孕育剂的选择与使用

■ 房敏，吴小雄，戎军，孙全友，刘佳平

目前，很多铸造工作者在实际生产中对如何正确选择和使用孕育剂仍感到很困惑，下面根据实际经验及生产中存在的问题，阐述铸造厂常用孕育剂种类，孕育剂选择及使用条件等方面的生产实践，供同行参考。

1. 孕育剂的种类

孕育剂的种类很多，目前常见的孕育剂大概有30余种，而铸造厂最常用的就10种左右。下面重点介绍几种最常用的孕育剂。

（1）硅铁孕育剂 硅铁孕育剂有45FeSi、75FeSi、85FeSi。45FeSi孕育剂的处理效果较差，85FeSi成本较高，因此常用75FeSi。硅铁除了含有硅外，还需要含有适量的钙和铝等才能充分发挥孕育作用。一般75FeSi选择以下化学成分范围：wSi＝74%～78%，wCa＝0.5%～1.0%，wAl＝0.8%～1.5%。

与其他优质孕育剂相比，硅铁加入量较大，孕育后达到饱和时间短，孕育衰退快而不长效，孕育后铸件的断面敏感性大。随着生产的发展需要及对铸件的高要求，普通硅铁孕育剂已经不能满足生产要求。往往需要复合有其他元素，如Ba、Ca、Zr、Sr、RE、Sb、Bi 、S 、O等，以起到各种特定作用，强化孕育效果。

（2）硅钡孕育剂 硅钡孕育剂消除白口和石墨化能力很强，抗孕育衰退效果很好，具有强烈细化共晶团的作用，目前在国内外铸造厂使用的最为广泛。

硅钡孕育剂按照钡的含量高低可以分为低钡wBa＝1.0%～4.0%、中钡wBa＝7.0%～10.0%、高钡wBa＝12.0%～18.0%，随着钡含量的增加，抗衰退能力逐渐增强。硅钡孕育剂同时应含有适量的钙（wCa＝1.0%～3.0%、wCa＝5.0%～7.0%等）和铝（wAl＝1.0%～2.0%），随钡含量增高，钙含量也要适当增加，以强化孕育效果，同时钡与一定量的钙共存时有利于减少激冷倾向。

硅钡孕育剂在灰铸铁中相对于其他孕育剂更容易获得均匀细小的A型石墨，且D型、E型枝晶石墨形成倾向很小，即使在3～5mm的薄壁件中也不会出现D+E型石墨，可强烈地增加共晶团数,提高灰铸铁强度，且钡含量的高低对灰铁强度影响很大，中钡和高钡适合厚大灰铸铁件。在球墨铸铁中可增加石墨球数，改善石墨圆整度，消除渗碳体，球墨铸铁中主要使用低钡孕育剂。

（3）硅锶孕育剂 硅锶孕育剂中的锶具有很强的孕育效果，其有消除白口，减少缩松，改善断面均匀性，以及处理时浮渣量少等优点。该孕育剂的典型成分为: wSi≥71%、wSr＝0.6%～1.2%、wCa≤0.1%、wAl≤0.5%。硅锶孕育剂硅高时孕育效果较好且稳定，钙和铝的含量比硅铁和硅钡的含量要求低且严格，主要原因是当钙、铝含量偏高时就抑制了锶的石墨化能力，使锶孕育失效，因此必须采用精炼硅铁（wCa≤0.10%、wAl≤0.30%）作为原材料。

硅锶孕育剂主要用于灰铸铁以及不含Ce的球墨铸铁，在灰铸铁中其突出特点是在消除白口的同时，共晶团增加不多，缩孔、缩松倾向较小，可以防止渗漏，适用于壁厚不均匀的有渗漏要求的缸体、缸盖类铸件。

（4）硅锆孕育剂 硅锆孕育剂中wZr一般在3%～6%。其具有较强的抗孕育衰退能力，减少白口倾向，改善石墨组织，获得细小均匀的A型石墨。同时锆具有较高的脱氧、脱硫、固定氮的能力，有利于消除铸件中的氮气孔。但在球墨铸铁中一般不使用含锆的孕育剂，因为在球墨铸铁中残余锆超过0.01%将使石墨畸变为片状，引起球化不良。在这里要说的是，硅锆孕育剂建议控制wCa＜2%。硅锆孕育剂中含钙会削弱其孕育作用，国外资料也认为锆型中含有钙时不利于锆作用的发挥。

