铸铁的孕育处理

第三章  铸铁的孕育处理 孕育处理就是在浇注前或浇注过程中向金属液中加入少量的某种物质，以影响金属液生核过程,从而改变其凝固特性的处理工艺。对于铸铁而言，孕育的目的是增加铁液中的石墨核心，以使共晶凝固，尤其是石墨的析出能在比较小的过冷度下开始进行。其结果是提高石墨析出的倾向，并得到均匀分布的细小的石墨,从而使铸铁具有良好的力学性能和加工性能。本章着重介绍铸铁孕育处理的理论基础及其在生产中的应用。 第一节  孕育处理的理论基础 自从孕育技术诞生以来，世界各地的铸造工作者便开始探询孕育处理的机理。经过70多年的努力，尽管在许多理论问题上取得了重要进展，但是孕育处理的机理至今尚无一致的认识。 孕育处理的本质是在铁液中创造有利于石墨形核析出的热力学、尤其是动力学条件，因此孕育处理对铁液凝固过程的影响应该是多方面因素的综合作用。根据人们目前的认识，它主要包括以下内容： （1）增加铁液中的温度起伏、浓度起伏和结构起伏，创造石墨均质形核的有利条件；（2）增加石墨非均质形核的核心；（3）减小渗碳体的稳定性。 1. 增加铁液中的三个起伏，创造石墨均质形核的条件 铸铁同其它合金一样在液态始终存在温度起伏、浓度起伏和结构起伏。当孕育剂加入到铁液中后，孕育剂颗粒从其周围的铁液中吸收热量，使其周围形成一个微小的低温区。孕育剂颗粒在从其周围的铁液中吸收热量的同时被熔化消失。由于孕育剂的主要成分为硅或碳，因此它熔化后并非消失得无影无踪，而是形成了高硅高碳的微区，这些微区在结构上保留了孕育剂物质的结构痕迹。由此可见，孕育剂的加入增加了铁液温度、浓度和微观结构上的不均匀性，即极大地增加了铁液中的温度起伏、浓度起伏和结构起伏。 用电子探针测定铁液液淬后各元素的分布，证实了铁液无论是否经过孕育处理都存在碳硅的不均匀现象，而且这种不均匀现象呈周期性分布。加入孕育剂后，浓度起伏明显增大。 孕育处理后铁液由温度起伏、浓度起伏和结构起伏到石墨形核析出需要一个微观的演变过程。研究用硅铁孕育处理的铁液中硅铁颗粒溶解区域内成分与相的变化，根据溶解区固相的组成可将溶解区划分为八个区，如图3-1所示。 图3－1  硅铁溶解区域示意图 其中第1区是尚未溶解的硅铁，即硅铁的原始组织。它包括两个相：纯硅相和含硅50%的ζ相。 第2区处于溶解的边沿，含硅33%的ε相分布在液相中，此时液相中出现SiC颗粒。 第3区中硅已基本溶解，液相中的SiC颗粒变成大块。随着与硅铁颗粒中心距离的增大，液淬基体中硅含量减小而碳含量增加，说明碳原子和铁原子向中心方向扩散，而硅原子向外扩散，SiC是在距中心一定距离的溶液中析出的。 第4区SiC进一步长大并开始分解，分解出的碳形成大量的点状、块状和球状石墨,这些石墨大部分分布在SiC晶体的内部，而分解出的硅则溶入液体中。 第5区SiC完全消失,液相中可观察到大小不等、形状不规整的石墨球。 第6区石墨球转变为开花状、块状和片状。 第7区是一个连续的厚大石墨带，由块状和厚片状初生石墨组成，它将整个溶解区包围在里面。这个石墨带是溶解前硅铁颗粒的边界。 第8区紧邻原铁液，由均匀分布的A型石墨原铁液组成。由此可见，硅铁孕育处理后首先析出的并非石墨相，石墨的析出是通过中间相SiC的分解完成的,而SiC是浓度起伏的产物。 石墨析出后能否稳定存在并长大，取决于铁液的热力学条件。如果石墨相析出后铁液长时间处于较高的温度下，石墨就会被溶解消失，即所谓孕育衰退；如果石墨析出后铁液处于高温的时间较短，石墨相被溶解后铁液中仍存在石墨质点，这些石墨质点在铁液冷却到液相线以下时重新长大，这就是人们所观察到的石墨二次形核现象；如果石墨析出时铁液已在液相线附近，石墨相就会直接长成片状。 根据这一理论，孕育处理的温度不宜太高，孕育至浇注时间也不宜过长，由此产生了迟后孕育及型内孕育技术（将在后面介绍）。 2. 增加石墨异质形核的核心 孕育处理可以促使铁液中出现大量石墨异质形核的核心，这些石墨异质核心主要有：碳化物、硫化物、硅酸盐、氧化物、氮化物、和未溶解石墨。 盐类碳化物是最理想的石墨异质核心之一，特别是周期表中第Ⅱ族元素的碳化物具有孕育作用。