孕育铸铁

优质灰铸铁

孕育铸铁是一种优质灰铸铁。浇注前在铁水中加入孕育剂，通过孕育作用使铸铁具有细小而均匀分布的石墨。其力学性能比一般灰铸铁好。

材料简介

铸铁是指碳的质量分数为2.06%以上的铸造铁碳合金的总称。通常由生铁、废钢、铁合金等以不同比例配合，通过熔炼而成。其中除碳外，还含有锰、硅和少量的磷与硫。一般可分为灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁、白口铸铁、孕育铸铁等。

孕育铸铁是指经过孕育处理的灰铸铁。孕育处理是指浇筑前向铁水中加入少量强烈促进石墨化的物质(孕育剂)进行处理。最常用的孕育剂为含76%的铁合金。经过孕育处理后既可得到灰口组织又可细化石墨片，减少了石墨对基体的破坏作用。其显著的特点是壁厚敏感性小、铸件各部位组织均匀。孕育铸铁的抗拉强度可提高到373，抗弯强度可达588。孕育铸铁主要用于动力载荷小，而静载荷强度要求较高的气缸、凸轮、齿轮及机床铸件等重要零件。

孕育铸铁特点：强度和韧性都优于普通灰铸铁，而且孕育处理使得不同壁厚铸件的组织比较均匀，性能基本一致。故孕育铸铁常用来制造力学性能要求较高而截面尺寸变化较大的大型铸件。

组织特点

通过孕育处理后，消除了产生过冷石墨和渗碳体的结晶条件，使石墨细小，分布均匀；大断面上也可以获得细小、均匀的晶粒，避免产生偏析现象；厚壁、薄壁皆可获得细小珠光体基体，从而使铸铁的强度大大提高。

孕育铸铁比普通灰铸铁更可贵的是，它对不同断面的敏感性较小(即强度指标因断面加大而下降的趋势较小)。图1为断面敏感性的有关资料。

由图1可知，孕育灰铸铁断面增加5倍，抗拉强度仅减小10%，而普通灰铸铁断面直径增加3.5倍，抗拉强度却要下降50%。

孕育铸铁的疲劳极限、抗生长性和耐腐蚀性均比普通灰铸铁高，而吸振性能却比普通灰铸铁低。

孕育铸铁的金相组织均匀，硬度趋于一致，其切削加工性能优于普通灰口铸铁。

孕育灰铸铁广泛应用于汽缸、活塞、液压泵和滑阀等零件，还可作为低合金铸铁的代用品。

铸造性能

孕育铸铁的碳当量低于普通亚共晶灰铸铁，凝固温度较高，结晶温度范围较大，再加上孕育处理会使铁水温度下降，其流动性低于普通亚共晶灰铸铁。为了得到良好的孕育效果和好的流动性，出炉温度必须提高到1400℃以上。牌号越高，要求出炉温度也越高。

孕育铸铁的线收缩和体收缩都比普通灰铸铁大。随着牌号的提高，线收缩和体收缩增大，线收缩可达1.2%，缩松也越来越严重。厚大铸件必须考虑冒口补缩，薄壁复杂铸件必须充分估计由收缩而引起的变形和开裂问题。孕育铸铁原铁水碳当量较低，白口倾向较大，经孕育处理后，消除了白口组织，可以浇注较薄的铸件。

孕育剂

广义地说，在炉前加入铁水中，以改变或改善铸铁组织、提高其物理性能和机械性能的材料就叫孕育剂。它可分为两大类：

稳定碳化物类型的孕育剂(如含锰合金)：促使铸铁由稳定系统向次稳定系统转变，适用于大型铸件、共晶和过共晶铸铁以及不便降低碳当量的铸铁中，以阻止铸铁过分石墨化。

石墨化类型的孕育剂(如含硅合金)：促使铸铁由次稳定系统向稳定系统转变。通常人们所说的、生产孕育铸铁用的孕育剂是指这一类。它要求具有很强的石墨化能力、良好的脱氧作用以及较低的熔点。能作为这类孕育剂的物质很多，下面分三方面来叙述：

(1)固体孕育剂：这种孕育剂有简单的元素(如黑色石墨)，有普通的铁合金(如硅铁、硅钙)，也有多元的复杂合金(如稀土硅铁合金)。共效果、价格相差很悬殊。在生产中，较常用的、效果好、价格便宜的有：·

①硅铁：它是最常用的孕育剂，以硅75用得最多

②硅钙：它是硅、钙、铁的合金。其熔点为1000~1245℃。比重为2.4~2.6克/立方厘米。硅钙有三个牌号。从孕育效果来看，硅钙比硅铁好。这是因为，钙不仅有石墨化作用，而且化学性质很活泼，易与氧、硫、氮、碳及氢化合，放出大量反应热，降低铁水的冷却速度。因此，硅钙可用来作为含硫较高的薄壁铸件的孕育剂。用硅钙孕育的铁水，孕育衰退比较慢。但孕育后，铁水浮渣较多，铁件较易产生夹渣缺陷。它的价格比硅铁高，较少被采用。

