孕育劑的選擇與使用

■ 房敏，吳小雄，戎軍，孫全友，劉佳平

目前，很多鑄造工作者在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)如何正確選擇和使用孕育劑仍感到很困惑，下面根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及生產(chǎn)中存在的問題，闡述鑄造廠常用孕育劑種類，孕育劑選擇及使用條件等方面的生產(chǎn)實(shí)踐，供同行參考。

1. 孕育劑的種類

孕育劑的種類很多，目前常見的孕育劑大概有30余種，而鑄造廠最常用的就10種左右。下面重點(diǎn)介紹幾種最常用的孕育劑。

（1）硅鐵孕育劑 硅鐵孕育劑有45FeSi、75FeSi、85FeSi。45FeSi孕育劑的處理效果較差，85FeSi成本較高，因此常用75FeSi。硅鐵除了含有硅外，還需要含有適量的鈣和鋁等才能充分發(fā)揮孕育作用。一般75FeSi選擇以下化學(xué)成分范圍：wSi＝74%～78%，wCa＝0.5%～1.0%，wAl＝0.8%～1.5%。

與其他優(yōu)質(zhì)孕育劑相比，硅鐵加入量較大，孕育后達(dá)到飽和時(shí)間短，孕育衰退快而不長效，孕育后鑄件的斷面敏感性大。隨著生產(chǎn)的發(fā)展需要及對(duì)鑄件的高要求，普通硅鐵孕育劑已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)要求。往往需要復(fù)合有其他元素，如Ba、Ca、Zr、Sr、RE、Sb、Bi 、S 、O等，以起到各種特定作用，強(qiáng)化孕育效果。

（2）硅鋇孕育劑 硅鋇孕育劑消除白口和石墨化能力很強(qiáng)，抗孕育衰退效果很好，具有強(qiáng)烈細(xì)化共晶團(tuán)的作用，目前在國內(nèi)外鑄造廠使用的最為廣泛。

硅鋇孕育劑按照鋇的含量高低可以分為低鋇wBa＝1.0%～4.0%、中鋇wBa＝7.0%～10.0%、高鋇wBa＝12.0%～18.0%，隨著鋇含量的增加，抗衰退能力逐漸增強(qiáng)。硅鋇孕育劑同時(shí)應(yīng)含有適量的鈣（wCa＝1.0%～3.0%、wCa＝5.0%～7.0%等）和鋁（wAl＝1.0%～2.0%），隨鋇含量增高，鈣含量也要適當(dāng)增加，以強(qiáng)化孕育效果，同時(shí)鋇與一定量的鈣共存時(shí)有利于減少激冷傾向。

硅鋇孕育劑在灰鑄鐵中相對(duì)于其他孕育劑更容易獲得均勻細(xì)小的A型石墨，且D型、E型枝晶石墨形成傾向很小，即使在3～5mm的薄壁件中也不會(huì)出現(xiàn)D+E型石墨，可強(qiáng)烈地增加共晶團(tuán)數(shù),提高灰鑄鐵強(qiáng)度，且鋇含量的高低對(duì)灰鐵強(qiáng)度影響很大，中鋇和高鋇適合厚大灰鑄鐵件。在球墨鑄鐵中可增加石墨球數(shù)，改善石墨圓整度，消除滲碳體，球墨鑄鐵中主要使用低鋇孕育劑。

（3）硅鍶孕育劑 硅鍶孕育劑中的鍶具有很強(qiáng)的孕育效果，其有消除白口，減少縮松，改善斷面均勻性，以及處理時(shí)浮渣量少等優(yōu)點(diǎn)。該孕育劑的典型成分為: wSi≥71%、wSr＝0.6%～1.2%、wCa≤0.1%、wAl≤0.5%。硅鍶孕育劑硅高時(shí)孕育效果較好且穩(wěn)定，鈣和鋁的含量比硅鐵和硅鋇的含量要求低且嚴(yán)格，主要原因是當(dāng)鈣、鋁含量偏高時(shí)就抑制了鍶的石墨化能力，使鍶孕育失效，因此必須采用精煉硅鐵（wCa≤0.10%、wAl≤0.30%）作為原材料。