碳化钙在高温下具有面心立方结构，其中以离子形式存在的C-C距离为0.14±0.02nm，这与石墨基面上C-C距离0.142nm十分吻合，因此石墨可直接在其上外延生长。碳化钙晶体的(111)面与(100)面的交线也是石墨基面外延的良好起点。碳化钙晶体的两个(111)面间距为0.341nm，而石墨的基面之间的距离为0.335nm，二者亦有良好的匹配关系。 需要指出的是，钙的孕育作用与铁液中SiO2的存在有密切关系。实验表明，在SiO2不能稳定存在的低硅铁液中，纯钙没有孕育作用，但是硅钙合金则有显著的孕育作用。 盐类碳化物在铁液中是不稳定的，只能在孕育处理过程中出现。如果铁液长时间保持在较高温度下，它们将与铁液中的氧和硫发生反应，形成相应的氧化物和硫化物,失去孕育作用。 硫是铸铁中的一种常见元素，铸铁中硫化物的存在也已为人所共知。由一些高效孕育元素，如铈、钙、硅、钡和稀土所形成的硫化物都具有NaCl结构。如图3-2所示，其密排面(111)面与石墨的基面之间存在着良好的匹配关系。王春棋从这种匹配关系出发，计算了硫化物与石墨晶体尺寸之间在1148℃下的失配度（见表3-1），证实失配度大多小于6%。根据经典的成核理论，失配度小于6%的硫化物都可能作为石墨形核的有效基底。 图3-2  石墨与硫化物的假设位向关系 从这一观点出发，人们在孕育剂中加入了一些与硫有较强亲合力，所形成的硫化物又与石墨有良好的晶格匹配关系的元素，如Ce、La、Al、Ba等，并得到了良好效果。需要注意的是所加入的这些元素与氧有同样的化学亲合力，其氧化物也被认为对孕育有积极作用。 表3-1  石墨与硫化物（具有NaCl结构）之间的点阵失配度 硫化物 MgS MnS CaS CeS LaS SiS BaS 失配度% -12.5 -12.1 -4.1 -2.9 -1.5 +1.3 +7.5                 持硫化物作为石墨异质核心观点的人认为，新形成的硫化物在铁液中不能长期独立存在，随着时间的推移，它们将被氧化物包围，失去作为异质核心的能力。 硅酸盐也是石墨形核的理想的异质核心。铁液中硅与氧反应生成二氧化硅，二氧化硅质点是石墨形核的理想基底。二氧化硅也可能与氧化亚铁聚合生成复合硅酸盐，同样可以作为石墨形核的基底。持这种观点的人认为，铁液中的Al、Ca、Ba、Zr等元素与氧反应所形成的氧化物对孕育的贡献在于为二氧化硅的析出提供了基底。这个过程称为非均质形核的催化，从这里出发，开发了许多复合孕育剂。 同硫化物一样，二氧化硅在铁液中也不能长期独立存在，随着时间的推移，它们将被新形成的氧化物包围，从而失去孕育作用。 早在二十年代就有人认为未溶石墨质点是石墨形核的基底。蒂勒（Tiller）认为，在石墨质点的周围会形成过冷，使石墨质点变得稳定，即使在铁液高于液相线温度时，石墨质点也可能稳定存在。 可以作为石墨形核的异质核心的还有一些氮化物和氧化物，诸如BN、AlN、ZrN、SiO、CeO2等。 3. 减小渗碳体的稳定性 如果在铁液凝固过程中能有效地阻止渗碳体的析出，客观上就会促使石墨析出。因此，孕育处理的另一种可能机制就是减小渗碳体的稳定性。硅是孕育剂中的主要元素，其减小渗碳体稳定性的作用表现在以下几个方面： (a)硅原子与渗碳体反应析出碳原子和硅铁，而硅铁溶解于铁液形成高硅铁素体和碳化硅。碳化硅在热力学上是不稳定的。 (b)硅饱和溶体具有排碳性，使碳成为过饱和状态并以石墨形式析出。 (c)硅与溶体反应所释放的热量延缓了铸铁的冷却。 第二节  孕育处理工艺 孕育处理工艺主要包括以下内容： （1）铸铁化学成分的选择； （2）铁液熔炼温度及孕育处理温度； （3）孕育剂的选择、加入量及加入方法； （4）孕育效果的检验。 其中孕育剂的选择将在下节介绍。 一、铸铁化学成分的选择 孕育处理效果与铁液的化学成分密切相关。在选择孕育铸铁的化学成分时，应综合考虑对铸铁金相组织及力学性能的要求、铸件结构（铸件壁厚、壁厚差等）、熔炼条件、所选择的孕育剂种类等。因此，首先需要了解铸铁中各种常见元素的作用。 1、碳和硅 铸铁中碳和硅都是强烈促进石墨化元素。