孕育處理是指在凝固過程中，向液態金屬中添加少量其它物質，促進形核、抑制生長，達到細化晶粒的目的。 習慣上，向鑄鐵中加入添加劑稱為孕育處理；向有色合金中加入添加劑則稱變質處理。 從本質上說，孕育處理主要影響形核和促進晶粒游離；而變質處理則是改變晶體的生長機理（抑制長大），從而影響晶體形貌。
基本介紹
- 中文名：孕育處理
- 外文名：Inoculation
- 過程：凝固過程
- 目的：促進形核、抑制生長
簡介,理論基礎,作用,顯微組織,孕育劑,75矽鐵,含鍶矽鐵,含鋇矽鐵,含鋯矽鐵,矽鋇合金,
簡介
孕育處理就是在澆注前或澆注過程中向金屬液中加入少量的某種物質，以影響金屬液生核過程,從而改變其凝固特性的處理工藝。對於鑄鐵而言，孕育的目的是增加鐵液中的石墨核心，以使共晶凝固，尤其是石墨的析出能在比較小的過冷度下開始進行。其結果是提高石墨析出的傾向，並得到均勻分布的細小的石墨,從而使鑄鐵具有良好的力學性能和加工性能
灰鑄鐵基本上是由鐵、碳和矽組成的共晶型合金，其中，碳主要以石墨的形態存在。生產優質鑄件，控制鑄鐵凝固時形成的石墨的形態和基體金屬組織是至關重要的。孕育處理是生產工藝中最重要的環節之一。良好的孕育處理可使灰鑄鐵具有符合要求的顯微組織，從而保證鑄件的力學性能和加工性能。在液態鑄鐵中加入孕育劑，可以形成大量亞顯微核心，促使共晶團在液相中生成。接近共晶凝固溫度時，生核處首先形成細小的石墨片，並由此成長為共晶團。每一個共晶團的形成，都會向周圍的液相釋放少量的熱，形成的共晶團越多，鑄鐵的凝固速率就越低。凝固速率的降低，就有助於按鐵－石墨穩定系統凝固，而且能得到A型石墨組織。
但用傳統的孕育劑進行孕育時， 會使珠光體在不同的溫度下形成，其硬度會不均勻，由於孕育劑與高溫鐵水反應，生成二氧化矽作為石墨初生核，使鐵水中的碳向石墨轉變，但由於氧化矽的還原反應，會使鐵水中的矽含量漸漸減少，這樣就會減小鐵水的過冷度，過冷度越小就越容易傾向碳-滲碳體系轉變。
理論基礎
自從孕育技術誕生以來，世界各地的鑄造工作者便開始探詢孕育處理的機理。經過70多年的努力，儘管在許多理論問題上取得了重要進展，但是孕育處理的機理至今尚無一致的認識。
孕育處理的本質是在鐵液中創造有利於石墨形核析出的熱力學、尤其是動力學條件，因此孕育處理對鐵液凝固過程的影回響該是多方面因素的綜合作用。根據人們目前的認識，它主要包括以下內容： （1）增加鐵液中的溫度起伏、濃度起伏和結構起伏，創造石墨均質形核的有利條件；（2）增加石墨非均質形核的核心；（3）減小滲碳體的穩定性。
增加鐵液中的三個起伏，創造石墨均質形核的條件
- 鑄鐵同其它合金一樣在液態始終存在溫度起伏、濃度起伏和結構起伏。當孕育劑加入到鐵液中後，孕育劑顆粒從其周圍的鐵液中吸收熱量，使其周圍形成一個微小的低溫區。孕育劑顆粒在從其周圍的鐵液中吸收熱量的同時被熔化消失。由於孕育劑的主要成分為矽或碳，因此它熔化後並非消失得無影無蹤，而是形成了高矽高碳的微區，這些微區在結構上保留了孕育劑物質的結構痕跡。由此可見，孕育劑的加入增加了鐵液溫度、濃度和微觀結構上的不均勻性，即極大地增加了鐵液中的溫度起伏、濃度起伏和結構起伏。
- 用電子探針測定鐵液液淬後各元素的分布，證實了鐵液無論是否經過孕育處理都存在碳矽的不均勻現象，而且這種不均勻現象呈周期性分布。加入孕育劑後，濃度起伏明顯增大。 孕育處理後鐵液由溫度起伏、濃度起伏和結構起伏到石墨形核析出需要一個微觀的演變過程。石墨析出後能否穩定存在並長大，取決於鐵液的熱力學條件。如果石墨相析出後鐵液長時間處於較高的溫度下，石墨就會被溶解消失，即所謂孕育衰退；如果石墨析出後鐵液處於高溫的時間較短，石墨相被溶解後鐵液中仍存在石墨質點，這些石墨質點在鐵液冷卻到液相線以下時重新長大，這就是人們所觀察到的石墨二次形核現象；如果石墨析出時鐵液已在液相線附近，石墨相就會直接長成片狀。
