孕育鑄鐵

鑄鐵是指碳的質量分數為2.06%以上的鑄造鐵碳合金的總稱。通常由生鐵、廢鋼、鐵合金等以不同比例配合，通過熔鍊而成。其中除碳外，還含有錳、硅和少量的磷與硫。一般可分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵、白口鑄鐵、孕育鑄鐵等。

孕育鑄鐵是指經過孕育處理的灰鑄鐵。孕育處理是指澆築前向鐵水中加入少量強烈促進石墨化的物質(孕育劑)進行處理。最常用的孕育劑為含76%

的鐵合金。經過孕育處理後既可得到灰口組織又可細化石墨片，減少了石墨對基體的破壞作用。其顯著的特點是壁厚敏感性小、鑄件各部位組織均勻。孕育鑄鐵的抗拉強度可提高到373

，抗彎強度可達588

。孕育鑄鐵主要用於動力載荷小，而靜載荷強度要求較高的氣缸、凸輪、齒輪及機牀鑄件等重要零件。 ^[1] 

孕育鑄鐵特點：強度和韌性都優於普通灰鑄鐵，而且孕育處理使得不同壁厚鑄件的組織比較均勻，性能基本一致。故孕育鑄鐵常用來製造力學性能要求較高而截面尺寸變化較大的大型鑄件。

通過孕育處理後，消除了產生過冷石墨和滲碳體的結晶條件，使石墨細小，分佈均勻；大斷面上也可以獲得細小、均勻的晶粒，避免產生偏析現象；厚壁、薄壁皆可獲得細小珠光體基體，從而使鑄鐵的強度大大提高。

孕育鑄鐵比普通灰鑄鐵更可貴的是，它對不同斷面的敏感性較小(即強度指標因斷面加大而下降的趨勢較小)。圖1為斷面敏感性的有關資料。

由圖1可知，孕育灰鑄鐵斷面增加5倍，抗拉強度僅減小10%，而普通灰鑄鐵斷面直徑增加3.5倍，抗拉強度卻要下降50%。

孕育鑄鐵的疲勞極限、抗生長性和耐腐蝕性均比普通灰鑄鐵高，而吸振性能卻比普通灰鑄鐵低。

孕育鑄鐵的金相組織均勻，硬度趨於一致，其切削加工性能優於普通灰口鑄鐵。

孕育灰鑄鐵廣泛應用於汽缸、活塞、液壓泵和滑閥等零件，還可作為低合金鑄鐵的代用品。 ^[2] 

孕育鑄鐵的碳當量低於普通亞共晶灰鑄鐵，凝固温度較高，結晶温度範圍較大，再加上孕育處理會使鐵水温度下降，其流動性低於普通亞共晶灰鑄鐵。為了得到良好的孕育效果和好的流動性，出爐温度必須提高到1400℃以上。牌號越高，要求出爐温度也越高。

孕育鑄鐵的線收縮和體收縮都比普通灰鑄鐵大。隨着牌號的提高，線收縮和體收縮增大，線收縮可達1.2%，縮松也越來越嚴重。厚大鑄件必須考慮冒口補縮，薄壁複雜鑄件必須充分估計由收縮而引起的變形和開裂問題。孕育鑄鐵原鐵水碳當量較低，白口傾向較大，經孕育處理後，消除了白口組織，可以澆注較薄的鑄件。 ^[2] 

廣義地説，在爐前加入鐵水中，以改變或改善鑄鐵組織、提高其物理性能和機械性能的材料就叫孕育劑。它可分為兩大類：

穩定碳化物類型的孕育劑(如含錳合金)：促使鑄鐵由穩定系統向次穩定系統轉變，適用於大型鑄件、共晶和過共晶鑄鐵以及不便降低碳當量的鑄鐵中，以阻止鑄鐵過分石墨化。

石墨化類型的孕育劑(如含硅合金)：促使鑄鐵由次穩定系統向穩定系統轉變。通常人們所説的、生產孕育鑄鐵用的孕育劑是指這一類。它要求具有很強的石墨化能力、良好的脱氧作用以及較低的熔點。能作為這類孕育劑的物質很多，下面分三方面來敍述：

(1)固體孕育劑：這種孕育劑有簡單的元素(如黑色石墨)，有普通的鐵合金(如硅鐵、硅鈣)，也有多元的複雜合金(如稀土硅鐵合金)。共效果、價格相差很懸殊。在生產中，較常用的、效果好、價格便宜的有：·

①硅鐵：它是最常用的孕育劑，以硅75用得最多

②硅鈣：它是硅、鈣、鐵的合金。其熔點為1000~1245℃。比重為2.4~2.6克/立方厘米。硅鈣有三個牌號。從孕育效果來看，硅鈣比硅鐵好。這是因為，鈣不僅有石墨化作用，而且化學性質很活潑，易與氧、硫、氮、碳及氫化合，放出大量反應熱，降低鐵水的冷卻速度。因此，硅鈣可用來作為含硫較高的薄壁鑄件的孕育劑。用硅鈣孕育的鐵水，孕育衰退比較慢。但孕育後，鐵水浮渣較多，鐵件較易產生夾渣缺陷。它的價格比硅鐵高，較少被採用。