图3－3为Φ30mm试棒上铸铁中碳硅含量与铸铁石墨化能力及基体组织的关系图。 图3-3  灰铸铁组织图 区域Ⅰ ──珠光体—渗碳体组织的白口铸铁 Ⅱa──珠光体—渗碳体—石墨的麻口铸铁 Ⅱ ──珠光体—石墨的灰铸铁 Ⅱb──珠光体—铁素体—石墨的灰口铸铁 Ⅲ ──铁素体—石墨灰铸铁 实践证明，碳硅含量高，有利于石墨化，但同时增加石墨数量和尺寸，难以提高强度和硬度；碳硅含量低，有利于减少石墨数量、细化石墨，减少碳含量还会增加奥氏体数量，因而有利于提高铸铁强度和硬度。但是降低碳硅含量，会带来铸造性能降低、铸造应力增大、铸件断面敏感性增大、加工性能降低等问题。孕育铸铁的碳硅含量应选择在麻口区或白口区，使其经过孕育后得到灰口组织。一般采用碳当量(CE)来综合考虑碳硅含量 Si+P CE%＝C%+ ──── % 3 近年来，硅在铸铁中的作用引起人们关注。如第一章所述，硅使共晶点和共析点左移，使共晶转变和共析转变温度升高，转变温度区间增大，使共晶转变的稳定系转变温度和介稳定系转变温度间隔增大。硅是强烈促进石墨化元素，其石墨化作用不仅表现在一次结晶过程中，在共析转变过程中它也可以有效地抑制渗碳体的析出。如图3-3所示，当硅含量较高时，即使碳含量较低也可以得到基体为100%铁素体的灰铸铁。 硅对石墨形态亦有显著影响。如前所述，硅可以与氧反应形成硅酸盐等颗粒作为石墨形核的基底，增加石墨核心数量，细化共晶团。同时，由于硅有效地阻止渗碳体的析出，改善了断面硬度的均匀性和加工性能。 硅增加铸铁中奥氏体含量，并使其枝晶细化。李富帅采用单向凝固的方法研究了硅含量对铸铁共晶共生区的影响，发现硅使铸铁的共晶共生区右移，并认为这是硅使奥氏体数量增多的原因。 如果保持碳当量不变，适当提高Si/C比，可以在不影响石墨化能力的情况下增加初生奥氏体数量，减少石墨数量，强化基体中的铁素体，提高铸铁强度、硬度和弹性模量，减小铸造应力，提高铸件的尺寸稳定性。目前国内高硅碳比灰铸铁已广泛用于机床、减速机箱体等铸件，以取消时效处理。高硅碳比灰铸铁中碳当量不宜超过 4.0%，Si/C一般在0.6～0.8左右。据生产试验结果，在机床铸件上应用时，碳当量应严格控制在3.7～3.9%范围内。但是，Si/C的提高也会降低铸铁中珠光体含量，并因提高了液相线温度、降低了共晶转变温度而使铁液的流动性及铸件的致密性降低。 2. 锰和硫 锰是稳定珠光体、阻碍石墨化的元素。铸铁中含有适量的锰可提高珠光体含量，强化基体组织。在含氮量较高的灰铸铁中，一定量的锰可促使石墨钝化、石墨表面变粗糙。锰对铸铁性能的影响如图3-4所示。由于孕育铸铁的基体组织以珠光体为主，因此其锰含量比普通灰铸铁高一些，一般在0.8～1.2%之间。 图3-4  锰对铸铁性能的影响 硫也是一种反石墨化元素。但是研究表明，铸铁中含有适量的硫可形成硫化物，这些硫化物可作为石墨形核的基底，从而促进孕育效果。 锰和硫有很强的亲合力，二者共存时可形成MnS及(Fe,Mn)S化合物。这些化合物以颗粒状分布于铁液中，可以作为石墨形核的基底。 3. 磷 磷使铸铁的共晶点左移，其作用程度与硅相似，故当磷含量较高时，计算碳当量时应考虑磷的作用。但是铸铁中磷含量往往较低，因此一般情况下不考虑磷对孕育处理的影响。 磷可以形成低熔点的二元或三元磷共晶，它们分布于晶界，可以提高铸铁的耐磨性，但使铸铁韧性降低。因此铸铁中磷一般限制在0.15%以下。 表3-2为用硅铁作为孕育剂时孕育铸铁的化学成分,供参考。从这个表中可以看出，随着铸铁牌号的提高，碳和硅的含量降低。近年来，国内外有发展高碳当量高强度灰铸铁的趋势。生产高碳当量高强度灰铸铁时，应选用稳定化孕育剂。 