一种新型球墨铸铁孕育剂的研制
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种物质各自取 3 个水平按照正交设计的方法设计出
9 种成分的孕育剂， 如表 1 所示。 实验中采用 QT500-7 和 QT450-10 两种原铁水 ， 化学成分如表 2
所示 。 在 工厂条件下 采 用 5 t 的 冷 风 冲 天 炉 冶 炼 2 炉 ， 然后采用稀土镁硅铁合金进行球化处理以及冶 金常用的 75 硅铁进行孕育处理 ， 在将铁水转入浇注 包时加入用铝箔包好的各种成分的孕育剂对铁水进 行二次孕育处理 。
Development of A New Type of Ductile Iron Inoculant
WANG Wei, YU Huashun, CHEN Dawei
(Key Laboratory of Solid-liquid SБайду номын сангаасructural Evolution and Processing of Materials (Ministry of Education), College of Materials Science and Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China) Abstract ： By adding Bi2O3, FeS and Fe2O3 into calcium silicon, a new type of ductile iron inoculants was developed. By Ca-Bi-S-O coordination role, the number of graphite nodules greatly increases, the base structure and mechanical properties improves, especially, the elongation increases obviously. In addition, by changing the amount of the inoculant, it is determined that the optimal dosage of the inoculants is 0.1%. Key words ： inoculants; ductile cast iron; Bi
[2]
球墨铸铁的综合性能接近于钢 ， 基于其优异的 性能 ， 目前已成功地用于铸造一些受力复杂 、 强度 、 韧性 、 耐磨性要求较高的零件 。 球墨铸铁已迅速发 展为仅次于灰铸铁的 、 应用十分广泛的铸铁材料 。 我国球铁生产主要采用冶金用 75 硅铁作孕育剂 ， 这 种 硅 铁 中 对 孕 育 起 重 要 作 用 的 Ca 、Al 没 有 限 定 含 量范围 ， 其孕育效果不稳定 。 在球墨铸铁生产中 ， 铁 水中能否有足够多的硫化物和氧化物作为石墨结晶 的核心 ， 取决于原铁水的纯度和添加剂 、 保持时间和 温度以及冶金处理工艺 。 生产中通用的孕育剂硅铁
CaSi 90 82 74 85 77 78 80 81 73
[Bi] 3.59 6.28 8.97 6.28 8.97 3.59 8.97 3.59 6.28
[S] 0.364 0.364 0.364 1.09 1.09 1.09 1.81 1.81 1.81
其中 ，Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ ，ⅰ 、ⅱ 、ⅲ ，A、B 、C 分别为表 3 中各 对应列 （ 因子 ） 上 1、2、3 水平对于伸长率效应 、 抗拉 强度效应 、 石墨球数效应的值 ， 其计算式为 ：
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Ⅰi(Ⅱi，Ⅲi)= 第 i 列上对应水平 1（2，3）的数据和。 R1、R2、R3 为极差 ，表明因子对结果的影响幅度 。 计算结果汇总于表 4。
表 4 实验数据的分析 Tab.4 The analysis of test data
Ⅰ Ⅱ Ⅲ 9.9 16 14.55 -82.5 -79.5 -55.5 6.1 27 14.3 14.5 11.65 -70 -81 -66.5 2.85 14.5 14.7 14.35 11.4 -65 -76 -76.5 3.3 11.5 A B C R3 199 169 200 31 274 176 118 156 128 190 250 122 -
