几种常用孕育剂的特点及应用机理

几种常用孕育剂的特点及应用机理

妊娠剂和妊娠方法是提高铸铁性能的重要手段。其中，钙、钙、镁、钾、锆、锆和稀土氮的抗剂对提高生产力和铸造性能发挥着很好的作用。硅系复合孕育剂在铸造生产应用中面广量大,它的主要元素是Si,其次是Ca、Ba、Sr、Al、Ti、Zr、Mn、Cr、B、C、Bi、Sb、Ce、La等元素。除Si以外的元素,在孕育剂中的含量仅百分之几,孕育剂加入量最多为0.5%,由孕育剂进入铁液的元素含量要比合金化进入铁液的量少1~2个数量级,铸铁凝固以后,有的元素往往检测不到,所以很难用合金成分的增加来分析孕育的影响。铁液中含有微量N、H、O和S,它们与孕育有密切关系:(1)孕育剂中的Si,与铁液中的氧反应生成SiO2晶体,作为石墨结晶的外来晶核,起到促进石墨化的作用。(2)孕育剂中的硫与铁液中的Ca、Mn、Mg、Al、Ce、La反应生成硫化物,起到去除铁液中硫的作用。(3)孕育剂中的Si、Mg、Ca、Al、Ba与氧生成氧化物,减少溶解氧量,促进石墨化。(4)孕育剂中的Si、Al、Ca、Sr、Ba与碳反应生成碳化物,构成石墨非均质化晶核。(5)孕育剂中的Si、Al、Ti、Zr、Ce与氮反应生成氮化物,减少过量溶解氮含量,可以减小铸铁白口倾向。(6)孕育剂中的稀土元素Ce、La与Pb、Bi、Sb、Te、Sn、As生成金属间化合物,抑制微量干扰元素的有害作用[1~2]。1一些一般的育种材料1.1元素及及微量元素的作用硅钡孕育剂消除白口和石墨化能力强、抗孕育衰退效果好,目前是国内外铸造工厂使用最为广泛的孕育剂。该孕育剂的成分为w(Si)≥72%;w(Ba)1.0%~2.0%;w(Ca)1.0%~2.0%;w(Al)1.0%~2.0%。钙与钡同属硷土金属,钙能生成氧化物、硫化物、氮化物,造渣净化铁液和构成晶核内物质。钡则是硷土金属中活性最大的元素,与氧生成稳定的化合物,具有良好的脱氧作用。铸铁凝固后并不含钡,其长效抗衰退能力,被认为是钡的氧化物在铁液表面形成“气套”,阻止氧与氮的溶入。由于该孕育剂的加入量一般为0.3%~0.4%,因此孕育剂中含有w(Al)≤2.0%,对铸铁含气量影响不大。Al作为脱氧剂,有弱孕育作用,能生成稳定的氮化物,减少氮的负面影响,延长孕育作用时间。人们对孕育剂中Al的作用有不同看法,但是大量生产实践证实,此种孕育剂的孕育效果十分理想,没有发生由此引发的任何质量事故。硅钡孕育剂比75硅铁孕育剂效果显著。用于灰铸铁孕育:1)石墨化能力强,有效消除铸件硬质点和边缘白口;2)改善断面均匀性,铸件不同壁厚硬度差可以在10HBS以内;3)降低铁液过冷倾向,增加共晶团数,提高铸铁强度;4)使D、E形枝晶石墨转变成细小A型石墨。用于球墨铸铁孕育:1)增加石墨球数量,石墨圆整度好、球化等级高;2)消除球化带来的白口倾向,确保铸态无渗碳体;3)抗衰退时间长,被誉为长效孕育剂。对于铁素体型球铁,推荐采用二次孕育,促进形成铁素体,提高伸长率。对于珠光体型球铁,改善石墨形态,提高球化等级,提高力学性能。1.2硅壳及球墨铸铁的孕育作用硅锶是有效的石墨化孕育剂,价格比硅钡孕育剂约高1.6倍。该孕育剂的成分为:w(Si)≥75%;w(Ca)≤0.1%;w(Sr)0.6%~1.8%;w(Al)≤0.5%。优点是防止薄壁部位产生气孔、针孔、夹渣、缩松等缺陷,有效防止薄壁铸件的渗漏。硅锶孕育剂在欧美、日本应用广泛;国内活塞环铸件几乎全部使用;缸体、缸盖等复杂结构的薄壁铸件及要求铁素体量高的铸件,多数也使用硅锶孕育剂。锶改善铸铁石墨形态,提高断面均匀性,延长孕育衰退时间。锶与钡在元素周期表上同属硷土金属,有长效孕育作用。孕育剂中w(Sr)≤2%。生产实践表明:铸铁的共晶团数量增多,则缩松倾向增大;共晶团数量减少,铸铁白口量会加大。采用硅锶孕育剂,不会像硅钡孕育剂那样明显增加共晶团数,线收缩敏感性小,而消除白口能力却很强,有利于减少铸件缩松。对于球墨铸铁:浇注5mm试片,硅锶孕育剂加入0.2%,石墨球数达到450个/mm2,铁素体量达到90%。孕育量超过0.2%,5mm试片石墨球数、铁素体量不增反减,原因是薄壁冷却太快,超量孕育剂获得熔化潜热不足,难以溶解扩散,孕育作用受到抑制。浇注10~30mm试样,硅锶孕育剂加入0.25%,石墨球数和铁素体量比5mm试片略有增加,孕育量达到0.6%,石墨球数达到500个/mm2,铁素体量达到100%。