【热坛讲堂】开讲啦——过度孕育对铸铁的影响

      在日常生产冷激凸轮轴时，凸轮部位常会出现一条“黑线”（如图1所示），这个现象困扰了许多凸轮轴铸件生产厂家。铸造业专家以图2解释了“黑线”的产生机理：由于凸轮轴表层急冷，凝固过程中释放出足够多的结晶潜热，使得“黑线”部位在凝固时，低共晶转变点高于亚稳态共晶转变线（L-A+C）。此时，液相会转变为奥氏体与石墨，奥氏体最终转化为珠光体。用硝酸酒精腐蚀表面后，则会在表面出现一条“黑线”，实际上这是一条珠光体带。

左：图1

右：图2

      基于以上案例，请大家试想一下，如果凝固过程中释放出了足够多的结晶潜热，使得高共晶转变点温度高于稳态共晶转变温度（L-A+G），此时会发生什么情况？

过度孕育

1.过度孕育的典型冷却曲线

      让我们通过一组热分析曲线（如图3所示）详细解释如何让高共晶转变点温度高于稳态共晶转变曲线。

图3

左：球化处理后未使用任何孕育剂的冷却曲线

右：包内使用0.3%的SiBaCa孕育剂后的冷却曲线

对比两组冷却曲线，我们可以很容易地发现，经孕育过程后，LET值、HET值都有一定幅度的增加，这说明孕育后铁水的形核能力较球化后的铁水有一定的提高。但RA值及G2区域增加说明孕育后铁水凝固初期释放出了大量的结晶潜热，使得铁水在共晶转变过程中长时间处于“过热”状态，部分奥氏体树枝晶尖端融化，液相中出现部分富碳区，这些富碳区域析出新的石墨球，促进初生石墨的长大，这就是一种常见的过度孕育。

引子中凸轮轴铸件生产商的疑问，是当结晶潜热释放的足够大时，高共晶转变温度超过稳态共晶转变温度，即过度孕育中的一种极限情况。

2.孕育量的选择

上述图3所示的冷却曲线中，在包内使用0.3%的SiBaCa孕育剂就出现了过度孕育现象，是不是孕育量超过0.3%都属于过度孕育？孕育量到底控制在多少才能避免过度孕育？为了回答这个问题，我们采用同样的研究方法，先从另一组冷却曲线（如图4所示）来分析。

图4

左：球化处理后未孕育状态

右：包内使用0.4%SiBaCa孕育后状态

      从这组曲线中我们可以看出，孕育后RA降低，再辉度R降低，且G2区域也降低了，不存在任何过度孕育的现象。对比两种SiBaCa孕育剂的成分（如下表所示），并无较大的差异。

      此时就图3、图4两组冷却曲线中的球化处理后曲线进行对比，无论从LET温度、再辉度R或RA值上来看，图3中球化处理后铁水的形核能力都明显优于图4的数据。因此，孕育量的选择是基于原铁水及球化处理后铁水的形核能力而定，单纯根据加入量判断是否过度孕育是有局限性的。

过度孕育对铸铁的影响

A.微观缩松

      正如上个章节中提及，过度孕育时，在铁水凝固的初期会出现一个“过热”的过程，此时液相中会出现较多的富碳区域，促使大量的石墨析出，同时促进初生石墨长大（过共晶成分），使得在凝固后期液相中的碳含量偏低，在最后凝固的区域，液相凝固过程中石墨化膨胀能力不足，从而在奥氏体枝晶间形成一些微观孔洞，使得铸件最后凝固的热节处出现微观缩松。

      前期石墨大量析出时，奥氏体枝晶尚未搭接成结实的骨架，此时石墨大量析出造成较大的膨胀力，也会使铸型移动，造成石墨化膨胀能量的浪费，图5即是一款曲轴生产过程中孕育量过大造成的缩松实例。

图5

B.过冷石墨及反白口

      过度孕育会使得液相中的碳在凝固前期大量转化为石墨，在凝固后期的液相中碳含量较低，此时成分过冷严重，使得液相的低共晶转变温度较低，在灰铸铁心部形成E型石墨，严重时出现针状碳化物，球墨铸铁最后凝固的位置由于成分过冷，有时会出现队列状石墨，严重时出现针状碳化物。当然，并不是所有的球铁中的队列状石墨及灰铸铁心部的E型石墨都是由于过度孕育造成，CE值过低也会造成该类缺陷。

C.夹渣缺陷

      过多的孕育剂加入，同时也会带来夹渣的风险。大部分市售孕育剂主要含有Ca、Ba、Sr、Re、Bi等元素，其中Ca的自由能曲线最低，最易被氧化形成渣子。这些渣子可以成为石墨生长的核心，也会由于布朗运动相互撞击粘连形成更大的渣子，部分渣子可以通过除渣工序去除或通过过滤网收集，还有一部分渣子会被横浇道阻挡，但有些极小的渣子会出现在基体组织中，对铸件的基体组织及力学性能产生不良的影响（如图6所示）。

图6

埃肯铸造认为，过度孕育会使得凝固初期石墨大量析出，对铸件的凝固过程造成不同程度的影响，甚至使得铸件出现诸如缩松、反白口及夹渣的缺陷，同时，过多的孕育剂加入也是对成本的一种浪费。