在液態(tài)鐵水中添加物質(zhì)而改善鑄鐵性能的操作稱為孕育(Inoculation)或稱變質(zhì)(Modification)。對(duì)灰鐵來(lái)說(shuō)，孕育意味著石墨化，改善石墨形狀、大小、數(shù)量以及分布形態(tài)，提高強(qiáng)度減少應(yīng)力等;而對(duì)球鐵、蠕鐵而言：“孕育”則能促進(jìn)石墨化、消除游離滲碳體、細(xì)化共晶團(tuán)、使石墨細(xì)小、圓整、數(shù)量增多，從而使共晶團(tuán)邊界的脆性相(如磷共晶、碳化物)及夾雜物呈彌散分布，使機(jī)械性能(特別是塑性和韌性)明顯提高。

對(duì)提高鑄件的綜合性能、生產(chǎn)高質(zhì)量的鑄件來(lái)說(shuō)，孕育處理是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、行之有效的方法，尤其是在當(dāng)前原材料價(jià)格急驟上漲生產(chǎn)成本持續(xù)上升的今天。

一、 鑄鐵孕育的理論與發(fā)展

1.1 孕育的定義

對(duì)現(xiàn)代鑄鐵生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，孕育處理其實(shí)并不是什么新鮮事物，早在上世紀(jì)二十年代初，孕育鑄鐵就以它在冶金學(xué)領(lǐng)域劃時(shí)代的面目出現(xiàn)了，并被越來(lái)越廣泛地用于生產(chǎn)中，對(duì)鑄鐵的發(fā)展和運(yùn)用起著重要的作用。

國(guó)際鑄造詞典中寫(xiě)道：“孕育是指往液態(tài)金屬中加入少量某種物質(zhì)的操作，而引起了物理化學(xué)變化，這個(gè)變化與由該物質(zhì)作為合金元素時(shí)所產(chǎn)生的變化是不同的”①。孕育的主要作用在于影響鑄鐵凝固過(guò)程，為石墨析出提供足夠的核心，抑制白口、并控制了石墨的大小、形態(tài)和分布狀況，減少鑄件斷面敏感性、增加共晶團(tuán)數(shù)、降低鐵水的過(guò)冷傾向,以達(dá)到增加彈性模數(shù),改善厚薄斷面的硬度分布，提高和改善鑄件的機(jī)械性能為工程技術(shù)提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

1.2孕育對(duì)鑄鐵的影響

對(duì)灰口鑄鐵來(lái)說(shuō)，孕育能控制石墨的形態(tài)、獲得細(xì)小片狀A(yù)型石墨和珠光體基體、抑制滲碳體、促進(jìn)石墨化、防止薄壁和邊界處硬度過(guò)高和出現(xiàn)白口、改善鑄件斷面敏感性，在用感應(yīng)電爐熔煉鐵水時(shí)還能最大限度地使用廢鋼，一方面可以降低生產(chǎn)成本，另一方面還可以不同程度地提高鑄件的機(jī)械性能改善產(chǎn)品綜合品質(zhì)，抵消爐料的遺傳性等。

在球墨鑄鐵的生產(chǎn)中，球化處理是使石墨成球，孕育處理是使石墨析出，增加石墨球數(shù)，提高石墨球的圓整度，改善球化率，輔助成球。另外，球墨鑄鐵生產(chǎn)中的鎂、稀土等球化元素強(qiáng)烈地反石墨化，使球化后鐵水的白口傾向增大，通過(guò)孕育可抑制白口，獲得鑄態(tài)無(wú)自由滲碳體的鑄件，孕育還可控制鑄態(tài)球墨鑄鐵的基體組織，獲得鑄態(tài)鐵素體或鑄態(tài)珠光體基體的鑄件。即使是同一種鐵液也可以通過(guò)采取嚴(yán)格的工藝措施，控制生產(chǎn)過(guò)程，規(guī)范操作，適當(dāng)調(diào)節(jié)化學(xué)成分，利用合金化原理，并控制出鑄件的開(kāi)箱時(shí)間，也能得到合格的性能完全不同的不同基體的鑄態(tài)球墨鑄鐵2。

