灰口铸铁孕育研究进展

Prof.S.C。证券交易所,Y.E.Mangulkar

印度马哈拉施特拉邦奥兰加巴德DIEMS机械工程系助理教授
印度马哈拉施特拉邦奥兰加巴德DIEMS机械工程系博士生

摘要

在发达国家，对灰铸铁的可加工性和显微组织的研究较早，特别是对孕育剂的影响进行了研究。此外，人们对获得无碳化物、薄壁灰铁铸件的工艺的需求也在不断增加。孕育是一种成熟的工艺，它不仅可以防止碳化物的形成，而且可以控制灰口铸铁中石墨薄片的大小和形态。本文综述了灰口铸铁在孕雷竞技苹果下载育剂和孕育工艺方面的研究进展。此外，还简要说明了一些较新的接种剂，这些接种剂已被各种研究人员使用，并取得了不同程度的成功。

关键字

共晶细胞，灰口铸铁，孕育，成核。

介绍

孕育是目前铸造厂为改善工业合金的力学性能而进行的一种常用的冶金处理方法。铸铁孕育的实质在于改变熔融金属的物理化学状态。它是一种控制铸铁组织和性能的方法，通过增加灰铁中石墨薄片生长或球墨铸铁中石墨结核生长的成核位点的数量。这种变化是通过在铸模浇注前不久向低石墨成核能力的铸铁中加入少量孕育剂，即能够增加活性核数量的化合物而获得的。评价孕育效果的主要标准是铸铁组织、力学性能的变化及其冷却倾向。亚共晶铸铁的凝固是一个分阶段发生的形核和长大过程。当熔体冷却到液相温度时，凝固开始于奥氏体枝晶的成核和随后的生长。随着温度的继续降低，剩余的液体中碳元素变得富集，直到在共晶温度下达到共晶成分。熔体继续冷却，当充分过冷时，奥氏体-石墨共晶转变开始。从液体到固体的转变是通过在称为共晶细胞的许多离散位置(核)上的成核来完成的，并通过这些细胞沿着球体结晶路径生长来进行。 The eutectic cells continue to grow until they have impinged on one another and solidification is essentially complete. The form and distribution of the graphite phase of the eutectic is determined by the composition, cooling rate, and degree of nucleation of the melt.[1] Inoculation is a mean of controlling the structure and properties of cast iron by minimizing undercooling and increasing the number of nucleation sites during solidification. This means to prevent the undercooling to temperatures below the metastable eutectic where carbidic structures are formed (Figure 1). The iron solidification mechanism is prone to form chilled iron structures when inoculation is inadequate. Chilled structures interfere with the machining, necessitate additional heat treatment operations, results in non-conformance with specifications and, in general, increase the total cost of production. [2]

2接种史

75年来，铸铁工业在制造技术和方法以及对其基本冶金的理解方面发生了重大变化。孕育在铸铁的持续发展中起着至关重要的作用。对高强度铸铁的研究是基于这样一种认识，即将碳和硅的含量降低到较低水平对高强度铸铁的发展至关重要。大约从战争爆发的时候开始，冲天炉炉料中加入了钢，“半钢”这个令人困惑的术语被创造出来，指的是任何在炉料中加入了15%以上废钢的铸铁。这个词在最终消失之前流行了大约30-40年。在早期，对冲天炉和铁分析的糟糕控制导致了许多失望，甚至在20世纪30年代，许多铸造经理仍然不能容忍冲天炉中的钢。通过使用加热或冷却的模具，摇动或摇动铁，或使用特殊的费用，开发了生产具有特殊性能的铸铁的工艺。虽然它们繁荣了一段时间，但很快就消失了。事实上，所有这些过程都是在德国进行的，但接种是在20世纪20年代初的美国和英国开始出现的，尽管当时还没有这样称呼。在20世纪20年代早期，一些铸造工人研究了钢包添加剂对铸铁的影响。 Some of this work was done in secret, some of it was published, and some of it formed the basis of a variety of patents. Silicon control was in the forefront of everyone's minds. Strong iron was dependant on obtaining the lowest possible silicon content consistent with a grey fracture and machineability of thin sections. Crosby at the Studebaker Foundry added graphite and ferrosilicon (1922-1923), Meehan added calcium silicide and magnesium silicide (1922), Smalley used ferrosilicon, calcium silicide, and zirconium silicon (1922-1924), and Moldenke added aluminum (1921). The objective of all these various additions to the ladle were to control the graphite size and shape in low carbon equivalent iron, to promote A-type flakes instead of fine under-cooled forms, to obtain freedom from chill in thin sections, to promote uniformity throughout different section sizes, and to improve machineability. These are exactly the same objectives for which inoculants are still used today. [3]

