灰鑄鐵基本上是由鐵、碳和硅組成的共晶型合金，其中，碳主要以石墨的形態(tài)存在。生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄件，控制鑄鐵凝固時形成的石墨的形態(tài)和基體金屬組織是至關(guān)重要的。孕育處理是生產(chǎn)工藝中最重要的環(huán)節(jié)之一。良好的孕育處理可使灰鑄鐵具有符合要求的顯微組織，從而保證鑄件的力學(xué)性能和加工性能。
在液態(tài)鑄鐵中加入孕育劑，可以形成大量亞顯微核心，促使共晶團(tuán)在液相中生成。接近共晶凝固溫度時，生核處首先形成細(xì)小的石墨片，并由此成長為共晶團(tuán)。每一個共晶團(tuán)的形成，都會向周圍的液相釋放少量的熱，形成的共晶團(tuán)越多，鑄鐵的凝固速率就越低。凝固速率的降低，就有助于按鐵－石墨穩(wěn)定系統(tǒng)凝固，而且能得到A型石墨組織。
一．孕育處理的作用
灰鑄鐵的力學(xué)性能在很大程度上取決于其顯微組織。未經(jīng)孕育處理的灰鑄鐵，顯微組織不穩(wěn)定、力學(xué)性能低下、鑄件的薄壁處易出現(xiàn)白口。為保證鑄件品質(zhì)的一致性，孕育處理是必不可少的。
鑄鐵孕育處理所用的孕育劑，加入量很少，對鑄鐵的化學(xué)成分影響甚小，對其顯微組織的影響卻很大，因而能改善灰鑄鐵的力學(xué)性能，對其物理性能也有明顯的影響。良好的孕育處理有以下作用：
◆ 消除或減輕白口傾向；
◆ 避免出現(xiàn)過冷組織；
◆ 減輕鑄鐵件的壁厚敏感性，使鑄件薄、厚截面處顯微組織的差別小，硬度差別也??；
◆ 有利于共晶團(tuán)生核，使共晶團(tuán)數(shù)增多；
◆ 使鑄鐵中石墨的形態(tài)主要是細(xì)小而且均勻分布的A型石墨，從而改善鑄鐵的力學(xué)性能。
孕育良好的鑄鐵流動性較好，鑄件的收縮減少、加工性能改善、殘留應(yīng)力減少。
二．灰鑄鐵的顯微組織
灰鑄鐵的力學(xué)性能決定于其基體組織和片狀石墨的分布狀況。
灰鑄鐵的力學(xué)性能主要取決于其基體組織，為了得到高強(qiáng)度，希望基體組織以珠光體為主、盡量減少鐵素體含量。如果鐵素體量過多，不僅導(dǎo)致鑄鐵的強(qiáng)度低，而且加工時會使刀具過熱，顯著降低刀具的壽命。與球墨鑄鐵不同，對灰鑄鐵不可能有延性和韌性的要求，只要求其強(qiáng)度，所以一般都以珠光體含量高為好。
灰鑄鐵中的石墨片，有切割金屬基體、破壞其連續(xù)性、使其強(qiáng)度降低的作用。從強(qiáng)度考慮，應(yīng)避免產(chǎn)生長而薄的石墨片和粗大的石墨片，具明顯方向性的石墨片影響尤大?？刂剖姆植紶顩r，是保證灰鑄鐵性能的關(guān)鍵。
A型石墨是在鑄鐵的石墨生核能力較強(qiáng)、冷卻速率較低、在過冷度很小的條件下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時形成的。在光學(xué)顯微鏡下觀察時，石墨呈均勻分布的彎曲片狀，無方向性，其長度則因鑄鐵的生核條件和冷卻速率而不同。高品質(zhì)的結(jié)構(gòu)鑄件，都希望其具有中等長度的A型石墨。
B型石墨在光學(xué)顯微鏡下呈菊花狀，共晶團(tuán)中心部位石墨片比較細(xì)小，外圍的石墨片較粗大。實際上，中心部位是D型石墨，外圍是A型石墨。B型石墨的生核條件比A型石墨差，共晶轉(zhuǎn)變時的過冷度也比形成A型石墨時大，結(jié)晶時先在共晶團(tuán)中心部位產(chǎn)生過冷石墨（D型），釋放的結(jié)晶潛熱使周邊的過冷度降低、形成A型石墨。如B型石墨為量不多，對鑄鐵的性能影響不大，一般情況下可允許其存在。
