幾種常用孕育劑的特點及應用機理

妊娠劑和妊娠方法是提高鑄鐵性能的重要手段。其中，鈣、鈣、鎂、鉀、鋯、鋯和稀土氮的抗劑對提高生產力和鑄造性能發揮著很好的作用。硅系復合孕育劑在鑄造生產應用中面廣量大,它的主要元素是Si,其次是Ca、Ba、Sr、Al、Ti、Zr、Mn、Cr、B、C、Bi、Sb、Ce、La等元素。除Si以外的元素,在孕育劑中的含量僅百分之幾,孕育劑加入量最多為0.5%,由孕育劑進入鐵液的元素含量要比合金化進入鐵液的量少1~2個數量級,鑄鐵凝固以后,有的元素往往檢測不到,所以很難用合金成分的增加來分析孕育的影響。鐵液中含有微量N、H、O和S,它們與孕育有密切關系:(1)孕育劑中的Si,與鐵液中的氧反應生成SiO2晶體,作為石墨結晶的外來晶核,起到促進石墨化的作用。(2)孕育劑中的硫與鐵液中的Ca、Mn、Mg、Al、Ce、La反應生成硫化物,起到去除鐵液中硫的作用。(3)孕育劑中的Si、Mg、Ca、Al、Ba與氧生成氧化物,減少溶解氧量,促進石墨化。(4)孕育劑中的Si、Al、Ca、Sr、Ba與碳反應生成碳化物,構成石墨非均質化晶核。(5)孕育劑中的Si、Al、Ti、Zr、Ce與氮反應生成氮化物,減少過量溶解氮含量,可以減小鑄鐵白口傾向。(6)孕育劑中的稀土元素Ce、La與Pb、Bi、Sb、Te、Sn、As生成金屬間化合物,抑制微量干擾元素的有害作用[1~2]。1一些一般的育種材料1.1元素及及微量元素的作用硅鋇孕育劑消除白口和石墨化能力強、抗孕育衰退效果好,目前是國內外鑄造工廠使用最為廣泛的孕育劑。該孕育劑的成分為w(Si)≥72%;w(Ba)1.0%~2.0%;w(Ca)1.0%~2.0%;w(Al)1.0%~2.0%。鈣與鋇同屬鹼土金屬,鈣能生成氧化物、硫化物、氮化物,造渣凈化鐵液和構成晶核內物質。鋇則是鹼土金屬中活性最大的元素,與氧生成穩定的化合物,具有良好的脫氧作用。鑄鐵凝固后并不含鋇,其長效抗衰退能力,被認為是鋇的氧化物在鐵液表面形成“氣套”,阻止氧與氮的溶入。由于該孕育劑的加入量一般為0.3%~0.4%,因此孕育劑中含有w(Al)≤2.0%,對鑄鐵含氣量影響不大。Al作為脫氧劑,有弱孕育作用,能生成穩定的氮化物,減少氮的負面影響,延長孕育作用時間。人們對孕育劑中Al的作用有不同看法,但是大量生產實踐證實,此種孕育劑的孕育效果十分理想,沒有發生由此引發的任何質量事故。硅鋇孕育劑比75硅鐵孕育劑效果顯著。用于灰鑄鐵孕育:1)石墨化能力強,有效消除鑄件硬質點和邊緣白口;2)改善斷面均勻性,鑄件不同壁厚硬度差可以在10HBS以內;3)降低鐵液過冷傾向,增加共晶團數,提高鑄鐵強度;4)使D、E形枝晶石墨轉變成細小A型石墨。用于球墨鑄鐵孕育:1)增加石墨球數量,石墨圓整度好、球化等級高;2)消除球化帶來的白口傾向,確保鑄態無滲碳體;3)抗衰退時間長,被譽為長效孕育劑。