在20世纪20年代，这个过程被认为是清除、精炼和脱氧熔体的过程，还没有被理解为成核过程。人们对铸铁凝固的冶金学还不完全了解，关于石墨是直接从熔体中凝固的，还是一直是渗碳体初次凝固的分解产物，有很多争论。例如，Meehanite公司的规范显示硅铁或硅化钙添加剂的使用最早出现在1928年的英国。在20世纪20年代，没有提到接种这个词，治疗方法被简单地称为“长柄勺添加”。接种和接种剂属于下一个历史时期，其起源不详。硅含量为75-80%的硅铁成为最常用的孕育剂。早期对硅铁中钙和铝的控制远远不能令人满意，这可能是硅化钙最初成功的原因。直到1938年，Lorig Kinnear和Barlow才提出钙和铝是硅铁中的重要元素，并由McLure et.al(1957)和Dawson(1961)提出了最佳含量。石墨本身被诺伯里、摩根、马萨里和林赛证明是一种有价值的孕育剂。1948年，在费城举行的具有历史意义的AFS大会上，国际镍公司(International Nickel)首创的镁法和莫罗(Morrogh)和威廉姆斯(Williams)的铈法都被宣布。 Because both magnesium and cerium are carbide stabilizers and the manufacturing of ductile iron requires an inoculation step, so inoculation received another boost. Ferrosilicon rapidly became the almost universal product to be applied in ductile iron.In grey iron the 1940s was a time of considering the best methods of adding the existing selection of inoculants. It was soon proved that the most effective method was into the stream of metal entering the ladle, and a number of simple devices were invented to do this. [3] However, further modifications to inoculation theories were proposed, e.g. the solidification of undercooled graphite was finally proved to be just as much a product of solidification from the liquid during the eutectic reaction as are random flakes by Hurum in 1952. The most notable suggestion for a new inoculant was the use of barium in a silicon-manganese alloy base by Kessler in 1956. Commercial barium-containing inoculants were developed by the Vanadium Corporation and Baranov, and strontium ferrosilicon was prepared by BCIRA and Union Carbide after the work of Dawson and Clark and McCluhan. Cerium-bearing inoculants were proposed, and appeared from the Vanadium Corporation. Mixed inoculants giving good control over the very potent effects of graphite were introduced by Foseco. The problem of fading had been recognized very early on, and it was acknowledged that inoculated metal had to be poured in 10 minutes or less to avoid this. In the mid-1960s, the problem was tackled in a different way, and inoculation of the metal directly in the mould was attempted with no further problem in fading. The investigations of Dell and Crist, Trager and Kaune, Hall, Bakkerus and Gaertman, and Ryzhikov proved that the concept was viable by using a variety of inoculants either as fines, lumps, pellets, or tablets. Karsay used a different technique and inoculated in the spout of the ladle with a tube filled with inoculant. [3]

