生核条件和冷却速率而不同。高品质的结构铸件，都希望其具有中等长度的A型石墨。B型石墨在光学显微镜下呈菊花状，共晶团中心部位石墨片比较细小，外围的石墨片较粗大。实际上，中心部位是D型石墨，外围是A型石墨。B型石墨的生核条件比A型石墨差，共晶转变时的过冷度也比形成A型石墨时大，结晶时先在共晶团中心部位产生过冷石墨（D型），释放的结晶潜热使周边的过冷度降低、形成A型石墨。如B型石墨为量不多，对铸铁的性能影响不大，一般情况下可允许其
4、存在。C型石墨主要出现于碳当量很高（过共晶）、冷却缓慢的铸铁中，有粗大片状初生石墨，也有小片状石墨，有时部分石墨片上有带尖角的块状。过共晶铁液冷却时，通过液相线后，在一定的过冷度下析出初生石墨，并在液相中逐渐长大。由于结晶温度较高，成长时间较长，形成分枝较少的粗大片状。温度降低到共晶温度时，发生正常的共晶转变，这时产生的石墨是正常的共晶石墨（A型石墨），最终的结果是在粗大的石墨片之间分布有正常的共晶石墨。因此，C型石墨是由粗大、块状石墨和A型石墨构成的。C型石墨可使铸铁的热导率提高，改善其抗热冲击的能力，但对铸铁的力学性能影响较大，一般的结构铸件不应有这种石墨。亚共晶铸铁中，偶尔也能见到这种石
5、墨。如：用感应电炉熔炼而炉料中生铁块用量过多时，由于原生铁遗传的影响，就可能出现带尖角的块状石墨；孕育剂加入量过大，造成局部硅元素富集，也会产生这种石墨。D型石墨是铸铁的碳当量较低、冷却速率较高，在过冷度较大、初生奥氏体枝状晶发达的条件下在奥氏体枝晶间形成的，石墨片细小而无方向性。D型石墨常见于碳当量较低的薄壁灰铸铁件中，也称为过冷石墨或枝晶间石墨。在不加合金元素时，D型石墨往往伴随有铁索体。如基体组织为珠光体，则铸铁的耐磨性较好，且机械加工后能得到较细的表面粗糙度。E型石墨是在碳当量较低、冷却速率也较低的条件下形成的。由于初生奥氏体枝状晶较多、发生共晶转变时过冷度不大、石墨核心不太多、共晶团
6、较大，形成的石墨片大于D型石墨。由于冷却比较缓慢，奥氏体枝状晶发达，发生共晶转变时液相主要在初生奥氏体枝状晶之间，形成的石墨片沿枝状晶方向生长，具有一定的方向性，对铸铁力学性能的影响较大，要力求避免其产生。可能出现E型石墨的铸铁,如冷却速率较高也会形成D型石墨。因此，在高强度薄壁铸铁件中往往会同时见到D型石墨和E型石墨。生产优质灰铸铁件应使其基体组织全部为珠光体,石墨为A型，而且石墨片要均匀分布于金属基体中，珠光体也应细小而均匀。要尽可能的地使组织中的B型石墨和D型石墨减至最少，不应该有C型石墨和E型石墨。为此，必须进行有效的孕育处理并控制铸件的冷却速率。三 .孕育剂目前，用于处理灰铸铁的孕育
7、剂品种繁多，但广泛应用的还是75硅铁。近年来，对薄壁铸件的需求日益增多，对孕育处理的要求也更为严格，在铸铁碳当量较低的情况下，采用含锢、钦、钳、错或某种稀土元素的孕育剂，能较好地控制薄壁处的白口倾向。还有报道说，采用含钢、钠和稀土元素的孕育剂，可减缓孕育的衰退。此外，碳质孕育剂的应用近来也日渐增多。关于孕育剂的选用，虽然已进行了大量的研究工作，但还不足以形成普遍适用的准则，铸造厂需考虑自己产品的特点、参考其他单位的经验进行试验，并考核供应厂商产品的质量，再根据试验结果作出最适合本企业条件的选择。1 .75硅铁75硅铁是最常采用的孕育剂，其中的铝、钙含量对孕育效果有重要的作用，有报道说，不含铝、
8、钙的硅铁对灰铸铁的孕育作用很小，甚至没有作用。一般认为：在铁液中，铝和钙会与氧、氮反应，形成高熔点的化合物，成为石墨结晶的核心。而且，加入孕育剂后，铁液中可形成局部的富硅微区，有利于石墨析出。采购孕育用硅铁时，不能不考虑其中铝和钙的含量。对于作孕育剂的75硅铁，美国相关标准规定含铝量为0.751.75%,含钙量为0.51.5%o我国标准GB/T2272-1987中有不同铝含量的75硅铁牌号，铝含量的上限值分别为0.5%,1.0%,1.5%和2.0%,含钙量的上限值则为1.0%。但是，铁液中的铝含量不能太高,加入0.01%的铝，就可能导致铸件产生皮下气孔。选择孕育剂品种和确定孕育剂用量时，对此也