该孕育剂特别强调w(Ca)≤0.1%,有利于减少锶的渣化,确保孕育作用。到目前为止尚未探明硅锶孕育剂特殊孕育效果的原理,只是生产实践中证实了上述功效。应该说明的是硅锶孕育剂含铝量越低越好,但盲目追求过低的含铝量,只会增加生产成本[3~4]。1.3减少铁液产生的缺陷近年来使用硅锆孕育剂的铸造厂数量在增多,资料介绍冲天炉-电炉双联熔炼宜采用硅锆孕育剂。硅锆孕育剂中w(Zr)3%~6%。锆与氮反应生成氮化物降低铁液中的溶解氮,抑制孕育衰退减少氮气孔。废钢中有较多的氮,炉料中如果废钢比例大,使用硅锆孕育剂,可以减少铁液因此产生的缺陷。镁、锆、稀土可以降低铁液的含氢量,溶解氢会增大铸铁过冷度增加白口倾向,降低铸铁的抗拉强度和韧性。因此减少溶解氢量,有助于提高铸铁的内在质量。锆在铁液中生成ZrC可以作为石墨形核的核心,增加共晶团数,少量Zr溶于基体起到微合金化的作用。微量Zr是有效的石墨化元素,超过一定量则是很强的碳化物形成元素,锆的碳化物可以增加析出和细化奥氏体枝晶,提高铸铁强度。锆、锶、钡的碳化物和氧化物,晶格常数与石墨接近,它们与氧的亲和力较弱,滞后发生氧化反应,因此抗衰退能力强。总之,硅锆孕育剂抗衰退能力强,改善石墨组织,有效消除白口倾向,能使灰铸铁获得均匀细小的A型石墨。铸造生产中采用硅锆孕育剂的有机床类铸件,汽车配件安保类铸件等等。1.4复合孕育剂的制备硅钙孕育剂是强力孕育剂,增加共晶团数的能力极大,但国内铸造工厂应用较少。该孕育剂用于超厚壁高强度灰铸铁,可以提高抗拉强度50MPa,能使厚大铸件中心部位有接近表层的力学性能。用于中厚壁球墨铸铁,可以细化晶粒,提高球化率。用于壁厚差较大的蠕墨铸铁,细化石墨提高强度,在蠕化效果不足时可有效促成蠕虫状石墨。硅钙孕育剂可以与其它种类孕育剂充分机械混合,组成复合孕育剂。采用正确工艺,这种复合孕育剂能获得特殊的孕育效果。通常硅钙孕育剂中w(Si)在50%~60%;根据含钙量高低有w(Ca)9%、w(Ca)15%、w(Ca)25%、w(Ca)35%,分别称为硅钙9、硅钙15、硅钙25、硅钙35。钙是活性很大的元素,大量的钙与铁液中的氧和硫生成稳定的化合物,有效净化铁液。硅钙孕育剂良好的去硫能力,对含硫高的薄壁铸铁十分理想。由此也形成大量晶核,产生非常理想的孕育效果。硅钙孕育剂应在浇包注入铁液1/5~4/5期间连续添加。当然,使用硅钙孕育剂会产生大量的渣,出铁后需充分搅拌和扒渣。1.5提高力学性能稀土孕育剂有:稀土硅、稀土硅钙、稀土硅钙钡、硅铁镧、硅铁铈等。稀土对石墨形态影响很大,在一定含量内,有很强的石墨化能力和抗孕育衰退能力,特别对低硫和电炉熔炼的铁液更为有效。它能形成金属间化合物,有效中和铅、铋等元素对灰铸铁片状石墨的有害影响,减少Cr引起的强烈过冷。稀土可以强化铁素体,提高耐磨性。但超过一定量,反而增加白口倾向,使球状石墨畸变为异形石墨。碳在铸铁中的形态对力学性能有决定性的影响。有人提出灰铸铁准蠕化的概念,通过钝化片墨尖端提高力学性能。稀土硅钙钡孕育剂,用在HT250、HT300铸件上,对保证力学性能,降低铸件脆性特别是薄壁铸件有较大的效果。可以预期,稀土孕育剂将得到更多的应用。2妊娠剂的质量和应用2.1小粒度的孕育剂孕育剂的质量包括孕育剂的有效性、化学成分稳定性、表面氧化程度、粒度。孕育剂熔点低、扩散快的特性包含在有效性范畴之内。孕育剂的元素组成决定它的熔点和密度。小粒度的孕育剂往往添加助熔剂,加速其熔解和吸收。孕育剂粒度推荐按浇包容量选择(表1)。如果给孕育处理后产生的效果打分,那么铁液经过孕育处理,甚至经二次孕育获得的效果,可以打3分;而铁液经型内孕育加泡沫陶瓷过滤器,此时获得的效果可以打9分。国内铸造工厂使用孕育块的厂家逐渐增多。仅从孕育剂加入量的粗略计算,就足以显示应用孕育块的优势,这一改变,既节约成本提高铸件质量,又大大节约能源、资源,有利环保。2.2u2004生产前铁液含硅量的控制孕育剂加入方法对孕育效果影响很大。孕育剂加在冲天炉出铁槽上或者加在球化处理包的球化剂上,与孕育剂在出铁槽上方随流均匀冲入或在出铁液时均匀加入包内作用不同。实践表明,采用后一种方法,硬度可下降10HBS以上。采用纯净炉料,铁液适当过热。孕育剂在称量后隔火烘干,二次随流孕育剂使用前,应过筛防止下料孔堵塞。孕育前铁液含硅量应给硅系孕育剂增硅留有足够空间。铸铁的碳当量越低,孕育