[科普中國]-孕育處理

簡介

孕育處理就是在澆注前或澆注過程中向金屬液中加入少量的某種物質(zhì)，以影響金屬液生核過程,從而改變其凝固特性的處理工藝。對(duì)于鑄鐵而言，孕育的目的是增加鐵液中的石墨核心，以使共晶凝固，尤其是石墨的析出能在比較小的過冷度下開始進(jìn)行。其結(jié)果是提高石墨析出的傾向，并得到均勻分布的細(xì)小的石墨,從而使鑄鐵具有良好的力學(xué)性能和加工性能

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(shí)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(shí)，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(gè)共晶團(tuán)的形成，都會(huì)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。

但用傳統(tǒng)的孕育劑進(jìn)行孕育時(shí)， 會(huì)使珠光體在不同的溫度下形成，其硬度會(huì)不均勻，由于孕育劑與高溫鐵水反應(yīng)，生成二氧化硅作為石墨初生核，使鐵水中的碳向石墨轉(zhuǎn)變，但由于氧化硅的還原反應(yīng)，會(huì)使鐵水中的硅含量漸漸減少，這樣就會(huì)減小鐵水的過冷度，過冷度越小就越容易傾向碳-滲碳體系轉(zhuǎn)變。

理論基礎(chǔ)自從孕育技術(shù)誕生以來，世界各地的鑄造工作者便開始探詢?cè)杏幚淼臋C(jī)理。經(jīng)過70多年的努力，盡管在許多理論問題上取得了重要進(jìn)展，但是孕育處理的機(jī)理至今尚無一致的認(rèn)識(shí)。

孕育處理的本質(zhì)是在鐵液中創(chuàng)造有利于石墨形核析出的熱力學(xué)、尤其是動(dòng)力學(xué)條件，因此孕育處理對(duì)鐵液凝固過程的影響應(yīng)該是多方面因素的綜合作用。根據(jù)人們目前的認(rèn)識(shí)，它主要包括以下內(nèi)容： （1）增加鐵液中的溫度起伏、濃度起伏和結(jié)構(gòu)起伏，創(chuàng)造石墨均質(zhì)形核的有利條件；（2）增加石墨非均質(zhì)形核的核心；（3）減小滲碳體的穩(wěn)定性。

增加鐵液中的三個(gè)起伏，創(chuàng)造石墨均質(zhì)形核的條件

鑄鐵同其它合金一樣在液態(tài)始終存在溫度起伏、濃度起伏和結(jié)構(gòu)起伏。當(dāng)孕育劑加入到鐵液中后，孕育劑顆粒從其周圍的鐵液中吸收熱量，使其周圍形成一個(gè)微小的低溫區(qū)。孕育劑顆粒在從其周圍的鐵液中吸收熱量的同時(shí)被熔化消失。由于孕育劑的主要成分為硅或碳，因此它熔化后并非消失得無影無蹤，而是形成了高硅高碳的微區(qū)，這些微區(qū)在結(jié)構(gòu)上保留了孕育劑物質(zhì)的結(jié)構(gòu)痕跡。由此可見，孕育劑的加入增加了鐵液溫度、濃度和微觀結(jié)構(gòu)上的不均勻性，即極大地增加了鐵液中的溫度起伏、濃度起伏和結(jié)構(gòu)起伏。

用電子探針測(cè)定鐵液液淬后各元素的分布，證實(shí)了鐵液無論是否經(jīng)過孕育處理都存在碳硅的不均勻現(xiàn)象，而且這種不均勻現(xiàn)象呈周期性分布。加入孕育劑后，濃度起伏明顯增大。 孕育處理后鐵液由溫度起伏、濃度起伏和結(jié)構(gòu)起伏到石墨形核析出需要一個(gè)微觀的演變過程。石墨析出后能否穩(wěn)定存在并長大，取決于鐵液的熱力學(xué)條件。如果石墨相析出后鐵液長時(shí)間處于較高的溫度下，石墨就會(huì)被溶解消失，即所謂孕育衰退；如果石墨析出后鐵液處于高溫的時(shí)間較短，石墨相被溶解后鐵液中仍存在石墨質(zhì)點(diǎn)，這些石墨質(zhì)點(diǎn)在鐵液冷卻到液相線以下時(shí)重新長大，這就是人們所觀察到的石墨二次形核現(xiàn)象；如果石墨析出時(shí)鐵液已在液相線附近，石墨相就會(huì)直接長成片狀。