9、应有所考虑。2 .含锢硅铁含锢硅铁消除白口的能力很强，特别有利于改善薄壁铸件中石墨的形态和分布状况，使不同厚度处组织的差别更小，过冷组织只见于铸件的表层。目前，我国已有含锢硅铁供应，其中锢含量有0.61.0%和1.02.0%两种。一般可选用含锢0.61.0%的品种，锢含量过高则不能充分发挥其作用。含锢硅铁的加入量约为75硅铁的一半。3 .含钢硅铁含钢硅铁也具有很强的促进石墨化的能力，可改善薄壁铸件中石墨的形态和分布状况，而且还有减缓孕育衰退的作用，处理时的用量也少于75硅铁。有报道说，加入过多的钢会使基体组织中铁素体含量增多，导致铸铁的强度降低。目前，我国也有含钢硅铁供应，其中钢含量一般为46
10、%o国外有研究报告称，含铀的硅铁也具有与含钢硅铁类似的效果。4 .含错硅铁锌有脱氧作用，有利于提高铁液的流动性，能减轻铸铁的白口倾向，促成均匀、细小的A型石墨。而且还有减缓孕育衰退的作用。我国也有含锌硅铁供应，但目前采用者还很少。5 .硅钢合金用含钢2030%的硅钢合金作孕育剂，能显著降低铸铁的白口倾向，并可使保持孕育效果的时间增至30min左右，特别适用于大型铸件。处理时，合金加入量约为0.1%。6 .硅钙合金硅钙合金虽有很强的孕育作用，但是，除制成包芯线应用外，用粒状合金作铸铁的孕育剂并不太合适，其主要缺点是： 密度远低于铁液，易于飘浮而影响其与铁液的作用； 成渣倾向大； 孕育作用衰退快；
11、 处理需用的加入量大，约为0.30.5%7 .稀土孕育剂稀土混合金属和稀土硅铁等含稀土金属的孕育剂加入量适当时，孕育作用很强，其效果可以是75硅铁的若干倍，能有效地消除白口，并减缓孕育作用的衰退。如加入量过高，则可能使铸铁结晶时产生过冷，出现渗碳体组织。使用时必须严格控制用量。8 .碳质孕育剂碳质孕育剂主要用于铁液孕育前的预处理，一般都是结晶态的碳质材料。有研究报告称：对于灰铸铁，以8590%的冶金碳化硅效果最好，晶态石墨也有效。预处理时的加入量一般为0.751.0%,应根据试验结果求得最佳值。四 .孕育处理方法近年来，孕育处理工艺发展很快，有多种有效的孕育方法。对于生产灰铸铁件，选用合适的孕
12、育处理方法非常重要，往往是决定产品质量的关键因素。每一种孕育处理方法都有其优点，同时也有一定的局限，迄今还没有一种能适应各种生产条件的处理方法。铸造企业都应该根据自己的具体条件，通过试验，选定最适合企业特点的方法。处理方法一经确定，就应严格控制工艺过程，以保证铸件质量稳定。广泛采用的孕育处理方法主要有：出铁时孕育、浇注时孕育、型内孕育和孕育前的预处理1 .出铁时孕育出铁时孕育也称为浇包孕育(LadleInocuIation),是在铁液自熔炉或保温炉流向浇包时进行的孕育处理。这种处理方法既简单又方便，目前是应用最广的工艺，但采用时必须注意遵从作业要点。不可在浇注前将孕育剂加在空浇包的底部。这样操
13、作，会有部分孕育剂在与铁液作用前被氧化，而且孕育剂易于裹入炉渣，导致其利用率降低。最好在出铁后、自浇包中铁液量约为出铁量的1/4时起开始孕育处理，通过定量漏斗将粒状孕育剂均匀而分散地撒向液流，到浇包中铁液量约为出铁量的4/5时处理结束。这种作业方法，可利用液流的搅拌作用使孕育剂完全溶于高温铁液，提高其利用率。采用喂线法进行孕育处理效果更为稳定，但目前用于出铁时孕育的还比较少。孕育剂的粒度因处理的铁液量而略有不同：铁液量不到500kg时，粒度宜为25mm;铁液量在500kg时，粒度宜为58mmo加入量一般为处理铁液量的0.20.4%,可视孕育剂的品种和铸件壁厚调整，并通过试验确定。加入量过多，不
14、仅无益，还会因不能完全溶于铁液而产生一些负面作用，如浇包积渣、铸件产生夹渣缺陷、堵塞浇注系统中的过滤器件以及因铁液过孕育而造成铸件缺陷等。孕育剂粒度太大，也会因不能完全溶于铁液而影响孕育效果，并造成铸造缺陷。出铁时用75硅铁进行孕育处理，孕育效果会很快地随时间的推移而衰退孕育后57min作用的衰退可在50%以上大约经15min后，孕育作用将大部或全部消失。为确保铸件质量，通常都要在孕育后IOmin内浇注完毕，最好在铁液自浇包注入铸型时进行再次孕育。2 .浇注时孕育浇注时孕育也称为后孕育(PostInoculation)或瞬时孕育,是在铁液自浇包注入铸型时进行的孕育处理。可将细粒孕育剂加入液流，