- 增加石墨異質形核的核心 孕育處理可以促使鐵液中出現大量石墨異質形核的核心，這些石墨異質核心主要有：碳化物、硫化物、矽酸鹽、氧化物、氮化物、和未溶解石墨。
增加石墨異質形核的核心
孕育處理可以促使鐵液中出現大量石墨異質形核的核心，這些石墨異質核心主要有：碳化物、硫化物、矽酸鹽、氧化物、氮化物、和未溶解石墨。
減小滲碳體的穩定性
如果在鐵液凝固過程中能有效地阻止滲碳體的析出，客觀上就會促使石墨析出。因此，孕育處理的另一種可能機制就是減小滲碳體的穩定性。矽是孕育劑中的主要元素，其減小滲碳體穩定性的作用表現在以下幾個方面： (a)矽原子與滲碳體反應析出碳原子和矽鐵，而矽鐵溶解於鐵液形成高矽鐵素體和碳化矽。碳化矽在熱力學上是不穩定的。 (b)矽飽和溶體具有排碳性，使碳成為過飽和狀態並以石墨形式析出。 (c)矽與溶體反應所釋放的熱量延緩了鑄鐵的冷卻
作用
灰鑄鐵的力學性能在很大程度上取決於其顯微組織。未經孕育處理的灰鑄鐵，顯微組織不穩定、力學性能低下、鑄件的薄壁處易出現白口。為保證鑄件品質的一致性，孕育處理是必不可少的。
鑄鐵孕育處理所用的孕育劑，加入量很少，對鑄鐵的化學成分影響甚小，對其顯微組織的影響卻很大，因而能改善灰鑄鐵的力學性能，對其物理性能也有明顯的影響。良好的孕育處理有以下作用：
◆消除或減輕白口傾向；
◆避免出現過冷組織；
◆減輕鑄鐵件的壁厚敏感性，使鑄件薄、厚截面處顯微組織的差別小，硬度差別也小；
◆有利於共晶團生核，使共晶團數增多；
◆使鑄鐵中石墨的形態主要是細小而且均勻分布的A型石墨，從而改善鑄鐵的力學性能。
孕育良好的鑄鐵流動性較好，鑄件的收縮減少、加工性能改善、殘留應力減少。
顯微組織
灰鑄鐵的力學性能決定於其基體組織和片狀石墨的分布狀況。
灰鑄鐵的力學性能主要取決於其基體組織，為了得到高強度，希望基體組織以珠光體為主、儘量減少鐵素體含量。如果鐵素體量過多，不僅導致鑄鐵的強度低，而且加工時會使刀具過熱，顯著降低刀具的壽命。與球墨鑄鐵不同，對灰鑄鐵不可能有延性和韌性的要求，只要求其強度，所以一般都以珠光體含量高為好。
灰鑄鐵中的石墨片，有切割金屬基體、破壞其連續性、使其強度降低的作用。從強度考慮，應避免產生長而薄的石墨片和粗大的石墨片，具明顯方向性的石墨片影響尤大。控制石墨片的分布狀況，是保證灰鑄鐵性能的關鍵。
A型石墨是在鑄鐵的石墨生核能力較強、冷卻速率較低、在過冷度很小的條件下發生共晶轉變時形成的。在光學顯微鏡下觀察時，石墨呈均勻分布的彎曲片狀，無方向性，其長度則因鑄鐵的生核條件和冷卻速率而不同。高品質的結構鑄件，都希望其具有中等長度的A型石墨。
B型石墨在光學顯微鏡下呈菊花狀，共晶團中心部位石墨片比較細小，外圍的石墨片較粗大。實際上，中心部位是D型石墨，外圍是A型石墨。B型石墨的生核條件比A型石墨差，共晶轉變時的過冷度也比形成A型石墨時大，結晶時先在共晶團中心部位產生過冷石墨（D型），釋放的結晶潛熱使周邊的過冷度降低、形成A型石墨。如B型石墨為量不多，對鑄鐵的性能影響不大，一般情況下可允許其存在。
C型石墨主要出現於碳當量很高（過共晶）、冷卻緩慢的鑄鐵中，有粗大片狀初生石墨，也有小片狀石墨，有時部分石墨片上有帶尖角的塊狀。過共晶鐵液冷卻時，通過液相線後，在一定的過冷度下析出初生石墨，並在液相中逐漸長大。
由於結晶溫度較高，成長時間較長，形成分枝較少的粗大片狀。溫度降低到共晶溫度時，發生正常的共晶轉變，這時產生的石墨是正常的共晶石墨（A型石墨），最終的結果是在粗大的石墨片之間分布有正常的共晶石墨。因此，C型石墨是由粗大、塊狀石墨和A型石墨構成的。
