鑄鐵生產(chǎn)當(dāng)中，孕育是否到位，對鑄件的影響非常大。孕育環(huán)節(jié)做好，鑄件就組織致密，結(jié)晶細(xì)小，沒有白口現(xiàn)象。孕育做不好，鑄件組織粗大，同一鑄件上面會出現(xiàn)硬度不均勻，鑄件軟硬不一的缺陷。
球化工藝也是如此，在球墨鑄鐵生產(chǎn)當(dāng)中，球化工藝及球化劑的選擇對生產(chǎn)的影響也很大。球墨鑄鐵生產(chǎn)當(dāng)中跟球化劑有關(guān)缺陷就有七大類。
今天，就為大家整理了孕育和球化工藝的合集。將這兩塊知識放到一塊，對大家了解孕育、球化工藝會更好的幫助。
孕育篇
一、常用鑄鐵孕育劑中元素的孕育作用
(1)Si 能促進(jìn)石墨化，一方面增加鐵素體含量；另一方面可固溶強化鐵素體。常與Ca同時使用以增強效果，含量一般選用ωSi=2.6%~3.2%。
(2)Ca 通常與Si同時使用，適用溫度在1370~1430℃，但加入過量易產(chǎn)生渣眼缺陷。
(3)Ba 能抑制孕育衰退，增強鐵素體的數(shù)量，含Ba的硅鐵不僅抗衰退性好，還對防止白口有效。
(4)Al 能有效促進(jìn)石墨化，但容易引起皮下氣孔，常和硅鐵一起使用提高效果。
(5)Mn 有促進(jìn)珠光體的作用，與氮一起作用時效果好，可使孕育劑(Zr系)的熔點下降，一般選用ωMn =0.2%~0.4%。
(6)RE 鐵液中的含硫量對其效果影響較大，在鐵液中ωS = 0.035%~0.1%時效果較好，可細(xì)化石墨，抑制白口化。
(7)Sr 有抑制白口化、增強石墨化的作用，在有Ca、Ce元素時效果差。Fe-Si-Sr系孕育劑在灰鑄鐵。ωS＜0.05%時效果好。
(8)Zr 能促進(jìn)石墨化。Fe-Si-Zr孕育劑較難熔解，對防止氮氣孔有作用，Mn元素對其熔解有一定的促進(jìn)作用。
(9)Bi 增加石墨球數(shù)，減少白口傾向，增加基體中鐵素體的含量，常與Fe-Si共同作用細(xì)化晶粒。另外，Bi-Cu孕育能促進(jìn)退火過程中石墨核心的長大。
二、有效孕育元素的選擇
1.一般的選擇原則
(1)有效防止出現(xiàn)白口的孕育元素為：Ba、RE、Sr.、 Si。
(2)有效促進(jìn)石墨化的孕育元素為：Ba、Ca。
(3)能抑制或減緩孕育衰退的元素為：Ba、Ca、RE。
(4)促進(jìn)孕育劑熔入鐵液的元素為：Mn、Mg。
2.特殊的選用原則
(1)防止大型厚壁灰鑄件產(chǎn)生裂紋可選用稀土硅鐵鎂合金，其成分為ωRE=13.24%~13.69%，ωMg=12.76%~13.11%，ωSi=38%~44 %，ωCa<4%，加入量為0.25%。
(2)生產(chǎn)鐵素體球墨鑄件可選用FeSi72孕育劑，粒度為2~6mm，加入量為1.5%，同時加入0.16%純鋁進(jìn)行復(fù)合強化孕育，效果較好。
(3)防球墨鑄鐵孕育衰退，可選用一次孕育加入粒度3~8mm的FeSi75，二次孕育加入的粒度為0.5~2mm，三次孕育采用粉劑的辦法，加入量為0.3%~1%。
(4)大斷面高碳當(dāng)量、高強度鑄鐵可選用含鈦量為0.08%~0.15%的孕育劑；對高碳當(dāng)量薄壁灰鑄鐵件應(yīng)選用硅鋇稀土合金孕育劑，可減少白口傾向，降低鑄件硬度，抑制孕育衰退等，效果較好，加入量為0.3%~1%。
(5)RE-Si孕育劑消除白口的能力較強，但形成D、E型過冷石墨傾向較大，難以降低鑄件硬度。Si-Ba孕育劑消除D、E型過冷石墨，促使A型石墨形成的能力較強，因此兩種孕育劑搭配使用效果好。
