铁水孕育技术在铸造节能降耗生产中的应用

第1页2008-10-28孕育技术在铸造节能降耗生产中的应用高连国湖北荆州（434000）【摘要】在液态铁水中添加物质而改善铸铁性能的操作称为孕育(Inoculation)或称变质(Modification)。对灰铁来说，孕育意味着石墨化，改善石墨形状、大小、数量以及分布形态，提高强度减少应力等；而对球铁、蠕铁而言：“孕育”则能促进石墨化、消除游离渗碳体、细化共晶团、使石墨细小、圆整、数量增多，从而使共晶团边界的脆性相（如磷共晶、碳化物）及夹杂物呈弥散分布，使机械性能（特别是塑性和韧性）明显提高。对提高铸件的综合性能、生产高质量的铸件来说，孕育处理是简单、经济、行之有效的方法，尤其是在当前原材料价格急骤上涨生产成本持续上升的今天。【关键词】孕育处理孕育剂铸态铁素体一、铸铁孕育的理论与发展1.1孕育的定义对现代铸铁生产来说，孕育处理其实并不是什么新鲜事物，早在上世纪二十年代初，孕育铸铁就以它在冶金学领域划时代的面目出现了，并被越来越广泛地用于生产中，对铸铁的发展和运用起着重要的作用。国际铸造词典中写道：“孕育是指往液态金属中加入少量某种物第2页2008-10-28质的操作，而引起了物理化学变化，这个变化与由该物质作为合金元素时所产生的变化是不同的”①。孕育的主要作用在于影响铸铁凝固过程，为石墨析出提供足够的核心，抑制白口、并控制了石墨的大小、形态和分布状况，减少铸件断面敏感性、增加共晶团数、降低铁水的过冷倾向,以达到增加弹性模数,改善厚薄断面的硬度分布，提高和改善铸件的机械性能为工程技术提供更加优质的服务。1.2孕育对铸铁的影响对灰口铸铁来说，孕育能控制石墨的形态、获得细小片状A型石墨和珠光体基体、抑制渗碳体、促进石墨化、防止薄壁和边界处硬度过高和出现白口、改善铸件断面敏感性，在用感应电炉熔炼铁水时还能最大限度地使用废钢，一方面可以降低生产成本，另一方面还可以不同程度地提高铸件的机械性能改善产品综合品质，抵消炉料的遗传性等。在球墨铸铁的生产中，球化处理是使石墨成球，孕育处理是使石墨析出，增加石墨球数，提高石墨球的圆整度，改善球化率，辅助成球。另外，球墨铸铁生产中的镁、稀土等球化元素强烈地反石墨化，使球化后铁水的白口倾向增大，通过孕育可抑制白口，获得铸态无自由渗碳体的铸件，孕育还可控制铸态球墨铸铁的基体组织，获得铸态铁素体或铸态珠光体基体的铸件。即使是同一种铁液也可以通过采取严格的工艺措施，控制生产过程，规范操作，适当调节化学成分，利用合金化原理，并控制出铸件的开箱时间，也能得到合格的性能完全不同的不同基体的铸态球墨铸铁○2。第3页2008-10-281.3孕育与合金化的比较应该说铸铁的孕育与合金化是既相似又有区别的，就相似性来讲，孕育是广义地微合金化，“微”是指加入的量而言，孕育剂中各元素对铁水性能的影响与其作为合金元素对铁水性能的影响是一致的----改变凝固条件、组织状况、改善铸件的机械性能、物理性能、化学性能；而通过有关元素进行合金化处理也能达到相同的效果。而孕育处理与合金化又是有区别的。从有关孕育的定义中就能了解到，孕育物质在铁水中引起的变化与该物质作为合金元素合金化时所产生的变化是不相同的，孕育能够细化共晶团、改变石墨形态；合金化改变不了共晶团的大小，而只改变晶体结构，改变不了石墨形态，合金化后的铁水仍然需要孕育处理。1.4孕育技术的发展孕育技术的发展应该是与孕育剂的发展和孕育技巧、方法的发展两个方面密不可分的。国际上从上世纪二十年代起，美国人Meehan发明了经过孕育处理的均匀的高强度优质铸铁—密烘铸铁，同时，另一美国人Crosby第一个发明浇包孕育技术，美国人Eash在三十年代后期对孕育处理技术和新型孕育剂进行了大量研究○3，带动了随后长达半个多世纪的孕育技巧、新型孕育剂的开发与研究工作，特别是1948年球墨铸铁发明以后，伴随新型铸铁工程材料的发展，铸铁的孕育技巧和用于铸铁孕育的各种新型孕育剂更是如雨后春笋般地蓬勃发展，先后有浮硅孕育、小剂量多次转包孕育、孕育丝孕育、随流孕育、浇口杯孕育、第4页2008-10-28型内孕育等等孕育技巧以及硅基的、石墨基的、复合的、特种的等等孕育剂类型。