③稀土硅鐵合金：它是供應量較大、價格較低的稀土合金。其熔點為1082~1089℃，平均比重為4.7克/立方厘米。稀土本身是促使形成白口的，但是當稀土加入量小於“臨界加入量”時，由於稀土的脱氧去硫等作用，形成了稀土化合物，不僅使稀土本身喪失了原來促使形成白口的作用，而且還減少了氧、硫等雜質強烈阻礙石墨化的作用。同時，稀土化合物在鐵水中是難熔的小質點，有人認為，它可成為石墨化晶核，綜合結果使鑄鐵白口減小。所以，稀土硅鐵合金實際上是一種複合孕育劑，不僅具有硅鐵、硅鈣孕育的效果，而且還能淨化鐵水、改善鑄造性能，使石墨和基體組織細化，分佈更加均勻，過冷傾向減小，鑄鐵機械性能和耐磨性提高。它還有一個優點是，像硅鐵一類孕育劑的加入量必須適當控制，加入量太多時，不僅不能得到良好的效果，反而使鑄鐵強度下降。而稀土硅鐵合金的加入量對孕育效果的影響不那麼敏感。

稀土硅鐵鈣合金孕育效果更佳，但熔點較高。

④其他：將硅鐵和鋁的混合物(如二份硅90，一份鋁或二份硅75，一份鋁)作為複合孕育劑，效果也佳。鐵水中加入少量鋁不僅有者強烈的石墨化作用，而且有很強的脱氧作用。鋁加入鐵水中也能放出一部分熱量，使鐵水降温速度減慢。但與硅鐵一樣，其加入量必須適當控槲才能獲得良好的效果。

(2)液體孕育劑：當鐵水温度很低(如低於1330℃)、用固體孕育有困難時，可採用液體孕育劑。其方法是，在兩個熔爐中分別熔化兩種熔液。一種是低碳當量的(白口或麻口)鐵水，另一種是作為孕育劑的高碳當量(低牌號灰鑄鐵)鐵水或液體硅鐵(可在坩堝中熔化)。當前者出鐵後，在低碳當量鐵水中摻入20~50%的高碳當量鐵水或液體硅鐵(用量比固體硅鐵少)，就可獲得孕育鑄鐵。如有人採用3.5～3.6%碳、1.8～2.0%硅的鐵水作為孕育劑，以20~35%的數量加入低碳當量(2.9~3.1%碳、0.8～0.9%硅)的鐵水中，獲得了孕育鑄鐵。其抗彎強度達到58～62公斤/平方毫米，硬度HB為190~200，金相組織為均勻分佈的細小片狀石墨和珠光體基體。這種方法不僅可節約大量固體孕育劑，而且孕育衰退較慢。其缺點是需要兩套熔化設備。

(3)表面孕育劑：根據鑄件較厚的部位來選擇鐵水化學成分時，壁薄的部位可能會出現白口。為了解決這個問題，可在易出現白口的部位進行表面孕育處理。其方法是：在濕砂型中，用過70~80號篩的孕育劑(硅鐵、硅鈣等)粉末覆蓋型腔表面；在幹砂型中，用90%孕育劑粉末和10%糊精的水混合物塗抹型腔表面。上塗料後應予烘乾。若有粘砂現象，應在塗料中加入石墨。澆注後，當鐵水和塗料接觸時，孕育劑便向鑄件深處擴散而發生孕育作用。使之不出現白口，鑄件整個斷面得到均勻的珠光體組織和細小的石墨片。 ^[3] 

孕育處理是現代鑄造生產提高鑄鐵性能的重要手段。孕育鑄鐵是指由碳、硅含量較低的原鐵液經孕育處理而得到的高強度灰鑄鐵。國家標準GB/T 9439--2010規定孕育鑄鐵牌號有HT250、HT300、HT350。

(1)孕育鑄鐵熔鍊的工藝參數如圖2所示。

(2)孕育劑含量與鑄件壁厚關係

:為防止鑄件薄壁處產生白口或麻口，應注意孕育鑄鐵允許的最小壁厚。在含碳量不變的條件下，孕育鑄鐵件壁厚與含硅量的關係見下表：

(3)孕育劑

常用的孕育劑是FeSi75。此外，也可以根據需要選用新型孕育劑如：鋇硅鐵(BaSiFe)、鍶硅鐵(SrSiFe)、碳硅鈣(TG-1)、稀土鈣鋇硅鐵(RECaBa)、稀土鉻錳硅鐵(RECrMn)、穩定化複合孕育劑(DWF)等，這些孕育劑已經商品化。

(4)鐵液孕育處理操作方法如圖3所示。 ^[4]