(6)鐵液中的硫含量對孕育處理影響較大。在含硫量高的鐵液中，一般使用石墨系(如電極屑)、N系(如Fe- Mn-N)孕育劑效果好；在含硫量低的鐵液中，Ce、Ca、Ba、N系(如RE-Si、Ca-Si-Ba、Fe-Mn-N、Ca-Si-Sr)孕育效果好。
3.孕育劑的加入量
(1)球墨鑄鐵一般比灰鑄鐵的孕育劑加入量要多。
(2)孕育處理后的鐵液如果澆注時間較長，由于孕育衰退，加入量應(yīng)增多。
(3)薄壁鑄件容易產(chǎn)生白口，孕育劑的加入量應(yīng)相應(yīng)增多。
(4)鐵液中的熔渣較多時，由于孕育劑一經(jīng)與渣子接觸，就會被裹住，難以熔化，因此加入量相應(yīng)增多。
(5)孕育劑加入過量，會浮致熔渣過多鐵液溫度降低及由共晶團(tuán)產(chǎn)牛的縮孔等問題。孕育劑塊度過大，將不能對鐵液均勻孕育，未熔解的孕育劑還會澆入型腔；塊度過小，則易氧化引起熔渣，還易發(fā)生孕育衰退。
(6)隨流孕育法使用的孕育劑塊度較小，一般為0.2~0.8mm，加入量為0 .05%~0.2%；型內(nèi)孕育法的塊度一般要求≤0.25mm，加入量≤0.1%；
其余孕育法加入的塊度一般為1~10mm，加入量為0.1%%~0.8%。
4.孕育處理的溫度及其效果檢驗
理論上石墨共晶溫度為1153℃+6.7×Si%。當(dāng)理論石墨共晶溫度大于實際未孕育鐵液的最低共晶溫度20~40℃時，一般需要采用孕育處理。
鑄鐵孕育處理效果的好壞可通過鑄件的力學(xué)性能、物理性能測定對比，還應(yīng)分析其金相組織的結(jié)構(gòu)，以確定最優(yōu)化的孕育處理。
球化篇
1． 球鐵的生產(chǎn)和研究現(xiàn)狀
1. 1常規(guī)球鐵
目前常規(guī)球鐵——即以鐵素體和珠光體為基體的球鐵仍占球鐵產(chǎn)量中的絕大部分比例，因此注意提高常規(guī)球鐵的性能和質(zhì)量，在保持球鐵的競爭地位中起了重要的作用。
1．1． 1對影響球鐵質(zhì)量的因素加強控制
球鐵的組織與性能取決于鑄鐵的成份和結(jié)晶條件以及所用球化劑的質(zhì)量，研究認(rèn)為為了確保球鐵的機械性能，必須針對鑄件具體壁厚、澆注溫度、所用球化劑、球化處理工藝、冷卻參數(shù)的優(yōu)化以及有效的排渣措施進(jìn)行嚴(yán)格控制，而適當(dāng)?shù)慕档吞籍?dāng)量，合金化和熱處理是改善球鐵的有效措施。
1．1．2有效控制鐵素體球鐵和球光體球鐵的生產(chǎn)
控制球鐵基體的主要因素有鑄鐵的成份、所用球化劑、孕育劑的類型，加入方法以及冷卻條件等。
鑄態(tài)鐵素體球鐵的成份控制
微過共晶成份，其中碳稍高，但不出現(xiàn)石墨漂浮，含硅稍低，孕育劑硅量應(yīng)少于3%，錳越低越好，應(yīng)使Mn<0.04%，硫、磷應(yīng)低，使S≤0.02%、 P≤0.02％，這是因為硅可改善球鐵組織和相應(yīng)的塑性，Si=3.0～3.5%可得到全部鐵素體組織。有研究指出，Si=2.6～2.8％時，鑄鐵具有最高的延伸率和沖擊韌性，但硅在鐵中的顯微偏析隨著含磷量的增加，這種偏析越嚴(yán)重，并對機械性能有不良影響，特別是當(dāng)溫度低于零度時影響更大，而含硫低可以選用低鎂低稀土球化劑球化，并減少“黑斑”缺陷的產(chǎn)生，而“黑斑”主要是鎂、鈰硫化物和氧化物的聚集物，此外也要用低硅球化劑以保證可以進(jìn)行多次孕育。