表3-2      孕育铸铁的化学成分(%) 牌号 壁厚mm C Si Mn P S HT250 <15 3.2～3.5 1.8～2.1 0.7～0.9 <0.15 <0.12 15～30 3.1～3.4 1.6～1.9 0.8～1.0 <0.15 <0.12 30～50 3.0～3.3 1.5～1.8 0.8～1.0 <0.15 <0.12 >50 2.9～3.2 1.4～1.7 0.9～1.1 <0.15 <0.12 HT300 <15 3.1～3.4 1.5～1.8 0.8～1.0 <0.15 <0.12 15～30 3.0～3.3 1.4～1.7 0.8～1.0 <0.15 <0.12 30～50 2.9～3.2 1.4～1.7 0.9～1.1 <0.15 <0.12 >50 2.8～3.1 1.3～1.6 1.0～1.2 <0.15 <0.12 HT350 <15 2.9～3.2 1.4～1.7 0.9～1.2 <0.15 <0.12 15～30 2.8～3.1 1.3～1.6 1.0～1.3 <0.15 <0.12 30～50 2.8～3.1 1.2～1.5 1.0～1.3 <0.15 <0.12 >50 2.7～3.0 1.1～1.4 1.1～1.4 <0.15 <0.12               二、铸铁熔炼温度和孕育处理温度 优质高温铁液是生产孕育铸铁的前提条件。由于孕育铸铁的碳硅含量较低，其熔点较高，因此要求铁液温度较高。生产实践证明，在一定的范围里适当提高铁液熔炼温度，可以充分发挥孕育作用，提高铸铁强度。但铁液温度过高，会使其过冷倾向增大，石墨恶化，甚至出现渗碳体组织，使铸铁的力学性能降低。一般情况下，铁液熔炼温度应控制在1450～1500℃。 孕育处理温度一般不宜过高。孕育处理温度过高，铁液凝固所需要的时间长，容易出现孕育衰退。但是孕育处理温度太低，也不利于孕育剂的溶解吸收，并影响铁液的流动性。根据作者体会，铁液出炉温度偏高，孕育处理温度偏低为好。但在生产实践中孕育处理温度的选择在很大程度上受到熔炼条件和孕育处理工艺的限制。 三、孕育方法 孕育方法（即孕育剂的加入方法）主要分为包内孕育、迟后孕育、和型内孕育，见图3-5。 图3-5  孕育方法分类 1.包内冲入法。这是生产中最常使用的孕育方法。其做法是将孕育剂预先放入包内，然后冲入铁液。这种方法的主要优点是操作简单。但使用这种方法，孕育剂易氧化，烧损大，孕育至浇注间隔时间长，孕育衰退严重。 2.出铁槽孕育法。出铁时通过孕育剂料斗将孕育剂加到出铁槽的铁液流中，随铁液一起流入浇包中。这种方法操作比较简单，孕育剂氧化减轻，但孕育衰退同样严重。 为解决孕育衰退问题，出现了迟后孕育技术。 3.浇杯孕育法。将颗粒状或块状孕育剂放入浇杯中，直浇口用拔塞堵住，然后将铁液浇入浇口杯中，使孕育剂溶解，然后拔起拔塞，使铁液进入型腔。这种方法可以有效地解决孕育衰退问题，但同时增加了造型工作量。另外，孕育剂颗粒易漂浮，造成浪费。 4.大块浮硅法。将大块孕育剂放在包底，冲入铁液，使孕育剂边上浮边熔化，铁液表面形成一层富硅区，在浇注时与包底部分的铁液一起进入型腔。这种方法操作简单，衰退小。但要求孕育剂块度与铁液温度、浇包容量相适应，否则孕育效果欠佳。 5.硅铁棒孕育法。浇注时将硅铁棒置于浇包嘴，通过铁液对硅铁棒的冲刷进行孕育处理。这种方法既解决了孕育衰退问题，又解决了孕育剂浪费问题。其不足之处是孕育剂用量难以控制，硅铁棒制造也比较麻烦。 6.孕育丝孕育法。把孕育剂包在空心金属丝内，均匀地送入浇口杯或直浇道的铁液中。这种方法孕育剂利用率很高，孕育剂用量可减少到0.08%以下。此法的缺点是孕育丝成本高，而且需要专门的喂丝设备。 7.铁液流孕育法。这种方法也叫随流孕育法。在浇注过程中利用气力或重力将孕育剂加入到铁液流中。这种方法孕育剂利用率高，孕育剂用量可减少到0.1%以下，无衰退。但需要专门设备。 8.型内孕育法。型内孕育法是把孕育剂预先置于型内进行孕育的方法，它常常被用作对已孕育过的铁液进行二次孕育处理。这种方法可分为全部孕育和局部孕育。全部孕育是把孕育剂置于浇注系统内，铁液注入时随铁液进入整个型腔，对整个铸件进行孕育处理。局部孕育是在铸型内局部放置孕育剂，从而对铸件局部进行孕育处理。孕育剂可以是特定的块状，也可以是小块或粉状。这种方法的不足之处是易造成渣孔，可靠性较差。 四、孕育效果检验 孕育效果的检验应包括炉前铁液成分的快速分析，炉前工艺试块检验，以及金相和力学性能检验。 在孕育铸铁生产过程中，及时检查铁液的化学成分是否符合要求，对于及时调整成分，确定孕育剂的加入量，保证孕育效果是十分重要的。