1.3 孕育與合金化的比較

應(yīng)該說(shuō)鑄鐵的孕育與合金化是既相似又有區(qū)別的，就相似性來(lái)講，孕育是廣義地微合金化，“微”是指加入的量而言，孕育劑中各元素對(duì)鐵水性能的影響與其作為合金元素對(duì)鐵水性能的影響是一致的----改變凝固條件、組織狀況、改善鑄件的機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能;而通過(guò)有關(guān)元素進(jìn)行合金化處理也能達(dá)到相同的效果。

而孕育處理與合金化又是有區(qū)別的。從有關(guān)孕育的定義中就能了解到，孕育物質(zhì)在鐵水中引起的變化與該物質(zhì)作為合金元素合金化時(shí)所產(chǎn)生的變化是不相同的，孕育能夠細(xì)化共晶團(tuán)、改變石墨形態(tài);合金化改變不了共晶團(tuán)的大小，而只改變晶體結(jié)構(gòu)，改變不了石墨形態(tài)，合金化后的鐵水仍然需要孕育處理。

1.4 孕育技術(shù)的發(fā)展

孕育技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該是與孕育劑的發(fā)展和孕育技巧、方法的發(fā)展兩個(gè)方面密不可分的。

國(guó)際上從上世紀(jì)二十年代起，美國(guó)人Meehan發(fā)明了經(jīng)過(guò)孕育處理的均勻的高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)鑄鐵—密烘鑄鐵，同時(shí)，另一美國(guó)人Crosby第一個(gè)發(fā)明澆包孕育技術(shù)，美國(guó)人Eash在三十年代后期對(duì)孕育處理技術(shù)和新型孕育劑進(jìn)行了大量研究3，帶動(dòng)了隨后長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多世紀(jì)的孕育技巧、新型孕育劑的開(kāi)發(fā)與研究工作，特別是1948年球墨鑄鐵發(fā)明以后，伴隨新型鑄鐵工程材料的發(fā)展，鑄鐵的孕育技巧和用于鑄鐵孕育的各種新型孕育劑更是如雨后春筍般地蓬勃發(fā)展，先后有浮硅孕育、小劑量多次轉(zhuǎn)包孕育、孕育絲孕育、隨流孕育、澆口杯孕育、型內(nèi)孕育等等孕育技巧以及硅基的、石墨基的、復(fù)合的、特種的等等孕育劑類型。

據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料記載，我國(guó)孕育鑄鐵的發(fā)展可以追溯到1949年，包括其中在五十年代還推廣了前蘇聯(lián)的鑄鐵孕育技術(shù)，直到1984年當(dāng)時(shí)的華中工學(xué)院(現(xiàn)華中科技大學(xué))和湖北內(nèi)燃機(jī)配件廠(現(xiàn)荊州環(huán)宇汽車(chē)零部件有限公司)還聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種專門(mén)用來(lái)生產(chǎn)鑄態(tài)珠光體球墨鑄鐵曲軸的高效復(fù)合孕育劑SPI4。