對珠光體球鐵而言，在生產(chǎn)時鑄鐵成份中錳可提高至0.8～1.0％，有些鑄件如果是用作耐磨性曲軸時，錳可提高至1.2～1.35％，生產(chǎn)鑄態(tài)珠光體元素銅。加入量大于1.8%時，它阻礙石墨球化，但促進(jìn)基體完全珠光體化，一般球鐵中銅含量應(yīng)小于1.5%，錫是強烈的珠光體化元素，其對硬度的影響大于銅和錳，但Sn≥1.0%時使石墨畸變，因此其含量應(yīng)限制在0.08％以下。
1.1.3 稀土在球鐵中的作用
稀土能促進(jìn)鎂合金的球化效果（球化率和球的圓整度），它對壁厚球鐵件中防止球狀石墨畸變的效果受到了重視，這也是國內(nèi)外球化劑中都包含稀土的主要原因之一。
在鑄件中有些元素能破壞和阻礙石墨球化，這些元素即所謂的球化干擾元素，干擾元素分為兩類，一是消耗球化元素型干擾元素，它們與鎂、稀土生成MgS、MgO、MgSe、RE2O3、RE2S3、RE2Te3等，使球化元素降低從而破壞了球狀石墨形成；另一類是晶間偏析型干擾元素，包括錫、銻、砷、銅、鈦、鋁等在共晶結(jié)晶時，這些元素富集在晶界，促進(jìn)使碳在共晶后期形成畸形的枝晶狀石墨 ，球化干擾元素原子量越大，其干擾作用越強，現(xiàn)在許多研究都已找到了干擾元素在鑄鐵中的臨界含量，當(dāng)這些元素含量小于臨界含量時，并不能形成畸變石墨。
在有干擾元素的鑄鐵中，加入稀土可消除其干擾作用，有研究報告指出在鑄鐵中干擾元素之和應(yīng)小于0.10％即z=Ti+Cr+Sb+V+As+Pb+Zn+…<0.10%
有研究指出，中和鐵水中的Al、Sb、TI、Pb、Bi、等只要分別加入0.005～0.04%Ce即可，例如，中和Ti、Pb、Sb、Al等只要分別加入0.005~0.007%、0.014%、0.15%和0.008%的Ce即可。
干擾元素在鑄件壁厚，冷卻速度慢的情況下破壞作用更大。
干擾元素對球鐵基體也有影響，Te、B強烈促進(jìn)白口形成，Cr、As、Sn、Sb、Pb、Bi穩(wěn)定珠光體，Al、Zr促進(jìn)鐵素體。
值得注意的是，目前正在發(fā)展一些球化元素與干擾元素復(fù)合球化劑，以改善大斷面球鐵的處理效果及石墨球的圓整度。
1.1. 4球鐵檢測加強
球鐵檢測是保證其質(zhì)量的重要措施，目前正在研究發(fā)展線分析，即產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中進(jìn)行分析，以確定其質(zhì)量，已有不少單位在大批量生產(chǎn)條件下利用超聲波對鑄件質(zhì)量進(jìn)行分析。
在利用超聲波測定鑄鐵組織時，片狀石墨的聲速為4500m/s、蠕墨鑄鐵為5400m/s、球墨鑄鐵5600m/s，此外在鑄鐵中高頻衰減率的變化也可判斷鑄鐵類型，球鐵中心頻率為5MHz而片狀鑄鐵僅為1.5MHz。目前還有單位正在用超聲波作球化級別的測定，已可測定合格的球化級別和不合格的產(chǎn)品（3級和4級之間），但還不能進(jìn)行更細(xì)分級測定，此方法正在完善中。
1．2奧—貝球鐵
20世紀(jì)70年代，荷蘭、中國、美國彼此獨立地，幾乎是同時宣布各自研究成功了貝氏體球鐵，中國研究成功的是下貝氏體，美國為下貝氏體＋馬氏體，荷蘭為上貝氏體＋奧氏體，荷蘭成果最具代表性，即現(xiàn)在所稱的奧—貝球鐵。1977年M.Jokason宣布荷蘭的Kgmi Kgmmene公司所屬的karkkila鑄造廠開發(fā)了一種特性優(yōu)異的新型鑄鐵，即奧—貝球鐵，并在1978年召開第45屆國際年會上宣讀了有關(guān)論文，此一發(fā)明在美、英、法、加等13個國家申請了專利（美國專利號：3860457，荷蘭專利1996/72，原西德專利2852870），引起了各國重視，被譽為近幾十年來鑄鐵冶金中的重大成就之一。
