球墨铸铁的热处理(热处理球墨铸铁)

对于灰铸铁，熔炼得到的铁水中含有适量的硫和氧，是进行有效孕育处理的重要条件，不可缺少。

目前，对铸铁的孕育机理还没有完全了解，仍有许多观点。其中，非金属夹杂物的形核理论已被广泛接受。铸铁常用的孕育剂主要由硅组成，还含有少量的铝、钙、锆、钡等元素。在浇注前向铁水中加入孕育剂后，孕育剂中的活性元素与铁水中所含的硫和氧反应，生成大量细小的氧化物、硫化物和硫-氧化合物，它们分散在铁水中。在灰铸铁铁水共晶凝固过程中，这些夹杂物可作为石墨的异质晶核，促进石墨形核，细化共晶团。

因此，灰铸铁孕育前铁水中的硫含量不应低于0.06%，最好保持在0.06%-0.08%之间。当铁水中硫含量很低时，需要有意加入‘硫化亚铁’来增硫；含氧量一般在2014-4%到3010-4%之间。

硫和氧是球墨铸铁的有害元素。特别是，硫是一种非常强的反球化元素。只有原铁水的含量降低到0.02%以下，石墨才能很好地球化，采用模内球化工艺时，硫含量应降低到0.01%。因此，降低铁水中的硫含量是球化处理的前提。生产球墨铸铁件时，必须严格控制炉料，保证铁水中低硫含量，必要时进行炉外脱硫操作。

当镁加入到球墨铸铁铁水中进行球化处理时，镁与铁水中的硫和氧反应生成MgS和MgO。据报道，加入镁可使铁水中硫含量降低80 ~ 90%，氧含量降低40 ~ 50%。可以看出，铁水中硫和氧的含量高，会导致球化剂中镁的大量损失，使球化难以控制，造成大量夹渣。因此，在生产球墨铸铁铸件时，要避免硫和氧。

在这种情况下，灰铸铁中能促进石墨形核的氧化物、硫化物和硫氧化合物在球墨铸铁中是否也能起到同样的作用？我们如何利用这种效应呢？是每个人都关心的问题。

氧化物、硫化物和硫氧化合物在球墨铸铁中的作用

根据一些研究工作的结果，氧化物、硫化物和硫-氧化合物也可以用作球墨铸铁中球状石墨的外部晶核。如果使用得当，含硫和氧的孕育剂可用于球墨铸铁，它能在许多方面改善球墨铸铁的性能，如:

石墨尺寸减小，数量增加，球化率提高。

降低铸铁的白口倾向有利于制造薄壁球墨铸铁件；

生产厚壁铸件时，可减少晶间偏析，提高铸件质量。

生产厚壁铸件时可减少或防止石墨漂浮；

增加铸铁组织中铁素体含量；

减少铸铁凝固时的收缩，铸件产生缩松、缩孔的倾向小。

灰铸铁中可用作石墨外晶核的氧化物、硫化物和硫氧化合物在球墨铸铁中有很大不同。化学活性强的镁能还原大部分，生成MgS和MgO成渣，不足以为球状石墨的形成提供有效的形核条件。

因此，对于球墨铸铁来说，可以作为球状石墨外晶核的氧化物、硫化物和硫氧化合物在热力学上应该比镁的氧化物和硫化物更稳定。

在铁水温度下，常用于处理铸铁的合金元素中，铈和钙对硫和氧的亲和力大于镁。因此，将铈和钙与硫和氧结合是理想的方案。

铈可以与硫和氧结合形成化合物，例如CeS、Ce2O3、Ce2O2S等。这些化合物在1500℃左右稳定，尺寸约为1 ~ 3m，密度约为6.5 g/cm3，基本呈球形，能分散在铁水中，充当石墨的异质晶核。而且，在研究工作中已经在球形石墨的中心发现了这些化合物。

钙化合物在球状石墨的成核中也起着重要的作用。

接种物

用于球墨铸铁的铁水中硫含量很低，往往需要进行炉外脱硫，很难将硫含量稳定控制在较窄的范围内。也很难精确控制铁水中的氧含量。因此，生产球墨铸铁件时，应采用硫化物和氧化物作为球墨的外晶核。可行的方法之一是在孕育剂中掺入硫和氧、铈和钙。

适用于球墨铸铁的孕育剂，含有铈、钙、硫、氧等元素，在欧洲早已有之，产品种类繁多，满足不同的生产条件。这种孕育剂仍以硅为主，但配有细小弥散的氧化物和硫化物，所以外观多为黑色颗粒。表1列出了其中一种的化学成分，显示了这种孕育剂的概况。

在孕育剂加入到铁水中后，铈和钙与孕育剂本身所含的硫和氧反应，还与残留在铁水中的硫和氧反应，生成硫化物、氧化物和硫-氧化合物。这些化合物也可以作为球状石墨的外来核，在石墨的形核中起重要作用。铈还能与其他微量元素相互作用，形成稳定的金属间化合物，抑制其有害作用。使用这种孕育剂，如果处理和控制得当，可以获得上一节所列的效果。

由于这种孕育剂含有铈和钙，生成的硫化物、氧化物和硫氧化合物稳定性好。用于球墨铸铁时，可在加镁前作为预处理剂加入。加镁后，大部分仍能保持，不会被镁还原。

由于这种孕育剂含有硫和氧，即使在镁处理后，铁水中硫和氧含量很低时加入，也能形成硫化物、氧化物和硫氧化合物作为石墨的外晶核。因此，也可用于球化处理后浇注过程中的瞬时孕育。

