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文章编号：2095-6835（2016）13-0159-02

摘 要：研究了球墨铸铁孕育处理的工艺，针对推土机使用球墨铸铁件时存在的质量问题，分析了球墨铸铁孕育处理的目的和孕育处理热力学、动力学条件，并阐述了孕育处理温度控制机理，以便于正确选择孕育剂，采用后孕育技术改进铸件质量。后孕育处理技术的特点是减少了孕育剂量，节约了成本，操作简单、易行，避免发生衰退问题，以提高铸件的质量。

关键词：球墨铸铁；孕育剂；后孕育技术；铸件质量

中图分类号：TG255 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.159

推土机使用球墨铸铁件时主要存在2个方面的质量问题：①轴承壳（14部件零件）（材质QT700-2）的废品率高达30%.当工件加工到密封槽时发现，槽内部疏松孔眼严重，打压漏封不住油，导致铸件报废。②油封座圈（27部件零件）（材质QT500-7）的废品率高达20%.当工件加工到密封槽时发现，槽内部疏松孔眼严重，打压漏封不住油，导致铸件报废。

如果铸件的质量不好，就会导致废品率提高，退赔率高，成本高，获利少或得失相当。铸件性能和组织均匀性差会增加刀具的损耗，严重影响生产效率，阻碍生产计划的顺利进行。

孕育处理是铸铁件生产的关键技术之一，它简单、易行，实用效果好。下面，本文将简要分析铸件孕育机理、孕育环境、孕育温度、孕育剂的选择、后孕育的运用等内容，以期为日后的相关工作提供参考。

1 孕育处理的目的

在使用铸造铁液浇注之前，在一定条件下（一定的过热温度、一定的化学成分、合适的加入方法等），向铸造铁液中加入一定量的物质（孕育剂），以改变铁液的凝固过程，改善铸态组织，提高铸件的性能。目前，孕育处理被广泛应用于灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁甚至特种铸铁的生产过程中。

孕育处理是球墨铸铁生产中的一个重要环节，使用这项技术可以达到以下3个目的。

1.1 消除结晶过冷倾向

球墨铸铁（QT）铁液结晶过冷倾向比灰铸铁（HT）铁液的大。随着球墨铸铁铁液中碳（C）、硅（Si）含量的变化，球墨铸铁（QT）的结晶过冷倾向不变化。虽然球墨铸铁中（QT）碳（C）、硅（Si）的含量比灰铸铁（HT）高，但是，有较大的白口倾向。而球墨铸铁（QT）金相组织中有片状碳化物（共晶团边界上析出），在快速冷却的条件下，会出现部分或全部白口的现象。

球墨铸铁与灰铸铁在结晶过冷方面的区别是：由于铁液中硫、氧的含量不同，灰铸铁铁液中含有较多的硫和氧，所以，很容易形成大量的异质石墨晶核，促进灰口凝固。经过比较，球墨铸铁铁液彻底地脱硫和脱氧，大大提高了铁液的纯净度，再加上球化元素的存在，石墨形核比较困难。孕育处理的作用是向铁液中引入外来的异质晶核，并在铁液中引起较大的硅浓度的起伏，从而促进石墨晶核的形成。

镁（Mg）、铈（Ce）降低球墨铸铁共晶转变温度是球墨铸铁结晶过冷度大的另一个原因，它导致球墨铸铁出现白口现象。因为球墨铸铁的结晶过冷度大，所以，球墨铸铁铁液经过球化处理后，必须进行有效的孕育处理，不然会出现薄壁、中等壁厚球墨铸铁白口的现象。

1.2 促进石墨球化

孕育处理能提高球状石墨生长的稳定性，细化球状石墨，增加球状石墨核心，保证石墨球的圈整度。

1.3 减少晶间偏析

正偏析的元素（Mn、P等）、共晶团的生长过程都是在结晶前富集的。在凝固前，晶间产生脆性相，降低了球墨铸铁的塑性、韧性。而使用孕育处理技术能够细化共晶团，减小共晶团间的偏析程度，提高铸铁的塑性和韧性。