③稀土硅铁合金：它是供应量较大、价格较低的稀土合金。其熔点为1082~1089℃，平均比重为4.7克/立方厘米。稀土本身是促使形成白口的，但是当稀土加入量小于“临界加入量”时，由于稀土的脱氧去硫等作用，形成了稀土化合物，不仅使稀土本身丧失了原来促使形成白口的作用，而且还减少了氧、硫等杂质强烈阻碍石墨化的作用。同时，稀土化合物在铁水中是难熔的小质点，有人认为，它可成为石墨化晶核，综合结果使铸铁白口减小。所以，稀土硅铁合金实际上是一种复合孕育剂，不仅具有硅铁、硅钙孕育的效果，而且还能净化铁水、改善铸造性能，使石墨和基体组织细化，分布更加均匀，过冷倾向减小，铸铁机械性能和耐磨性提高。它还有一个优点是，像硅铁一类孕育剂的加入量必须适当控制，加入量太多时，不仅不能得到良好的效果，反而使铸铁强度下降。而稀土硅铁合金的加入量对孕育效果的影响不那么敏感。

稀土硅铁钙合金孕育效果更佳，但熔点较高。

④其他：将硅铁和铝的混合物(如二份硅90，一份铝或二份硅75，一份铝)作为复合孕育剂，效果也佳。铁水中加入少量铝不仅有者强烈的石墨化作用，而且有很强的脱氧作用。铝加入铁水中也能放出一部分热量，使铁水降温速度减慢。但与硅铁一样，其加入量必须适当控槲才能获得良好的效果。

(2)液体孕育剂：当铁水温度很低(如低于1330℃)、用固体孕育有困难时，可采用液体孕育剂。其方法是，在两个熔炉中分别熔化两种熔液。一种是低碳当量的(白口或麻口)铁水，另一种是作为孕育剂的高碳当量(低牌号灰铸铁)铁水或液体硅铁(可在坩埚中熔化)。当前者出铁后，在低碳当量铁水中掺入20~50%的高碳当量铁水或液体硅铁(用量比固体硅铁少)，就可获得孕育铸铁。如有人采用3.5～3.6%碳、1.8～2.0%硅的铁水作为孕育剂，以20~35%的数量加入低碳当量(2.9~3.1%碳、0.8～0.9%硅)的铁水中，获得了孕育铸铁。其抗弯强度达到58～62公斤/平方毫米，硬度HB为190~200，金相组织为均匀分布的细小片状石墨和珠光体基体。这种方法不仅可节约大量固体孕育剂，而且孕育衰退较慢。其缺点是需要两套熔化设备。

(3)表面孕育剂：根据铸件较厚的部位来选择铁水化学成分时，壁薄的部位可能会出现白口。为了解决这个问题，可在易出现白口的部位进行表面孕育处理。其方法是：在湿砂型中，用过70~80号筛的孕育剂(硅铁、硅钙等)粉末覆盖型腔表面；在干砂型中，用90%孕育剂粉末和10%糊精的水混合物涂抹型腔表面。上涂料后应予烘干。若有粘砂现象，应在涂料中加入石墨。浇注后，当铁水和涂料接触时，孕育剂便向铸件深处扩散而发生孕育作用。使之不出现白口，铸件整个断面得到均匀的珠光体组织和细小的石墨片。

熔炼工艺

孕育处理是现代铸造生产提高铸铁性能的重要手段。孕育铸铁是指由碳、硅含量较低的原铁液经孕育处理而得到的高强度灰铸铁。国家标准GB/T 9439--2010规定孕育铸铁牌号有HT250、HT300、HT350。

(1)孕育铸铁熔炼的工艺参数如图2所示。

(2)孕育剂含量与铸件壁厚关系

:为防止铸件薄壁处产生白口或麻口，应注意孕育铸铁允许的最小壁厚。在含碳量不变的条件下，孕育铸铁件壁厚与含硅量的关系见下表：

(3)孕育剂

常用的孕育剂是FeSi75。此外，也可以根据需要选用新型孕育剂如：钡硅铁(BaSiFe)、锶硅铁(SrSiFe)、碳硅钙(TG-1)、稀土钙钡硅铁(RECaBa)、稀土铬锰硅铁(RECrMn)、稳定化复合孕育剂(DWF)等，这些孕育剂已经商品化。

(4)铁液孕育处理操作方法如图3所示。

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