孕育铸铁

孕育铸铁的碳当量低于普通亚共晶灰铸铁，凝固温度较高，结晶温度范围较大，再加上孕育处理会使铁水温度下降，其流动性低于普通亚共晶灰铸铁。为了得到良好的孕育效果和好的流动性，出炉温度必须提高到1400℃以上。牌号越高，要求出炉温度也越高。

孕育铸铁的线收缩和体收缩都比普通灰铸铁大。随着牌号的提高，线收缩和体收缩增大，线收缩可达1.2%，缩松也越来越严重。厚大铸件必须考虑冒口补缩，薄壁复杂铸件必须充分估计由收缩而引起的变形和开裂问题。孕育铸铁原铁水碳当量较低，白口倾向较大，经孕育处理后，消除了白口组织，可以浇注较薄的铸件。

广义地说，在炉前加入铁水中，以改变或改善铸铁组织、提高其物理性能和机械性能的材料就叫孕育剂。它可分为两大类：

稳定碳化物类型的孕育剂(如含锰合金)：促使铸铁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。

石墨化类型的孕育剂(如含硅合金)：促使铸铁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。它要求具有很强的石墨化能力、良好的脱氧作用以及较低的熔点。能作为这类孕育剂的物质很多，下面分三方面来叙述：

(1)固体孕育剂：这种孕育剂有简单的元素(如黑色石墨)，有普通的铁合金(如硅铁、硅钙)，也有多元的复杂合金(如稀土硅铁合金)。共效果、价格相差很悬殊。在生产中，较常用的、效果好、价格便宜的有：·

①硅铁：它是最常用的孕育剂，以硅75用得最多

②硅钙：它是硅、钙、铁的合金。其熔点为1000~1245℃。比重为2.4~2.6克/立方厘米。硅钙有三个牌号。从孕育效果来看，硅钙比硅铁好。这是因为，钙不仅有石墨化作用，而且化学性质很活泼，易与氧、硫、氮、碳及氢化合，放出大量反应热，降低铁水的冷却速度。因此，硅钙可用来作为含硫较高的薄壁铸件的孕育剂。用硅钙孕育的铁水，孕育衰退比较慢。但孕育后，铁水浮渣较多，铁件较易产生夹渣缺陷。它的价格比硅铁高，较少被采用。

③稀土硅铁合金：它是供应量较大、价格较低的稀土合金。其熔点为1082~1089℃，平均比重为4.7克/立方厘米。稀土本身是促使形成白口的，但是当稀土加入量小于“临界加入量”时，由于稀土的脱氧去硫等作用，形成了稀土化合物，不仅使稀土本身丧失了原来促使形成白口的作用，而且还减少了氧、硫等杂质强烈阻碍石墨化的作用。同时，稀土化合物在铁水中是难熔的小质点，有人认为，它可成为石墨化晶核，综合结果使铸铁白口减小。所以，稀土硅铁合金实际上是一种复合孕育剂，不仅具有硅铁、硅钙孕育的效果，而且还能净化铁水、改善铸造性能，使石墨和基体组织细化，分布更加均匀，过冷倾向减小，铸铁机械性能和耐磨性提高。它还有一个优点是，像硅铁一类孕育剂的加入量必须适当控制，加入量太多时，不仅不能得到良好的效果，反而使铸铁强度下降。而稀土硅铁合金的加入量对孕育效果的影响不那么敏感。

稀土硅铁钙合金孕育效果更佳，但熔点较高。

④其他：将硅铁和铝的混合物(如二份硅90，一份铝或二份硅75，一份铝)作为复合孕育剂，效果也佳。铁水中加入少量铝不仅有者强烈的石墨化作用，而且有很强的脱氧作用。铝加入铁水中也能放出一部分热量，使铁水降温速度减慢。但与硅铁一样，其加入量必须适当控槲才能获得良好的效果。

(2)液体孕育剂：当铁水温度很低(如低于1330℃)、用固体孕育有困难时，可采用液体孕育剂。其方法是，在两个熔炉中分别熔化两种熔液。一种是低碳当量的(白口或麻口)铁水，另一种是作为孕育剂的高碳当量(低牌号灰铸铁)铁水或液体硅铁(可在坩埚中熔化)。当前者出铁后，在低碳当量铁水中掺入20~50%的高碳当量铁水或液体硅铁(用量比固体硅铁少)，就可获得孕育铸铁。如有人采用3.5～3.6%碳、1.8～2.0%硅的铁水作为孕育剂，以20~35%的数量加入低碳当量(2.9~3.1%碳、0.8～0.9%硅)的铁水中，获得了孕育铸铁。其抗弯强度达到58～62公斤/平方毫米，硬度HB为190~200，金相组织为均匀分布的细小片状石墨和珠光体基体。这种方法不仅可节约大量固体孕育剂，而且孕育衰退较慢。其缺点是需要两套熔化设备。