C型石墨可使鑄鐵的熱導率提高，改善其抗熱衝擊的能力，但對鑄鐵的力學性能影響較大，一般的結構鑄件不應有這種石墨。
亞共晶鑄鐵中，偶爾也能見到這種石墨。如：用感應電爐熔煉而爐料中生鐵塊用量過多時，由於原生鐵遺傳的影響，就可能出現帶尖角的塊狀石墨；孕育劑加入量過大，造成局部矽元素富集，也會產生這種石墨。
D型石墨是鑄鐵的碳當量較低、冷卻速率較高，在過冷度較大、初生奧氏體枝狀晶發達的條件下在奧氏體枝晶間形成的，石墨片細小而無方向性。
D型石墨常見於碳當量較低的薄壁灰鑄鐵件中，也稱為‘過冷石墨’或‘枝晶間石墨’。在不加合金元素時，D型石墨往往伴隨有鐵索體。如基體組織為珠光體，則鑄鐵的耐磨性較好，且機械加工後能得到較細的表面粗糙度。
E型石墨是在碳當量較低、冷卻速率也較低的條件下形成的。由於初生奧氏體枝狀晶較多、發生共晶轉變時過冷度不大、石墨核心不太多、共晶團較大，形成的石墨片大於D型石墨。
由於冷卻比較緩慢，奧氏體枝狀晶發達，發生共晶轉變時液相主要在初生奧氏體枝狀晶之間，形成的石墨片沿枝狀晶方向生長，具有一定的方向性，對鑄鐵力學性能的影響較大，要力求避免其產生。
可能出現E型石墨的鑄鐵，如冷卻速率較高，也會形成D型石墨。因此，在高強度薄壁鑄鐵件中往往會同時見到D型石墨和E型石墨。
生產優質灰鑄鐵件，應使其基體組織全部為珠光體，石墨為A型，而且石墨片要均勻分布於金屬基體中，珠光體也應細小而均勻。要儘可能的地使組織中的B型石墨和D型石墨減至最少，不應該有C型石墨和E型石墨。為此，必須進行有效的孕育處理並控制鑄件的冷卻速率。
孕育劑
目前，用於處理灰鑄鐵的孕育劑品種繁多，但廣泛套用的還是75矽鐵。近年來，對薄壁鑄件的需求日益增多，對孕育處理的要求也更為嚴格，在鑄鐵碳當量較低的情況下，採用含鍶、鋇、鉍、鋯或某種稀土元素的孕育劑，能較好地控制薄壁處的白口傾向。還有報導說，採用含鋇、鉍和稀土元素的孕育劑，可減緩孕育的衰退。此外，碳質孕育劑的套用近來也日漸增多。
關於孕育劑的選用，雖然已進行了大量的研究工作，但還不足以形成普遍適用的準則，鑄造廠需考慮自己產品的特點、參考其他單位的經驗進行試驗，並考核供應廠商產品的質量，再根據試驗結果作出最適合本企業條件的選擇。
75矽鐵
75矽鐵是最常採用的孕育劑，其中的鋁、鈣含量對孕育效果有重要的作用，有報導說，不含鋁、鈣的矽鐵對灰鑄鐵的孕育作用很小，甚至沒有作用。
一般認為：在鐵液中，鋁和鈣會與氧、氮反應，形成高熔點的化合物，成為石墨結晶的核心。而且，加入孕育劑後，鐵液中可形成局部的富矽微區，有利於石墨析出。採購孕育用矽鐵時，不能不考慮其中鋁和鈣的含量。
對於作孕育劑的75矽鐵，美國相關標準規定含鋁量為0.75～1.75%，含鈣量為0.5～1.5%.我國標準GB/T2272－1987中有不同鋁含量的75矽鐵牌號，鋁含量的上限值分別為0.5%、1.0%、1.5%和2.0%，含鈣量的上限值則為1.0%。
但是，鐵液中的鋁含量不能太高，加入0.01%的鋁，就可能導致鑄件產生皮下氣孔。選擇孕育劑品種和確定孕育劑用量時，對此也應有所考慮。
含鍶矽鐵
含鍶矽鐵消除白口的能力很強，特別有利於改善薄壁鑄件中石墨的形態和分布狀況，使不同厚度處組織的差別更小，過冷組織只見於鑄件的表層。
目前，我國已有含鍶矽鐵供應，其中鍶含量有0.6～1.0%和1.0～2.0%兩種。一般可選用含鍶0.6～1.0%的品種，鍶含量過高則不能充分發揮其作用。
含鍶矽鐵的加入量約為75矽鐵的一半。
含鋇矽鐵
含鋇矽鐵也具有很強的促進石墨化的能力，可改善薄壁鑄件中石墨的形態和分布狀況，而且還有減緩孕育衰退的作用，處理時的用量也少於75矽鐵。
