[科普中国]-孕育处理

简介

孕育处理就是在浇注前或浇注过程中向金属液中加入少量的某种物质，以影响金属液生核过程,从而改变其凝固特性的处理工艺。对于铸铁而言，孕育的目的是增加铁液中的石墨核心，以使共晶凝固，尤其是石墨的析出能在比较小的过冷度下开始进行。其结果是提高石墨析出的倾向，并得到均匀分布的细小的石墨,从而使铸铁具有良好的力学性能和加工性能

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。

但用传统的孕育剂进行孕育时， 会使珠光体在不同的温度下形成，其硬度会不均匀，由于孕育剂与高温铁水反应，生成二氧化硅作为石墨初生核，使铁水中的碳向石墨转变，但由于氧化硅的还原反应，会使铁水中的硅含量渐渐减少，这样就会减小铁水的过冷度，过冷度越小就越容易倾向碳-渗碳体系转变。

理论基础自从孕育技术诞生以来，世界各地的铸造工作者便开始探询孕育处理的机理。经过70多年的努力，尽管在许多理论问题上取得了重要进展，但是孕育处理的机理至今尚无一致的认识。

孕育处理的本质是在铁液中创造有利于石墨形核析出的热力学、尤其是动力学条件，因此孕育处理对铁液凝固过程的影响应该是多方面因素的综合作用。根据人们目前的认识，它主要包括以下内容： （1）增加铁液中的温度起伏、浓度起伏和结构起伏，创造石墨均质形核的有利条件；（2）增加石墨非均质形核的核心；（3）减小渗碳体的稳定性。

增加铁液中的三个起伏，创造石墨均质形核的条件

铸铁同其它合金一样在液态始终存在温度起伏、浓度起伏和结构起伏。当孕育剂加入到铁液中后，孕育剂颗粒从其周围的铁液中吸收热量，使其周围形成一个微小的低温区。孕育剂颗粒在从其周围的铁液中吸收热量的同时被熔化消失。由于孕育剂的主要成分为硅或碳，因此它熔化后并非消失得无影无踪，而是形成了高硅高碳的微区，这些微区在结构上保留了孕育剂物质的结构痕迹。由此可见，孕育剂的加入增加了铁液温度、浓度和微观结构上的不均匀性，即极大地增加了铁液中的温度起伏、浓度起伏和结构起伏。

用电子探针测定铁液液淬后各元素的分布，证实了铁液无论是否经过孕育处理都存在碳硅的不均匀现象，而且这种不均匀现象呈周期性分布。加入孕育剂后，浓度起伏明显增大。 孕育处理后铁液由温度起伏、浓度起伏和结构起伏到石墨形核析出需要一个微观的演变过程。石墨析出后能否稳定存在并长大，取决于铁液的热力学条件。如果石墨相析出后铁液长时间处于较高的温度下，石墨就会被溶解消失，即所谓孕育衰退；如果石墨析出后铁液处于高温的时间较短，石墨相被溶解后铁液中仍存在石墨质点，这些石墨质点在铁液冷却到液相线以下时重新长大，这就是人们所观察到的石墨二次形核现象；如果石墨析出时铁液已在液相线附近，石墨相就会直接长成片状。

增加石墨异质形核的核心 孕育处理可以促使铁液中出现大量石墨异质形核的核心，这些石墨异质核心主要有：碳化物、硫化物、硅酸盐、氧化物、氮化物、和未溶解石墨。

增加石墨异质形核的核心

孕育处理可以促使铁液中出现大量石墨异质形核的核心，这些石墨异质核心主要有：碳化物、硫化物、硅酸盐、氧化物、氮化物、和未溶解石墨。

减小渗碳体的稳定性

如果在铁液凝固过程中能有效地阻止渗碳体的析出，客观上就会促使石墨析出。因此，孕育处理的另一种可能机制就是减小渗碳体的稳定性。硅是孕育剂中的主要元素，其减小渗碳体稳定性的作用表现在以下几个方面： (a)硅原子与渗碳体反应析出碳原子和硅铁，而硅铁溶解于铁液形成高硅铁素体和碳化硅。碳化硅在热力学上是不稳定的。 (b)硅饱和溶体具有排碳性，使碳成为过饱和状态并以石墨形式析出。 (c)硅与溶体反应所释放的热量延缓了铸铁的冷却

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1。

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。

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。

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。

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/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，对此也应有所考虑。

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。

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。

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。

硅钡合金一般用用含钡20～30%的硅钡合金作孕育剂。