熱處理之球墨鑄鐵

對(duì)灰鑄鐵而言，經(jīng)熔煉過程制得的鐵液中含有適量硫和氧，是此后進(jìn)行有效孕育處理的重要條件，是不可缺少的。

目前，對(duì)鑄鐵孕育作用的機(jī)制尚未完全認(rèn)識(shí)，仍存在多種說法。其中，非金屬夾雜物成核說已得到廣泛的認(rèn)同。通常用于鑄鐵的孕育劑，以硅為主要成分，還含有少量鋁、鈣、鋯、鋇等元素。澆注前向鐵液中加入孕育劑后，其中的活性元素與鐵液中含有的硫、氧作用，生成大量微細(xì)的氧化物、硫化物和硫氧復(fù)合化合物，彌散于鐵液中。在灰鑄鐵鐵液的共晶凝固過程中，這些夾雜物能作為石墨的外來晶核，促進(jìn)石墨生核、使共晶團(tuán)細(xì)化。

因此，灰鑄鐵孕育處理前的原鐵液中，硫含量不宜低于0.06%，保持在0.06%～0.08%之間。原鐵液中硫含量很低時(shí)，還有必要故意加入‘硫化亞鐵’使其增硫；氧含量，一般在20×14-4%～30×10-4%之間。

對(duì)沈陽球墨鑄鐵而言，硫和氧都是有害元素。特別是硫，屬于作用很強(qiáng)的反球化元素，只在原鐵液中的含量降低到0.02%以下，才能保證石墨的球化良好，采用型內(nèi)球化工藝時(shí)，還應(yīng)使硫含量降低到0.01%。因此，降低原鐵液中的硫含量，是進(jìn)行球化處理的前提。生產(chǎn)沈陽球墨鑄鐵件時(shí)，嚴(yán)格控制爐料，以確保鐵液中的硫含量低，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行爐外脫硫作業(yè)。

在沈陽球墨鑄鐵原鐵液中加鎂進(jìn)行球化處理時(shí)，鎂與鐵液中的硫和氧發(fā)生反應(yīng)，生成MgS和MgO。有資料說，加鎂后可使鐵液中的硫含量降低80～90%，氧含量降低40～50%?？梢姡F液中的硫、氧含量高，將使球化劑中的鎂大量損失，導(dǎo)致球化作用難以控制，而且會(huì)造成大量熔渣。所以，生產(chǎn)沈陽球墨鑄鐵件時(shí)，對(duì)硫和氧都是避之尤恐不及的。

既然如此，在灰鑄鐵中有促進(jìn)石墨生核作用的氧化物、硫化物和硫氧復(fù)合化合物，在沈陽球墨鑄鐵中可否起同樣地作用？如何才能利用這種作用？是大家所關(guān)心的問題。

氧化物、硫化物和硫氧復(fù)合化合物在沈陽球墨鑄鐵中的作用

根據(jù)一些研究工作的結(jié)果，氧化物、硫化物和硫氧復(fù)合化合物在沈陽球墨鑄鐵中同樣也能作為球狀石墨的外來晶核。如果運(yùn)用得當(dāng)，將含硫、氧的孕育劑用于沈陽球墨鑄鐵，可多方面地改善沈陽球墨鑄鐵的性能，如：

·石墨球的尺寸減小，數(shù)量增多、球化率提高；

·減輕鑄鐵的白口傾向，有利于制造薄壁沈陽球墨鑄鐵件；

·生產(chǎn)厚壁鑄件時(shí)，可減輕晶間偏析，提高鑄件質(zhì)量；

·生產(chǎn)厚壁鑄件時(shí)，可減輕或防止石墨漂?。?/span>

·使鑄鐵組織中鐵素體量增多；

·減少鑄固過程中的收縮，鑄件產(chǎn)生縮松、縮孔的傾向小。

在灰鑄鐵中可作為石墨外來晶核的氧化物、硫化物和硫氧復(fù)合化合物，在沈陽球墨鑄鐵中的情況就很不相同?；瘜W(xué)活性很強(qiáng)的鎂能使其中的大部分還原，生成MgS和MgO進(jìn)入熔渣，因而，不足以為球狀石墨的形成提供有效的生核條件。

因此，對(duì)于沈陽球墨鑄鐵而言，能作為球狀石墨外來晶核的氧化物、硫化物和硫氧復(fù)合化合物，在熱力學(xué)上應(yīng)比鎂的氧化物和硫化物更為穩(wěn)定。

在鐵液溫度下，常用于處理鑄鐵的合金元素中，鈰、鈣與硫、氧的親和力大 于鎂。因而，使鈰、鈣與硫、氧結(jié)合不失為一種可取的方案。

鈰可與硫、氧結(jié)合，形成的化合物有CeS、Ce2O3、Ce2O2S等，這些化合物在1500℃左右是穩(wěn)定的，尺寸約為1～3μm，密度約為6.5 g/cm3，基本上呈球形，可以彌散分布于鐵液中、作為石墨的外來晶核，而且研究工作中已見到球狀石墨的心部有這類化合物。