由于工程技術(shù)發(fā)展的需要，對(duì)鑄鐵材料的性能要求越來(lái)越高，加之鐵水熔化條件的改善，使得孕育處理成了鑄鐵生產(chǎn)中改善和提高組織與性能的必不可少的環(huán)節(jié)。一般含義所指的孕育劑主要是指石墨化孕育劑。據(jù)介紹，由于各種金屬元素在鐵水中的作用各不相同，早期的孕育鑄鐵生產(chǎn)人們是把希望寄托在新的孕育劑的發(fā)明上，這樣就有了以硅為主體基的含:Ca、Al、Sr、Ba、Zr、Ti、Mg、Mn 、C、B、Re等等鑄鐵孕育劑的發(fā)明、發(fā)展。硅作為孕育劑的主體是石墨化元素，在鐵水中能提高碳的活度，造成鐵水成分不均和溫度不均，促進(jìn)鐵水生核，但硅并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的“運(yùn)載工具”，它將其它元素帶入鐵水中，為其發(fā)揮作用提供條件。這些元素有的起脫氧、脫硫、除氣作用(如Al、Ca、Zr、Ti、Mg、Re)，有的起抗衰退作用(如Ba、Sr、Zr、Re)，有的起穩(wěn)定珠光體的作用(如Cr、Cu、Sb、Sn、Pb)，有的起降低熔點(diǎn)便于加入的作用(如Cu)，有的起發(fā)熱作用(如Na3AlF6、NaNO3等)，需要提醒大家注意的是：純硅鐵或純硅(結(jié)晶硅)孕育作用微乎其微，只有含少量鈣和鋁時(shí)才能發(fā)揮孕育作用5。

總之，孕育劑中多種元素的復(fù)合作用從不同的方面加強(qiáng)了孕育效果，提高了鑄鐵材料的品質(zhì)。隨著人們對(duì)孕育作用研究得越來(lái)越深入，大家發(fā)現(xiàn)掌握孕育的時(shí)機(jī)和使用孕育劑的方法在孕育鑄鐵的生產(chǎn)中也相當(dāng)重要，特別是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的后孕育—晚期孕育，孕育效果更好，可充分發(fā)揮孕育劑的作用，是值得研究和推廣的。甚至可以毫不夸張地說(shuō)，對(duì)生產(chǎn)鑄鐵而言，好的孕育效果能夠使鑄件提高一個(gè)牌號(hào)。

目前，在生產(chǎn)成本日益上升的情況下，如何正確使用孕育技術(shù)----選擇合適的孕育劑、正確的孕育方法，減少甚至取消熱處理環(huán)節(jié)，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的情況下，不但可以縮短生產(chǎn)周期、還可以減少鑄件因熱處理引起的氧化、變形，還能夠降低生產(chǎn)成本實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的----這已被越來(lái)越多的廠家所接受。

二、 孕育技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用

通過(guò)前面的簡(jiǎn)介我們知道，孕育技術(shù)包含兩方面的意義：一方面就是孕育劑的選擇，另一方面則是孕育方法的選擇。

2.1 孕育劑種類的選擇

因?yàn)殍T件使用的情況不同，作用不一樣，對(duì)鑄鐵基體的要求就不一樣，生產(chǎn)時(shí)要根據(jù)鑄件的要求來(lái)選擇孕育劑的種類;絕大部分灰鑄鐵是以珠光體為基體的，所以，灰鑄鐵使用的孕育劑絕大多數(shù)是珠光體孕育劑。球墨鑄鐵材質(zhì)要求有珠光體基體的、也有鐵素體基體的、還有混合基體的，所以其選擇性更大，選擇的范圍更廣。

另外，孕育劑的粒度選擇也很重要。顆粒大的孕育劑熔點(diǎn)高時(shí)不容易溶化，熔化了也不容易擴(kuò)散，會(huì)在鐵水中造成很大的濃度起伏和溫度起伏，很容易產(chǎn)生滲碳體，當(dāng)鐵水溫度低時(shí)特別忌諱。而粒度小的孕育劑由于有靜電吸附作用不容易擴(kuò)散，達(dá)不到孕育效果----生產(chǎn)中曾遇到以石墨碳黑為基的孕育劑，從原理上無(wú)懈可擊，但使用起來(lái)就是沒(méi)有效果;再一個(gè)特殊原因就是大多數(shù)鑄造生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不是有用于降溫的電風(fēng)扇就是有抽風(fēng)機(jī)，孕育劑粒度過(guò)小后特別是隨流孕育時(shí)風(fēng)力會(huì)對(duì)劑量產(chǎn)生影響，從而影響孕育效果。

