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灰铸铁的孕育处理 |
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作者：中国铸造协会 李传栻 |
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灰铸铁基本上是由铁、碳和硅组成的共晶型合金，其中，碳主要以石墨的形态存在。生产优质铸件，控制铸铁凝固时形成的石墨的形态和基体金属组织是至关重要的。孕育处理是生产工艺中最重要的环节之一。良好的孕育处理可使灰铸铁具有符合要求的显微组织，从而保证铸件的力学性能和加工性能。
在液态铸铁中加入孕育剂，可以形成大量亚显微核心，促使共晶团在液相中生成。接近共晶凝固温度时，生核处首先形成细小的石墨片，并由此成长为共晶团。每一个共晶团的形成，都会向周围的液相释放少量的热，形成的共晶团越多，铸铁的凝固速率就越低。凝固速率的降低，就有助于按铁－石墨稳定系统凝固，而且能得到A型石墨组织。
一．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，采用含锶、钡、铋、锆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，采用含钡、铋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、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0.75～1.75%，含钙量为0.5～1.5% 。我国标准GB/T 2272－1987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，对此也应有所考虑。
2．含锶硅铁
含锶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，我国已有含锶硅铁供应，其中锶含量有0.6～1.0%和1.0～2.0%两种。一般可选用含锶0.6～1.0%的品种，锶含量过高则不能充分发挥其作用。
含锶硅铁的加入量约为75硅铁的一半。
3．含钡硅铁
含钡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，加入过多的钡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，我国也有含钡硅铁供应，其中钡含量一般为4～6%。
国外有研究报告称，含铋的硅铁也具有与含钡硅铁类似的效果。
4．含锆硅铁
锆有脱氧作用，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。
我国也有含锆硅铁供应，但目前采用者还很少。
5．硅钡合金
用含钡20～30％的硅钡合金作孕育剂，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；
◆ 处理需用的加入量大，约为0.3～0.5％。
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85～90％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0.75～1.0％ ，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（Ladle Inoculation），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2～5mm；铁液量在500kg时，粒度宜为5～8mm。加入量一般为处理铁液量的0.2～0.4％，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5～7min，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10min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（Post Inoculation）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，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0.3～0.7mm 。加入量大致为铁液的0.15～0.2％。
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。
图1 空气吹送方式加料装置示意图
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5～10mm之间，线芯材料为75硅铁。孕育剂加入量约在0.05～0.1％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。
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虑的重点。
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4（b）所示。采用此种方式时，可用粒度为0.3～0.7mm的孕育剂，用量一般为铸型中铁液量的0.05～0.1％。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85～90％的冶金碳化硅，也可用晶态石墨。加入量一般为0.75～1.0％，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。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(12/20/2006) |
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