孕育鑄鐵材料簡介

鑄鐵是指碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.06%以上的鑄造鐵碳合金的總稱。通常由生鐵、廢鋼、鐵合金等以不同比例配合，通過熔煉而成。其中除碳外，還含有錳、硅和少量的磷與硫。一般可分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵、白口鑄鐵、孕育鑄鐵等。

孕育鑄鐵是指經(jīng)過孕育處理的灰鑄鐵。孕育處理是指澆筑前向鐵水中加入少量強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的物質(zhì)(孕育劑)進(jìn)行處理。最常用的孕育劑為含76%

孕育鑄鐵特點(diǎn)：強(qiáng)度和韌性都優(yōu)于普通灰鑄鐵，而且孕育處理使得不同壁厚鑄件的組織比較均勻，性能基本一致。故孕育鑄鐵常用來制造力學(xué)性能要求較高而截面尺寸變化較大的大型鑄件。

通過孕育處理后，消除了產(chǎn)生過冷石墨和滲碳體的結(jié)晶條件，使石墨細(xì)小，分布均勻；大斷面上也可以獲得細(xì)小、均勻的晶粒，避免產(chǎn)生偏析現(xiàn)象；厚壁、薄壁皆可獲得細(xì)小珠光體基體，從而使鑄鐵的強(qiáng)度大大提高。

孕育鑄鐵比普通灰鑄鐵更可貴的是，它對(duì)不同斷面的敏感性較小(即強(qiáng)度指標(biāo)因斷面加大而下降的趨勢較小)。圖1為斷面敏感性的有關(guān)資料。

由圖1可知，孕育灰鑄鐵斷面增加5倍，抗拉強(qiáng)度僅減小10%，而普通灰鑄鐵斷面直徑增加3.5倍，抗拉強(qiáng)度卻要下降50%。

孕育鑄鐵的疲勞極限、抗生長性和耐腐蝕性均比普通灰鑄鐵高，而吸振性能卻比普通灰鑄鐵低。

孕育鑄鐵的金相組織均勻，硬度趨于一致，其切削加工性能優(yōu)于普通灰口鑄鐵。

孕育灰鑄鐵廣泛應(yīng)用于汽缸、活塞、液壓泵和滑閥等零件，還可作為低合金鑄鐵的代用品。

孕育鑄鐵的碳當(dāng)量低于普通亞共晶灰鑄鐵，凝固溫度較高，結(jié)晶溫度范圍較大，再加上孕育處理會(huì)使鐵水溫度下降，其流動(dòng)性低于普通亞共晶灰鑄鐵。為了得到良好的孕育效果和好的流動(dòng)性，出爐溫度必須提高到1400℃以上。牌號(hào)越高，要求出爐溫度也越高。

孕育鑄鐵的線收縮和體收縮都比普通灰鑄鐵大。隨著牌號(hào)的提高，線收縮和體收縮增大，線收縮可達(dá)1.2%，縮松也越來越嚴(yán)重。厚大鑄件必須考慮冒口補(bǔ)縮，薄壁復(fù)雜鑄件必須充分估計(jì)由收縮而引起的變形和開裂問題。孕育鑄鐵原鐵水碳當(dāng)量較低，白口傾向較大，經(jīng)孕育處理后，消除了白口組織，可以澆注較薄的鑄件。

廣義地說，在爐前加入鐵水中，以改變或改善鑄鐵組織、提高其物理性能和機(jī)械性能的材料就叫孕育劑。它可分為兩大類：

穩(wěn)定碳化物類型的孕育劑(如含錳合金)：促使鑄鐵由穩(wěn)定系統(tǒng)向次穩(wěn)定系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，適用于大型鑄件、共晶和過共晶鑄鐵以及不便降低碳當(dāng)量的鑄鐵中，以阻止鑄鐵過分石墨化。

石墨化類型的孕育劑(如含硅合金)：促使鑄鐵由次穩(wěn)定系統(tǒng)向穩(wěn)定系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。通常人們所說的、生產(chǎn)孕育鑄鐵用的孕育劑是指這一類。它要求具有很強(qiáng)的石墨化能力、良好的脫氧作用以及較低的熔點(diǎn)。能作為這類孕育劑的物質(zhì)很多，下面分三方面來敘述：