孕育劑的熔點(diǎn)也很重要。熔點(diǎn)低的孕育劑衰退快，熔點(diǎn)高的孕育劑不容易融解并擴(kuò)散，選擇不好就會(huì)產(chǎn)生孕育不良。

如老式抽油機(jī)的減速機(jī)機(jī)殼等厚大鑄件，材質(zhì)要求為HT150，外形尺寸從1200×600×400到2800×1600×1200，壁厚20到45不等，用消失模鑄造，選擇普通75硅鐵在出鐵槽孕育，然后在澆注時(shí)采用浮硅孕育，這樣會(huì)使產(chǎn)品的終硅量增加，鑄件本體的性能改善不大，加工時(shí)還出現(xiàn)硬質(zhì)點(diǎn)，甚至還要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱處理，使得生產(chǎn)成本進(jìn)一步增加。如果僅僅將75硅鐵換成熔點(diǎn)相對(duì)較低的硅鋇鈣，在不改變?nèi)魏紊a(chǎn)條件的情況下，鑄件材質(zhì)達(dá)到HT200，本體晶粒細(xì)小、硬度均勻，加工方便，上述問(wèn)題完全克服了。

如用擠壓線大批量生產(chǎn)的電冰箱壓縮機(jī)底座等薄壁小件，用普通75硅鐵隨流孕育，鑄件上就出現(xiàn)滲碳體硬質(zhì)點(diǎn)，影響加工性能，自動(dòng)加工中心會(huì)自動(dòng)退刀，無(wú)故增加廢品數(shù)量。某大型鑄造廠出口英國(guó)的一個(gè)小件，原用75硅鐵孕育，其白口缺陷一直沒(méi)有解決，后換成了某種熔點(diǎn)相對(duì)較低的復(fù)合孕育劑后缺陷一下子就消除了。

如既選擇好了孕育劑的種類又選擇好了孕育劑的粒度，但應(yīng)用熔點(diǎn)較高的孕育劑也會(huì)使產(chǎn)品產(chǎn)生硬質(zhì)點(diǎn)，鑄件上甚至?xí)霈F(xiàn)滲碳體，影響加工性能，特別是當(dāng)鐵水溫度沒(méi)有控制的時(shí)候，鐵水溫度低，孕育劑的熔點(diǎn)又高那就極易產(chǎn)生孕育不良。

2.2 孕育方式的選擇

前已述及，除了選擇孕育劑外，選擇合理的孕育方式也很重要。

如果以鐵水澆注進(jìn)入鑄型的時(shí)間來(lái)區(qū)別，把澆注之前的孕育處理叫前處理，澆注以后的處理叫后處理，那就有很多的技巧和結(jié)果了。

前處理的有：出鐵槽孕育、轉(zhuǎn)包孕育、浮硅孕育等，后處理的有孕育絲孕育、隨流孕育、澆口杯孕育、型內(nèi)孕育等;

需要特別說(shuō)明的是：孕育的時(shí)機(jī)也很重要，孕育的前處理量都很大，大約是鐵水重量的0.5～1.0%，而后處理大約只要鐵水重量的0.1～0.5%即可。顯然，就經(jīng)濟(jì)性而言，后處理要優(yōu)于前處理。曾經(jīng)有一個(gè)規(guī)模企業(yè)，選擇了前處理孕育方式對(duì)鐵素體球墨鑄鐵鑄件進(jìn)行孕育處理，孕育的劑量大，而孕育劑又是以硅為基的，產(chǎn)品的鑄態(tài)是生產(chǎn)出來(lái)了，但結(jié)果鑄件的終硅量高達(dá)3.0%以上，大量的回爐料不能回用，生產(chǎn)成本一直居高不下。但就后處理而言，無(wú)論隨流孕育還是孕育塊型內(nèi)孕育，對(duì)終硅量的影響都不大，那么就可以大量使用回爐料了，不過(guò)，隨流孕育會(huì)產(chǎn)生夾渣、氣孔等缺陷，型內(nèi)孕育則需要適合安放孕育塊的特別的澆注系統(tǒng)，還會(huì)增加制作孕育塊的成本，所以，要得到好的孕育效果還要根據(jù)鑄件的實(shí)際情況選擇。