（5）硅钙孕育剂 硅钙孕育剂中wSi＝50%～60%，根据含钙量高低有硅钙9、硅钙15、硅钙25、硅钙35。硅钙孕育剂具有很好的初始孕育效果，可获得最高的原始共晶团数，并使立即浇注的试样具有最高的强度。但由于硅钙的密度小加上钙化学性质活泼，溶解性差，容易造渣，在孕育中常出现大量的夹杂缺陷，并且衰退速度快，所以生产中单独使用硅钙作为孕育剂的比较少。但是硅钙孕育剂可以与其他孕育剂充分机械混合组成复合孕育剂，能获得特殊的孕育效果。硅钙合金可用于灰铸铁，也可以用于蠕墨铸铁，以稳定蠕虫状石墨。但在球墨铸铁中一般不使用。

（6）稀土孕育剂 稀土孕育剂有： 稀土硅、稀土硅钙、稀土硅钙钡等。稀土有强烈的脱氧和脱硫能力，其生成的硫化物易作为石墨形核的基底, 具有非自发形核的作用。稀土对铸铁的石墨化具有双重影响，当铁液中稀土含量小于临界值时，可以防止白口，促进石墨化，而当含量超过临界值时，由于其强烈过冷，有增大白口的倾向。当加入Ca、Al、Ba 等元素组成复合孕育剂时，可以得到更为突出的孕育效果。稀土孕育剂应以铈为主，镧会增大白口倾向，因此必须加以限制。

在灰铸铁中将稀土和硅铁一起使用会更好，稀土能使片状石墨细化，提高强度，同时能有效中和铅、铋等元素对灰铸铁片状石墨的有害影响，但是稀土过量会使铁液过冷倾向增大，因此加入量不宜过多。稀土如与钙、钡复合使用，则其白口倾向减小，过冷石墨减少，具有长效功能，是生产薄壁高强度灰铸铁较好的孕育剂。在球墨铸铁的孕育剂中添加适量的稀土，可以明显增加薄壁件的石墨球数，提高石墨球的圆整度。但是稀土超过一定量，反而增加白口倾向，使球状石墨畸变为异形石墨，尤其是厚大断面球墨铸铁。

2. 孕育剂的使用

（1）孕育剂的选择 孕育目的有以促进石墨化、消除碳化物或白口为主的, 有以提高机械强度为主的, 有以改善石墨形态及显微组织为主的，还有想获得综合效果的。

至于实际生产中如何进行孕育剂及孕育方法的选择，受许多因素的影响，需要根据铸件的使用条件和各类孕育剂的特点及工厂技术条件来针对性地选择适合的孕育剂。

灰铸铁中硅铁、硅锶和硅钡用的较多。75SiFe用于一般的要求不高的产品，且加入量多，对于高品质的灰铸铁来说主要用硅锶和硅钡孕育剂。从提高强度和A型石墨能力来说硅钡优于硅锶（见附图），硅钡可以强烈地增加共晶团数, 提高灰铸铁强度，且钡含量的高低对灰铸铁强度影响很大。厚大灰铸铁要想获得高强度，中钡（wBa＝7%～10%）优于低钡（wBa＝1%～4%）。

但是，硅钡孕育剂具有强烈细化共晶团的作用，导致铸件收缩会大些，且钡含量越高越严重。对于壁厚不均匀的有渗漏要求的缸体、缸盖类铸件，硅锶孕育剂优于硅钡，因为硅锶在强烈地消除白口的同时，共晶团增加不多,缩孔、缩松倾向较小，可以防止渗漏。笔者公司在生产有渗漏要求的灰铸铁时，刚开始使用硅钡孕育剂，虽然强度很高且稳定，但是导致渗漏率在10%左右，改为硅锶孕育剂后渗漏率降低到2%以下。硅锶孕育剂的断面均匀性好于硅钡和稀土硅铁，故用于壁厚不均匀的灰铸铁缸体、缸盖铸件，其加工性能要好。

球墨铸铁中使用低钡孕育剂。硅锶孕育剂用于不含Ce的球墨铸铁，可以形成较多的石墨球数（见附图）。且由于锶的抗衰退作用较好，用含锶的孕育剂可使厚大球墨铸铁中长久地保持细小的球状石墨。

f50mm附铸试棒石墨形态图

（2）孕育剂的用量 实际生产中孕育剂用量多少合适，需要结合产品的金相和性能综合考虑，这与铁液类别、熔化条件、炉料组成、铸件壁厚、铸型条件、孕育温度、孕育剂类型和加入方式等因素有关。