增加石墨異質(zhì)形核的核心 孕育處理可以促使鐵液中出現(xiàn)大量石墨異質(zhì)形核的核心，這些石墨異質(zhì)核心主要有：碳化物、硫化物、硅酸鹽、氧化物、氮化物、和未溶解石墨。

增加石墨異質(zhì)形核的核心

孕育處理可以促使鐵液中出現(xiàn)大量石墨異質(zhì)形核的核心，這些石墨異質(zhì)核心主要有：碳化物、硫化物、硅酸鹽、氧化物、氮化物、和未溶解石墨。

減小滲碳體的穩(wěn)定性

如果在鐵液凝固過程中能有效地阻止?jié)B碳體的析出，客觀上就會(huì)促使石墨析出。因此，孕育處理的另一種可能機(jī)制就是減小滲碳體的穩(wěn)定性。硅是孕育劑中的主要元素，其減小滲碳體穩(wěn)定性的作用表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (a)硅原子與滲碳體反應(yīng)析出碳原子和硅鐵，而硅鐵溶解于鐵液形成高硅鐵素體和碳化硅。碳化硅在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的。 (b)硅飽和溶體具有排碳性，使碳成為過飽和狀態(tài)并以石墨形式析出。 (c)硅與溶體反應(yīng)所釋放的熱量延緩了鑄鐵的冷卻

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1。

鑄鐵孕育處理所用的孕育劑，加入量很少，對(duì)鑄鐵的化學(xué)成分影響甚小，對(duì)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(duì)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(dòng)性較好，鑄件的收縮減少、加工性能改善、殘留應(yīng)力減少。

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(shí)會(huì)使刀具過熱，顯著降低刀具的壽命。與球墨鑄鐵不同，對(duì)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(shí)形成的。在光學(xué)顯微鏡下觀察時(shí)，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(shí)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(shí)的過冷度也比形成A型石墨時(shí)大，結(jié)晶時(shí)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(duì)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(shí)部分石墨片上有帶尖角的塊狀。過共晶鐵液冷卻時(shí)，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(shí)間較長，形成分枝較少的粗大片狀。溫度降低到共晶溫度時(shí)，發(fā)生正常的共晶轉(zhuǎn)變，這時(shí)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(duì)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(shí)，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(huì)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(shí)，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(shí)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(shí)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(duì)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(huì)形成D型石墨。因此，在高強(qiáng)度薄壁鑄鐵件中往往會(huì)同時(shí)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。

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(duì)薄壁鑄件的需求日益增多，對(duì)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(bào)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(diǎn)、參考其他單位的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)，并考核供應(yīng)廠商產(chǎn)品的質(zhì)量，再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果作出最適合本企業(yè)條件的選擇。

75硅鐵75硅鐵是最常采用的孕育劑，其中的鋁、鈣含量對(duì)孕育效果有重要的作用，有報(bào)道說，不含鋁、鈣的硅鐵對(duì)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(huì)與氧、氮反應(yīng)，形成高熔點(diǎn)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(shí)，不能不考慮其中鋁和鈣的含量。

對(duì)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/T2272－1987中有不同鋁含量的75硅鐵牌號(hào)，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(shí)，對(duì)此也應(yīng)有所考慮。

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。

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(shí)的用量也少于75硅鐵。

有報(bào)道說，加入過多的鋇會(huì)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(bào)告稱，含鉍的硅鐵也具有與含鋇硅鐵類似的效果。

含鋯硅鐵鋯有脫氧作用，有利于提高鐵液的流動(dòng)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。

硅鋇合金一般用用含鋇20～30%的硅鋇合金作孕育劑。