現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，有很多企業(yè)既選擇了合適的孕育劑又選擇了合適的孕育方法，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本，如東風(fēng)商用車(chē)公司鑄造二廠應(yīng)用專用孕育劑制成孕育塊型內(nèi)孕育和光電控制螺旋給料器隨流孕育等技術(shù)大批量生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵汽車(chē)底盤(pán)零部件，東風(fēng)股份公司鑄造廠應(yīng)用瞬時(shí)隨流孕育技術(shù)大批量生產(chǎn)普通灰鑄鐵汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等，廣西柳工集團(tuán)用瞬時(shí)孕育技術(shù)生產(chǎn)礦山機(jī)械零部件，荊州環(huán)宇汽車(chē)零部件有限公司應(yīng)用瞬時(shí)隨流孕育技術(shù)大批量生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵閥門(mén)鑄件和鑄態(tài)珠光體球墨鑄鐵內(nèi)燃機(jī)曲軸等……

孕育劑劑量的選擇

2.3 合金化在鑄鐵孕育上的應(yīng)用

有很多復(fù)合孕育劑因含某種促進(jìn)基體向特定方向轉(zhuǎn)變能力的合金元素而既有合金化的效果又有孕育作用，在生產(chǎn)特定基體材質(zhì)鑄件時(shí)就要優(yōu)先選擇。

如含Bi的孕育劑，由于鉍元素具有強(qiáng)烈的促進(jìn)鐵素體形成能力，特別是在鑄件的壁薄情況下仍然能消除白口形成鐵素體，所以生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體基體材質(zhì)時(shí)優(yōu)先選用;含Ba的孕育劑也因鋇的鐵素體化能力強(qiáng)而用來(lái)生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體鑄鐵.6

含Sb、Sn、Mn的孕育劑因銻、錫、錳強(qiáng)烈的促進(jìn)珠光體形成能力，在生產(chǎn)鑄態(tài)珠光體時(shí)也優(yōu)先選擇。這些都是合金化與孕育相結(jié)合的例子。

用電解Cu進(jìn)行合金化處理，因電解Cu熔點(diǎn)低、方便易得，操作簡(jiǎn)單，曾經(jīng)被當(dāng)成是生產(chǎn)鑄態(tài)珠光體鑄件的法寶，某大型國(guó)有鑄造廠直到現(xiàn)在仍然采用這一方法;而隨著市場(chǎng)上銅材價(jià)格的飚升，受到生產(chǎn)成本的壓迫，最新資料顯示7，原來(lái)也是用電解Cu對(duì)鐵水進(jìn)行合金化處理以得到鑄態(tài)珠光體基體的另一鑄件大型國(guó)有鑄造廠，現(xiàn)在改已改用CrMnCu孕育劑對(duì)鐵水進(jìn)行孕育，生產(chǎn)鑄態(tài)珠光體鑄件，使生產(chǎn)成本大大降低。

實(shí)踐表明，單純的合金化作用比起使用具有合金化能力的復(fù)合孕育劑來(lái)生產(chǎn)成本要高很多。其實(shí)，應(yīng)用孕育技術(shù)也是降低鑄件生產(chǎn)成本實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的最佳選擇。

三、 采用鑄鐵孕育技術(shù) 實(shí)現(xiàn)鑄造生產(chǎn)的節(jié)能降耗

鑄鐵發(fā)明和發(fā)展了幾千年，只是到了近代隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，對(duì)鑄鐵材料的要求越來(lái)越高，為了改善和提高鑄鐵的性能，鑄鐵的孕育技術(shù)才在近百年得到了飛速發(fā)展。在孕育技術(shù)沒(méi)有完全充分發(fā)展的時(shí)候，為了改善和提高鑄鐵的性能，從事鑄造生產(chǎn)的先輩們?cè)趯?shí)踐中還是絞盡了腦汁的，只不過(guò)采取的措施可能要笨些，付出的代價(jià)要高些，離安全生產(chǎn)、節(jié)約生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展更遠(yuǎn)些。