對于鐵素體型球鐵,推薦采用二次孕育,促進形成鐵素體,提高伸長率。對于珠光體型球鐵,改善石墨形態,提高球化等級,提高力學性能。1.2硅殼及球墨鑄鐵的孕育作用硅鍶是有效的石墨化孕育劑,價格比硅鋇孕育劑約高1.6倍。該孕育劑的成分為:w(Si)≥75%;w(Ca)≤0.1%;w(Sr)0.6%~1.8%;w(Al)≤0.5%。優點是防止薄壁部位產生氣孔、針孔、夾渣、縮松等缺陷,有效防止薄壁鑄件的滲漏。硅鍶孕育劑在歐美、日本應用廣泛;國內活塞環鑄件幾乎全部使用;缸體、缸蓋等復雜結構的薄壁鑄件及要求鐵素體量高的鑄件,多數也使用硅鍶孕育劑。鍶改善鑄鐵石墨形態,提高斷面均勻性,延長孕育衰退時間。鍶與鋇在元素周期表上同屬鹼土金屬,有長效孕育作用。孕育劑中w(Sr)≤2%。生產實踐表明:鑄鐵的共晶團數量增多,則縮松傾向增大;共晶團數量減少,鑄鐵白口量會加大。采用硅鍶孕育劑,不會像硅鋇孕育劑那樣明顯增加共晶團數,線收縮敏感性小,而消除白口能力卻很強,有利于減少鑄件縮松。對于球墨鑄鐵:澆注5mm試片,硅鍶孕育劑加入0.2%,石墨球數達到450個/mm2,鐵素體量達到90%。孕育量超過0.2%,5mm試片石墨球數、鐵素體量不增反減,原因是薄壁冷卻太快,超量孕育劑獲得熔化潛熱不足,難以溶解擴散,孕育作用受到抑制。澆注10~30mm試樣,硅鍶孕育劑加入0.25%,石墨球數和鐵素體量比5mm試片略有增加,孕育量達到0.6%,石墨球數達到500個/mm2,鐵素體量達到100%。該孕育劑特別強調w(Ca)≤0.1%,有利于減少鍶的渣化,確保孕育作用。到目前為止尚未探明硅鍶孕育劑特殊孕育效果的原理,只是生產實踐中證實了上述功效。應該說明的是硅鍶孕育劑含鋁量越低越好,但盲目追求過低的含鋁量,只會增加生產成本[3~4]。1.3減少鐵液產生的缺陷近年來使用硅鋯孕育劑的鑄造廠數量在增多,資料介紹沖天爐-電爐雙聯熔煉宜采用硅鋯孕育劑。硅鋯孕育劑中w(Zr)3%~6%。鋯與氮反應生成氮化物降低鐵液中的溶解氮,抑制孕育衰退減少氮氣孔。廢鋼中有較多的氮,爐料中如果廢鋼比例大,使用硅鋯孕育劑,可以減少鐵液因此產生的缺陷。鎂、鋯、稀土可以降低鐵液的含氫量,溶解氫會增大鑄鐵過冷度增加白口傾向,降低鑄鐵的抗拉強度和韌性。因此減少溶解氫量,有助于提高鑄鐵的內在質量。鋯在鐵液中生成ZrC可以作為石墨形核的核心,增加共晶團數,少量Zr溶于基體起到微合金化的作用。微量Zr是有效的石墨化元素,超過一定量則是很強的碳化物形成元素,鋯的碳化物可以增加析出和細化奧氏體枝晶,提高鑄鐵強度。鋯、鍶、鋇的碳化物和氧化物,晶格常數與石墨接近,它們與氧的親和力較弱,滯后發生氧化反應,因此抗衰退能力強。總之,硅鋯孕育劑抗衰退能力強,改善石墨組織,有效消除白口傾向,能使灰鑄鐵獲得均勻細小的A型石墨。鑄造生產中采用硅鋯孕育劑的有機床類鑄件,汽車配件安保類鑄件等等。1.4復合孕育劑的制備硅鈣孕育劑是強力孕育劑,增加共晶團數的能力極大,但國內鑄造工廠應用較少。