孕育有促“球”作用，怎样通过适量的孕育获得适量的蠕化率？

dcg0531 · 发表于 2010-5-12 06:39:18

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这是在某铸造杂志技术交流栏目中提的问题：
孕育有促“球”作用，怎样通过适量的孕育获得适量的蠕化率？薄壁蠕铁件（如 6~8 mm)、厚壁蠕铁件（如100~160 mm)在孕育处理方面有何不同？珠光体蠕铁与铁素体蠕铁的孕育处理方法又有何不同？

盼蠕铁、球铁同仁讨论！

dcg0531 · 发表于 2010-5-15 10:28:37

自己顶起来！
这是我国蠕铁奠基人邱汉泉的回答。是完整版，杂志上有遗漏。

               蠕墨铸铁的孕育处理
　　　　　　　　
孕育处理对蠕铁的显微组织有着敏感的影响，必须慎重对待。

孕育的定义：广义地说，在熔炼炉外用很少的物质加入铁液中，以改变或改善铸铁的组织、提高其力学性能、物理性能和使用性能，而铸铁的化学成分则基本不变，这种过程就叫孕育，这种工艺叫孕育处理，这种“很少的物质”叫孕育剂。它可分两大类：
   稳定碳化物类型的孕育剂（如含锰合金、含铬合金、铋、锑等等）：促使铸铁在Fe-C平衡图中由稳定系统向次稳定系统转变，适用于大型铸件、共晶和过共晶铸铁以及不便降低碳当量的铸铁中，以阻止铸铁过分石墨化，出现石墨漂浮缺陷。也可用于增加铸铁的珠光体含量，提高其硬度。但它们的加入量必须严格控制，否则过量会使铸铁出现脆性。
石墨化类型的孕育剂（如含硅、钙、铝的合金、黑色石墨等等）：促使铸铁在Fe-C平衡图中由次稳定系统向稳定系统转变。通常人们所说的生产孕育铸铁用的孕育剂是指这一类。它要求在铸铁中具有很强的石墨化能力、良好的脱氧作用以及较低的熔点。本文所述的孕育处理就是用这一类孕育剂。

一．孕育的目
1. 消除或减少铸铁的白口倾向，防止在基体组织中出现莱氏体和自由渗碳体；
2. 调整铁素体和珠光体在基体中的比例；
3. 延缓蠕化衰退: 孕育可延缓蠕化衰退，其实质是利用孕育处理后球墨的增加，争取到了球墨衰退成蠕墨的时间,使之不会由蠕墨衰退成片墨。但这样却损害了蠕化率的稳定性。
4. 增加非自发结晶核心，细化共晶团和石墨，改善铸件断面组织的均匀性，提高力学性能。

然而，采用一般固体孕育剂的情况下，良好的孕育反而会促使石墨球和共晶团数增多，蠕化率降低。孕育量大，则产生晶核多，有利于球墨形成，这不是蠕铁所希望的。

在用镁进行蠕化处理的铁液中，采用0.08％孕育剂进行后孕育，就会使ф25试棒中的球化率从3%增加到21%（图1）；采用稀土进行蠕化处理后，在ф195×250的厚截面试棒中，未孕育的蠕铁，蠕化率为65%～75%  ,加入0.6％的75硅铁孕育之后，使蠕化率减少到约20%～30%  (图2)。

(a) 孕育前球化率3％


（b）加0.08％孕育剂后，
球化率增加到21％
图1. 用含镁蠕化处理的ф25mm试棒孕育前后的球化率变化[1]

(a)  孕育处理前                                              （b）孕育处理后
            蠕化率65%～75%  ×30                蠕化率20%～30%  ×30
　　　　　图2  在用稀土进行蠕化处理的ф195×250mm试棒中，
                                 加0.6％的75硅铁孕育处理前后蠕化率的变化[2]　

由上述可见，孕育目的中，有的是相互矛盾，不能同时达到的。对于蠕铁来说，是否需要进行孕育，主要看蠕化处理后铸件的白口倾向以及铁素体和珠光体的比例如何。如果自由碳化物数量在允许的最大限度以下，基体组织符合要求，或希望获得较高蠕化率或要求蠕铁件具有粗大共晶团组织的情况下，可不进行孕育处理——如厚大断面的蠕铁件；薄壁蠕铁件如果采用白口倾向很小的蠕化剂（如含微量稀土的镁系或镁钛系蠕化剂），在严格控制蠕化剂加入量并适当控制原铁液硅、锰含硅量的情况下，也可以做到不需要孕育处理。