硅鍶孕育劑主要用于灰鑄鐵以及不含Ce的球墨鑄鐵，在灰鑄鐵中其突出特點(diǎn)是在消除白口的同時(shí)，共晶團(tuán)增加不多，縮孔、縮松傾向較小，可以防止?jié)B漏，適用于壁厚不均勻的有滲漏要求的缸體、缸蓋類鑄件。

（4）硅鋯孕育劑 硅鋯孕育劑中wZr一般在3%～6%。其具有較強(qiáng)的抗孕育衰退能力，減少白口傾向，改善石墨組織，獲得細(xì)小均勻的A型石墨。同時(shí)鋯具有較高的脫氧、脫硫、固定氮的能力，有利于消除鑄件中的氮?dú)饪?。但在球墨鑄鐵中一般不使用含鋯的孕育劑，因?yàn)樵谇蚰T鐵中殘余鋯超過0.01%將使石墨畸變?yōu)槠瑺?，引起球化不良。在這里要說的是，硅鋯孕育劑建議控制wCa＜2%。硅鋯孕育劑中含鈣會(huì)削弱其孕育作用，國外資料也認(rèn)為鋯型中含有鈣時(shí)不利于鋯作用的發(fā)揮。

（5）硅鈣孕育劑 硅鈣孕育劑中wSi＝50%～60%，根據(jù)含鈣量高低有硅鈣9、硅鈣15、硅鈣25、硅鈣35。硅鈣孕育劑具有很好的初始孕育效果，可獲得最高的原始共晶團(tuán)數(shù)，并使立即澆注的試樣具有最高的強(qiáng)度。但由于硅鈣的密度小加上鈣化學(xué)性質(zhì)活潑，溶解性差，容易造渣，在孕育中常出現(xiàn)大量的夾雜缺陷，并且衰退速度快，所以生產(chǎn)中單獨(dú)使用硅鈣作為孕育劑的比較少。但是硅鈣孕育劑可以與其他孕育劑充分機(jī)械混合組成復(fù)合孕育劑，能獲得特殊的孕育效果。硅鈣合金可用于灰鑄鐵，也可以用于蠕墨鑄鐵，以穩(wěn)定蠕蟲狀石墨。但在球墨鑄鐵中一般不使用。

（6）稀土孕育劑 稀土孕育劑有： 稀土硅、稀土硅鈣、稀土硅鈣鋇等。稀土有強(qiáng)烈的脫氧和脫硫能力，其生成的硫化物易作為石墨形核的基底, 具有非自發(fā)形核的作用。稀土對(duì)鑄鐵的石墨化具有雙重影響，當(dāng)鐵液中稀土含量小于臨界值時(shí)，可以防止白口，促進(jìn)石墨化，而當(dāng)含量超過臨界值時(shí)，由于其強(qiáng)烈過冷，有增大白口的傾向。當(dāng)加入Ca、Al、Ba 等元素組成復(fù)合孕育劑時(shí)，可以得到更為突出的孕育效果。稀土孕育劑應(yīng)以鈰為主，鑭會(huì)增大白口傾向，因此必須加以限制。

在灰鑄鐵中將稀土和硅鐵一起使用會(huì)更好，稀土能使片狀石墨細(xì)化，提高強(qiáng)度，同時(shí)能有效中和鉛、鉍等元素對(duì)灰鑄鐵片狀石墨的有害影響，但是稀土過量會(huì)使鐵液過冷傾向增大，因此加入量不宜過多。稀土如與鈣、鋇復(fù)合使用，則其白口傾向減小，過冷石墨減少，具有長效功能，是生產(chǎn)薄壁高強(qiáng)度灰鑄鐵較好的孕育劑。在球墨鑄鐵的孕育劑中添加適量的稀土，可以明顯增加薄壁件的石墨球數(shù)，提高石墨球的圓整度。但是稀土超過一定量，反而增加白口傾向，使球狀石墨畸變?yōu)楫愋问?，尤其是厚大斷面球墨鑄鐵。

2. 孕育劑的使用

（1）孕育劑的選擇 孕育目的有以促進(jìn)石墨化、消除碳化物或白口為主的, 有以提高機(jī)械強(qiáng)度為主的, 有以改善石墨形態(tài)及顯微組織為主的，還有想獲得綜合效果的。

