几种常见缸体缸盖铸造孕育剂

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孕育处理是铸铁件生产中不可缺少的工艺，其不仅提高铸件的力学性能，降低铁液的白口倾向，改善铸件的组织与断面均匀性，而且提高铸件机械加工性能。目前国内孕育剂的种类很多，有硅系、碳系、铬系、氮系等，效果差异较大。硅系孕育剂是铸铁件生产常用的孕育剂，近几年稀土铬系孕育剂在薄壁复杂高强度铸铁上的应用越来越广，不断开发了一些新型孕育剂。此外，影响孕育剂效果的因素众多，适当的选择和使用能够减少铸造缺陷的产生。

　　1.硅系孕育剂

　　（1）孕育剂种类和加入量的影响　 在铸铁件生产中，硅铁类孕育剂多用75硅铁，其次应用较多的孕育剂有硅钡、硅锶、硅锆等孕育剂。随着感应电炉熔炼的增加，铁液的白口倾向明显高于冲天炉熔炼，因此硅钡、硅锶、硅锆孕育剂的应用越来越广，这几种孕育剂消除铁液白口倾向效果好，加入量少，抗孕育衰退时间长，但硅钡、硅锆能够明显增加铸铁的共晶团数，硅锶却不会增加。相关文献明确指出：共晶团数对铸铁件缩松的影响是明显的，随着共晶团数的增多，铸铁件的缩松倾向增大，致密性下降。为了保证缸体、缸盖等铸铁件的致密性，防止缩松的产生，应将共晶团数控制在300～400个/cm2以下。

　　从铸件出现缩松的概率分析，使用加入量0.8%硅铁孕育剂和0.5%硅钡孕育剂时，铸件出现缩松概率最大，超过了85%以上，而使用加入量0.5%硅铁、0.5%锶硅铁和0.3%钡硅铁孕育剂时，铸件出现缩松概率相对较小，为9.5%～25%，其中加入量0.5%的硅铁出现缩松的概率更低，只有9.5%，而使用两种复合孕育剂时，铸件出现缩松的概率为零，在各种热节上均无缩松，因此使用加入量0.2%硅钡+0.3%硅铁孕育剂、0.2%硅锶+0.3%硅铁孕育剂，0.5%75硅铁孕育剂进行孕育处理，能够防止或减少铸铁件缩松缺陷。

　　硅锆作为随流孕育剂加入，加入量0.08%，能够明显改善缸体、缸盖的石墨形态，提高力学性能，在生产中经常使用。

　　（2）孕育剂铝量和潮湿的影响 　 硅铁类孕育剂中都带入或加入一定量的铝，可以增加硅铁类孕育剂的孕育效果。但是Al作为强偏析元素，也存在负作用。当Al量大于0.02%，对于工艺补缩不好的铸件，很容易出现显微缩松缺陷。铝量达到0.06%以上时，铸件会出现反应性气孔缺陷。孕育剂潮湿时，会加重铝的偏析程度，增加缩松和气孔的发生概率。陈国桢在铸件缺陷分析及对策一书中指出铁液中铝量的增加，与孕育剂、湿型砂中水分子在炽热的铁液作用下发生反应，形成氢气。金属液含氢量较高，凝固过程中残余液相中的溶解氢不断地富集，结果使孤立的小熔池中液相的含氢量更高。小熔池由液相转变成固相发生体积亏损的同时，溶解氢也会析出而占据小熔池的空间，成为析出气孔。此时晶间缩松和氢析出气孔两种缺陷是共生的，难以区分。因此要消除晶间缩松，还必须采取防止析出气孔的对策，尽量减少金属液含氢量。

　　在大批量湿型砂生产的灰铸铁缩松缺陷和气孔缺陷内，经过电镜扫描和能谱分析发现了铝量异常高，而铸件非缺陷部位，铝量并无异常，或者略显偏高。调查发现孕育剂粉尘多，存放不当容易潮湿，加重了铝的偏析程度。