然而，有人利用“孕育促球”现象来控制蠕化处理的铁液状态。例如：

[3] 通过孕育，使蠕化处理的临界点下降，从而扩大了“适宜加入量范围”的下限。但这只有在铁液处于片墨——蠕墨临界状态时，通过孕育才能使其进入蠕铁范畴。如果铁液处于重度“欠处理”状态（石墨仍为片状），此举无效。
[4]利用“孕育促球”现象，加入不同量的孕育剂使蠕化率降低，从而获得不同蠕化率的蠕铁（表１）。

表1　孕育对蠕化率的影响[4]
序　号硅铁孕育 % 序号硅钙孕育 %
加入量ω 终硅量ω 蠕化率加入量ω 终硅量ω 蠕化率
１ 0.6 2.34 80~90 ５ 0.3 2.10 80~90
２ 0.9 2.52 70~80 ６ 0.5 2.23 70~80
３ 1.2 2.60 50~60 ７ 0.7 2.33 50~60
４ 1.5 2.87 30~40 ８ 0.9 2.38 30~40
注：原铁液含硫量ω 0.074%；蠕化剂加入量ω 1.6.%稀土硅铁合金+ ω 0.2%稀土镁硅铁合金；蠕化处理温度1450℃～1500℃。

表1的结果是在严格的实验室条件下获得的，而且必须是蠕化处理在临界点以上，获得了蠕墨之后，才可通过孕育来减少蠕墨而达到预定的较低蠕化率。如果蠕化处理后仍为片墨，则不会出现“孕育促球”现象，其结果与[3]一致。

然而，如果熔炼状态不很稳定，或没有预测蠕化率的手段，孕育对蠕化率的敏感影响将使实验室的试验结果难以在工业生产中应用，况且实际生产中，原材料、蠕化剂质量和铁液状态的波动，不同操作人员操作习惯的差异……等等多变因素会给工艺参数的确定带来困难。
　　二.  孕育方法
目前，多数蠕铁生产厂家采用出铁时，在出铁槽徐徐加入孕育剂的随流孕育法。众所周知，孕育效果是会随时间的延长而逐渐消失的，即孕育衰退。所以，减少孕育衰退的原则是：尽可能缩短从孕育处理完毕到浇注所耗费的时间。有研究表明，铁液加孕育剂后的10秒至 100 秒期间就出现衰退。然而，一般情况下，上述随流孕育法极难不超过 100 秒。为了补充孕育效果，通常采用“二次孕育”，即，在出铁槽随流孕育之后，用少量孕育剂再孕育——多用于铁素体蠕铁件和浇注时间较长的薄壁蠕铁件。
由于孕育方法的改进，后来出现了种种的“瞬时孕育”法，如将块状孕育剂置于包内铁液表面的“浮硅孕育”法、撒入浇注铁液流的浇注随流孕育法、徐徐撒入浇口杯内的“浇杯孕育”法、型内孕育法等等。后者实际上不存在孕育衰退；
上世纪后期，又出现了喂线孕育法，它可以精确控制孕育量，避免由于孕育量不足而难以消除碳化物。也可减少因孕育过量，促使形成更多的球墨而降低蠕化率。此外，它还能将孕育线插到包底，使铁水孕育均匀[5]。