至于實(shí)際生產(chǎn)中如何進(jìn)行孕育劑及孕育方法的選擇，受許多因素的影響，需要根據(jù)鑄件的使用條件和各類孕育劑的特點(diǎn)及工廠技術(shù)條件來針對(duì)性地選擇適合的孕育劑。

灰鑄鐵中硅鐵、硅鍶和硅鋇用的較多。75SiFe用于一般的要求不高的產(chǎn)品，且加入量多，對(duì)于高品質(zhì)的灰鑄鐵來說主要用硅鍶和硅鋇孕育劑。從提高強(qiáng)度和A型石墨能力來說硅鋇優(yōu)于硅鍶（見附圖），硅鋇可以強(qiáng)烈地增加共晶團(tuán)數(shù), 提高灰鑄鐵強(qiáng)度，且鋇含量的高低對(duì)灰鑄鐵強(qiáng)度影響很大。厚大灰鑄鐵要想獲得高強(qiáng)度，中鋇（wBa＝7%～10%）優(yōu)于低鋇（wBa＝1%～4%）。

但是，硅鋇孕育劑具有強(qiáng)烈細(xì)化共晶團(tuán)的作用，導(dǎo)致鑄件收縮會(huì)大些，且鋇含量越高越嚴(yán)重。對(duì)于壁厚不均勻的有滲漏要求的缸體、缸蓋類鑄件，硅鍶孕育劑優(yōu)于硅鋇，因?yàn)楣桄J在強(qiáng)烈地消除白口的同時(shí)，共晶團(tuán)增加不多,縮孔、縮松傾向較小，可以防止?jié)B漏。筆者公司在生產(chǎn)有滲漏要求的灰鑄鐵時(shí)，剛開始使用硅鋇孕育劑，雖然強(qiáng)度很高且穩(wěn)定，但是導(dǎo)致滲漏率在10%左右，改為硅鍶孕育劑后滲漏率降低到2%以下。硅鍶孕育劑的斷面均勻性好于硅鋇和稀土硅鐵，故用于壁厚不均勻的灰鑄鐵缸體、缸蓋鑄件，其加工性能要好。

球墨鑄鐵中使用低鋇孕育劑。硅鍶孕育劑用于不含Ce的球墨鑄鐵，可以形成較多的石墨球數(shù)（見附圖）。且由于鍶的抗衰退作用較好，用含鍶的孕育劑可使厚大球墨鑄鐵中長久地保持細(xì)小的球狀石墨。

f50mm附鑄試棒石墨形態(tài)圖

（2）孕育劑的用量 實(shí)際生產(chǎn)中孕育劑用量多少合適，需要結(jié)合產(chǎn)品的金相和性能綜合考慮，這與鐵液類別、熔化條件、爐料組成、鑄件壁厚、鑄型條件、孕育溫度、孕育劑類型和加入方式等因素有關(guān)。

鐵液類別：球墨鑄鐵經(jīng)過球化后，過冷度較大，故球墨鑄鐵比灰鑄鐵需要更多數(shù)量的孕育劑，一般球墨鑄鐵孕育量比灰鑄鐵要多一倍。

熔化條件：感應(yīng)電爐熔化的鐵液硫、氧含量比沖天爐低，異質(zhì)核心少，石墨化比較困難, 因此前者比后者需要更多或者更強(qiáng)的孕育劑。

爐料組成：不同爐料對(duì)孕育劑有不同的要求，對(duì)低碳、低硅、低硫的原鐵液需更多數(shù)量的孕育劑。配料中廢鋼較多時(shí), 鐵液有較大的白口傾向，也需要較多或較強(qiáng)的孕育劑。

鑄件壁厚和鑄型條件：薄壁件冷卻速度快，白口傾向嚴(yán)重，需加入更多量或較強(qiáng)的復(fù)合孕育劑。厚大的鑄件冷卻速度慢，心部容易產(chǎn)生孕育衰退，應(yīng)選用抗衰退的孕育劑。濕型砂比樹脂砂冷卻速度快，容易導(dǎo)致薄壁部位出現(xiàn)滲碳體, 在其他條件不變的情況下, 其孕育量要比樹脂砂多0.1%～0.2%。