据有关文献资料记载，我国孕育铸铁的发展可以追溯到1949年，包括其中在五十年代还推广了前苏联的铸铁孕育技术，直到1984年当时的华中工学院（现华中科技大学）和湖北内燃机配件厂(现荆州环宇汽车零部件有限公司)还联合开发了一种专门用来生产铸态珠光体球墨铸铁曲轴的高效复合孕育剂SPI○4。由于工程技术发展的需要，对铸铁材料的性能要求越来越高，加之铁水熔化条件的改善，使得孕育处理成了铸铁生产中改善和提高组织与性能的必不可少的环节。一般含义所指的孕育剂主要是指石墨化孕育剂。据介绍，由于各种金属元素在铁水中的作用各不相同，早期的孕育铸铁生产人们是把希望寄托在新的孕育剂的发明上，这样就有了以硅为主体基的含:Ca、Al、Sr、Ba、Zr、Ti、Mg、Mn、C、B、Re等等铸铁孕育剂的发明、发展。硅作为孕育剂的主体是石墨化元素，在铁水中能提高碳的活度，造成铁水成分不均和温度不均，促进铁水生核，但硅并不是一个简单的“运载工具”，它将其它元素带入铁水中，为其发挥作用提供条件。这些元素有的起脱氧、脱硫、除气作用（如Al、Ca、Zr、Ti、Mg、Re），有的起抗衰退作用（如Ba、Sr、Zr、Re），有的起稳定珠光体的作用(如Cr、Cu、Sb、Sn、Pb)，有的起降低熔点便于加入的作用（如Cu），有的起发热作用（如Na3AlF6、NaNO3等），需要提醒大家注意的是：纯硅铁或纯硅（结晶硅）孕育作用微乎其微，只有含少量钙和铝时才能发挥孕育作用○5。第5页2008-10-28总之，孕育剂中多种元素的复合作用从不同的方面加强了孕育效果，提高了铸铁材料的品质。随着人们对孕育作用研究得越来越深入，大家发现掌握孕育的时机和使用孕育剂的方法在孕育铸铁的生产中也相当重要，特别是近年来发展起来的后孕育—晚期孕育，孕育效果更好，可充分发挥孕育剂的作用，是值得研究和推广的。甚至可以毫不夸张地说，对生产铸铁而言，好的孕育效果能够使铸件提高一个牌号。目前，在生产成本日益上升的情况下，如何正确使用孕育技术----选择合适的孕育剂、正确的孕育方法，减少甚至取消热处理环节，在保证产品质量的情况下，不但可以缩短生产周期、还可以减少铸件因热处理引起的氧化、变形，还能够降低生产成本实现节能降耗的目的----这已被越来越多的厂家所接受。二、孕育技术在生产中的应用通过前面的简介我们知道，孕育技术包含两方面的意义：一方面就是孕育剂的选择，另一方面则是孕育方法的选择。2.1孕育剂种类的选择因为铸件使用的情况不同，作用不一样，对铸铁基体的要求就不一样，生产时要根据铸件的要求来选择孕育剂的种类；绝大部分灰铸铁是以珠光体为基体的，所以，灰铸铁使用的孕育剂绝大多数是珠光体孕育剂。球墨铸铁材质要求有珠光体基体的、也有铁素体基体的、还有混合基体的，所以其选择性更大，选择的范围更广。第6页2008-10-28另外，孕育剂的粒度选择也很重要。颗粒大的孕育剂熔点高时不容易溶化，熔化了也不容易扩散，会在铁水中造成很大的浓度起伏和温度起伏，很容易产生渗碳体，当铁水温度低时特别忌讳。而粒度小的孕育剂由于有静电吸附作用不容易扩散，达不到孕育效果----生产中曾遇到以石墨碳黑为基的孕育剂，从原理上无懈可击，但使用起来就是没有效果；再一个特殊原因就是大多数铸造生产现场不是有用于降温的电风扇就是有抽风机，孕育剂粒度过小后特别是随流孕育时风力会对剂量产生影响，从而影响孕育效果。孕育剂的熔点也很重要。熔点低的孕育剂衰退快，熔点高的孕育剂不容易融解并扩散，选择不好就会产生孕育不良。如老式抽油机的减速机机壳等厚大铸件，材质要求为HT150，外形尺寸从1200×600×400到2800×1600×1200，壁厚20到45不等，用消失模铸造，选择普通75硅铁在出铁槽孕育，然后在浇注时采用浮硅孕育，这样会使产品的终硅量增加，铸件本体的性能改善不大，加工时还出现硬质点，甚至还要对产品进行热处理，使得生产成本进一步增加。