铁液类别：球墨铸铁经过球化后，过冷度较大，故球墨铸铁比灰铸铁需要更多数量的孕育剂，一般球墨铸铁孕育量比灰铸铁要多一倍。

熔化条件：感应电炉熔化的铁液硫、氧含量比冲天炉低，异质核心少，石墨化比较困难, 因此前者比后者需要更多或者更强的孕育剂。

炉料组成：不同炉料对孕育剂有不同的要求，对低碳、低硅、低硫的原铁液需更多数量的孕育剂。配料中废钢较多时, 铁液有较大的白口倾向，也需要较多或较强的孕育剂。

铸件壁厚和铸型条件：薄壁件冷却速度快，白口倾向严重，需加入更多量或较强的复合孕育剂。厚大的铸件冷却速度慢，心部容易产生孕育衰退，应选用抗衰退的孕育剂。湿型砂比树脂砂冷却速度快，容易导致薄壁部位出现渗碳体, 在其他条件不变的情况下, 其孕育量要比树脂砂多0.1%～0.2%。

孕育温度：浇注温度较高时,孕育剂效果减弱，需要加入较多量或者复合孕育剂。

孕育剂类型：既不能孕育不良也不能孕育过量。以灰铸铁为例，若孕育不良将导致石墨异常、薄壁部位出现白口、力学性能低下等问题，若孕育过量则会导致石墨粗大、珠光体量不足等问题。对于HT250以下的灰铸铁，硅钡和硅锶孕育剂一般加入量为0.2%～0.3%，而75SiFe需要加入0.4%～0.6%。对于HT250以上的灰铸铁，硅钡和硅锶孕育剂加入量一般为0.3%～0.4%, 而75SiFe需要加入0.5%～0.7%。

加入方式：孕育剂加入方式是获得孕育处理好坏的关键。常用的有炉前孕育、二次孕育和随流孕育。多次孕育好于单一孕育，且孕育剂需要分批均匀加入到铁液流上，使孕育剂与铁液充分接触，以充分发挥孕育剂各组元的孕育及强化作用。在铸造厂，铁液浇注型腔前还需要有一次随流孕育操作，但是随流孕育量不能过大，一般在0.08%～0.20%，否则会造成孕育剂不能完全熔解。

（3）需要注意的问题 生产中需注意的问题有以下三个方面：

第一，注意控制原铁液的质量，稳定化学成分，保证合适的出铁温度，尽量减少铁液中的S、O、H、N及非金属夹杂物的含量，以免对RE、Ba、Sr等孕育元素的无谓消耗，且其反应生成物对铁液构成污染，对提高铸铁性能无补。

第二，在很多铸造厂为了发挥孕育剂的综合作用，倾向于复合孕育。灰铸铁使用复合孕育剂相对单一的孕育剂其效果更好，比如壁厚敏感性相对好，性能稳定，加工性能好等。比如笔者曾使用40%的稀土硅铁+40%的75硅铁+20%的25硅钙对HT300缸体类铸件进行孕育，发现其加工性较单一的孕育剂要好，且裂纹倾向很小。但是要注意孕育剂的类型、比例及合理搭配。比如，在使用中发现硅锶孕育剂不能与含钙或铈的孕育剂混合使用，因为锶与钙、铈有相互抵消的作用。笔者在实际生产中曾经使用硅钙+硅锶、稀土硅铁+硅锶复合孕育的方式对HT300牌号进行孕育，发现强度会明显降低30～60MPa。

第三，注意孕育剂的质量。孕育剂的质量包括孕育剂的熔解扩散性、化学成分稳定性、表面氧化程度、粒度。孕育剂的元素组成决定其熔点和密度。粒度合适、熔点较低的孕育剂有利于在铁液中迅速扩散和吸收。如加Mn或加助熔剂的孕育合金能降低其熔点, 由于熔点低瞬时扩散快, 孕育效果更好。孕育剂粒度偏小时容易产生严重的氧化烧损，影响孕育效果；当粒度偏大时，则不容易熔化吸收，造成未熔夹杂物，使力学性能下降。孕育剂粒度建议按浇包容量选择，见附表。

3. 结语

孕育对产品质量起着至关重要的作用，因此要慎重选择孕育剂种类，并且要特别注意使用方法，尽可能把孕育置后以增加孕育效果，减少孕育剂用量，稳定产品质量。

孕育剂粒度的选用