三.  孕育剂种类和孕育量

能作为石墨化类型孕育剂的物质很多，可将其分三类：

1. 固体孕育剂：
(1）固体孕育剂种类：有简单的元素（如黑色石墨），有铁合金（如硅铁、硅钙、钡硅铁、锶硅铁等），也有复合孕育剂（如，两份硅90和一份铝或两份硅75和一份铝复合）。
现场经验：特别要注意，根据以往某些书籍和资料所述，硅钙比硅铁有更好的孕育效果，然而用硅钙（或钙系合金）孕育温度不高而含硫量高的铁液时，铸件的上表面往往出现大量夹杂，它看似未充分溶化的硅钙（或钙系合金），而用 75硅铁却没有这个问题。从熔点来看， 75硅铁为 1331 ～ 1330 ℃，而硅钙合金为 980 ～ 1245 ℃，为什么熔点低的反而不易溶化？直到 [6]提出“浮渣”形成机理才明白其所以然：由于硅钙或钙系合金等孕育剂加到铁液之后，其颗粒表面的钙等元素首先发生去氧、脱硫反应，如果孕育剂颗粒表面的反应产物不能及时脱附和扩散而包覆在其外表，这不仅阻碍了去氧、脱硫反应的不断进行，而且使尚未发挥作用的孕育剂颗粒上浮到铁液表面，即浪费又生“渣”。孕育剂颗粒越大，“浮渣”越多。所以，要慎用钙系合金作孕育剂——特别是对于温度不高，而含硫量又较高的冲天炉铁液，而且其粒度要适宜。
铁液中加少量铝，不仅有着强烈的石墨化作用，而且有强烈的脱氧作用，铝加入铁液中也能放出一部分热量，使铁液降温速度减慢。
有人问，蠕化剂中已含有大约超过 40 ％的硅，为什么还要孕育？这是因为它不同于蠕化处理后单独加入的孕育硅，同时存在于蠕化剂中的稀土和硅在蠕化处理时，稀土在铁水中的反应速度滞后于硅的反应速度，当稀土导致出现较多的碳化物时，硅的最大孕育效果已在先出现，其孕育作用已乏力。所以在蠕化处理后，要另外加孕育剂进行孕育处理，而且，最好蠕化处理与孕育处理要有适当的间隔时间；至于蠕化剂中的镁，其反应动力学条件要比稀土好，这个问题不很突出，但也最好在蠕化反应完成之后进行孕育处理。

（2）固体孕育剂的用量：依孕育方法而定。最常用的出铁槽随流孕育法，硅铁75的加入量一般为铁液重量的 0.3% ～ 0.8% ，“二次孕育法”的两次用量总和更大些——第一次在出铁槽随流孕育的量占总量的绝大部分，第二次孕育量则较少；采用“瞬时孕育”时，由于孕育衰退的减少，则可大幅度减少孕育剂用量，一般不超过0.2%，甚至可少到 0.1 ％以下。
2. 悬浮孕育剂[7]：实际上这也是属于固体孕育剂。即在浇注过程中，将一定量的金属粉末或颗粒（如铁合金粉末、铁丸、碎铁屑等，称为悬浮孕育剂）加到铁液中混合，使其与铁液流一起充填型腔。它不仅具有孕育作用，对铁液还有冷却作用——所以被称为微型冷铁。它能增加孕育剂的吸收率、稳定厚截面的组织、提高其力学性能、减少石墨漂浮和缩松等缺陷。其加入量以不超出铁液预定的最终化学成分为准，通常在0.35％～2.0％范围内。

3. 液体孕育剂：这种孕育剂在孕育铸铁中曾用过。即，采用碳当量差别较大的两种铁液掺合在一起，如，在低碳当量（白口或麻口铸铁成分）的铁液中掺入作为孕育剂的20%～50%的高碳当量铁液或液体硅（用量比固体硅少），孕育效果甚好，但缺点是需要两套熔炼设备，故此法极少被应用。
然而，蠕铁采用液体孕育，以同一套熔炼设备，并借助炉前铁液定量称（如重量显示吊钩电子称），不仅可很方便地达到减小白口的孕育目的，而且能获得预定蠕化率的蠕铁。其原因在于
（1）作为液体孕育剂补加的铁液中有较高的氧、硫含量（它们就是孕育处理所用的“很少的物质”），可消耗“过处理”铁液中的稀土、镁等蠕化元素，过量的稀土和镁是造成蠕铁白口的主要原因；
（2）铁液中的氧、硫与蠕化元素反应生成的各种氧化物、硫化物或硫氧化物及其它稀土复合物，都是高熔点的弥散的稳定化合物质点。其中有的可以做为石墨结晶的外来晶核，起到孕育作用，从而可以减小蠕铁白口；
（3）液体孕育后，铁液总量增加了，“冲稀”了“过处理”铁液的蠕化元素含量。
表2可见，液体孕育后，蠕铁蠕化率提高，蠕化元素残留量、珠光体和碳化物数量减少。表3列出了液体孕育量递增与蠕化率递增、蠕化元素递减的关系；图3～图6为液体孕育量（原铁液补加量）与蠕化率变化、蠕铁力学性能、稀土和镁残留量的关系曲线[8]。
表2液体孕育前后，蠕铁组织和蠕化元素的变化[8]
液体孕育前
（“过处理”铁液）石墨形态 25 % 蠕虫 + 球 +团虫
蠕化元素残留稀土0.058 % ；残留镁 0.0212 %
基体组织 70 % 珠光体 + 铁素体 +0.5 % 磷共晶 + 3 %碳化物
液体孕育后
（加15%原铁液*）石墨形态 60 % 蠕虫 + 球 +团虫
蠕化元素残留稀土0.039 % ；残留镁 0.0172 %
基体组织 50 % 珠光体 + 铁素体 +0.2 % 磷共晶 + < 1 %碳化物
* 液体孕育剂——即原铁液，其含硫量为0.05%～0.06% ；
** 蠕化剂——稀土锌镁铝合金成分：稀土13 % ～15 % ，镁3 %～4 % ，铝0.8 % ～1.0 %。
      表3 冲入原铁液量与“过处理”铁液量之比例和蠕化率、蠕化元素残留量的关系[ 9]
原铁液量占总铁液量之比（%） 14 17 20 25 33 50
原铁液量与
“过处理”铁液量的比例 1：6 1：5 1：4 1：3 1：2 1：1
蠕化率（%） 40～60 50～70 60～80 75～90 85～95 90～100
稀土残留量（%）** 0.025 0.027 0.019 0.020 0.025 0.019
镁残留量（%） 0.028 0.025 0.024 0.024 0.021 0.017
* 液体孕育剂——原铁液含硫量为≦0.06% ；球化剂——稀土镁硅铁合金成分：镁8 %～12 %；稀土9 % ～13 %。
** 除非原铁液含硫量极低（小数点双零以下），否则用稀土残留量作为检验依据不是很可靠的（详见[6]）。