如果仅仅将75硅铁换成熔点相对较低的硅钡钙，在不改变任何生产条件的情况下，铸件材质达到HT200，本体晶粒细小、硬度均匀，加工方便，上述问题完全克服了。如用挤压线大批量生产的电冰箱压缩机底座等薄壁小件，用普通75硅铁随流孕育，铸件上就出现渗碳体硬质点，影响加工性能，自动加工中心会自动退刀，无故增加废品数量。某大型铸造厂出口英国的一个小件，原用75硅铁孕育，其白口缺陷一直没有解决，后换成了第7页2008-10-28某种熔点相对较低的复合孕育剂后缺陷一下子就消除了。如既选择好了孕育剂的种类又选择好了孕育剂的粒度，但应用熔点较高的孕育剂也会使产品产生硬质点，铸件上甚至会出现渗碳体，影响加工性能，特别是当铁水温度没有控制的时候，铁水温度低，孕育剂的熔点又高那就极易产生孕育不良。2.2孕育方式的选择前已述及，除了选择孕育剂外，选择合理的孕育方式也很重要。如果以铁水浇注进入铸型的时间来区别，把浇注之前的孕育处理叫前处理，浇注以后的处理叫后处理，那就有很多的技巧和结果了。前处理的有：出铁槽孕育、转包孕育、浮硅孕育等，后处理的有孕育丝孕育、随流孕育、浇口杯孕育、型内孕育等；需要特别说明的是：孕育的时机也很重要，孕育的前处理量都很大，大约是铁水重量的0.5～1.0%，而后处理大约只要铁水重量的0.1～0.5%即可。显然，就经济性而言，后处理要优于前处理。曾经有一个规模企业，选择了前处理孕育方式对铁素体球墨铸铁铸件进行孕育处理，孕育的剂量大，而孕育剂又是以硅为基的，产品的铸态是生产出来了，但结果铸件的终硅量高达3.0%以上，大量的回炉料不能回用，生产成本一直居高不下。但就后处理而言，无论随流孕育还是孕育块型内孕育，对终硅量的影响都不大，那么就可以大量使用回炉料了，不过，随流孕育会产生夹渣、气孔等缺陷，型内孕育则需要适合安放孕育块的特别的浇注系统，还会增加制作孕育块的成本，所以，要得到好的孕育效果还要根据铸件的实际情况选择。第8页2008-10-28现实生产中，有很多企业既选择了合适的孕育剂又选择了合适的孕育方法，稳定了产品质量，缩短了生产周期，降低了生产成本，如东风商用车公司铸造二厂应用专用孕育剂制成孕育块型内孕育和光电控制螺旋给料器随流孕育等技术大批量生产铸态铁素体球墨铸铁汽车底盘零部件，东风股份公司铸造厂应用瞬时随流孕育技术大批量生产普通灰铸铁汽车发动机缸体等，广西柳工集团用瞬时孕育技术生产矿山机械零部件，荆州环宇汽车零部件有限公司应用瞬时随流孕育技术大批量生产铸态铁素体球墨铸铁阀门铸件和铸态珠光体球墨铸铁内燃机曲轴等……孕育剂剂量的选择2.3合金化在铸铁孕育上的应用有很多复合孕育剂因含某种促进基体向特定方向转变能力的合金元素而既有合金化的效果又有孕育作用，在生产特定基体材质铸件时就要优先选择。如含Bi的孕育剂，由于铋元素具有强烈的促进铁素体形成能力，特别是在铸件的壁薄情况下仍然能消除白口形成铁素体，所以生产铸态铁素体基体材质时优先选用；含Ba的孕育剂也因钡的铁素体化能力强而用来生产铸态铁素体铸铁.○6含Sb、Sn、Mn的孕育剂因锑、锡、锰强烈的促进珠光体形成能力，在生产铸态珠光体时也优先选择。这些都是合金化与孕育相结合的例子。用电解Cu进行合金化处理，因电解Cu熔点低、方便易得，操作第9页2008-10-28简单，曾经被当成是生产铸态珠光体铸件的法宝，某大型国有铸造厂直到现在仍然采用这一方法；而随着市场上铜材价格的飚升，受到生产成本的压迫，最新资料显示○7，原来也是用电解Cu对铁水进行合金化处理以得到铸态珠光体基体的另一铸件大型国有铸造厂，现在改已改用CrMnCu孕育剂对铁水进行孕育，生产铸态珠光体铸件，使生产成本大大降低。实践表明，单纯的合金化作用比起使用具有合金化能力的复合孕育剂来生产成本要高很多。其实，应用孕育技术也是降低铸件生产成本实现节能降耗的最佳选择。三、采用铸铁孕育技术实现铸造生产的节能降耗铸铁发明和发展了几千年，只是到了近