1、金 属铸锻焊技术 CastingForgingWelding 2011 年 1 月Hot Working Technology 2011, Vol.40,No.1二次孕育对球墨铸铁组织的影响杨 华1， 赵 岩2， 侯晓霞2（1山东大学 材料液固结构演变与加工教育部重点实验室 ，山东 济南 250061；2德州学院 机电工程系 ，山东 德州253023）摘 要 ： 在保持总的碳 、硅含量不变的情况下 ，降低原铁水含硅量 ，增加二次孕育硅量 ，研究了二次孕育对球墨铸铁组织的影响 。 结果表明 ，一次孕育处理易发生孕育衰退 ，采用 0.1%的硅铁进行二次孕育后 ，球铁的石墨组织明显得到改善 ，基体中
2、珠光体的含量略有增加 ，硬度提高 。但为了减缓孕育衰退而进行大剂量的二次孕育反而容易导致石墨产生畸变 ，促使碎块状石墨和铁素体基体的形成 ，硬度急剧下降 。关键词 ： 球墨铸铁 ；二次孕育 ；碎块状石墨中图分类号 ：TG143.5 文献标识码 ：A 文章编号 ：1001-3814(2011)01-0030-03Effect of Post Inoculation on Microstructure of Ductile IronYANG Hua1, ZHAO Yan2, HOU Xiaoxia2(1. Key Laboratory for Liquid -Solid Structural Ev
3、olution and Processing of Materials, Ministry of Education, ShandongUniversity, Jinan 250061, China; 2. Dept. of Mechanical and Electronical Engineering, Dezhou University, Dezhou 253023,China)Abstract： The effects of post inoculation on microstructure of ductile iron were studied by reducing silico
4、n content inbase iron, increasing silicon content of post inoculation under keeping no change of total content of carbon and silicon.The results show that first inoculation easily causes inoculation fade, while the graphite structure obviously improves with0.1% ferrous silicon post inoculation, the
5、pearlite in the matrix slightly increases, the hardness increases. But the graphiteyields distortion when the post inoculation is done with vast inoculator to slow down inoculation fade, the fragmentalgraphite and ferritic matrix form, the hardness declines sharply.Key words： ductile iron; post inoc
6、ulation; fragmental graphite近年来 ，我国铸件产量已跃居世界第一位 ，其中综合性能最好的球墨铸铁产量占全部铸铁件的32.1%。 孕育是谋求提高铸件质量的冶金技术的典型工艺之一 。 孕育这种工艺 ， 原是从密烘铸铁的生产工艺导入的 ，其特点是将过去由冲天炉装料口加入的原料改为往铁水包中直接加入 ，虽然加入量少 ，却能有效地防止配加废钢而导致的铁水白口倾向 。从医学上移植过来的孕育这一术语 ， 现在意味着提高铸铁质量 ，而在浇铸前往铁水中加入微量金属的一种工艺操作1。 和球化衰退一样 ，孕育作用也有衰退现象 ， 即孕育效果随着铁水停留时间的增长而减退 。 为了缩短孕育处