奧—貝球鐵兼?zhèn)涓邚姸取⒏唔g性和高耐磨性。如英國的標(biāo)準(zhǔn)有NE-GJS-800-8，EN-GJS-1000-5，EN-GJS-1400-1。
奧—貝球鐵成份與常規(guī)球鐵成份相同，球化劑和處理工藝也相同，其差別是必須進(jìn)行等溫淬火處理，等溫淬火溫度不同時可分別獲得上貝氏體＋奧氏體，下貝氏＋奧氏體，下貝氏＋馬氏體等不同基體。這種鑄鐵成本高、生產(chǎn)難度較大，目前應(yīng)用面雖在不斷擴大，但其總量并不大，被人們稱之為21世紀(jì)材料。
2．球化劑的現(xiàn)狀
球化劑是目前獲得球鐵的主要手段之一，在志包鋼稀土一廠共同完成國家攻關(guān)課題“稀土三劑系列化”時，我校課題組對世界上100多個球化劑生產(chǎn)廠，國內(nèi)主要合金生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)研，取得了英、美、法、德、日、前蘇聯(lián)、印度等十幾個國家50多家合金生產(chǎn)廠的產(chǎn)品樣本及國內(nèi)主要球化劑生產(chǎn)廠的產(chǎn)品樣本，為對比國內(nèi)外球化劑性能及今后球化劑生產(chǎn)改進(jìn)提供了依據(jù)。
2．1球化劑的類型
按生產(chǎn)方式分有下述幾種。
(1)球化劑的類型
包括鎂硅系合金、稀土鎂硅系合金、鈣系合金(日本用的較多)，鎳鎂系合金、純鎂合金、稀土合金。
上述合金中目前世界上用的最為廣泛的是稀土鎂硅鐵合金，但中國合金中RE/Mg的比值范圍大(0.5~2.2)，國外的合金RE/Mg的比值范圍小(0.1~0.3)。中國合金中稀土大于等于鎂含量的占多數(shù)，小于鎂含量的占少數(shù)，而國外(除前蘇聯(lián)一些合金外)球化劑合金中的稀土含量幾乎都小于鎂含量，因此稀土三劑系列化課題組建議除保留FeSlMg8E18外(此合金是效果優(yōu)良的蠕化劑)，其它全部球化劑中RE/Mg≤1，隨后修訂的國家標(biāo)準(zhǔn)中采納了這個建議。
鈣鎂球化劑主要是日本生產(chǎn)和應(yīng)用，如日本信越(SHIN—ETSU)生產(chǎn)的鈣系合金NC5、NCl0、NCl5、NC20、NC25中鎂含量從4~28％變動，但鈣含量變化較小，其變化范圍為20~31%；此類合金白口傾向小，但要求處理溫度高，處理后渣量大。
鎳鎂合金在美洲、歐洲均有應(yīng)用，美國國際鎳公司生產(chǎn)的鎳鎂合金最高達(dá)82~85%，其中Mg、Ca分別為13~16，及20，鎳最低的57~61%(其中Mg4.0~4.5％，Ca<2.5，F(xiàn)e32~36)。德國金屬化學(xué)公司生產(chǎn)的鎳鎂合金中Ni47~51％，Mgl5~17％，C1.0％Si28~32%,RE1.0%余Fe。這些合金的優(yōu)點是比重大，反映平穩(wěn)，鎳可起合金化作用，其特點是價格貴，這種合金在中國基本沒有應(yīng)用。
鎳硅系合金目前在中國基本上已不用。純鎂合金處理時要用專用的壓力加鎂包，鎂的吸收率高，但處理安全措施要極為嚴(yán)格，生產(chǎn)中應(yīng)用比例較小。