2 孕育处理的热力学条件、动力学条件

球墨铸铁的孕育处理过程主要包含了热力学行为和动力学行为，要想达到预期的孕育效果，必须满足热力学条件和动力学条件的要求，具体包括以下几点：①保证铸造铁液化学成分的准确性，基本元素（C、Si、Mn、S、P）的波动要小；②保证铁液中充足的过饱和氧〔O〕含量，孕育处理离不开〔O〕，孕育处理过程就是脱氧的过程；③正确使用孕育剂，确保加入量的合理性；④在铁液中加入与氧有较强亲和力的元素（Nb、Ti、Mn、Al等），创造必要的条件，以便于析出SiO2；⑤孕育处理温度略高于SiO2的平衡温度；⑥为了确保SiO2有足够的析出时间，要有效控制铁液的冷却速度和降温幅度；⑦为了避免SiO2被破坏，要严格控制孕育剂的添加时间点，保证孕育剂加入到铁液中的凝固时间间隔最短。

3 控制孕育处理的温度

控制孕育处理温度是孕育处理的关键。经过孕育处理能够得到大量、有效的SiO2微粒，降低SiO2成渣、老化和被破坏的概率。由化学反应式SiO2+2〔C〕≒〔Si〕+CO↑可得：①当铁液的孕育处理温度高于SiO2平衡温度时，反应式向右进行，碳（C）被氧化；②当铁液的孕育处理温度低于SiO2平衡温度时，反应式向左进行，硅（Si）被氧化。

对于铸造铁液来说，需要注意以下几点：①铸铁铁液的温度是变化的，不确定的。②无论铸铁铁液温度在SiO2平衡温度之下还是之上，铸铁铁液中都存在过饱和氧〔O〕。③当铁液温度高于SiO2的平衡温度时，铸铁铁液为溶解氧〔O〕和过饱和CO；当铁液温度低于SiO2的平衡温度时，铸铁铁液为溶解过饱和氧〔O〕和析出SiO2微粒。铸铁铁液温度变化时，〔O〕量也随之变化。④当铸铁铁液的温度不变时，〔O〕量下降。铁液温度越高，〔O〕量下降越快。不是生成的SiO2微粒都是有效的，在孕育过程中，它可能被氧化成SiO2渣，或被老化、破坏，起不到孕育的作用。

综上所述，铸铁铁液的温度需高于SiO2的平衡温度，孕育处理温度应高于SiO2平衡温度50 ℃以下。当铁液温度降低时，反应式SiO2+2〔C〕≒〔Si〕+CO↑向左进行，得到大量有效的SiO2微粒。另外，孕育处理温度不能太低，要保证孕育剂能充分熔化，浇注出完整的铸件。

平衡温度是有铁液C、Si成分及其活度决定的。表1为几种碳硅含量铁液的平衡温度。

4 孕育剂的选择

到目前为止，孕育剂主要是以硅基为主，使用率最高的是FeSi75，如表2所示。多数情况下，主要添加以下几种元素来满足生产需求。添加元素的作用是：①活性元素（Al、Ce、Ca等）能推动SiO2微粒析出基底（高熔点氧化物）的生产；②石墨化元素（Al、Ca、Sr、 Ba等）能增加碳（C）的活度，加快石墨的析出速度；③反石墨化元素（Mn、Cr等）能提高铁液过冷度；④球化有害元素（Ti、Bi、Sb、Te等）主要针对体积大、壁厚厚铸件的孕育处理。

以上几种元素形成的高熔点氧化物都可以作为SiO2微粒析出的基底。

通常情况下，正常壁厚的球墨铸铁件使用孕育剂（FeSi75）后，孕育效果很好。但是，因为灰铸铁过冷度小，所以，孕育剂（FeSi75）的孕育效果不佳。如果采用复合孕育剂（活性元素+石墨化元素+反石墨化元素）孕育铸铁时，效果会更好。