15、也可用喂线法孕育。(1)细粒孕育剂孕育浇注时孕育不存在孕育衰退的问题,一般都用75硅铁作孕育剂，有特殊要求时也可用含其他合金元素的孕育剂。为使孕育剂能迅速溶于铁液并能均匀地分布于铁液中，应采用细粒,一般为0.30.7mmo加入量大致为铁液的0.150.2%o采用倾转式浇包人工浇注时，比较简便办法是采用吊挂在包嘴上的定量漏斗，浇注时开启下料口，孕育剂由重力作用落入液流。对于生产线上位置固定的倾转包，则以采用带料斗的微型螺旋给料器为好。生产线上由保温炉经虹吸式浇嘴浇注的条件下，国外多采用干燥空气吹送方式。开始浇注时，由传感器控制开启气阀，将孕育剂加入液流中，如图1所示。I料斗图1空气吹送方式加料装
16、置示意图采用这种加料方式的缺点是：难免有些粉状孕育剂被空气吹散，不能进入液流。采用机械给料方式，也有容易堵塞而影响准确定量的问题。(2)喂线孕育喂线孕育也是一种常用的方法，所用的包芯线直径一般在5IOmm之间，线芯材料为75硅铁。孕育剂加入量约在0.050.1%之间。用保温炉经虹吸式浇嘴浇注的条件下，在浇嘴的塞杆附近喂入包芯线，如图2所示。喂线装置由计算机控制，在提起塞杆进行浇注的同时喂入包芯线，浇注完毕放下塞杆时停止喂线。包芯线图2加压经虹吸式浇嘴浇注时喂线孕育示意图3 .型内孕育型内孕育是将孕育剂直接安放在浇注系统内，使其在浇注过程中与铁液作用，孕育剂溶入铁液的速率是工艺方案设计时应予以考
17、虑的重占O所用的孕育剂可以是细粒状料、由粉料加粘结剂制成的块料或预制块。按照铸件的工艺特点，孕育剂可安放在浇口盆内、浇注系统内或特制的过滤器件中。(1)浇口盆内孕育浇口盆内孕育可以有两种方式，见图3。图3浇口盆内孕育(a)孕育块固定；(b)孕育块飘浮一种是将块状孕育剂固定于浇口盆底部，见图3(a),浇注时逐渐溶入铁液。浇注的铁液量较大时，可采用塞杆，这就更有利于孕育剂溶入铁液并均匀分布于铁液中。另一种是将块状孕育剂放在浇口盆内，浇注时浮在铁液上，见图3(b),也可说是浮硅孕育，只不过不在浇包中孕育。采用此种方式时，应保证孕育块部分溶入铁液后尺寸仍大于直浇口的直径。无论采用何种方式，浇口盆内都应
18、有挡渣板。(2)浇注系统内孕育浇注系统内孕育液也有两种方式，见图4。图4浇注系统内孕育(a)孕育块固定于浇口窝内；(b)横浇道中设孕育槽可将块状孕育剂固定在直浇口下的浇口窝内，如图4(a)所示。采用此种方式时，一定要用预制成块状的孕育剂，浇注过程中逐渐溶入铁液，实现有效的孕育。也可将孕育剂安放在横浇道中专设的孕育槽内，如图4b)所示。采用此种方式时，可用粒度为0.30.7mm的孕育剂,用量一般为铸型中铁液量的0.050.1%。浇注时，铁液从孕育剂的上方流过。为避免孕育剂颗粒进入铸件，铁液流经孕育槽后必须通过有效的过滤片。(3)通过过滤片时孕育这是一种比较新的型内孕育方法将孕育剂安放在特制的滤片
19、内，浇注时铁液流经滤片得到孕育处理，同时又可以防止残渣进入铸件型腔。采用发泡陶瓷滤片时，在两滤片间的空腔内装细粒孕育剂，如图5(a)所示。如采用通孔陶瓷滤片，则将预制成片状的孕育块置于两滤片间的空腔内，如图5(b)所示。图5孕育剂置于两滤片间的空腔内（a）发泡陶瓷滤片；（b）通孔陶瓷滤片4.孕育前的预处理一些重要的薄壁灰铸铁件，如内燃机的缸体、缸盖等，需求量不断增长，冶金要求也日益提高，因而，灰铸铁孕育前的预处理逐渐受到了广泛的关注。生产薄壁灰铸铁件时，在孕育处理前进行预处理，不仅可避免组织中出现碳化物，而且可使过冷石墨（B型、D型和E型）减至最少。研究结果表明，效果最好的预处理剂是结晶态的碳质材料，灰铸铁宜用8590%的冶金碳化硅，也可用晶态石墨。加入量一般为0.751.0%,应用时需通过试验求得最佳用量。预处理剂加入铁液后，需要一定的时间使其溶于铁液，而且需要搅拌，所以，最好是在出铁前加入感应电炉进行处理。也有报道说，加入浇包中处理，只要操作得当，也可得到很好的效果。