硫和氧。铈钙孕育剂的应用

化学成分如表1所示的含硫、氧、铈、钙等元素的孕育剂(以下简称新孕育剂)，既可用于球化处理前的预处理，也可用于浇注时的瞬时孕育。

1.用于预处理

为了在新孕育剂的应用中获得最佳效果，必须采用适合其特点的处理方法。目前看来，三步处理法(即预处理、球化和孕育)是有效的。

在加入镁进行球化处理之前，用新的孕育剂对铁水进行预处理。引入的铈和钙不仅与孕育剂中的硫和氧结合形成化合物，而且与铁水中的硫和氧反应进一步脱氧和脱硫。这两个条件对石墨的球化非常有利。

用于预处理的孕育剂的量根据要加入的铈来计算。理论上，如果不考虑温度、压力等外部条件，铈的加入主要取决于两个因素:

与硫和氧形成稳定化合物所需的量；

与有害元素如钛、铅和铋结合或形成金属间化合物所需的量。

在实践中，很难准确掌握上述两方面的信息，而且有害元素的含量往往是多变的，其在铁水中的状态也是未知的。但在生产条件下进行的试验表明，一般以新型孕育剂为载体，铈的加入量为0.002 ~ 0.006%。

铋能使球墨铸铁中的石墨形态退化，通常认为这是一种有害元素。而在孕育剂中含有铈的条件下，铈和铋的结合可以形成大量的晶核，使石墨球细化。对于要求低温冲击韧性的铁素体球铁(如Qt400-18L)，在加入含铈孕育剂的同时加入少量铋是非常有利的。如果必须添加铋，可以使用含铋的稀土硅铁合金，合金量为铋的0.001-0.002%。

预处理后的铁水还应进行球化和孕育处理。

预处理后的铁水不仅可以由于硫和氧含量的降低而减少镁的量，而且还有另一个促进石墨球化的因素，即铁水与石墨界面的表面张力大大增加。铁水的表面张力也是影响石墨球化的重要因素之一。为了以球形沉淀石墨，铁水和石墨之间界面的表面张力必须非常高。溶解在铁水中的硫和氧是降低界面表面张力的重要因素。预处理后，孕育剂中的铈和钙可以将铁水中的硫和氧脱除到很低的程度，表面张力几乎提高一倍。因此，可以减少球化处理时镁的加入量，当残余镁含量低于0.03%时，球化仍然可以正常进行。

经过预处理和加镁后，铁水中仍有一定的氧含量，需要进行孕育处理，保证石墨球多，圆度好。在此条件下，75硅铁可用作孕育剂。

2.用于即时接种

经过球化处理和孕育处理后的铁水如果长时间放置，其形核能力会大大减弱，造成铸件的各种质量问题。如果在浇注过程中采用新的孕育剂进行瞬时孕育，会产生很强的形核作用。此外，试验结果表明，使用该孕育剂可使石墨球的大小呈双峰分布，有助于减少缩松缺陷。

下面举几个国外应用的例子来说明治疗效果。

(1)随着石墨球的增加，厚断面铸件的效果尤为明显。

某铸造厂生产不同厚度的平板铸件，用感应炉熔化，浇注时立即随流孕育。使用含锶(Sr)的原始孕育剂，然后使用具有表1所示组成的新孕育剂。在更换孕育剂之前和之后，在不同厚度的铸件上测量的石墨球数量如表2所示。

从表2中可以看出，无论铸件的壁厚如何，使用新型孕育剂的铸件组织中的石墨球数量都多于使用含锶孕育剂的铸件组织中的石墨球数量。

另外值得注意的是，使用新型孕育剂时，40mm厚铸件的石墨球数量多于5mm厚铸件，说明铸件共晶凝固时存在二次形核，这也是石墨球尺寸呈双峰的原因。

使用新型孕育剂后，孕育剂用量大大减少，铸件缩孔缺陷减少。

(2)对薄壁铸件的影响

当在铸造厂的感应炉中熔炼时，含有硅、锆、锰和钙的孕育剂被用于随电流瞬间孕育。常见的问题有:形状复杂的球墨铸铁薄壁出现碳化物，而热点因收缩而疏松。

采用新型孕育剂随流孕育后，薄壁部位的碳化物被消除，厚壁部位的微气孔也大大减少。生产中废品率明显降低，孕育剂用量减少25%。

(3)对厚壁铸件的影响

主要产品是某铸造厂的厚断面球墨铸铁件，采用感应炉熔炼，钢包法球化。铸件质量的主要问题是石墨漂浮、偏析、石墨畸形和缩孔缺陷。然后，用浇包法进行瞬时孕育，并对含钡孕育剂和新孕育剂进行了比较。

当使用含钡的孕育剂时，铸件微观结构中的石墨球数量为187个/mm2。

使用新孕育剂时，石墨球数量为357个/mm2，且石墨球大小变化较大，呈双峰分布，球化率也提高了10%，铸件的缩孔缺陷明显减少。

随着石墨球数量的增加，晶间偏析减少，铸铁的抗拉强度和冲击韧性提高，可加工性也显著改善，刀具寿命提高50%。

(4)减少了大模数铸件的缩孔缺陷。

某铸造厂经常生产大模数铸件，关键部位的缩孔一直是困扰技术人员的难题。采用新型孕育剂进行瞬时孕育处理后，取得了良好的效果。