C型石墨主要出現(xiàn)于碳當(dāng)量很高（過共晶）、冷卻緩慢的鑄鐵中，有粗大片狀初生石墨，也有小片狀石墨，有時部分石墨片上有帶尖角的塊狀。過共晶鐵液冷卻時，通過液相線后，在一定的過冷度下析出初生石墨，并在液相中逐漸長大。由于結(jié)晶溫度較高，成長時間較長，形成分枝較少的粗大片狀。溫度降低到共晶溫度時，發(fā)生正常的共晶轉(zhuǎn)變，這時產(chǎn)生的石墨是正常的共晶石墨（A型石墨），最終的結(jié)果是在粗大的石墨片之間分布有正常的共晶石墨。因此，C型石墨是由粗大、塊狀石墨和A型石墨構(gòu)成的。C型石墨可使鑄鐵的熱導(dǎo)率提高，改善其抗熱沖擊的能力，但對鑄鐵的力學(xué)性能影響較大，一般的結(jié)構(gòu)鑄件不應(yīng)有這種石墨。
亞共晶鑄鐵中，偶爾也能見到這種石墨。如：用感應(yīng)電爐熔煉而爐料中生鐵塊用量過多時，由于原生鐵遺傳的影響，就可能出現(xiàn)帶尖角的塊狀石墨；孕育劑加入量過大，造成局部硅元素富集，也會產(chǎn)生這種石墨。
D型石墨是鑄鐵的碳當(dāng)量較低、冷卻速率較高，在過冷度較大、初生奧氏體枝狀晶發(fā)達(dá)的條件下在奧氏體枝晶間形成的，石墨片細(xì)小而無方向性。D型石墨常見于碳當(dāng)量較低的薄壁灰鑄鐵件中，也稱為‘過冷石墨’或‘枝晶間石墨’。在不加合金元素時，D型石墨往往伴隨有鐵索體。如基體組織為珠光體，則鑄鐵的耐磨性較好，且機(jī)械加工后能得到較細(xì)的表面粗糙度。
E型石墨是在碳當(dāng)量較低、冷卻速率也較低的條件下形成的。由于初生奧氏體枝狀晶較多、發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時過冷度不大、石墨核心不太多、共晶團(tuán)較大，形成的石墨片大于D型石墨。由于冷卻比較緩慢，奧氏體枝狀晶發(fā)達(dá)，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時液相主要在初生奧氏體枝狀晶之間，形成的石墨片沿枝狀晶方向生長，具有一定的方向性，對鑄鐵力學(xué)性能的影響較大，要力求避免其產(chǎn)生。
可能出現(xiàn)E型石墨的鑄鐵，如冷卻速率較高，也會形成D型石墨。因此，在高強(qiáng)度薄壁鑄鐵件中往往會同時見到D型石墨和E型石墨。
生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵件，應(yīng)使其基體組織全部為珠光體，石墨為A型，而且石墨片要均勻分布于金屬基體中，珠光體也應(yīng)細(xì)小而均勻。要盡可能的地使組織中的B型石墨和D型石墨減至最少，不應(yīng)該有C型石墨和E型石墨。為此，必須進(jìn)行有效的孕育處理并控制鑄件的冷卻速率。
三．孕育劑
目前，用于處理灰鑄鐵的孕育劑品種繁多，但廣泛應(yīng)用的還是75硅鐵。近年來，對薄壁鑄件的需求日益增多，對孕育處理的要求也更為嚴(yán)格，在鑄鐵碳當(dāng)量較低的情況下，采用含鍶、鋇、鉍、鋯或某種稀土元素的孕育劑，能較好地控制薄壁處的白口傾向。還有報道說，采用含鋇、鉍和稀土元素的孕育劑，可減緩孕育的衰退。此外，碳質(zhì)孕育劑的應(yīng)用近來也日漸增多。關(guān)于孕育劑的選用，雖然已進(jìn)行了大量的研究工作，但還不足以形成普遍適用的準(zhǔn)則，鑄造廠需考慮自己產(chǎn)品的特點、參考其他單位的經(jīng)驗進(jìn)行試驗，并考核供應(yīng)廠商產(chǎn)品的質(zhì)量，再根據(jù)試驗結(jié)果作出最適合本企業(yè)條件的選擇。