(3)表面孕育剂：根据铸件较厚的部位来选择铁水化学成分时，壁薄的部位可能会出现白口。为了解决这个问题，可在易出现白口的部位进行表面孕育处理。其方法是：在湿砂型中，用过70~80号筛的孕育剂(硅铁、硅钙等)粉末覆盖型腔表面；在干砂型中，用90%孕育剂粉末和10%糊精的水混合物涂抹型腔表面。上涂料后应予烘干。若有粘砂现象，应在涂料中加入石墨。浇注后，当铁水和涂料接触时，孕育剂便向铸件深处扩散而发生孕育作用。使之不出现白口，铸件整个断面得到均匀的珠光体组织和细小的石墨片。

铸铁是指碳的质量分数为2.06%以上的铸造铁碳合金的总称。通常由生铁、废钢、铁合金等以不同比例配合，通过熔炼而成。其中除碳外，还含有锰、硅和少量的磷与硫。一般可分为灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁、白口铸铁、孕育铸铁等。

孕育铸铁是指经过孕育处理的灰铸铁。孕育处理是指浇筑前向铁水中加入少量强烈促进石墨化的物质(孕育剂)进行处理。最常用的孕育剂为含76%

孕育铸铁特点：强度和韧性都优于普通灰铸铁，而且孕育处理使得不同壁厚铸件的组织比较均匀，性能基本一致。故孕育铸铁常用来制造力学性能要求较高而截面尺寸变化较大的大型铸件。

通过孕育处理后，消除了产生过冷石墨和渗碳体的结晶条件，使石墨细小，分布均匀；大断面上也可以获得细小、均匀的晶粒，避免产生偏析现象；厚壁、薄壁皆可获得细小珠光体基体，从而使铸铁的强度大大提高。

孕育铸铁比普通灰铸铁更可贵的是，它对不同断面的敏感性较小(即强度指标因断面加大而下降的趋势较小)。图1为断面敏感性的有关资料。

由图1可知，孕育灰铸铁断面增加5倍，抗拉强度仅减小10%，而普通灰铸铁断面直径增加3.5倍，抗拉强度却要下降50%。

孕育铸铁的疲劳极限、抗生长性和耐腐蚀性均比普通灰铸铁高，而吸振性能却比普通灰铸铁低。

孕育铸铁的金相组织均匀，硬度趋于一致，其切削加工性能优于普通灰口铸铁。

孕育灰铸铁广泛应用于汽缸、活塞、液压泵和滑阀等零件，还可作为低合金铸铁的代用品。

孕育处理是现代铸造生产提高铸铁性能的重要手段。孕育铸铁是指由碳、硅含量较低的原铁液经孕育处理而得到的高强度灰铸铁。国家标准GB/T 9439--2010规定孕育铸铁牌号有HT250、HT300、HT350。

(1)孕育铸铁熔炼的工艺参数如图2所示。

(2)孕育剂含量与铸件壁厚关系

:为防止铸件薄壁处产生白口或麻口，应注意孕育铸铁允许的最小壁厚。在含碳量不变的条件下，孕育铸铁件壁厚与含硅量的关系见下表：

(3)孕育剂

常用的孕育剂是FeSi75。此外，也可以根据需要选用新型孕育剂如：钡硅铁(BaSiFe)、锶硅铁(SrSiFe)、碳硅钙(TG-1)、稀土钙钡硅铁(RECaBa)、稀土铬锰硅铁(RECrMn)、稳定化复合孕育剂(DWF)等，这些孕育剂已经商品化。

(4)铁液孕育处理操作方法如图3所示。 2100433B

1950～1970年间我国采用冶金用75硅铁作孕育剂使用。这种硅铁中对孕育起重要作用的Ca、Al没有限定含量范围，其孕育效果不稳定。70年代沈阳铸造研究所等单位开发出硅钡、硅锶孕育剂，以后各单位又相继开发或引进了含稀土孕育剂、碳硅孕育剂、稳定化孕育剂等。