3LITRATURE调查

J.N. Harvey等论述了铸铁孕育的必要性以及灰铸铁和球墨铸铁孕育工艺的差异。他还探讨了各种孕育剂对铸铁组织的影响。此外，基于孕育方法、孕育剂和铸铁等级变化的案例研究N.T. Skjegstad等人描述了铸铁生产中需要添加孕育剂的重要条件，以确保可靠地生产出结实、坚固和可加工的铸件。介绍了孕育铸铁与未孕育铸铁的主要区别，并以其特有的显微组织和力学性能为例说明了这些区别。此外，还说明了在铁液中加入孕育剂的各种方法的一些实际注意事项。J.O. Choi等研究了稀土元素含量和样品厚度对薄壁球墨铸铁微观组织特征的影响，包括石墨铁素体周围的铁素体层厚度、石墨球团尺寸和石墨球团数。与未添加稀土的样品相比，稀土的加入减少了冷态形成的数量，增加了石墨结节的数量和尺寸。他认为稀土的作用随样品厚度的不同而不同。不考虑稀土的加入，这表明稀土的作用减少了极薄截面的冷形成。稀土的加入提高了石墨的球化程度，降低了试样的抗拉强度和屈服强度

S.O. Olsen等人描述了铸铁生产中的重要条件，并举例说明了孕育铁和未孕育铁之间的区别。介绍了灰铸铁和球墨铸铁孕育和石墨成核的主要机理。这一发现是基于对石墨非均相成核的微粒的先进电子显微镜研究。说明了少量合金元素Ca、Ba、Sr、Al的作用以及氧和硫在石墨成核过程中的关键作用。[10]吕连·里波桑等。在0.03 Wt. %的添加量下，研究了Al、Zr、Ti等强脱氧元素对灰铸铁的影响。Al和Zr通过降低未接种铁和接种铁的共晶过冷度、冷却倾向、过冷石墨和游离碳化物的数量，都有明显的有益效果。Ti似乎只在未接种铁中有石墨化作用，但与Al和Zr相比，其相对功率较低。再次证实，在先前形成的极小的氧化基位上成核的配合物(Mn,X)S化合物是具有特定分布的Al, Ti和Zr.[7]的石墨薄片的主要成核位V.Popovski等研究了雷氏渗碳体对质量不合格铸件的影响以及两种不同供应商生产的钡复合孕育剂的孕育效果。 The Research Showed That The Quantity Of The Added Inoculant Has An Effect On The Formation Of Ledeburitic Cementite Which Impairs The Mechanical Machinability. Inoculants Help To Balance The Hardness On The Castings. The Measurements Showed That The Difference In Hardness Of The Castings At Different Wall Thicknesses Is Smaller In Cases, Where Inoculants With Less Barium Were Used And They Also Were Alloyed With Calcium And Also Contained No Aluminium. Occurance Of Ledeburitic Cementite Is Undesired Because Such Castings Cannot Be Machined With Removing Material. Thin Walled Castings Are Especially Sensitive To Precipitation Of Cementite. The Observed Casting Had The Wall Thickness Of 6 Mm To 7 Mm On The Base And 25 Mm In The Center. Hardness Measurements And Microscopic Test Showed That The Most Suitable Inoculant For The Chosen Casting Was The One That Besided Iron And Silicon Contains Also 2 % To 2.5 % Of Barium And 2 % To 2.7 % Of Calcium. [8]

Iv.接种方法

答:预处理

预处理是指在球化处理过程之前，将特定的孕育剂添加到炉熔体的清洁、去除滞后的表面上。这一事件有助于使熔体的成核势正常化。孕育剂可以是高纯度石墨、孕育级硅铁或碳化硅颗粒。在每种情况下，添加物的大小必须能迅速溶解。对于碳化硅来说尤其如此，因为这种添加剂会溶解而不是熔化。通常，每公吨添加0.1%或1千克(每美制吨添加2磅)足以促进核的形成

b . Pre-inoculation

在这一阶段，将接种级硅铁添加到填充处理钢包的铁流中，或作为处理钢包中合金“包”的一部分。孕育剂可以是夹芯或中间包处理中覆盖材料的一部分。镁合金与硅铁孕育剂的结合有助于减弱Mg的促进碳化物作用，并根据目标牌号和铸件断面尺寸调整铁中的硅含量。与其他孕育步骤一样，孕育剂的主要作用是增加成核位置，以促进石墨颗粒的生长，而不是碳化物的生长

