含硫、氧的球墨铸铁孕育剂

HEATS

    常规的球墨铸铁生产中，铁中能否有硫化物和氧化物作为石墨结晶的核心，取决于原铁水的纯度和添加剂、保持时间和温度以及冶金处理工艺和添加剂。  
    生产中通用的孕育剂是硅铁，其中还含有钙、钡、锶、锰和锆等金属元素。加入上述有反应能力的元素，目的是使其与铁中的硫和氧结合，为石墨提供有效的非均质结晶核心。但是，铁水中能起作用的硫和氧是有限的，孕育剂中的添加元素的作用，因而也是有限的。处理后可能形成的有效晶核的数量将制约孕育的效果。  
    为了增强孕育效果，推出了一种新型孕育剂，其中含有铈（Ce）、钙（Ca）、硫（S）和氧（O），见表I。已经证实，采用这种孕育剂，能使球墨铸铁的显微组织，更为均匀，缩孔倾向较小，从而有较好的加工性能。  
    表1 新型孕育剂的化学成分（%）  
  Si Ca Ce Al S O   
    规格要求 70-76 0.75-1.25 1.5-2.0 0.75-1.25 ≤1.0 ≤1.0   
    典型实例 73 1 1.75 1 微量 微量   
    1．Ca- Ce -S –O的配合作用  
    孕育剂中的Ca和Ce，其含量已经调定到能使铸铁的白口倾向最小，并能中和阻碍形成球状石墨的微量元素的作用。孕育剂中含有少量的S和O，加入铁水后，可以和Ca和Ce反应。  
    新型孕育剂的主要作用是：在加入金属元素的同时，引进一定浓度的非金属元素（S和O）。孕育剂中反应能力强的Ca和Ce与硫、氧作用后，就会产生较多的石墨晶核。硫有利于形成石墨晶核，氧则对孕育过程有重要的作用。  
    通过瞬时孕育处理，石墨生核过程中，将同时受益于钙、铈、硫、氧的协同作用。孕育处理时，钙是首要反应元素，对共晶石墨生核有决定性的作用。均衡含量的铈，可以中和有害元素的作用，产生稳定的金属间化合物，且对硫和氧有强亲和力，从而生成高度稳定的氧化物、硫化物和硫氧化物。在整个凝固区间内，此类含铈的化合物都有助于改善生核条件，有益于孕育处理过程。  
    在球化剂、孕育剂和原铁水之间反应并产生晶核的同时，上述晶核也一并起作用。  
    孕育剂成分的拟定，是要使球墨铸铁在减轻白口倾向和缩孔倾向的同时，还能强化石墨的生核条件。这种孕育的理念是新的，体现在加入硅铁的同时还加入非金属粉末，以使其有特殊的性能。  
    制造对韧性和冲击性能要求较高的铁素体球墨铸铁时，适于采用此种新型孕育剂。对于含硫量低的球墨铸铁，在转包中用镁处理的球墨铸铁或用喂线法处理的球墨铸铁，这种孕育剂特别有效。  
    2．石墨球数增多  
    用含钙、铈、硫、氧的新型孕育剂，能使球墨铸铁中的石墨球数增多，并可改善各种性能，如：  
    ◆ 因避免了形成硬质碳化物，加工性能改善；  
    ◆ 促进石墨和铁素体形成；  
    ◆ 减轻合金元素和微量元素的偏析；  
    ◆ 减少凝固过程中的收缩；  
    ◆ 提高韧性；  
    ◆ 形成复杂的铸件，不同部位的组织和性能比较均一。  
    大家都知道，瞬时孕育前保持了较长时间的原铁水或加镁处理过的铁水，其生核能力会大为减弱。此种情况下，采用新型孕育剂能有效地提供新的晶核。  
    生产铸态铁素体球墨铸铁件时，强生核作用和石墨球数增多是使铁素体含量最多的前提条件。采用新型孕育剂，可使石墨球的尺寸有大、小二种，呈双峰分布，这有助于减少收缩，并可在富含珠光体促进元素的偏析区沉积碳，以产生较多的铁素体。这种情况，间接地使铸件的加工性能改善。  
    3．铸造厂的实际用例  
    这里，简略地举三个现场用例，供参考。  
    （1）铸造厂A  
    A厂用感应电炉熔化，用盖包法进行球化处理。原先用含锆、锰、钙的孕育剂随流瞬时孕育。常遇到的问题是：在薄壁的复杂铸件上出现碳化物和收缩过多。  
    改用亲型孕育剂随流孕育后，薄壁处的碳化物消除了，肥厚部位钻孔后，微观缩松也大为改善。  
    用原先的孕育剂时，球墨铸铁件2-3毫米截面上石墨球数为315个/mm2，改用新型孕育剂后则为602个/mm2。  
    改用新型孕育剂后，铸件质量改善，废品率显著降低，孕育剂用量也比原先减少了25%。  
    （2）铸造厂B  
    B厂用感应电炉熔化，用夹心法进行了球化处理，将孕育剂用于该厂的自动浇注系统，随流孕育。   
    分别铸造了5、10、20和40毫米厚的板状铸件，比较其石墨球数。采用新型孕育剂时，石墨球数比用含锶（Sr）的孕育剂时多。  
    用新型孕育时，40毫米厚的铸件上石墨球数为340个mm2，比5毫米厚的铸件上的石墨球数（312个/mm2）还多。这说明在稍后的冷却过程中，有二次生核作用，这对铸件的厚壁部位特别有益。  
    采用新型孕育剂后，产生缩孔缺陷的情况减少，孕育剂的加入量也减到了最低值。  
    （3）铸造厂C  
    C厂生产厚截面球墨铸铁件，用感应电炉熔化，用盖包法进行球化处理。制造厚大铸件，有石墨漂浮、偏析、缩孔和球化不良等问题。用新型孕育剂和含钡的孕育剂进行了试验，在浇包中加入。  
    试验结果表明：用新型孕育剂时，石墨球数为357 个/mm2，用含钡孕育剂时则为187 个/mm2。用新型孕育剂时，铸件金相组织中石墨球径的变化范围较宽，呈双峰分布，使缩孔减少。  
    用新型孕育剂，石墨球径较小，球化率提高了10%。还使晶胞间珠光体由25%减少到13%，相连的珠光体网（占25%以上）破碎成小片分散在铁素体基体中。