1．75硅鐵
75 硅鐵是最常采用的孕育劑，其中的鋁、鈣含量對孕育效果有重要的作用，有報道說，不含鋁、鈣的硅鐵對灰鑄鐵的孕育作用很小，甚至沒有作用。一般認(rèn)為：在鐵液中，鋁和鈣會與氧、氮反應(yīng)，形成高熔點的化合物，成為石墨結(jié)晶的核心。而且，加入孕育劑后，鐵液中可形成局部的富硅微區(qū)，有利于石墨析出。采購孕育用硅鐵時，不能不考慮其中鋁和鈣的含量。
對于作孕育劑的75 硅鐵，美國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定含鋁量為0.75～1.75%，含鈣量為0.5～1.5% 。我國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2272－1987中有不同鋁含量的75硅鐵牌號，鋁含量的上限值分別為0.5％、1.0％、1.5%和2.0％，含鈣量的上限值則為1.0％。
但是，鐵液中的鋁含量不能太高，加入0.01％的鋁，就可能導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生皮下氣孔。選擇孕育劑品種和確定孕育劑用量時，對此也應(yīng)有所考慮。
2．含鍶硅鐵
含鍶硅鐵消除白口的能力很強(qiáng)，特別有利于改善薄壁鑄件中石墨的形態(tài)和分布狀況，使不同厚度處組織的差別更小，過冷組織只見于鑄件的表層。
目前，我國已有含鍶硅鐵供應(yīng)，其中鍶含量有0.6～1.0%和1.0～2.0%兩種。一般可選用含鍶0.6～1.0%的品種，鍶含量過高則不能充分發(fā)揮其作用。
含鍶硅鐵的加入量約為75硅鐵的一半。
3．含鋇硅鐵
含鋇硅鐵也具有很強(qiáng)的促進(jìn)石墨化的能力，可改善薄壁鑄件中石墨的形態(tài)和分布狀況，而且還有減緩孕育衰退的作用，處理時的用量也少于75硅鐵。有報道說，加入過多的鋇會使基體組織中鐵素體含量增多，導(dǎo)致鑄鐵的強(qiáng)度降低。
目前，我國也有含鋇硅鐵供應(yīng)，其中鋇含量一般為4～6%。
國外有研究報告稱，含鉍的硅鐵也具有與含鋇硅鐵類似的效果。
4．含鋯硅鐵
鋯有脫氧作用，有利于提高鐵液的流動性，能減輕鑄鐵的白口傾向，促成均勻、細(xì)小的A型石墨。而且還有減緩孕育衰退的作用。
我國也有含鋯硅鐵供應(yīng)，但目前采用者還很少。
5．硅鋇合金
用含鋇20～30％的硅鋇合金作孕育劑，能顯著降低鑄鐵的白口傾向，并可使保持孕育效果的時間增至30min左右，特別適用于大型鑄件。處理時，合金加入量約為0.1％。
6．硅鈣合金
硅鈣合金雖有很強(qiáng)的孕育作用，但是，除制成包芯線應(yīng)用外，用粒狀合金作鑄鐵的孕育劑并不太合適，其主要缺點是：
◆ 密度遠(yuǎn)低于鐵液，易于飄浮而影響其與鐵液的作用；
◆ 成渣傾向大；
◆ 孕育作用衰退快；
◆ 處理需用的加入量大，約為0.3～0.5％。
7．稀土孕育劑
稀土混合金屬和稀土硅鐵等含稀土金屬的孕育劑，加入量適當(dāng)時，孕育作用很強(qiáng)，其效果可以是75硅鐵的若干倍，能有效地消除白口，并減緩孕育作用的衰退。如加入量過高，則可能使鑄鐵結(jié)晶時產(chǎn)生過冷，出現(xiàn)滲碳體組織。使用時必須嚴(yán)格控制用量。
8．碳質(zhì)孕育劑
碳質(zhì)孕育劑主要用于鐵液孕育前的預(yù)處理，一般都是結(jié)晶態(tài)的碳質(zhì)材料。有研究報告稱：對于灰鑄鐵，以85～90％的冶金碳化硅效果最好，晶態(tài)石墨也有效。預(yù)處理時的加入量一般為0.75～1.0％ ，應(yīng)根據(jù)試驗結(jié)果求得最佳值。