C.钢包接种

这是经典的接种方法，接种剂在攻丝或浇筑期间添加，例如在镁处理后。根据铁的含量，接种剂的晶粒尺寸在0.6毫米和6毫米之间，主要用于这种类型的接种。必须确保接种剂不是放在钢包的底部，而是尽可能稳定地添加到铁流中。钢包接种通常被称为“接种后”，可能是接种程序中最重要的步骤。由于球化处理过程中Mg反应的剧烈，步骤1和步骤2产生的很大一部分核可能被夹带在覆盖铁熔体的表面渣中。镁处理过的熔体也倾向于过冷。因此，有必要恢复铁的成核势。[9]

D.晚接种

然而，晚接种是接种系列中最有效的步骤。众所周知，镁处理工艺的效果以及接种剂的添加都会随着时间的推移而减弱。通过在浇注过程中尽可能晚地进行接种，使褪色的影响降到最低。通常，少量的后期孕育剂可以取代早期大量的孕育剂。在某些情况下，晚接种是可以避免的。最后一步可以作为安全程序，而不是绝对必需的。在某些情况下，晚接种补偿了低于最佳的电荷组成和/或熔化过程和/或球化过程。例如，虽然晚接种不能完全抵消Cr、V、Mo、Sb、V和Ti等有害元素的影响，但可以通过增加根瘤数和降低偏析程度来最大限度地减少有害影响

接种过程的控制非常重要，必须采用正确的技术才能获得满意和一致的结果。孕育剂必须与铁水充分混合，以获得均匀和完全的溶液。良好的混合可以通过添加到从熔炉到钢包的出料流中或从钢包转移到钢包时获得。不建议在开始填充前将孕育剂放在钢包底部。影响接种方式选择的因素有:从填充钢包到浇注最后铸件的时间，通常称为退色时间。2.金属温度。3.在生产过程中特定点添加孕育剂的能力。 4. Suitability of the casting system to late stream inoculation. Inoculants are generally added to cast irons at one or more of four stages during the casting procedure as shown in figure 2 [2],[7]: 1. To the transfer ladle. 2. To the pouring ladle. 3. To the stream of metal as it enters the mould. 4. Using an insert placed inside the mould runner system

使用由压制或铸造的接种剂制成的插入物很少用作接种的主要来源。不同大小和成分的片剂是可用的，当褪色时间长时，证明特别有价值，作为二次接种，只有当晚期金属流处理是不可能的。由于没有将片剂添加到模具中，存在人为错误的可能性，因此需要进行高度的铸造后检查，通常在片剂用作唯一孕育剂的少数情况下。如果接种后不能避免长时间的保持，可以在接种时额外添加少量添加剂。或者，可以考虑某种形式的晚接种。后期金属流孕育实际上消除了褪色。在金属离开钢包进入模具或在模具内部之后的接种方法称为晚接种。晚接种，正确应用，从接种添加中获得的最大效果，从而产生更高水平的接种，因此比单独用钢包接种低得多的冷却倾向。当不可能在钢包中达到和保持足够的接种时，应使用晚接种。后期接种需要单独的、广泛的试验，以确定适合每种铸件的工艺，一旦确定，必须严格遵循工艺以避免困难。 Late inoculation may be used in addition to ladle inoculation in order to obtain an extra effect, but preliminary trials must first be made to ensure that it will be successful. [2]