鈣的化合物對(duì)球狀石墨的生核也有十分重要的作用。

孕育劑

用于沈陽球墨鑄鐵的原鐵液中硫含量都很低，而且往往要進(jìn)行爐外脫硫作業(yè)，很難穩(wěn)定地將硫含量控制在很窄的范圍內(nèi)。原鐵液中的氧含量也難以準(zhǔn)確地控制。 因此，生產(chǎn)沈陽球墨鑄鐵件時(shí)，要利用硫化物和氧化物作為球狀石墨的外來晶核，可行的方法之一是將硫、氧和鈰、鈣都配合于孕育劑中。

適用于沈陽球墨鑄鐵的、含鈰、鈣、硫、氧等多種元素的孕育劑，歐洲早已有商品供應(yīng)，且有多種規(guī)格的產(chǎn)品以適應(yīng)不同的生產(chǎn)條件。這類孕育劑，主要成分仍是硅，但配有細(xì)微而分散的氧化物和硫化物，因而外觀多呈黑色顆粒狀。表1中列出了其中一種的化學(xué)成分，由此可見這類孕育劑的大致情況。

這種孕育劑加入鐵液以后，鈰、鈣與孕育劑本身所含的硫和氧反應(yīng)，也與鐵液中殘留的硫和氧反應(yīng)，產(chǎn)生硫化物、氧化物和硫氧復(fù)合化合物。這些化合物同樣可作為球狀石墨的外來晶核，對(duì)石墨的生核有重要的作用。鈰還可以與其他微量元素作用，形成穩(wěn)定的金屬間化合物，抑制其有害的影響。采用這類孕育劑，如果處理、控制得當(dāng)，就可以得到前節(jié)所列的效果。

由于這類孕育劑中含有鈰和鈣，產(chǎn)生的硫化物、氧化物和硫氧復(fù)合化合物的穩(wěn)定性好，用于沈陽球墨鑄鐵時(shí)，可在加鎂處理之前作為預(yù)處理劑加入，加入鎂后絕大部分仍能保持，不致被鎂所還原。

由于這類孕育劑中含有硫和氧，即使在加鎂處理之后、鐵液中硫、氧含量很低時(shí)加入，也能形成硫化物、氧化物和硫氧復(fù)合化合物，作為石墨的外來晶核。因此，也可在球化處理后用于澆注過程中的瞬時(shí)孕育。

含硫、氧。鈰、鈣的孕育劑的應(yīng)用

化學(xué)成分如表1的含硫、氧、鈰、鈣等元素的孕育劑（以下簡稱新型孕育劑），既可用于球化處理前的預(yù)處理，也可用于澆注過程中的瞬時(shí)孕育。

1.用于預(yù)處理

為使新型孕育劑的應(yīng)用得到的效果，采用與其特點(diǎn)相適應(yīng)的處理方法。目前看來，采用三步處理法(即預(yù)處理、球化處理和孕育處理)效果較好。

在加鎂進(jìn)行球化處理之前，用新型孕育劑對(duì)鐵液進(jìn)行預(yù)處理，引入的鈰、鈣不僅與孕育劑本身中的硫、氧結(jié)合，形成化合物，而且與鐵液中的硫、氧反應(yīng)，使鐵液進(jìn)一步脫氧、脫硫。這兩項(xiàng)條件對(duì)于石墨的球化都是非常有利的。

預(yù)處理所用孕育劑的加入量，按需要加入的鈰計(jì)算。從理論上說，如不考慮溫度、壓力等外部條件，鈰的加入量主要決定于兩種因素：

·與硫和氧生成穩(wěn)定化合物所需的量；

·與鈦、鉛、鉍等有害元素化合或形成金屬間化合物所需的量。

實(shí)際生產(chǎn)中，很難準(zhǔn)確掌握上述兩方面的信息，而且，有害元素的含量往往變化無常，其在鐵液中的狀態(tài)也無從得知。但是，在生產(chǎn)條件下進(jìn)行的試驗(yàn)表明，一般情況下，以新型孕育劑為載體，鈰的加入量為0.002～0.006%即可。

鉍在沈陽球墨鑄鐵中有使石墨形狀退化的作用，通常都認(rèn)為是有害元素。但是，在孕育劑中含鈰的條件下，鈰與鉍結(jié)合可形成大量晶核，使石墨球細(xì)小。對(duì)于要求低溫沖擊韌度的鐵素體沈陽球墨鑄鐵（如QT 400－18L），在加入含鈰孕育劑的同時(shí)，加入少量的鉍是十分有益的。如果有必要加鉍，可采用含鉍的稀土硅鐵合金，合金用量按加鉍0.001～0.002%計(jì)算。