(1)固體孕育劑：這種孕育劑有簡單的元素(如黑色石墨)，有普通的鐵合金(如硅鐵、硅鈣)，也有多元的復(fù)雜合金(如稀土硅鐵合金)。共效果、價(jià)格相差很懸殊。在生產(chǎn)中，較常用的、效果好、價(jià)格便宜的有：·

①硅鐵：它是最常用的孕育劑，以硅75用得最多

②硅鈣：它是硅、鈣、鐵的合金。其熔點(diǎn)為1000~1245℃。比重為2.4~2.6克/立方厘米。硅鈣有三個(gè)牌號(hào)。從孕育效果來看，硅鈣比硅鐵好。這是因?yàn)椋}不僅有石墨化作用，而且化學(xué)性質(zhì)很活潑，易與氧、硫、氮、碳及氫化合，放出大量反應(yīng)熱，降低鐵水的冷卻速度。因此，硅鈣可用來作為含硫較高的薄壁鑄件的孕育劑。用硅鈣孕育的鐵水，孕育衰退比較慢。但孕育后，鐵水浮渣較多，鐵件較易產(chǎn)生夾渣缺陷。它的價(jià)格比硅鐵高，較少被采用。

③稀土硅鐵合金：它是供應(yīng)量較大、價(jià)格較低的稀土合金。其熔點(diǎn)為1082~1089℃，平均比重為4.7克/立方厘米。稀土本身是促使形成白口的，但是當(dāng)稀土加入量小于“臨界加入量”時(shí)，由于稀土的脫氧去硫等作用，形成了稀土化合物，不僅使稀土本身喪失了原來促使形成白口的作用，而且還減少了氧、硫等雜質(zhì)強(qiáng)烈阻礙石墨化的作用。同時(shí)，稀土化合物在鐵水中是難熔的小質(zhì)點(diǎn)，有人認(rèn)為，它可成為石墨化晶核，綜合結(jié)果使鑄鐵白口減小。所以，稀土硅鐵合金實(shí)際上是一種復(fù)合孕育劑，不僅具有硅鐵、硅鈣孕育的效果，而且還能凈化鐵水、改善鑄造性能，使石墨和基體組織細(xì)化，分布更加均勻，過冷傾向減小，鑄鐵機(jī)械性能和耐磨性提高。它還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，像硅鐵一類孕育劑的加入量必須適當(dāng)控制，加入量太多時(shí)，不僅不能得到良好的效果，反而使鑄鐵強(qiáng)度下降。而稀土硅鐵合金的加入量對(duì)孕育效果的影響不那么敏感。

稀土硅鐵鈣合金孕育效果更佳，但熔點(diǎn)較高。

④其他：將硅鐵和鋁的混合物(如二份硅90，一份鋁或二份硅75，一份鋁)作為復(fù)合孕育劑，效果也佳。鐵水中加入少量鋁不僅有者強(qiáng)烈的石墨化作用，而且有很強(qiáng)的脫氧作用。鋁加入鐵水中也能放出一部分熱量，使鐵水降溫速度減慢。但與硅鐵一樣，其加入量必須適當(dāng)控槲才能獲得良好的效果。

(2)液體孕育劑：當(dāng)鐵水溫度很低(如低于1330℃)、用固體孕育有困難時(shí)，可采用液體孕育劑。其方法是，在兩個(gè)熔爐中分別熔化兩種熔液。一種是低碳當(dāng)量的(白口或麻口)鐵水，另一種是作為孕育劑的高碳當(dāng)量(低牌號(hào)灰鑄鐵)鐵水或液體硅鐵(可在坩堝中熔化)。當(dāng)前者出鐵后，在低碳當(dāng)量鐵水中摻入20~50%的高碳當(dāng)量鐵水或液體硅鐵(用量比固體硅鐵少)，就可獲得孕育鑄鐵。如有人采用3.5～3.6%碳、1.8～2.0%硅的鐵水作為孕育劑，以20~35%的數(shù)量加入低碳當(dāng)量(2.9~3.1%碳、0.8～0.9%硅)的鐵水中，獲得了孕育鑄鐵。其抗彎強(qiáng)度達(dá)到58～62公斤/平方毫米，硬度HB為190~200，金相組織為均勻分布的細(xì)小片狀石墨和珠光體基體。這種方法不僅可節(jié)約大量固體孕育劑，而且孕育衰退較慢。其缺點(diǎn)是需要兩套熔化設(shè)備。