图3  补加铁液量对蠕化率的影响 [8]

图4 补加铁液量对力学性能的影响[8]


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　补加铁液量（%）
　　　
　　　　　　　　　　　　　　　图５　补加铁液量对稀土和镁残留量的影响[8]

图6 原铁液含硫量对补加铁液量的影响[8]

　　4. 液体孕育效果的影响因素：

　　(1）液体孕育剂量对蠕化率的影响：由图3 可见，随着补加铁液量的增加，蠕化率逐渐升高。但其增高的幅度还受补加铁液前铁液蠕化程度的影响：

1) 如果铁液已“过处理”成为球铁（蠕化率为0％），这时要将其调整到预定的蠕化率，就需要补加较多的原铁液。并且同是处于球铁状态，对补加铁液的敏感程度也是不一样的。这是因为，虽然石墨形态同为球状，但其蠕铁中残留的稀土和镁可能相差较大。当稀土和镁残留高时，要调整成一定蠕化率的蠕铁就需补加更多的原铁液。这从图3最下边两条斜线可以看出；
2）补加铁液前的蠕化率越高，对补加铁液越敏感。即，加入同样的铁液，蠕化率升高的幅度大。如果补加铁液前的蠕化率>50% ，这时随补加铁液量的增加，蠕化率提高得很快，很容易成为灰铁（见图3中最上边两条斜线）；
3）若补加铁液前的蠕化率较低（如 30±20％），这时随补加铁液量的增加，蠕化率提高的幅度比较平稳，大约每补加10 % 左右的铁液，蠕化率约提高20%。也即，如果补加铁液前蠕化率为≈20 % ，分别补加原铁液10％、20％和30％，则分别得到蠕化率≈40％、≈60％和80％的蠕铁。这种情况在生产中应用较多。

(2）液体孕育剂量对白口倾向的影响：由表1 可见，加14%原铁液孕育之后，碳化物由3 %减少到≦1 %；而表2 在液体孕育后，连薄壁铸件在铸态下，一般都不存在碳化物，无需热处理就可直接进行切削加工。这是因为，前者试验所用蠕化剂为稀土锌镁铝合金，它导致蠕铁的白口倾向虽然比稀土硅铁合金小，但仍比所用的稀土镁硅铁合金大；从残余量来看也可得到说明——前者主要蠕化元素是稀土，后者主要是镁。
   （3）原铁液含硫量对液体孕育剂用量（补加量）的影响：既然是补加的铁液是靠其中有较高的氧、硫含量来消耗“过处理”铁液中的蠕化元素，使之达到预定的目标，那么原铁液的氧、硫含量（主要是硫，正常的铁液中含氧量可忽略）之高低就必然影响液体孕育剂的用量。表1和图3 ～图5的试验结果是在原铁液含硫量为0.05％～0.06％条件下获得的，如果原铁液含硫量发生变化，要达到同样的目标，补加的原铁液量就要改变。因为,如果仍补加等量的原铁液，实际上加到铁液中的绝对硫量就和以前加的不一样了，这样孕育的结果（碳化物数量和蠕化率）也就不同了。也就是说，如果原铁液含硫量比以前高了，孕育剂量（补加原铁液量）就要相应减少，这样才能使加入“过处理”铁液中的硫与以往相等；反之，孕育剂量要相应增加（图6 ）。
四. 防止“孕育促球”的对策：