目前使用比较可靠的方法是在炉前或车间实验室内配备化学成分自动分析仪或热分析仪。化学成分自动分析仪，如直读光谱仪可在几分钟内确定一个试样的化学成分。热分析仪是通过测定试样的冷却曲线，利用计算机计算其碳当量。炉前化学成分的快速分析主要用于生产比较重要的铸件的车间，而一般的铸造车间往往采用炉前工艺试块判断铁液成分和孕育效果。 炉前工艺试块主要有三角试块和激冷试块两种。三角试块是一种十分简便的炉前检验方法，目前在我国普遍使用。 图3—6  三角试块 三角试块如图3-6所示，根据孕育铸铁牌号和铸件壁厚不同可选择不同的尺寸。通过测量三角试块的白口宽度B或深度A便可大致了解铁液化学成分是否符合要求。由于三角试块的尖部往往浇不足，一般白口宽度B较准确。可以参考以下经验公式计算铁液的碳当量： CE=3.4－(B－10)a 式中 B──三角试块的白口宽度，mm；  a──系数，其值为0.09～0.1。   激冷试块如图3－7所示，其具体尺寸可查阅美国材料试验协会的ASTM 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。在试块下面安放一块激冷板，浇注后测定其白口深度。激冷板采用铸铁或铸钢等材料以保证一定的冷却速度。 图3—7  激冷试块 孕育铸铁的质量最终要靠金相组织和力学性能检验来评价。专业化的孕育铸铁生产车间需要定期进行这方面的检验。金相检验应包括石墨数量、分布、形态和共晶团数。对高牌号铸铁，还应包括珠光体含量。孕育铸铁的石墨应是细小的、均匀分布的A型石墨。共晶团数与未孕育铸铁相比应有明显增加。最主要的力学性能检验应包括抗拉强度、硬度和弹性模量。有时, 还需要通过测定阶梯试块不同部位的硬度来检验性能的均匀性。 第三节  孕育剂 一、孕育剂的分类 图3-8  孕育剂分类 孕育剂可以按功能、主要元素、混合形式、及形状进行分类（见图3－8）。 工业上通常使用的孕育剂主要是石墨化孕育剂，其主要作用是促进石墨析出，细化共晶团。稳定化孕育剂除具有促进石墨化作用外，还有稳定珠光体的作用，在对铸件性能要求较高时往往使用这种孕育剂。 二、孕育剂组成及其作用 1. 硅铁（FeSi） 硅铁是最常使用的孕育剂，使用量约占孕育剂总用量的70～80%。美国硅铁孕育剂主要分为含硅50%和75%两种，其中以75%使用最多，其中常含有Al、Ca、Ba、Ce、Ti、Mn、Cr等元素。我国硅铁一般分为含硅45%、75%和85%三种，其中在铸造生产中比较多的使用含硅75%的硅铁作为孕育剂，而含硅45%的硅铁很少用作孕育剂。 根据人们对孕育机理的认识，硅是起孕育作用的主要元素，它在铸铁中的作用已在上节介绍。用硅铁对低碳当量的铁液进行孕育处理，可以有效地减小铁液的白口倾向，细化共晶团，获得均匀分布的细小的A型石墨，铸铁的抗拉强度可提高10～20MPa。 硅铁孕育剂价格便宜，供应方便。其不足之处是孕育见效快衰退也快。如果配合以迟后孕育处理，其效果比较理想。 2. 硅钙（CaSi） 钙具有强烈的石墨化能力和细化共晶团能力。我国生产的硅钙孕育剂主要成分为含Ca24～31%，Si55～60%，与普通硅铁比较，硅钙孕育剂的石墨化能力是75%FeSi的1.5～2倍，并可获得最高的共晶团数。钙的化学性质活泼，具有很强的脱氧去硫能力，因而这种孕育剂对含硫较高的铸件更有效。硅钙孕育剂衰退快，一般不用于中等以上厚度的铸件。硅钙比重轻，溶解性差，产生的渣量大，易使铸件出现夹渣缺陷。另外，用硅钙处理铁液时，烟尘较大。目前这种孕育剂已很少使用。 3. 钡硅铁（BaSiFe） 钡可以有效地延缓硅钙孕育衰退，钡硅铁孕育剂的显著特点是具有很强的抗衰退能力，并因此而能够明显地改善铸件壁厚敏感性。图3－9和图3－10分别为钡硅铁孕育剂和硅铁孕育剂孕育处理后试样白口宽度和共晶团数随时间的变化情况。 图3－9  孕育处理后三角试样白口宽度的变化 图3—10  孕育处理后共晶团数的变化 从这两个图可以看出，孕育后的初期，两种孕育剂的差别不大，但是随着时间的延长，钡硅铁孕育剂明显好于硅铁。