热处理之球墨铸铁

对灰铸铁而言，经熔炼过程制得的铁液中含有适量硫和氧，是此后进行有效孕育处理的重要条件，是不可缺少的。

目前，对铸铁孕育作用的机制尚未完全认识，仍存在多种说法。其中，非金属夹杂物成核说已得到广泛的认同。通常用于铸铁的孕育剂，以硅为主要成分，还含有少量铝、钙、锆、钡等元素。浇注前向铁液中加入孕育剂后，其中的活性元素与铁液中含有的硫、氧作用，生成大量微细的氧化物、硫化物和硫氧复合化合物，弥散于铁液中。在灰铸铁铁液的共晶凝固过程中，这些夹杂物能作为石墨的外来晶核，促进石墨生核、使共晶团细化。

因此，灰铸铁孕育处理前的原铁液中，硫含量不宜低于0.06%，保持在0.06%～0.08%之间。原铁液中硫含量很低时，还有必要故意加入‘硫化亚铁’使其增硫；氧含量，一般在20×14-4%～30×10-4%之间。

对沈阳球墨铸铁而言，硫和氧都是有害元素。特别是硫，属于作用很强的反球化元素，只在原铁液中的含量降低到0.02%以下，才能保证石墨的球化良好，采用型内球化工艺时，还应使硫含量降低到0.01%。因此，降低原铁液中的硫含量，是进行球化处理的前提。生产沈阳球墨铸铁件时，严格控制炉料，以确保铁液中的硫含量低，必要时应进行炉外脱硫作业。

在沈阳球墨铸铁原铁液中加镁进行球化处理时，镁与铁液中的硫和氧发生反应，生成MgS和MgO。有资料说，加镁后可使铁液中的硫含量降低80～90%，氧含量降低40～50%。可见，铁液中的硫、氧含量高，将使球化剂中的镁大量损失，导致球化作用难以控制，而且会造成大量熔渣。所以，生产沈阳球墨铸铁件时，对硫和氧都是避之尤恐不及的。

既然如此，在灰铸铁中有促进石墨生核作用的氧化物、硫化物和硫氧复合化合物，在沈阳球墨铸铁中可否起同样地作用？如何才能利用这种作用？是大家所关心的问题。

氧化物、硫化物和硫氧复合化合物在沈阳球墨铸铁中的作用

根据一些研究工作的结果，氧化物、硫化物和硫氧复合化合物在沈阳球墨铸铁中同样也能作为球状石墨的外来晶核。如果运用得当，将含硫、氧的孕育剂用于沈阳球墨铸铁，可多方面地改善沈阳球墨铸铁的性能，如：

·石墨球的尺寸减小，数量增多、球化率提高；

·减轻铸铁的白口倾向，有利于制造薄壁沈阳球墨铸铁件；

·生产厚壁铸件时，可减轻晶间偏析，提高铸件质量；

·生产厚壁铸件时，可减轻或防止石墨漂浮；

·使铸铁组织中铁素体量增多；

·减少铸固过程中的收缩，铸件产生缩松、缩孔的倾向小。

在灰铸铁中可作为石墨外来晶核的氧化物、硫化物和硫氧复合化合物，在沈阳球墨铸铁中的情况就很不相同。化学活性很强的镁能使其中的大部分还原，生成MgS和MgO进入熔渣，因而，不足以为球状石墨的形成提供有效的生核条件。

因此，对于沈阳球墨铸铁而言，能作为球状石墨外来晶核的氧化物、硫化物和硫氧复合化合物，在热力学上应比镁的氧化物和硫化物更为稳定。

在铁液温度下，常用于处理铸铁的合金元素中，铈、钙与硫、氧的亲和力大 于镁。因而，使铈、钙与硫、氧结合不失为一种可取的方案。

铈可与硫、氧结合，形成的化合物有CeS、Ce2O3、Ce2O2S等，这些化合物在1500℃左右是稳定的，尺寸约为1～3μm，密度约为6.5 g/cm3，基本上呈球形，可以弥散分布于铁液中、作为石墨的外来晶核，而且研究工作中已见到球状石墨的心部有这类化合物。