孕育溫度：澆注溫度較高時(shí),孕育劑效果減弱，需要加入較多量或者復(fù)合孕育劑。

孕育劑類型：既不能孕育不良也不能孕育過量。以灰鑄鐵為例，若孕育不良將導(dǎo)致石墨異常、薄壁部位出現(xiàn)白口、力學(xué)性能低下等問題，若孕育過量則會(huì)導(dǎo)致石墨粗大、珠光體量不足等問題。對(duì)于HT250以下的灰鑄鐵，硅鋇和硅鍶孕育劑一般加入量為0.2%～0.3%，而75SiFe需要加入0.4%～0.6%。對(duì)于HT250以上的灰鑄鐵，硅鋇和硅鍶孕育劑加入量一般為0.3%～0.4%, 而75SiFe需要加入0.5%～0.7%。

加入方式：孕育劑加入方式是獲得孕育處理好壞的關(guān)鍵。常用的有爐前孕育、二次孕育和隨流孕育。多次孕育好于單一孕育，且孕育劑需要分批均勻加入到鐵液流上，使孕育劑與鐵液充分接觸，以充分發(fā)揮孕育劑各組元的孕育及強(qiáng)化作用。在鑄造廠，鐵液澆注型腔前還需要有一次隨流孕育操作，但是隨流孕育量不能過大，一般在0.08%～0.20%，否則會(huì)造成孕育劑不能完全熔解。

（3）需要注意的問題 生產(chǎn)中需注意的問題有以下三個(gè)方面：

第一，注意控制原鐵液的質(zhì)量，穩(wěn)定化學(xué)成分，保證合適的出鐵溫度，盡量減少鐵液中的S、O、H、N及非金屬夾雜物的含量，以免對(duì)RE、Ba、Sr等孕育元素的無謂消耗，且其反應(yīng)生成物對(duì)鐵液構(gòu)成污染，對(duì)提高鑄鐵性能無補(bǔ)。

第二，在很多鑄造廠為了發(fā)揮孕育劑的綜合作用，傾向于復(fù)合孕育?；诣T鐵使用復(fù)合孕育劑相對(duì)單一的孕育劑其效果更好，比如壁厚敏感性相對(duì)好，性能穩(wěn)定，加工性能好等。比如筆者曾使用40%的稀土硅鐵+40%的75硅鐵+20%的25硅鈣對(duì)HT300缸體類鑄件進(jìn)行孕育，發(fā)現(xiàn)其加工性較單一的孕育劑要好，且裂紋傾向很小。但是要注意孕育劑的類型、比例及合理搭配。比如，在使用中發(fā)現(xiàn)硅鍶孕育劑不能與含鈣或鈰的孕育劑混合使用，因?yàn)殒J與鈣、鈰有相互抵消的作用。筆者在實(shí)際生產(chǎn)中曾經(jīng)使用硅鈣+硅鍶、稀土硅鐵+硅鍶復(fù)合孕育的方式對(duì)HT300牌號(hào)進(jìn)行孕育，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度會(huì)明顯降低30～60MPa。

第三，注意孕育劑的質(zhì)量。孕育劑的質(zhì)量包括孕育劑的熔解擴(kuò)散性、化學(xué)成分穩(wěn)定性、表面氧化程度、粒度。孕育劑的元素組成決定其熔點(diǎn)和密度。粒度合適、熔點(diǎn)較低的孕育劑有利于在鐵液中迅速擴(kuò)散和吸收。如加Mn或加助熔劑的孕育合金能降低其熔點(diǎn), 由于熔點(diǎn)低瞬時(shí)擴(kuò)散快, 孕育效果更好。孕育劑粒度偏小時(shí)容易產(chǎn)生嚴(yán)重的氧化燒損，影響孕育效果；當(dāng)粒度偏大時(shí)，則不容易熔化吸收，造成未熔夾雜物，使力學(xué)性能下降。孕育劑粒度建議按澆包容量選擇，見附表。

3. 結(jié)語

孕育對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，因此要慎重選擇孕育劑種類，并且要特別注意使用方法，盡可能把孕育置后以增加孕育效果，減少孕育劑用量，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。

孕育劑粒度的選用