孕育剂有很多，多达上千种，具体选用细则如下：①根据铸件的种类、结构特点和生产工艺条件选用；②首选工艺稳定、管理严格、质量有保证、数据齐全、可信赖的孕育剂厂家生产的产品；③对于体积、质量、壁厚差相差特别大的铸件，应该使用不同粒度的孕育剂；④经过生产实践，要确定孕育剂采购点，不要轻易改变。

5 采用后孕育技术改进铸件质量

铸件中的石墨球径主要分为2类，即大球径石墨和小球径石墨。大球径石墨的数量相对比较少，一般是孕育处理前由铸铁铁液形成的；小球径石墨的数量相对比较多，一般是孕育处理后由铸铁铁液形成的。为了得到所需的球径分布，要经过多次孕育处理。实践证明，越是后面的孕育处理，获得的石墨球径越小，数量越多。

通常情况下，在铸铁铁液中加入孕育剂后，当铸铁铁液的温度降到SiO2平衡温度以下时，能够得到有效的SiO2晶质微粒。由于铁液温度在凝固点以上，所以，不能都生成石墨晶核。从孕育处理到凝固这一阶段，SiO2晶质微粒会被氧化或与其他元素（比如锰）反应变成SiO2渣，或被老化、破坏，起不到形核的作用。这个阶段的时间越长，SiO2晶质微粒被破坏的可能性就越大。在凝固过程中，未被老化、氧化、渣化、破坏的SiO2晶质微粒会在比较高的铁液温度下成核。

随着沉积石墨的增加，石墨球径越来越大，数量越来越少，达不到预期的效果。综上所述，从孕育处理到凝固这一阶段的时间越短越好。这表明，后孕育处理工艺有很好的孕育效果。

6 推土机用球墨铸铁改进情况

使用球墨铸铁孕育处理工艺改进推土机后，选用后孕育技术，以轴承壳（14部件零件）（材质QT700-2）、油封座圈（27部件零件）（材质QT500-7）为例，具体改进情况如下。

对于轴承壳（14部件零件）（材质QT700-2），材料的疲劳强度大于300 MPa。在生产性试验的150件轴承壳中，内外废之和低于3%，所用的孕育剂为FeSi75（粒度0.8～2 mm），使用量（质量分数为0.15%）是确定的，孕育过程是自动化、机械化的，浇注温度1 460 ℃。在此值得注意的是，孕育剂的使用量要恒定，浇注速度要稳定，要严格控制浇注时间。

经过实践，解决了轴承壳（14部件零件）密封槽内部疏松孔眼的质量问题，有效避免了打压漏封不住油，导致铸件报废的现象，废品率由以前的30%降到3%以下。

对于油封座圈（27部件零件）（材质QT500-7），在生产性试验的200件油封座圈中，内外废之和低于3%，所用的孕育剂为FeSi75（粒度0.8～2 mm），使用量（质量分数为0.15%）是确定的，孕育过程是自动化、机械化的，浇注温度为1 460 ℃。在此值得注意的是，孕育剂使用量要恒定，浇注速度要稳定，要严格控制浇注时间。

经过实践，解决了油封座圈（27部件零件）密封槽内部疏松孔眼的质量问题，有效避免了打压漏封不住油，导致铸件报废的现象，废品率由以前的20%降到3%以下。

7 结束语

后孕育处理是孕育处理过程与浇注过程同时进行的，主要包括型内孕育和随流孕育。型内孕育不需要添加设备、车间，对环境的污染小，操作方法简单，能够达到预期的效果。在此需要强调的是，铁液孕育温度必须保证孕育块均匀、充分的溶解。随流孕育的优点是操作简便，孕育均匀，效果显著。

为了达到最佳的孕育效果，可采取以下措施：①采用可靠的、自动给料进度高的、功能齐全的自动随流孕育装置，保证孕育剂给量的精确性和稳定性；②严格控制浇注时间，保证浇注时间的精确度，采用扇形浇包。

参考文献

[1]张立权.谈球墨铸铁的孕育处理技术[J].机械工人，1998（05）：1-2.

[2]孙培恵.铸铁实用孕育剂的分类及选择[J].机械工艺师，1988（10）：11-13.

〔编辑：白洁〕