这种孕育剂适合于各种牌号的灰铸铁件，尤其适合于大型厚壁件和浇注时间长的铸件。 我国生产的钡硅铁孕育剂的主要成分为含Ba 4～6%、Si 60～68%和微量的Ca、Al、Mn等。 4. 锶硅铁（SrSiFe） 锶硅铁孕育剂是在普通硅铁孕育剂中加入0.6～1.0%的锶。锶具有很强的抑制渗碳体析出的能力，硅铁中含有0.14%左右的锶即可显著减小白口深度（见图3－11）。   图3—11  不同含锶量硅铁孕育后的白口深度 与普通75FeSi比较，锶硅铁孕育剂减少白口的能力高出30～50%，因而其用量可减少30%。锶硅铁孕育剂的独特之处在于这种孕育剂在具有极强的石墨化能力的同时，并不显著增加共晶团数。这种孕育剂特别适合于对致密性有特殊要求的铸件以及结构复杂、断面尺寸变化大的铸件。 4. 碳硅钙（TG-1） 这种孕育剂是晶体石墨与硅钙等合金的颗粒状混合物，粒度小于8目，其主要成分为Si33～40%、C27～38%、Ca4～8%。在高温铁液中，晶体石墨形成弥散分布的石墨质点，作为石墨析出的晶核，并延缓衰退。钙硅等元素与氧硫反应促进石墨化。这种孕育剂熔点较高，石墨化能力较强，并有较好的抗衰退能力，适合于在高温熔炼的条件下生产各种灰铸铁件。 5. 稀土钙钡硅铁（RECaBa） 稀土具有强烈的脱氧去硫能力，微量的稀土合金可以在铁液中形成氧化物、氧硫化物、硫化物和氮化物，从而减少了一些有害元素对石墨化的影响，同时这些稀土化合物由于与石墨具有良好的晶体匹配关系，也可作为石墨形核的基底，因此微量稀土有强烈的石墨化能力和良好的抗衰退能力。稀土本身又是激冷元素，过量的稀土反而会增加铁液的白口倾向。 稀土钙钡硅铁孕育剂吸收了稀土、钙、钡和硅四种元素的作用特点，因而具有良好的综合性能。这种孕育剂的主要成分为含Si46～65%、RE3～10%、Ca2～9%、Ba1.5～8%。 6. 稀土铬锰硅铁（RECrMn） 铬和锰都是促进珠光体元素，孕育剂中含有这两种元素有利于获得珠光体基体的灰铸铁，提高灰铸铁的强度和硬度。但是，这两种元素的加入会削弱孕育剂的石墨化能力。 稀土铬锰硅铁孕育剂是一种高强度稳定化孕育剂，具有中等程度的石墨化能力和良好的抗衰退能力，与75FeSi比较，其抗拉强度高出20～30MPa，断面敏感性小。这种孕育剂适用于高强度灰铸铁的生产，尤其适用于高碳当量灰铸铁的生产。其主要成分为RE6～8%、Cr15%、Mn6%、Si35～40%、Ca5～6%、Al3～4%。 7. 氮系稳定化孕育剂（DWF） 氮在灰铸铁中具有两方面的作用。氮可以改变石墨形态，使其变短、变钝、弯曲程度和厚度增加，当铸铁中含有一定量的锰时氮还会使石墨表面变粗糙；另一方面，氮是一种稳定珠光体元素，当灰铸铁中含有0.01%左右的氮时，就可以获得90%以上的珠光体基体。氮可以固溶于渗碳体和铁素体中强化珠光体基体，并对初生奥氏体和共晶团有细化作用。 氮系稳定化孕育剂的主要成分为N2～10%、Cr15～50%、Si25～50%、Ca1～10%、Al1～2%、Zr0～5%。这种孕育剂适用于在高温铁液下生产高强度、高碳当量、厚壁铸件。 三、不同孕育剂孕育效果对比 最近，刘子安等人在同样的实验条件下详细研究、比较了几种孕育剂的孕育效果及其对灰铸铁组织和性能的影响。这里摘录了其中冲天炉熔炼铁液的实验结果，虽然其中的一些数据还有待进一步验证，孕育剂的加入量也不同，但从中我们可以更好地了解这些孕育剂的特性及适用范围。 1、试验条件 孕育剂化学成分见表3-3。试验用原铁液在冲天炉中熔炼，出炉温度为1450～1480℃，其化学成分为(%):C3.2～3.4、Si1.4～1.6、Mn0.6～0.8、P≤0.13、S≤0.09。力学性能和金相试样在尺寸为Φ30mm×300mm，干型立浇试棒上切取。白口试样采用NIK-3激冷板白口试样和20mm×45mm×100mm三角试样。断面敏感性采用台阶厚度分别为10mm、15mm、20mm、50mm的阶梯试块测定。 