(3)表面孕育劑：根據(jù)鑄件較厚的部位來選擇鐵水化學(xué)成分時(shí)，壁薄的部位可能會(huì)出現(xiàn)白口。為了解決這個(gè)問題，可在易出現(xiàn)白口的部位進(jìn)行表面孕育處理。其方法是：在濕砂型中，用過70~80號(hào)篩的孕育劑(硅鐵、硅鈣等)粉末覆蓋型腔表面；在干砂型中，用90%孕育劑粉末和10%糊精的水混合物涂抹型腔表面。上涂料后應(yīng)予烘干。若有粘砂現(xiàn)象，應(yīng)在涂料中加入石墨。澆注后，當(dāng)鐵水和涂料接觸時(shí)，孕育劑便向鑄件深處擴(kuò)散而發(fā)生孕育作用。使之不出現(xiàn)白口，鑄件整個(gè)斷面得到均勻的珠光體組織和細(xì)小的石墨片。

孕育處理是現(xiàn)代鑄造生產(chǎn)提高鑄鐵性能的重要手段。孕育鑄鐵是指由碳、硅含量較低的原鐵液經(jīng)孕育處理而得到的高強(qiáng)度灰鑄鐵。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9439--2010規(guī)定孕育鑄鐵牌號(hào)有HT250、HT300、HT350。

(1)孕育鑄鐵熔煉的工藝參數(shù)如圖2所示。

(2)孕育劑含量與鑄件壁厚關(guān)系

:為防止鑄件薄壁處產(chǎn)生白口或麻口，應(yīng)注意孕育鑄鐵允許的最小壁厚。在含碳量不變的條件下，孕育鑄鐵件壁厚與含硅量的關(guān)系見下表：

(3)孕育劑

常用的孕育劑是FeSi75。此外，也可以根據(jù)需要選用新型孕育劑如：鋇硅鐵(BaSiFe)、鍶硅鐵(SrSiFe)、碳硅鈣(TG-1)、稀土鈣鋇硅鐵(RECaBa)、稀土鉻錳硅鐵(RECrMn)、穩(wěn)定化復(fù)合孕育劑(DWF)等，這些孕育劑已經(jīng)商品化。

(4)鐵液孕育處理操作方法如圖3所示。 2100433B

1950～1970年間我國采用冶金用75硅鐵作孕育劑使用。這種硅鐵中對(duì)孕育起重要作用的Ca、Al沒有限定含量范圍，其孕育效果不穩(wěn)定。70年代沈陽鑄造研究所等單位開發(fā)出硅鋇、硅鍶孕育劑，以后各單位又相繼開發(fā)或引進(jìn)了含稀土孕育劑、碳硅孕育劑、穩(wěn)定化孕育劑等。

十年的實(shí)踐表明，我國的孕育劑系列可以滿足鑄鐵件生產(chǎn)發(fā)展的需求。效果明顯優(yōu)于冶金硅鐵。硅鐵孕育劑的用量占鑄鐵孕育劑總量的80%以上。但是，相當(dāng)多的中小鑄造廠和質(zhì)量要求不高的鑄件采用冶金用硅鐵作為孕育劑使用，其效果不穩(wěn)定。銷售量居于第二位的是含鋇硅鐵孕育劑，再次是含鍶硅鐵孕育劑。碳硅孕育劑(包括從Foseco引進(jìn)的Inoculin10)、含稀土孕育劑、含鉍硅鐵孕育劑的用量也有明顯增長。這些新型孕育劑在高級(jí)鑄鐵件的生產(chǎn)中起了重要作用，例如薄壁耐水壓灰鑄鐵件發(fā)動(dòng)機(jī)缸體件、薄壁或厚大球墨鑄鐵件等。孕育劑的發(fā)展對(duì)提高鑄鐵件質(zhì)量起了重要作用。最近幾年電爐或沖天爐-電爐雙聯(lián)熔化逐步增多，還需要含鋯硅鐵、含鈦硅鐵孕育劑但這兩種孕育劑用量不大，今后需求可望增加。