還是以抽油機(jī)機(jī)殼的孕育為例：厚大、笨重、中空的機(jī)殼，用普通75硅鐵在出鐵槽孕育又在澆注時(shí)用浮硅孕育，鑄件的晶粒幾乎沒(méi)有改善反而使其終硅量增加了，終硅量增加的鑄件冷脆性增加，這對(duì)在野外工作的抽油機(jī)是有潛在威脅的----影響產(chǎn)品質(zhì)量;如果進(jìn)行退火熱處理，不僅退火爐要很大、要加熱燒透到所需溫度的熱能也要很大，既費(fèi)工又費(fèi)時(shí)----影響到生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本;如果改用孕育劑進(jìn)行瞬時(shí)孕育，厚大鑄件不容易產(chǎn)生冷夾、氣孔、夾渣，只是要注意孕育衰退、適當(dāng)增大孕育劑的粒度即可。比較一下兩種孕育方式孰優(yōu)孰劣一目了然。

生產(chǎn)鐵素體球墨鑄鐵的時(shí)候，控制C、Si、Mn等成分，適當(dāng)增加含硅量、控制含錳量，選擇促進(jìn)鐵素體成長(zhǎng)的孕育劑并調(diào)整鑄件開(kāi)箱時(shí)間，鑄態(tài)就能實(shí)現(xiàn);如果不選擇控制C、Si、Mn量、也不控制開(kāi)箱時(shí)間，用熱處理退火也能生產(chǎn)出鐵素體球墨鑄鐵。

如要求鐵素體基體的中、高壓閥門(mén)、厚達(dá)200的船舶柴油機(jī)主軸承蓋等鑄件，選擇C3.65%～3.85%、Si2.2%～2.8%、Mn0.2～0.5%，用促進(jìn)鐵素體生成的孕育劑孕育，在鑄件冷卻到320℃以下后開(kāi)箱，可得到鑄態(tài)QT450—10、QT420—15、QT400—18等牌號(hào)的鑄件;如選擇一定的溫度、保溫一定的時(shí)間進(jìn)行退火熱處理，除了鑄件表面約有氧化、變形外，也能得到相同基體的鑄件;只不過(guò)熱處理的成本：燃料、人工等是鑄態(tài)孕育的20倍以上，兩相比較，其節(jié)能降耗的意義也是不言而喻的。

一般情況下，生產(chǎn)珠光體球墨鑄鐵有三種方法：

⑴用銅、錳、錫等合金進(jìn)行合金化處理生產(chǎn)鑄態(tài)珠光體球墨鑄鐵;化學(xué)成分一般選擇為：Cu0.4～0.7%、Mn0.3～0.6%、Sn0.1～0.2%，生產(chǎn)中直接將電解銅或廢雜銅塊、錳鐵塊、錫箔等加入鐵水中進(jìn)行合金化處理。其成本約增加300元/噸～600元/噸。

⑵先生產(chǎn)出普通基體的球墨鑄鐵，然后進(jìn)行珠光體化正火熱處理;熱處理的成本約500元/噸左右，鑄件表面會(huì)氧化、變形。

⑶控制合理的化學(xué)成分、選擇適當(dāng)?shù)拈_(kāi)箱時(shí)間、選擇適當(dāng)?shù)脑杏齽┻M(jìn)行隨流孕育處理。將化學(xué)成分選擇為：C3.70～3.85%、Si1.8～2.4%、Mn0.2～0.4%，用促進(jìn)珠光體生成的孕育劑進(jìn)行孕育處理，在鑄件冷卻到860℃左右時(shí)開(kāi)箱，就能得到鑄態(tài)珠光體球墨鑄鐵。與前述兩種方式比較其成本大約只需50元/噸。