7、理至凝固完成时间的间隔 ，减小孕育衰退 ，目前在生产中已经开始应用后孕育 ，即二次孕育的处理方法2。二次孕育中 ， 孕育剂加入量的多少是控制孕育效果和铸件质量的重要环节 。本文在保持总的碳 、硅含量不变的情况下 ，降低原铁水含硅量 ，增加二次孕育硅量 ， 从而研究了二次孕育对球墨铸铁组织的影响 ， 并初步探讨了二次孕育剂的加入量对球铁石墨组织和基体组织的影响机理 。1 材料及实验方法实验采用生铁与废钢 15 的比例 （质量比 ）进行配料 ，原料的主要化学成分见表 1。 铁液在 20kg中频感应电炉中进行熔炼 ， 考虑了二次孕育对成分的影响 ， 通过硅铁与电极石墨调节铁液中的含硅量与含碳量 ，
8、保证各试样的最终碳硅量相同 ，1550出炉 ，球化处理采用传统的冲入法 ，稀土镁的加入量成分 C Si Mn S P Mg RE CaQ12 生铁废钢稀土镁4.400.52-1.100.31541.00.150.55-0.020.024-0.050.021-8.0-4.5-2.6表 1 原料的化学成分 (质量分数 ，%)Tab.1 Chemical composition of raw material (wt%)收稿日期 ：2010-03-12作者简介 ：杨华 （1960- ），女 ，山东济南人 ，副教授 ，硕士生导师 ，主要从事黑色金属方面的研究 ；电话 ：13608930341；E-ma
9、il：30金 属铸锻焊技术CastingForgingWelding热加工工艺 2011 年第 40 卷第 1 期上半月出版为 1.1%，压在包底 ，用硅铁覆盖 ，球化结束后扒渣 。1#方案球 化 后 直 接 浇 注 ，2#、3#、4#方 案 分 别 加 入0.1%、0.2%、0.3%的 75 硅铁进行随流孕育浇注 ，树脂砂造型 ，试样尺寸 准40mm150mm。采用光学显微镜 、KH-2200 高倍视频显微镜 、专业光学金相摄像显微镜对试样进行组织观察 ，硬度试验在 HBE-3000A 型电子布氏硬度计上进行 ，测量 5 个点硬度 ，取平均值 。2 实验结果及分析2.1 二次孕育对球墨铸铁石
10、墨组织的影响球铁生产所用球化剂中的镁和稀土皆是阻碍石墨化 ，增加铸铁过冷倾向的元素 ，促进形成渗碳体 。为了得到正常的球状石墨和基体组织 ， 必须对铁水进行孕育处理3。 铁水中加入孕育剂以后 ，可产生很多硅原子富集区 ，一方面 ，硅有排碳作用 ，增加了碳的浓度起伏 ，促进了石墨的析出 ；另一方面 ，由于孕育剂的加入 ， 熔化地区需要吸收热量而使该地区的温度下降 ，造成了铁水的温度起伏 ，有利于石墨的析出 。孕育处理增加了浓度起伏和温度起伏 ，使得石墨球数量增加 ，球径减小4。图 1(a)为一次孕育球墨铸铁的石墨组织 ，可以看出 ， 石墨有相当一部分呈蠕虫状存在 ， 球化率较低 ，球化效果不理想
11、 。 其主要原因是铁水孕育后 ，浓度起伏和温度起伏随着时间的延长而逐渐消失 ，即产生了 “孕育衰退 ”现象 。这时 ，已形成的碳原子集团或部分石墨核心易被热运动的原子所冲散或重新熔解而减小 ，其结果是石墨球数量减少 ，形态变差 。 孕育最好的时间是孕育剂加入铁水后 11.5min 内 ，时间再长 ，则孕育作用会逐渐衰退 。为了强化孕育效果 ，在终硅量不变的情况下 ，对 2#4#试样进行了二次孕育处理 ，其结果见图 1(b)(d)。 当加入 0.1%的硅铁进行二次随流孕育时 ，如图 1(b)所示 ，球铁的石墨组织明显得到改善 ，石墨球数量增多 ，球径减小 ，球化率提高 。 但当采用 0.2%和
12、0.3%的硅铁进行二次随流孕育时 ，如图 1(c)、(d)所示 ，石墨组织的形态发生畸变 ，呈现碎块状分布 。 石墨 -奥氏体共晶在形成及长大过程中应力是不可避免的 ，因此 ，奥氏体壳受力情况是石墨是否发生畸变的主要原因 。 当所受到来自石墨球的径向膨胀力小于其强度极限时 ，奥氏体壳不会破裂而紧紧包裹着石墨球 ， 石墨球外围一旦形成一个完整的奥氏体壳 ， 碳原子越过奥氏体扩散并向石墨球聚集就十分困难 ， 因此石墨球一般不会长大 ，也不会发生畸变 。但若其膨胀力超过奥氏体的强度极限 ， 奥氏体壳破裂 ， 破裂处形成液体通道 ， 碳原子迅速沿通道向石墨球扩散并沿通道向外生长 ，从而使石墨球发生畸变