四．孕育處理方法
近年來，孕育處理工藝發(fā)展很快，有多種有效的孕育方法。對于生產(chǎn)灰鑄鐵件，選用合適的孕育處理方法非常重要，往往是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。每一種孕育處理方法都有其優(yōu)點，同時也有一定的局限，迄今還沒有一種能適應(yīng)各種生產(chǎn)條件的處理方法。鑄造企業(yè)都應(yīng)該根據(jù)自己的具體條件，通過試驗，選定最適合企業(yè)特點的方法。處理方法一經(jīng)確定，就應(yīng)嚴(yán)格控制工藝過程，以保證鑄件質(zhì)量穩(wěn)定。
廣泛采用的孕育處理方法主要有：出鐵時孕育、澆注時孕育、型內(nèi)孕育和孕育前的預(yù)處理
1．出鐵時孕育
出鐵時孕育也稱為澆包孕育（Ladle Inoculation），是在鐵液自熔爐或保溫爐流向澆包時進(jìn)行的孕育處理。這種處理方法既簡單又方便，目前是應(yīng)用最廣的工藝，但采用時必須注意遵從作業(yè)要點。
不可在澆注前將孕育劑加在空澆包的底部。這樣操作，會有部分孕育劑在與鐵液作用前被氧化，而且孕育劑易于裹入爐渣，導(dǎo)致其利用率降低。最好在出鐵后、自澆包中鐵液量約為出鐵量的1/4時起開始孕育處理，通過定量漏斗將粒狀孕育劑均勻而分散地撒向液流，到澆包中鐵液量約為出鐵量的4/5時處理結(jié)束。這種作業(yè)方法，可利用液流的攪拌作用使孕育劑完全溶于高溫鐵液，提高其利用率。采用喂線法進(jìn)行孕育處理效果更為穩(wěn)定，但目前用于出鐵時孕育的還比較少。
孕育劑的粒度因處理的鐵液量而略有不同：鐵液量不到500kg時，粒度宜為2～5mm；鐵液量在500kg時，粒度宜為5～8mm。加入量一般為處理鐵液量的0.2～0.4％，可視孕育劑的品種和鑄件壁厚調(diào)整，并通過試驗確定。加入量過多，不僅無益，還會因不能完全溶于鐵液而產(chǎn)生一些負(fù)面作用，如澆包積渣、鑄件產(chǎn)生夾渣缺陷、堵塞澆注系統(tǒng)中的過濾器件以及因鐵液過孕育而造成鑄件缺陷等。孕育劑粒度太大，也會因不能完全溶于鐵液而影響孕育效果，并造成鑄造缺陷。
出鐵時用75硅鐵進(jìn)行孕育處理，孕育效果會很快地隨時間的推移而衰退，孕育后5～7min，作用的衰退可在50％以上，大約經(jīng)15min后，孕育作用將大部或全部消失。為確保鑄件質(zhì)量，通常都要在孕育后10min內(nèi)澆注完畢，最好在鐵液自澆包注入鑄型時進(jìn)行再次孕育。
2．澆注時孕育
澆注時孕育也稱為后孕育（Post Inoculation）或瞬時孕育，是在鐵液自澆包注入鑄型時進(jìn)行的孕育處理?？蓪⒓?xì)粒孕育劑加入液流，也可用喂線法孕育。
（1）細(xì)粒孕育劑孕育
澆注時孕育不存在孕育衰退的問題，一般都用75硅鐵作孕育劑，有特殊要求時也可用含其他合金元素的孕育劑。為使孕育劑能迅速溶于鐵液并能均勻地分布于鐵液中，應(yīng)采用細(xì)粒，一般為0.3～0.7mm 。加入量大致為鐵液的0.15～0.2％。
采用傾轉(zhuǎn)式澆包人工澆注時，比較簡便辦法是采用吊掛在包嘴上的定量漏斗，澆注時開啟下料口，孕育劑由重力作用落入液流。對于生產(chǎn)線上位置固定的傾轉(zhuǎn)包，則以采用帶料斗的微型螺旋給料器為好。
生產(chǎn)線上由保溫爐經(jīng)虹吸式澆嘴澆注的條件下，國外多采用干燥空氣吹送方式。開始澆注時，由傳感器控制開啟氣閥，將孕育劑加入液流中。