十年的实践表明，我国的孕育剂系列可以满足铸铁件生产发展的需求。效果明显优于冶金硅铁。硅铁孕育剂的用量占铸铁孕育剂总量的80%以上。但是，相当多的中小铸造厂和质量要求不高的铸件采用冶金用硅铁作为孕育剂使用，其效果不稳定。销售量居于第二位的是含钡硅铁孕育剂，再次是含锶硅铁孕育剂。碳硅孕育剂(包括从Foseco引进的Inoculin10)、含稀土孕育剂、含铋硅铁孕育剂的用量也有明显增长。这些新型孕育剂在高级铸铁件的生产中起了重要作用，例如薄壁耐水压灰铸铁件发动机缸体件、薄壁或厚大球墨铸铁件等。孕育剂的发展对提高铸铁件质量起了重要作用。最近几年电炉或冲天炉-电炉双联熔化逐步增多，还需要含锆硅铁、含钛硅铁孕育剂但这两种孕育剂用量不大，今后需求可望增加。

为了提高铸铁的抗磨性，防止在铸铁中出现石墨组织，向铸铁中添加一定数量的碳化物形成元素铬从而形成了低铬铸铁。低铬铸铁的含铬量通常在(质量分数)2%～5%范围内，为避免出现石墨，硅量应作限制。此外，为了调整低铬铸铁的组织，进一步提高抗磨性，也可向低铬铸铁中添加一定数量的Mo、Cu、Ni等合金元素。

由于铬及其它合金元素的添加量较少，因此低铬铸铁的组织与普通白口铸铁差别不大，图2为含铬量(质量分数)为2%的Fe-C-Cr平衡相图，可见铬的加入并未在相图中增加新的组成相，只是一些特征点的位置相对于不含铬的Fe-C相图发生了一些改变。

与普通白口铸铁相比，低铬白口铸铁的碳化物为含有少量铬的合金渗碳体(Fe、Cr)₃C，维氏硬度也由840～1100HV增加到1000～1230HV。碳化物形貌也略有所改善，而基体组织则根据热处理状态的不同而不同，可以是珠光体、索氏体、马氏体或它们的混合组织，同时可能伴随有少量的奥氏体。随低铬铸铁中含碳量提高，组织中碳化物数量增加，铸铁的硬度略有增加。低铬铸铁的铸态组织通常为共晶碳化物 珠光体。

低铬铸铁的化学成分根据零件使用的工况条件，可作相应的调整。随含碳量增加，低铬铸铁的碳化物数量增加(而且呈网状形态存在于基体中)，硬度提高，韧性降低，冲击较大的使用工况(如直径较大的球磨机等用低铬铸铁铸球)易产生破碎现象，其含碳量应适当降低，图3是低铬铸铁的碳含量与硬度和相对耐磨性的关系。此外，随铬含量的增加，碳化物的形态和分布有所改善，使冲击韧性、硬度以及疲劳抗力和冲击磨损抗磨性有所增加，图4为铬对低铬铸铁性能的影响。

由于组织中大量碳化物的存在，低铬铸铁的韧性与普通白口铸铁相当，但抗磨料磨损的抗磨性比之有较大的提高。因此，低铬铸铁主要应用于球磨机磨球。

低铬铸铁一般采用铸态去应力处理，其基体组织为珠光体，即将铸态铸件在中、低温度保温适当时间以减少应力。为进一步提高低铬铸铁的硬度，亦可进行高温保温一定时间后空冷并低温回火的方式，获得一定数量的马氏体基体组织，此时为提高淬透性可添加一定数量的Mo、Cu或Ni等元素。

低铬铸铁既可用冲天炉熔炼，亦可用电炉熔炼，还可用冲天炉与电炉双联熔炼。但用冲天炉熔炼时应注意控制铁液的含碳量。通常低铬铸铁铁液在炉前采用稀土硅铁进行孕育处理以提高综合性能。稀土元素有改善碳化物形态、细化晶粒、脱氧、脱硫和净化铁液的作用。低铬铸铁在炉前加入质量分数1%左右的稀土硅铁合金，将对改善低铬铸铁的冲击韧性和抗磨性有一定的作用。

低铬铸铁的铸造性能基本与普通白口铁相当，铸造收缩率在1.6%～1.8%之间。