五、有效接种原则

1.为了有效接种，在处理和接种前应保持低碱性铁冷值。2.根据要处理的金属量和铸件截面尺寸/冷却速度添加正确数量、类型和尺寸的孕育剂。

3.接种剂中细小颗粒过多会导致接种效果不佳，因为它们已经被氧化了。4.过度孕育会导致金属的收缩倾向增加。5.高温会增加铸件的褪色倾向，低温则会促进碳化物的形成，因此在浇注和添加孕育剂时应注意铸件的正确温度。6.在金属中适当混合孕育剂可获得均匀而精细的显微组织。7.在加入孕育剂后，尽量减少金属的氧化。 8. After completion of inoculation process the metal holding time should be as short as possible. [10]

VI.INOCULANTS

孕育剂是在浇注之前添加到铁液中的一种材料，它将在随后的冷却过程中为石墨的成核提供合适的相。孕育剂的作用是帮助提供足够的成核位置，使碳以石墨而不是碳化铁(渗碳体)的形式析出。传统上，孕育剂是基于石墨、硅铁或硅化钙。目前最流行的孕育剂是硅铁，它含有少量的元素，如Al、Ba、Ca、Mn、Bi、Sr和Zr。[2] FeSi作为纯材料没有孕育效应。当将Al, Ca, Ba, Mn, Zr, Sr, Bi等活性元素添加到FeSi中时，会孕育出多种活性元素。在这些;在FeSi基孕育剂中，Ba、Zr、Sr、Bi是比Al和Ca更强的活性元素。这导致了较低的添加速率。接种剂的尺寸通常最大为1 / 2英寸(13毫米)。 Since fines do not inoculate effectively, a minimum size limit of 1/6 inches (1.5 mm) is advisable. The inoculant should be stored in closed containers. Its effectiveness deteriorates with time when exposed to open air and moisture. [8] The prime effects of a few inoculants are listed in the table 1.

7衰落效应

A)衰落的主要影响

接种的效果在加入接种剂后立即达到最大值。接种剂的褪色速度取决于接种剂和加入的铁的组成，可能非常快，接种效果的大部分可能在加入后的最初几分钟内消失。褪色的主要影响是:1)在共晶凝固过程中造成更大的过冷，并导致灰铸铁和球墨铸铁，特别是薄壁铸铁的较大冷却倾向。2)减少片状石墨铁中生长的共晶细胞的数量，导致铸件中石墨尺寸分布不均匀，机械性能下降。

3)减少球墨铸铁中形成的结核的数量，使其形状恶化。如果足够严重，形状的恶化可能会影响铸件的机械性能。

B)关于褪色的事实

有一些关于褪色的公认的事实具有实际意义:1)所有的接种剂在一段时间后都会褪色。2)接种后没有一段时间不发生退色。为了获得最大的效果，应在加入孕育剂后尽快铸造金属。3)有些接种剂比其他接种剂褪色得慢。4)接种效果因接种剂组成不同而不同。铸造厂应该进行测试，以确定哪种孕育剂最适合其特定用途。

8结论

通过上述研究发现，改变孕育剂的掺量和母材的组成可以改善母材的性能。因此，通过改变孕育剂的掺量、孕育剂的粒径、孕育剂加入时母材的温度和母材成分的变化，孕育剂是获得理想力学性能和显微组织的最佳工艺之一。

确认

作者非常感谢奥兰加巴德Deogiri工程与管理研究所机械工程系主任和主任。

参考文献

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“一种新的球墨铸铁孕育方法”，中国机械工程，2001。
J.N. Harvey和G.A. Noble，“铸铁的孕育—概述”，第55届印度铸造大会，2007年。
N.T. Skjegstad和T. Skaland，“灰铸铁和球墨铸铁的孕育”，孟买铸造大会，1996年5月24 -25日。
蔡志强等，“稀土元素对球墨铸铁薄壁铸件微观组织形成和力学性能的影响”，材料科学与工程，A(3)(2004) 323-333。
S.O. Olsen等人，“灰铸铁和球墨铸铁的接种——成核位置的比较和一些实用建议”，AFS Transactions, 2000。
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