表3－3  试验用孕育剂化学成分  （%） 孕育剂 Si Ca Al Ba Sr C N RE Zr Cr 75FeSi 72～78 <0.5 0.8～1.6 … … … … … … … BaSiFe 60～65 0.8～2.2 1～2 4～6 … … … … … … SrSiFe 73～78 ≤0.1 <0.5 … 0.6～1.2 … … … … … TG-1 33～40 5～8 <1 … … 27～37 … … … … DWF 25～50 1～10 1～2 … … … 2～10 … 1～5 15～50 RECaBa 46～54 1～3 <3 1.5～4 … … … 3～5 … … Ino.10 40 3 0.9 2 … 40～50 … 2 2 …                       2、不同孕育剂的孕育效果 孕育试验的结果列于表3－4和表3－5。从消除三角试样的纯白口能力看，BaSiFe和Ino.10孕育剂最好，SrSiFe和75FeSi较好，DWF和RECaBa较差。 综合考核强度、硬度以及相对强度和相对硬度等指标，以DWF最好，TG-1较好，以下依次为Ino.10、BaSiFe、SrSiFe、RECaBa、75FeSi。断面敏感性的优劣顺序为：Ino.10、SrSiFe、RECaBa、BaSiFe、TG-1、75FeSi、DWF。抗衰退能力的优劣顺序为：BaSiFe、TG-1、RECaBa、SrSiFe、75FeSi、Ino.10、DWF。 考察不同孕育剂对灰铸铁共晶团等级、珠光体含量的影响，结果是细化共晶团能力依次为DWF、BaSiFe、Ino.10、TG-1、RECaBa、SrSiFe，稳定和细化珠光体的能力依次为DWF、RECaBa、BaSiFe、TG-1、Ino.10、SrSiFe、75FeSi。  表3－4  冲天炉条件下不同孕育剂的孕育效果 组次 孕育剂名称 加入量(%) 碳当量（%） 三角白口宽(mm) 激冷白口高(mm) σb(MPa) △HB(max) 第 一 组 原铁液 0 3.78 2 8.5 263 192 32 75FeSi 0.4 4.17 0 2.0 226 187 37 BaSiFe 0.3 4.14 1 1 233 187 28 SrSiFe 0.2 4.16 0 0.3 230 187 20 TG-1 0.4 3.95 2 4 258 197 34 DWF 0.7 3.97 3 7 307 217 41 RECaBa 0.3 3.99 1 0.3 251 212 20 Ino.10 0.2 4.18 0 1.0 225 187 6 第 二 组 原铁液 0 3.82 2.5 12 260 217 152 75FeSi 0.4 3.92 3 11 247 207 16 BaSiFe 0.3 3.92 2.5 8 242 201 25 SrSiFe 0.2 3.92 3.5 10 257 207 51 TG-1 0.4 3.89 5 4 260 207 32 DWF 0.7 3.93 13 15 379 229 66 RECaBa 0.3 3.88 4 7 231 207 17 Ino.10 0.2 3.92 2.5 7.5 267 201 16                   表3—5  不同孕育剂的抗衰退能力 孕育剂 75FeSi BaSiFe SrSiFe TG-1 WDF RECaBa Ino.10 衰退时间(min) 6.5 >>10 7.5 >10 3 8.5 6                 第四节  孕育铸铁的组织与性能特点 一、金相组织特点 孕育铸铁碳硅含量较低、锰含量较高，加之经过孕育处理，这些化学成分和浇注工艺上的特点决定了其金相组织具有以下特点。 1、石墨 由于碳硅含量较低，孕育铸铁的石墨数量较少。在孕育良好的情况下，石墨片分布均匀，其形态以A型为主，较之非孕育铸铁石墨片有细化趋势。孕育铸铁中的石墨形态与所使用的孕育剂关系很大，如果使用硅或硅钙等石墨化孕育剂，可以得到100%的A型石墨，石墨片尺寸较大，分布均匀。如果使用含有稳定珠光体元素的孕育剂，石墨片常常比较细小，当铁液碳当量较低，或者过量使用稳定珠光体元素时，甚至出现D型石墨，此时石墨片往往分布不均匀。如果孕育剂中含有过量的稀土元素，石墨片形态会产生变异，出现星形、蠕虫状或其它不规则石墨。 