稀土是發(fā)明球鐵時使用的球化劑，它的發(fā)現(xiàn)推進(jìn)了球鐵工業(yè)應(yīng)用的進(jìn)程。但價格高，白口傾向大，過量會使石墨變態(tài)，現(xiàn)在己不作為球化劑單獨使用，僅作為輔助球化元素。
(2)壓塊狀球化劑
用鎂粉和鐵粉及所設(shè)計的硅含量直接加壓成型，這種球化劑中含硅很低，通常稱為低硅壓塊狀球化劑，因而為后續(xù)的孕育提供了大的余地，有利于生產(chǎn)鑄態(tài)球鐵，但這種合金易漂浮，處理效果波動大，處理時最好跟塊狀球化劑混合使用。
(3)包芯線型球化劑
將鎂粉、鐵粉包覆在薄鋼板或鋼板中，將其快速送入鐵水中達(dá)到球化目的，這種球化劑較貴，且設(shè)備投資大，但處理時合金吸收率高，因此處理球鐵的總成本幾乎沒有提高。
(4)粉狀球化劑
這種球化劑是俄羅斯的一個專利，使用時將鎂粉與抑制劑混合放入包內(nèi)，并使鐵水從合金表面上流過，逐層與合金反映達(dá)到球化效果，這種專門工藝稱之為MC。
2．2球化劑的應(yīng)用
目前國內(nèi)外在球鐵生產(chǎn)中主要應(yīng)用火法冶煉的合金，壓塊球化劑、包芯線球化劑、粉狀球化劑應(yīng)用的很少，火法冶煉的球化劑在生產(chǎn)中應(yīng)用占90％以上，目前這類合金中增加Ba、Ca、Cu、Ni等以達(dá)到控制基體目的，對合金中的氧化鎂含量已有限量指標(biāo)?，F(xiàn)對中國33個典型工廠和美國77個工廠生產(chǎn)球鐵工廠進(jìn)行對比分析。
中國33個工廠的基本情況是：33個工廠總計有36個熔爐，其中電爐(中頻、工頻、電弧爐)9個占25％，沖天爐22個占61％，沖天爐一電爐雙聯(lián)熔煉廠4個占11％，高爐1個占3％，球鐵處理溫度大于1500℃，4個占11％，1450~1500℃，20個占56％，1350~1400℃，6個占16．7％，1300~1350℃，2個占5.6%；大于1270℃1個占2.7％；鐵水含硫量小于等于0．03％占20％；處理方法中沖入法占94％，噴吹法占3％，壓力加鎂法3％，用量最大的6#合金Mg8RE8占46％，其次為Mg8RE5占37％，Mg9RE5占11％。
美國77個工廠的基本情況是：
熔化設(shè)備沖天爐占30%，感應(yīng)電爐占63％，球化處理溫度1482~1538℃占75%；原鐵水在球化處理前有50％工廠采用預(yù)脫硫工藝，有90％的工廠S小于0．025%，球化處理方法中在美國大工廠中沖入法占36％，而小廠(小于200噸/周)沖入法僅占22％，壓入法、多孔塞法、型內(nèi)處理法、Tundish蓋包法、壓力加鎂法則占絕大部分比重，使用的球化劑中含鎂大于％的占8．2％Mg4~6％占63．3，含鎂小于4％占16．4％純鎂占5％，其它的鎂合金占8．2％。
我國從90年到現(xiàn)在球化劑生產(chǎn)已有了很大變化，稀土鎂合金國家標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過修訂，對合金中的RE作了重大調(diào)整，除保留Mg8RE18以外，其它合金中Mg/Re均大于1，工廠使用的合金中稀土量有所下降，Mg8RE5—7的合金應(yīng)用大量增加，電爐也增加了不少，但原鐵水中的含硫量變化不大，預(yù)脫硫工藝未有效地推廣，因此我國球化劑中Mg、BE仍處在較高的水平上，新的球化處理工藝在我國推廣不多，如在美國占有很大比例的Tundish蓋包法在我國幾乎還未得到應(yīng)用，這些都是我國球鐵生產(chǎn)廠待解決的問題。
（轉(zhuǎn)至鑄造工業(yè)）