钙的化合物对球状石墨的生核也有十分重要的作用。

孕育剂

用于沈阳球墨铸铁的原铁液中硫含量都很低，而且往往要进行炉外脱硫作业，很难稳定地将硫含量控制在很窄的范围内。原铁液中的氧含量也难以准确地控制。 因此，生产沈阳球墨铸铁件时，要利用硫化物和氧化物作为球状石墨的外来晶核，可行的方法之一是将硫、氧和铈、钙都配合于孕育剂中。

适用于沈阳球墨铸铁的、含铈、钙、硫、氧等多种元素的孕育剂，欧洲早已有商品供应，且有多种规格的产品以适应不同的生产条件。这类孕育剂，主要成分仍是硅，但配有细微而分散的氧化物和硫化物，因而外观多呈黑色颗粒状。表1中列出了其中一种的化学成分，由此可见这类孕育剂的大致情况。

这种孕育剂加入铁液以后，铈、钙与孕育剂本身所含的硫和氧反应，也与铁液中残留的硫和氧反应，产生硫化物、氧化物和硫氧复合化合物。这些化合物同样可作为球状石墨的外来晶核，对石墨的生核有重要的作用。铈还可以与其他微量元素作用，形成稳定的金属间化合物，抑制其有害的影响。采用这类孕育剂，如果处理、控制得当，就可以得到前节所列的效果。

由于这类孕育剂中含有铈和钙，产生的硫化物、氧化物和硫氧复合化合物的稳定性好，用于沈阳球墨铸铁时，可在加镁处理之前作为预处理剂加入，加入镁后绝大部分仍能保持，不致被镁所还原。

由于这类孕育剂中含有硫和氧，即使在加镁处理之后、铁液中硫、氧含量很低时加入，也能形成硫化物、氧化物和硫氧复合化合物，作为石墨的外来晶核。因此，也可在球化处理后用于浇注过程中的瞬时孕育。

含硫、氧。铈、钙的孕育剂的应用

化学成分如表1的含硫、氧、铈、钙等元素的孕育剂（以下简称新型孕育剂），既可用于球化处理前的预处理，也可用于浇注过程中的瞬时孕育。

1.用于预处理

为使新型孕育剂的应用得到的效果，采用与其特点相适应的处理方法。目前看来，采用三步处理法(即预处理、球化处理和孕育处理)效果较好。

在加镁进行球化处理之前，用新型孕育剂对铁液进行预处理，引入的铈、钙不仅与孕育剂本身中的硫、氧结合，形成化合物，而且与铁液中的硫、氧反应，使铁液进一步脱氧、脱硫。这两项条件对于石墨的球化都是非常有利的。

预处理所用孕育剂的加入量，按需要加入的铈计算。从理论上说，如不考虑温度、压力等外部条件，铈的加入量主要决定于两种因素：

·与硫和氧生成稳定化合物所需的量；

·与钛、铅、铋等有害元素化合或形成金属间化合物所需的量。

实际生产中，很难准确掌握上述两方面的信息，而且，有害元素的含量往往变化无常，其在铁液中的状态也无从得知。但是，在生产条件下进行的试验表明，一般情况下，以新型孕育剂为载体，铈的加入量为0.002～0.006%即可。

铋在沈阳球墨铸铁中有使石墨形状退化的作用，通常都认为是有害元素。但是，在孕育剂中含铈的条件下，铈与铋结合可形成大量晶核，使石墨球细小。对于要求低温冲击韧度的铁素体沈阳球墨铸铁（如QT 400－18L），在加入含铈孕育剂的同时，加入少量的铋是十分有益的。如果有必要加铋，可采用含铋的稀土硅铁合金，合金用量按加铋0.001～0.002%计算。