鐵液經(jīng)預(yù)處理后，還應(yīng)進(jìn)行球化處理和孕育處理。

經(jīng)預(yù)處理的鐵液，不僅因硫、氧含量降低可減少鎂的用量，而且還有另一個(gè)促進(jìn)石墨球狀化的因素，那就是鐵液與石墨界面處的表面張力大為提高。鐵液的表面張力也是影響石墨球狀化的重要因素之一，要使石墨以球狀析出，鐵液與石墨界面處的表面張力很高。鐵液中溶有的硫和氧，都是使其界面處表面張力降低的重要因素。經(jīng)預(yù)處理后，孕育劑中的鈰、鈣可將鐵液中的硫和氧脫除到很低的程度，幾乎可使表面張力倍增。因此，球化處理時(shí)鎂的加入量可以減少，殘留鎂量在0.03%以下仍能保持球化正常。

鐵液經(jīng)預(yù)處理和加鎂處理后，仍有一定的氧含量，孕育處理是保證石墨球的數(shù)量多和圓整度好所必需的。這種條件下，孕育劑可用75硅鐵。

2.用于瞬時(shí)孕育

經(jīng)球化處理和孕育處理后的鐵液，如保持時(shí)間較長，其生核能力即大為削弱，導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)各種質(zhì)量問題。如果在澆注過程中采用新型孕育劑進(jìn)行瞬時(shí)孕育，就會(huì)有很強(qiáng)的生核作用。而且，有試驗(yàn)結(jié)果表明：采用這種孕育劑，可使石墨球的尺寸大、小兼?zhèn)?，呈雙峰分布，有助于減少收縮缺陷。

以下舉幾個(gè)國外應(yīng)用的實(shí)例，說明處理的效果。

（1）石墨球數(shù)量增多，厚截面鑄件效果尤為明顯

某鑄造廠制造不同厚度的板狀鑄件，用感應(yīng)電爐熔煉，澆注時(shí)隨流瞬時(shí)孕育。原先用含鍶（Sr）的孕育劑，后改用成分如表1所示的新型孕育劑，孕育劑改變前后，不同厚度鑄件上測定的石墨球數(shù)見表2。

由表2可見，無論鑄件的壁厚如何，用新型孕育劑時(shí)，鑄件組織中的石墨球數(shù)都比用含鍶孕育劑時(shí)多。

還有一點(diǎn)也很值得注意：用新型孕育劑時(shí)，40mm厚鑄件的石墨球數(shù)多于5mm厚的鑄件，說明在鑄件共晶凝固的過程中還有二次生核作用，這也是石墨球的尺寸呈雙峰分布的原因。

采用新型孕育劑后，孕育劑用量降低了很多，而鑄件產(chǎn)生收縮缺陷的情況減少。

（2）用于薄壁鑄件的效果

某鑄造廠用感應(yīng)電爐熔煉，原先用含硅、鋯、錳、鈣的孕育劑隨流瞬時(shí)孕育，經(jīng)常遇見的問題是：形狀復(fù)雜的沈陽球墨鑄鐵件薄壁處出現(xiàn)碳化物，而熱節(jié)部位則有因收縮而致的疏松。

改用新型孕育劑隨流孕育后，消除了薄壁處的碳化物，肥厚處的微觀疏松也大為減輕。也生產(chǎn)中的廢品率明顯降低，而孕育劑用量減少了25%。

（3）用于厚壁鑄件的效果

主要產(chǎn)品為厚截面沈陽球墨鑄鐵件的某鑄造廠，用感應(yīng)電爐熔煉，用蓋包法進(jìn)行球化處理。鑄件質(zhì)量方面存在的問題主要是石墨漂浮、偏析、石墨畸形和收縮缺陷。后采用在澆包中沖入的方式進(jìn)行瞬時(shí)孕育，并用含鋇的孕育劑和新型孕育劑作了對(duì)比。

用含鋇的孕育劑時(shí)，鑄件微觀組織中石墨球數(shù)為187個(gè)/mm2。

采用新型孕育劑時(shí)，石墨球數(shù)為357個(gè)/mm2，而且石墨球尺寸的變化范圍較寬，呈雙峰分布，球化率也提高了10%，鑄件的收縮缺陷明顯減少。

由于石墨球數(shù)增多，晶間偏析減少，鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和沖擊韌度提高，同時(shí)加工性能也顯著改善，刀具壽命提高了50%。

（4）大模數(shù)鑄件收縮缺陷減少

某鑄造廠經(jīng)常生產(chǎn)模數(shù)較大的鑄件，關(guān)鍵截面處有縮孔一直是困擾工藝人員的問題。采用新型孕育劑進(jìn)行瞬時(shí)孕育處理后，取得了很好的效果。