　　采用潮湿的硅铁孕育剂，发生下列反应：

　　2Al+3H2O→Al2O3+3H2

　　孕育剂被氧化后，进入铸型内，氧化物与型砂（粘土煤粉砂）中的C或铁液中C发生反应，生成CO皮下气孔。

　　Al2O3+3[C]→2Al+3CO↑

　　此外，潮湿和粉尘多的孕育剂还会形成未溶解的夹渣，渣与铁液反应形成渣气孔缺陷。孕育剂质量问题引起的铸造缺陷，通常会同时在多种或十几种零件上出现，突发性强，废品批量大，没有电镜扫描难以分析其主要成因。

　　2. 稀土铬系孕育剂

　　（1）低稀土孕育剂 　稀土对铸铁孕育作用的机制在于稀土元素有强烈的脱硫、脱氧能力，微量稀土合金能在铁液中形成稀土硫化物、氧化物、氮化物，这些化合物一部分作为渣被排除，使铁液净化，另一部分以非金属夹杂物悬浮于铁液中，为石墨析出提供了大量外来核心，为改善铸铁的组织和性能创造了条件。稀土孕育剂抗衰退性能强，其中少量稀土元素可以消除铅和钛对灰口铸铁片状石墨形态的有害影响，减少由铬等元素引起的过冷，强化基体。低稀土孕育剂不含铬、锰等合金化元素，主要以孕育为主，其中稀土量在0.8%～1.5%。低稀土孕育剂在缸体缸体缸盖上应用多与硅铁、硅钡复合使用。

　　（2）稀土铬系孕育剂 　稀土铬类孕育剂具有合金强化和孕育双重作用在使用时，只有选择适宜的加入量，才能得到预期的结果。这些相对较高含量的稀土孕育剂是以稀土硅铁合金作为基础，硅含量一般为10%～50%，稀土含量为5%～15%，并复合以A1、Ca、Ba、Mn、Cr等元素，获得合金化作用，以提高力学性能。由于孕育剂中配入的铬铁熔点较高，溶解和扩散较慢，常以复合熔制Mn元素来降低孕育剂的熔点。复合孕育剂多以熔制方法进行配制，也有采用稀土与几种熔制合金机械混合的方法配制。原铁液中wCr>0.35%时，不仅增加铸件的收缩倾向，薄壁也易产生渗碳体。而加入熔制的稀土铬锰硅铁，即使wCr提高到0.35%以上，铁液的白口倾向和收缩并不会显著增加。

　　稀土铬锰硅铁孕育剂，以稀土硅铁为主熔制部分锰铁、铬铁合金，其中wRE=5%～15%、wMn=2%～15%、wSi=10%～50%，wCr=10%～40%。该孕育剂在缸体铸件上大批量使用，包内加入量0.3～0.5%，粒度1～5mm，代替部分铬铁、铜的加入，明显降低了成本。稀土钙钡孕育剂对稀土、铬、硅、锰含量做出了适当调整，并复合添加了一定量的钙、钡等元素配制而成，加入量0.3%～0.4%，不仅将少了缸体生产中合金的加入量，还极大地降低了缸体的裂纹废品率，效果明显。表2为批量使用稀土铬锰硅孕育剂铸件的主要成分和性能。

　　3.微合金复合型孕育剂

　　针对高强度铸铁HT300缸体、缸盖的生产，国内研发机构联合开发了代替合金的新型孕育剂。该孕育剂也是在稀土锰硅的基础上，复合了促进初生奥氏体枝晶生长的多种元素以及氮化物等。试验结果表明：在不改变成分和合金处理工艺的情况下，包内加入铁液重量0.3%～0.4%的孕育剂，铸铁的强度提高到310～345MPa，，缸体铸件硬度在210～220HBW，缸体关键部位的金相组织如附图所示，石墨形态和基体组织良好，但是由该孕育剂生产的缸体缸盖渗漏率相对较高，价格不菲，需要开发低成本，减少铸铁件收缩倾向的孕育剂。

　　结语

　　当然、孕育剂的种类还有很多，这里只是概括了大批量铸造生产中铸铁件经常使用的几种孕育剂和近几年开发引进的新型孕育剂。针对不同结构、不同大小的铸铁件，选择适当品种和加入量的孕育剂至关重要。此外保证孕育剂的质量、开发使用新型孕育剂材料，也是消除铸件缺陷、降低生产成本不可或缺的手段。