13、 。 一方面 ，硅是强烈促进石墨化的元素 ，能够加速石墨球的扩散 ，提高石墨球的长大速度 ，使石墨球 -奥氏体应力加大 ，促使奥氏体壳的破裂 ；另一方面 ，二次随流孕育时的硅提供了丰富的石墨核心 ， 造成瞬间形成大量薄壳石墨 -奥氏体共晶团 ， 奥氏体壳的破裂使石墨球碎成许多小块 ，这些小块石墨表面积大 ，立刻成为剩余液体中石墨的形核基底 ，形成碎块状石墨5。 某些石墨的碎块达到枝晶间位置的边缘 ， 并作为在残余熔体中块状石墨形核的场所 ，最终形成了蠕虫状石墨 ，一般出现在块状石墨区的边缘6，如图 1(d)所示 。综上所述 ， 只进行一次孕育处理易发生孕育衰退 ，石墨球数量少且球化率低 。 采
14、用 0.1%的硅铁进行二次随流孕育时 ，球铁的石墨组织明显得到改善 ，200m 200m 200m200m(a) 1#一次孕育 ；(b) 2#一次孕育 +0.1%的硅铁二次孕育 ；(c) 3#一次孕育 +0.2%的硅铁二次孕育 ；(d) 4#一次孕育 +0.3%的硅铁二次孕育(a) (b) (c) (d)图 1 各试样的石墨组织Fig.1 The graphite microstructures of different samples31金 属铸锻焊技术 CastingForgingWelding 2011 年 1 月Hot Working Technology 2011, Vol.40,N
15、o.1石墨球数量增多 ，球径减小 ，球化率提高 。 但为了担心孕育衰退而进行大剂量 （0.2%和 0.3%的硅铁 ）的二次孕育反而容易导致石墨产生畸变 ， 促使碎块状石墨的形成 。2.2 二次孕育对球墨铸铁基体组织的影响从图 2 及表 2 可以看出 ，采用 0.1%的硅铁进行二次随流孕育时 ，基体中珠光体的含量略有增加 ，硬度提高 ， 但当采用 0.2%和 0.3%的硅铁进行二次随流孕育时 ，基体中铁素体所占比例明显增加 ，硬度显著降低 。其主要原因是 ，大剂量的二次孕育促使了碎块状石墨的形成 ， 而碎块状石墨周围碳的扩散路径较短6，因此 ，如图 2(c)、(d)所示 ，块状石墨区多为纯200
16、m 200m 200m 200m(a) 1#一次孕育 ；(b) 2#一次孕育 +0.1%的硅铁二次孕育 ；(c) 3#一次孕育 +0.2%的硅铁二次孕育 ；(d) 4#一次孕育 +0.3%的硅铁二次孕育(a) (b) (c) (d)图 2 各试样的基体组织Fig.2 The matrix microstructure of different samples铁素体基体区 。铸铁的硬度除了与石墨组织有关外 ，主要受基体组织中珠光体数量的影响 。一般来说 ，铸铁基体中珠光体的数量越多 ，硬度就越高7。 2#试样球化效果好 ，石墨球数量多 ，但球径小 ，较 1#试样珠光体量略有增加 ，硬度提高 。
17、3#和 4#试样中石墨出现畸形 ，且基体多为铁素体 ，因此 ，硬度出现了急剧下降的现象 。3 结论(1) 只进行一次孕育处理易发生孕育衰退 ，石墨球数量少且球化率低 。 采用 0.1%的硅铁进行二次随流孕育可以使球铁的石墨组织明显得到改善 。 但为了担心孕育衰退而进行大剂量 （0.2%和 0.3%的硅铁 ）的二次孕育反而容易导致石墨产生畸变 ，促使碎块状石墨的形成 。(2) 采用 0.1%的硅铁进行二次随流孕育 ， 基体中珠光体的含量略有增加 ， 硬度提高 。 但当采用0.2%和 0.3%的硅铁进行二次随流孕育时 ，由于碎块状石墨周围碳的扩散路径较短 ， 块状石墨区多为纯铁素体基体区 ，因此
18、，硬度出现了急剧下降的现象 。参考文献 ：1 张博 球墨铸铁 -基础 理论 应用 M 北京 ： 机械工业出版社 ，198880-862 郝 石 坚 现 代 球 墨 铸 铁 M 北 京 ： 煤 炭 工 业 出 版 社 ，1988 229-2413 钱立 ， 赵耀昌 球铁生产中几项技术的处理 J 热加工工艺 ，2004，(5)：74-754 李炯辉 ，胡明初 球墨铸铁显微研究 M 上海 ： 上海科学技术出版社 ，197816-305 张友寿 ，胡心彬 ，李四年 ，等 大断面球铁碎块状石墨形成原因浅析及若干防止措施 J铸造设备研究 ，2000，(2)：27-286 沈阳铸造研究所 ， 佛山球墨铸铁研究所 球墨铸铁球化和孕育 机 理 译 文 集 M 佛 山 ： 佛山球墨铸铁研究所 ，1978251-2907 严青松 ，魏伯康 ，刘为作 ，等 感应炉熔炼增碳工艺对铸铁组织和性能影响的研究 J 现代铸铁 ，2000，20 (2)：17-20试样 1#2#3#4#硬度 (HV) 172 184 124 125表 2 各球墨铸铁试样的硬度Tab.2 Hardness of different samples32