　　采用固体孕育剂进行处理导致蠕化率大幅度地波动,无疑它会影响蠕铁生产的稳定性。

“孕育促球”，从理论上说，可以将它用于纠正蠕化“欠处理”的状态，但是和蠕化处理工艺一样，目前除了Sinter Cast在线控制工艺[1]，用于准确检测“孕育促球”铁液状态的方法还是薄弱环节。

为了达到上述孕育处理的目的，而又要避免“孕育促球”，可采取如下措施：

1.  采用导致蠕铁白口倾向小的蠕化剂：采用稀土锌镁铝合金、低稀土镁合金、低（或微量）稀土镁钛合金等导致蠕铁白口倾向小的蠕化剂进行蠕化处理，严格防止“过处理”，则可不进行孕育处理。前两种蠕化剂用于大、中蠕铁件；后者用于薄小铸件。对于薄小蠕铁件，目前可供选择的适宜的蠕化剂还不多。
2.  通过调整蠕铁的硅、锰含量来获得所需的基体组织：如，铁素体基体——低锰、高硅；珠光体基体——高锰、低硅（所谓高或低，是相对于铁液的常规化学成分的上、下限而言的）。如果要在铸态稳定获得＞80％的珠光体组织，在铁液中加入适量铜（如＞0.8％），可获良好效果。它可防止凝固时自由渗碳体析出，又有利于共析转变时珠光体生成。
3.  采用液体孕育：由上述的“液体孕育剂”（补加铁液）可知，它不仅可很方便地达到减小白口的孕育目的，而且能获得预定蠕化率的蠕铁。实际上是通过补加的铁液中“极少的物质”（万分之几的硫和百万分之10～80的全氧）来消除或减少白口倾向，同时“微调”蠕化率，其石墨形态是由球墨变为蠕墨的过程，未显“孕育促球”现象。
4. 热处理：为避免蠕化率大幅度的波动而不进行孕育处理，对于较重要的蠕铁件，倘若基体组织超过了允许的范围，可通过热处理来解决。

总之，权衡利弊，在蠕铁生产中，应尽可能地少用或不用固体孕育剂来进行孕育处理，以防止蠕化率的大幅度波动，从而导致蠕铁性能的不稳定,液体孕育则是值得采用的方法。

参考文献：

[1] Steve Dawson, Process Control for the Production of Compacted Graphite Iron, the 106th AFS Castings Congress Kansas City 4-7 May 2002。
[2] 张忠仇，用稀土制取大截面蠕铁件的研究，1985.9.10-14,北京国际稀土学术会议论文集,P.1406～1409
[3] 楼恩贤，孕育处理对生产蠕虫状石墨铸铁的影响，铸造,1981.No.1,P.14～19
[4] 李美蓉，孕育对蠕墨铸铁组织的影响，安徽工学院学报，1984.No.4,P.49～55
[5] 徐杰陈宇(执笔)，蠕铁的生产技术问答，中国铸造装备与技术，2006.No.4,P.68～70；2006.No.5,P.61～64
[6] 邱汉泉,稀土蠕墨铸铁新型蠕化剂的研究.球铁,1980(2)；机械工程材料,1981(1).P.15～20
[7] 杨恩长白彦华，铸造工艺新技术，铸造手册第5卷，机械工业出版社，1994年第1版，P.872～873.
[8] 苏新同邱汉泉王兴雷等，补加铁水调整蠕铁蠕化率的方法研究与应用，球铁，1989年No.4；国家“七.五”技术开发项目“蠕墨铸铁稳定生产控制系统的研究”课题鉴定会资料之八，1988.10。
[9] 陈兴营，蠕墨铸铁的制取及其应用，中国纺织机械厂（国内交流），1979.12.P.5

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