（2）喂線孕育
喂線孕育也是一種常用的方法，所用的包芯線直徑一般在5～10mm之間，線芯材料為75硅鐵。孕育劑加入量約在0.05～0.1％之間。
用保溫爐經(jīng)虹吸式澆嘴澆注的條件下，在澆嘴的塞桿附近喂入包芯線，如圖2所示。喂線裝置由計算機(jī)控制，在提起塞桿進(jìn)行澆注的同時喂入包芯線，澆注完畢放下塞桿時停止喂線。
型內(nèi)孕育是將孕育劑直接安放在澆注系統(tǒng)內(nèi)，使其在澆注過程中與鐵液作用，孕育劑溶入鐵液的速率是工藝方案設(shè)計時應(yīng)予以考慮的重點。
所用的孕育劑可以是細(xì)粒狀料、由粉料加粘結(jié)劑制成的塊料或預(yù)制塊。
按照鑄件的工藝特點，孕育劑可安放在澆口盆內(nèi)、澆注系統(tǒng)內(nèi)或特制的過濾器件中。
（1）澆口盆內(nèi)孕育
澆口盆內(nèi)孕育可以有兩種方式
澆口盆內(nèi)孕育
（a）孕育塊固定；（b）孕育塊飄浮一種是將塊狀孕育劑固定于澆口盆底部，見圖3（a） ，澆注時逐漸溶入鐵液。澆注的鐵液量較大時，可采用塞桿，這就更有利于孕育劑溶入鐵液并均勻分布于鐵液中。
另一種是將塊狀孕育劑放在澆口盆內(nèi)，澆注時浮在鐵液上，見圖3（b），也可說是浮硅孕育，只不過不在澆包中孕育。采用此種方式時，應(yīng)保證孕育塊部分溶入鐵液后尺寸仍大于直澆口的直徑。
無論采用何種方式，澆口盆內(nèi)都應(yīng)有擋渣板。
（2）澆注系統(tǒng)內(nèi)孕育
澆注系統(tǒng)內(nèi)孕育液也有兩種方式，見圖4。
圖4 澆注系統(tǒng)內(nèi)孕育
（a）孕育塊固定于澆口窩內(nèi)；（b）橫澆道中設(shè)孕育槽可將塊狀孕育劑固定在直澆口下的澆口窩內(nèi)，如圖4（a）所示。采用此種方式時，一定要用預(yù)制成塊狀的孕育劑，澆注過程中逐漸溶入鐵液，實現(xiàn)有效的孕育。
也可將孕育劑安放在橫澆道中專設(shè)的孕育槽內(nèi)，如圖4（b）所示。采用此種方式時，可用粒度為0.3～0.7mm的孕育劑，用量一般為鑄型中鐵液量的0.05～0.1％。澆注時，鐵液從孕育劑的上方流過。為避免孕育劑顆粒進(jìn)入鑄件，鐵液流經(jīng)孕育槽后必須通過有效的過濾片。
（3）通過過濾片時孕育
這是一種比較新的型內(nèi)孕育方法，將孕育劑安放在特制的濾片內(nèi)，澆注時鐵液流經(jīng)濾片得到孕育處理，同時又可以防止殘渣進(jìn)入鑄件型腔。
采用發(fā)泡陶瓷濾片時，在兩濾片間的空腔內(nèi)裝細(xì)粒孕育劑。
一些重要的薄壁灰鑄鐵件，如內(nèi)燃機(jī)的缸體、缸蓋等，需求量不斷增長，冶金要求也日益提高，因而，灰鑄鐵孕育前的預(yù)處理逐漸受到了廣泛的關(guān)注。
生產(chǎn)薄壁灰鑄鐵件時，在孕育處理前進(jìn)行預(yù)處理，不僅可避免組織中出現(xiàn)碳化物，而且可使過冷石墨（B型、D型和E型）減至最少。
研究結(jié)果表明，效果最好的預(yù)處理劑是結(jié)晶態(tài)的碳質(zhì)材料，灰鑄鐵宜用85～90％的冶金碳化硅，也可用晶態(tài)石墨。加入量一般為0.75～1.0％，應(yīng)用時需通過試驗求得最佳用量。預(yù)處理劑加入鐵液后，需要一定的時間使其溶于鐵液，而且需要攪拌，所以，最好是在出鐵前加入感應(yīng)電爐進(jìn)行處理。也有報道說，加入澆包中處理，只要操作得當(dāng)，也可得到很好的效果。
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