2、基体 由于孕育铸铁中碳硅含量较低，锰含量较高，因此其基体组织中很少会有大块的铁素体出现，而是以珠光体或索氏体为主。珠光体或索氏体的数量与所使用的孕育剂密切相关，使用含有稳定珠光体元素（诸如N、Cr、Mn等）的孕育剂珠光体含量较高，有时可达95%以上。 未孕育灰铸铁的初生奥氏体往往一次枝晶发达，并有明显的二次晶分枝。有人把这种结构类型的奥氏体枝晶骨架称为树枝型结构。这种奥氏体枝晶在结构上具有明显的方向性，导致铸铁性能上具有同样的方向性，即沿一次枝晶方向强度较高，而垂直于一次枝晶方向强度较低。 采用普通硅铁孕育剂孕育的灰铸铁，其初生奥氏体枝晶细化，但在结构特点上没有根本改变。而采用一些高强度孕育剂孕育的灰铸铁，初生奥氏体细化，其一次枝晶变短，二次枝晶不明显。具有这种结构类型的奥氏体枝晶骨架也可称为骨骼型结构。这种奥氏体枝晶在结构上没有明显的方向性，并且枝晶排列不规则，因此在力学性能上也没有明显的方向性。 孕育铸铁的共晶团数量较之未孕育铸铁显著增多，并且由于改变了共晶团晶界上元素偏析使其在金相检验的腐蚀时不那么明显。 二、物理性能 铸铁的物理性能与其石墨含量和石墨形态密切相关。石墨密度较低，导热性能较好，电阻率较大。由于孕育铸铁石墨含量较低、尺寸较小且为细片状，因此孕育铸铁的密度高于普通灰铸铁，而导热性较差，导电性较好。表3－6列出了不同强度灰铸铁的物理性能，抗拉强度低于200MPa的为普通灰铸铁，抗拉强度高于200MPa的为孕育铸铁。 表3－6  不同强度的灰铸铁的物理性能 抗拉强度MPa 密度g/cm3 导 热 性，W/m·K 电阻率(20℃)μΩ·m 100 300 500 150 7.05 65.7 53.3 40.9 0.80 180 7.10 59.5 50.3 40.0 0.78 220 7.15 53.6 47.3 38.9 0.76 260 7.20 50.2 45.2 38.0 0.73 300 7.25 47.7 43.8 37.4 0.70 350 7.30 45.3 42.3 36.7 0.67 400 7.30 43.5 41.0 36.0 0.64             三、力学性能 由于组织得到改善，孕育铸铁的强度指标一般高于普通灰铸铁。其抗拉强度一般为200～400MPa、抗弯强度为400～600MPa、抗压强度为1000～1300MPa，其弹性模量和硬度也比普通灰铸铁高。但是由于孕育铸铁中石墨仍呈片状,其塑韧性指标与普通灰铸铁相比没有明显差别。值得注意的是，对于碳含量较高的灰铸铁，如果使用普通石墨化孕育剂孕育处理，其抗拉强度没有明显提高。 伴随着组织均匀性的改善，孕育铸铁的力学性能的均匀性和对断面的敏感性得到了极大的改善。例如普通灰铸铁的试棒直径由20mm提高到75mm时，其抗拉强度由197MPa降低到104MPa，降低了48%；而孕育铸铁的试棒直径由30mm提高到150mm时，其抗拉强度由387MPa降低到340MPa，仅降低了12%，其硬度均匀性也得到极大的改善。 由于石墨数量减少，孕育铸铁的减震性能不如普通灰铸铁。但是由于石墨形态和分布的改善，孕育铸铁的耐磨性能、抗生长性能均高于普通灰铸铁。 四、铸造性能 虽然孕育铸铁中碳硅含量较低，但是孕育处理促进了石墨化倾向，因此其白口倾向不大，可以浇注很薄的铸件也不出现白口。 孕育铸铁碳硅含量较低使其结晶温度区间增大，加之孕育处理降低了铁液的温度，增加了其粘度，孕育铸铁的流动性一般较差。 孕育铸铁的线收缩和体收缩都较大，其铸造应力大于普通灰铸铁，铸件致密性也较差。因此在铸造工艺上必须留有足够的收缩余量，必要时还要采取补缩和防止变形、开裂措施。对于重要的铸件，还要进行时效处理。 改善孕育铸铁铸造性能的根本出路在于提高其碳硅含量，使其接近共晶成分。铁液愈接近共晶成分，其熔点愈低，结晶温度区间愈小，同时析出石墨数量愈多。这不仅可以提高孕育铸铁的流动性，对于减小收缩，提高补缩能力，减小铸造应力都是十分重要的。采用高强度复合孕育剂或适当调整硅碳比，可以使高碳当量孕育铸铁仍具有足够的强度性能。