為了提高鑄鐵的抗磨性，防止在鑄鐵中出現(xiàn)石墨組織，向鑄鐵中添加一定數(shù)量的碳化物形成元素鉻從而形成了低鉻鑄鐵。低鉻鑄鐵的含鉻量通常在(質(zhì)量分?jǐn)?shù))2%～5%范圍內(nèi)，為避免出現(xiàn)石墨，硅量應(yīng)作限制。此外，為了調(diào)整低鉻鑄鐵的組織，進(jìn)一步提高抗磨性，也可向低鉻鑄鐵中添加一定數(shù)量的Mo、Cu、Ni等合金元素。

由于鉻及其它合金元素的添加量較少，因此低鉻鑄鐵的組織與普通白口鑄鐵差別不大，圖2為含鉻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為2%的Fe-C-Cr平衡相圖，可見鉻的加入并未在相圖中增加新的組成相，只是一些特征點(diǎn)的位置相對(duì)于不含鉻的Fe-C相圖發(fā)生了一些改變。

與普通白口鑄鐵相比，低鉻白口鑄鐵的碳化物為含有少量鉻的合金滲碳體(Fe、Cr)₃C，維氏硬度也由840～1100HV增加到1000～1230HV。碳化物形貌也略有所改善，而基體組織則根據(jù)熱處理狀態(tài)的不同而不同，可以是珠光體、索氏體、馬氏體或它們的混合組織，同時(shí)可能伴隨有少量的奧氏體。隨低鉻鑄鐵中含碳量提高，組織中碳化物數(shù)量增加，鑄鐵的硬度略有增加。低鉻鑄鐵的鑄態(tài)組織通常為共晶碳化物 珠光體。

低鉻鑄鐵的化學(xué)成分根據(jù)零件使用的工況條件，可作相應(yīng)的調(diào)整。隨含碳量增加，低鉻鑄鐵的碳化物數(shù)量增加(而且呈網(wǎng)狀形態(tài)存在于基體中)，硬度提高，韌性降低，沖擊較大的使用工況(如直徑較大的球磨機(jī)等用低鉻鑄鐵鑄球)易產(chǎn)生破碎現(xiàn)象，其含碳量應(yīng)適當(dāng)降低，圖3是低鉻鑄鐵的碳含量與硬度和相對(duì)耐磨性的關(guān)系。此外，隨鉻含量的增加，碳化物的形態(tài)和分布有所改善，使沖擊韌性、硬度以及疲勞抗力和沖擊磨損抗磨性有所增加，圖4為鉻對(duì)低鉻鑄鐵性能的影響。

由于組織中大量碳化物的存在，低鉻鑄鐵的韌性與普通白口鑄鐵相當(dāng)，但抗磨料磨損的抗磨性比之有較大的提高。因此，低鉻鑄鐵主要應(yīng)用于球磨機(jī)磨球。

低鉻鑄鐵一般采用鑄態(tài)去應(yīng)力處理，其基體組織為珠光體，即將鑄態(tài)鑄件在中、低溫度保溫適當(dāng)時(shí)間以減少應(yīng)力。為進(jìn)一步提高低鉻鑄鐵的硬度，亦可進(jìn)行高溫保溫一定時(shí)間后空冷并低溫回火的方式，獲得一定數(shù)量的馬氏體基體組織，此時(shí)為提高淬透性可添加一定數(shù)量的Mo、Cu或Ni等元素。

低鉻鑄鐵既可用沖天爐熔煉，亦可用電爐熔煉，還可用沖天爐與電爐雙聯(lián)熔煉。但用沖天爐熔煉時(shí)應(yīng)注意控制鐵液的含碳量。通常低鉻鑄鐵鐵液在爐前采用稀土硅鐵進(jìn)行孕育處理以提高綜合性能。稀土元素有改善碳化物形態(tài)、細(xì)化晶粒、脫氧、脫硫和凈化鐵液的作用。低鉻鑄鐵在爐前加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%左右的稀土硅鐵合金，將對(duì)改善低鉻鑄鐵的沖擊韌性和抗磨性有一定的作用。

低鉻鑄鐵的鑄造性能基本與普通白口鐵相當(dāng)，鑄造收縮率在1.6%～1.8%之間。