铁液经预处理后，还应进行球化处理和孕育处理。

经预处理的铁液，不仅因硫、氧含量降低可减少镁的用量，而且还有另一个促进石墨球状化的因素，那就是铁液与石墨界面处的表面张力大为提高。铁液的表面张力也是影响石墨球状化的重要因素之一，要使石墨以球状析出，铁液与石墨界面处的表面张力很高。铁液中溶有的硫和氧，都是使其界面处表面张力降低的重要因素。经预处理后，孕育剂中的铈、钙可将铁液中的硫和氧脱除到很低的程度，几乎可使表面张力倍增。因此，球化处理时镁的加入量可以减少，残留镁量在0.03%以下仍能保持球化正常。

铁液经预处理和加镁处理后，仍有一定的氧含量，孕育处理是保证石墨球的数量多和圆整度好所必需的。这种条件下，孕育剂可用75硅铁。

2.用于瞬时孕育

经球化处理和孕育处理后的铁液，如保持时间较长，其生核能力即大为削弱，导致铸件出现各种质量问题。如果在浇注过程中采用新型孕育剂进行瞬时孕育，就会有很强的生核作用。而且，有试验结果表明：采用这种孕育剂，可使石墨球的尺寸大、小兼备，呈双峰分布，有助于减少收缩缺陷。

以下举几个国外应用的实例，说明处理的效果。

（1）石墨球数量增多，厚截面铸件效果尤为明显

某铸造厂制造不同厚度的板状铸件，用感应电炉熔炼，浇注时随流瞬时孕育。原先用含锶（Sr）的孕育剂，后改用成分如表1所示的新型孕育剂，孕育剂改变前后，不同厚度铸件上测定的石墨球数见表2。

由表2可见，无论铸件的壁厚如何，用新型孕育剂时，铸件组织中的石墨球数都比用含锶孕育剂时多。

还有一点也很值得注意：用新型孕育剂时，40mm厚铸件的石墨球数多于5mm厚的铸件，说明在铸件共晶凝固的过程中还有二次生核作用，这也是石墨球的尺寸呈双峰分布的原因。

采用新型孕育剂后，孕育剂用量降低了很多，而铸件产生收缩缺陷的情况减少。

（2）用于薄壁铸件的效果

某铸造厂用感应电炉熔炼，原先用含硅、锆、锰、钙的孕育剂随流瞬时孕育，经常遇见的问题是：形状复杂的沈阳球墨铸铁件薄壁处出现碳化物，而热节部位则有因收缩而致的疏松。

改用新型孕育剂随流孕育后，消除了薄壁处的碳化物，肥厚处的微观疏松也大为减轻。也生产中的废品率明显降低，而孕育剂用量减少了25%。

（3）用于厚壁铸件的效果

主要产品为厚截面沈阳球墨铸铁件的某铸造厂，用感应电炉熔炼，用盖包法进行球化处理。铸件质量方面存在的问题主要是石墨漂浮、偏析、石墨畸形和收缩缺陷。后采用在浇包中冲入的方式进行瞬时孕育，并用含钡的孕育剂和新型孕育剂作了对比。

用含钡的孕育剂时，铸件微观组织中石墨球数为187个/mm2。

采用新型孕育剂时，石墨球数为357个/mm2，而且石墨球尺寸的变化范围较宽，呈双峰分布，球化率也提高了10%，铸件的收缩缺陷明显减少。

由于石墨球数增多，晶间偏析减少，铸铁的抗拉强度和冲击韧度提高，同时加工性能也显著改善，刀具寿命提高了50%。

（4）大模数铸件收缩缺陷减少

某铸造厂经常生产模数较大的铸件，关键截面处有缩孔一直是困扰工艺人员的问题。采用新型孕育剂进行瞬时孕育处理后，取得了很好的效果。