該孕育劑用于超厚壁高強度灰鑄鐵,可以提高抗拉強度50MPa,能使厚大鑄件中心部位有接近表層的力學性能。用于中厚壁球墨鑄鐵,可以細化晶粒,提高球化率。用于壁厚差較大的蠕墨鑄鐵,細化石墨提高強度,在蠕化效果不足時可有效促成蠕蟲狀石墨。硅鈣孕育劑可以與其它種類孕育劑充分機械混合,組成復合孕育劑。采用正確工藝,這種復合孕育劑能獲得特殊的孕育效果。通常硅鈣孕育劑中w(Si)在50%~60%;根據含鈣量高低有w(Ca)9%、w(Ca)15%、w(Ca)25%、w(Ca)35%,分別稱為硅鈣9、硅鈣15、硅鈣25、硅鈣35。鈣是活性很大的元素,大量的鈣與鐵液中的氧和硫生成穩定的化合物,有效凈化鐵液。硅鈣孕育劑良好的去硫能力,對含硫高的薄壁鑄鐵十分理想。由此也形成大量晶核,產生非常理想的孕育效果。硅鈣孕育劑應在澆包注入鐵液1/5~4/5期間連續添加。當然,使用硅鈣孕育劑會產生大量的渣,出鐵后需充分攪拌和扒渣。1.5提高力學性能稀土孕育劑有:稀土硅、稀土硅鈣、稀土硅鈣鋇、硅鐵鑭、硅鐵鈰等。稀土對石墨形態影響很大,在一定含量內,有很強的石墨化能力和抗孕育衰退能力,特別對低硫和電爐熔煉的鐵液更為有效。它能形成金屬間化合物,有效中和鉛、鉍等元素對灰鑄鐵片狀石墨的有害影響,減少Cr引起的強烈過冷。稀土可以強化鐵素體,提高耐磨性。但超過一定量,反而增加白口傾向,使球狀石墨畸變為異形石墨。碳在鑄鐵中的形態對力學性能有決定性的影響。有人提出灰鑄鐵準蠕化的概念,通過鈍化片墨尖端提高力學性能。稀土硅鈣鋇孕育劑,用在HT250、HT300鑄件上,對保證力學性能,降低鑄件脆性特別是薄壁鑄件有較大的效果。可以預期,稀土孕育劑將得到更多的應用。2妊娠劑的質量和應用2.1小粒度的孕育劑孕育劑的質量包括孕育劑的有效性、化學成分穩定性、表面氧化程度、粒度。孕育劑熔點低、擴散快的特性包含在有效性范疇之內。孕育劑的元素組成決定它的熔點和密度。小粒度的孕育劑往往添加助熔劑,加速其熔解和吸收。孕育劑粒度推薦按澆包容量選擇(表1)。如果給孕育處理后產生的效果打分,那么鐵液經過孕育處理,甚至經二次孕育獲得的效果,可以打3分;而鐵液經型內孕育加泡沫陶瓷過濾器,此時獲得的效果可以打9分。國內鑄造工廠使用孕育塊的廠家逐漸增多。僅從孕育劑加入量的粗略計算,就足以顯示應用孕育塊的優勢,這一改變,既節約成本提高鑄件質量,又大大節約能源、資源,有利環保。2.2u2004生產前鐵液含硅量的控制孕育劑加入方法對孕育效果影響很大。孕育劑加在沖天爐出鐵槽上或者加在球化處理包的球化劑上,與孕育劑在出鐵槽上方隨流均勻沖入或在出鐵液時均勻加入包內作用不同。實踐表明,采用后一種方法,硬度可下降10HBS以上。采用純凈爐料,鐵液適當過熱。孕育劑在稱量后隔火烘干,二次隨流孕育劑使用前,應過篩防止下料孔堵塞。孕育前鐵液含硅量應給硅系孕育劑增硅留有足夠空間。鑄鐵的碳當量越低,孕育