随着工业技术的发展 ， 对铸铁力学性能的要求 也愈来愈高 。 提高铸铁材料力学性能的途径主要有 以下几种 ：① 改变铸铁的碳与硅之比 ； ② 孕育处理 ；
中还含有钙 、 钡 、 锶 、 锰和锆等金属元素 。 加入上述元 素 ， 主要目的是使其与铁中的硫和氧结合 ， 为石墨提 供有效的非均质结晶核心 [3]。 但是 ， 铁水中能起作用 的硫和氧是有限的 ， 孕育剂中添加元素的作用因而 也是有限的 ， 处理后可能形成的有效晶核的数量将 制约孕育的效果 。 另外 ， 含 Bi 孕育剂提高球铁石墨 球数的作用比任何其它孕育剂都显著 ， 可以设想它 将对改善球铁的组织和提高性能起到有益的作用 。 为了增强孕育效果 ， 现研制一种新型孕育剂 ， 其中含 有铋 、 钙 、 硫和氧 ， 使得孕育处理后 ， 球铁的微观组织 和力学性能都得到很大的改善 。
2
结果与讨论
将实验的数据汇总列于表 3 中 。 其中 ，△δ= 对应
2.1 正交实验结果
编 号 的 伸 长 率 - 对 比 试 样 的 伸 长 率 ； △σ = 对 应 编 号 的抗 拉强度 - 对 比 试 样 的 抗 拉 强 度 ；△N= 对 应 编 号 的石墨球数 -对比试样的石墨球数 。
表 3 正交实验测试结果 Tab.3 Results of orthogonal test
以对伸长率的影响 ， 最适水平为 3%FeS、10%Fe2O3、
4%Bi2O3。
新型孕育剂的主要作用是 ： 在加入金属元素的 同时 ， 引进一定浓度的非金属元素 （S 和 O）。 孕育剂 中反应能力强的 Ca 和 Si 与硫 、 氧作用后 ， 就会产生 较多的石墨晶核 。 另外 ，Bi 的加入会和稀土元素 Ce 等形成金属间化合物 CeBi 等也可以作为石墨形核 的异质核心 。 于是，通过瞬时孕育处理 ，在石墨生核过 程中 ， 将同时受益于钙 、 硅 、 硫 、 氧 、 铋的协同作用 ， 形 成更多的石墨核心 ， 从而使得石墨球数大幅度的增 加。 当然影响球墨铸铁件伸长率的因素很多 ，但石墨 球个数是一个很重要的因素 ， 除此之外 ， 基体组织的 构成以及合金化元素的含量都对其有一定的影响 。
表 2 QT500-7 和 QT450-10 的化学成分 ( 质量分数 ，％ )
Tab.2 Chemical composition of QT500-7 and QT450-10 (wt％ )
原铁水
C
Si 2.72 2.74
Mn 0.20 0.29
P 0.048 0.052
S 0.028 0.029
2.2 孕育剂加入量的寻优
在得到上述结果后 ， 我们尝试了适当降低所设 计孕育剂的加入量 ， 看是否能达到同样的效果 。 于 是 ， 我们又设计了下一组实验 ， 即以 QT450-10 为原 铁液 ， 分别加入 0.05% 和 0.1% 两种不同含量的所示 孕育剂进行二次孕育处理 ， 具体成分如表 5 所示 。 通过对浇注出的 Y 型试样进行抗拉强度以及 伸长率的测试 ， 再对其进行金相组织观察 ， 可得到如
上半月出版
Casting· Forging·Welding 金属铸锻焊技术
一种新型球墨铸铁孕育剂的研制
王 伟 ， 于化顺 ， 陈大伟
（ 山东大学 材料科学与工程学院 材料液固结构演变与加工教育部重点实验室 ， 山东 济南 250061 ） 摘 要 ： 通过向硅钙中添加一定量的 Bi2O3、FeS 和 Fe2O3 ， 制成一种新型的球墨铸铁孕育剂 。 通过 Ca-Bi-S-O 的配
实验编号
2010 年 12 月
下面是对得到的结果用极差分析法进行分析 ，
[O] 2.24 4.302 6.36 2.8 4.86 5.24 3.36 3.74 5.8
FeS 1 1 1 3 3 3 5 5 5
Fe2O3 5 10 15 5 10 15 5 10 15
Bi2O3 4 7 10 7 10 4 10 4 7
68 77 54 76 66 27 130 33 37
③热处理 ； ④ 合金化 。 其中孕育处理是比较简便而
又经济 、 行之有效的方法 。 孕育处理要有合适的孕
[1]
育剂 ， 孕育剂对铸铁件的质量 、 成本 ， 尤其对高档铸 铁件的发展有重要作用 。 孕育处理的作用在于改变 铸铁共晶结晶的凝固条件 ， 达到消除白口 、 促进石墨 化 、 细化晶粒 、 提高组织均匀性的目的 ， 从而改善铸 铁的力学性能和加工性能 。
R1 R2
这里 ， 我们主要以孕育剂的添加对伸长率的影 响为主要因素来考虑进行下一步的实验 。 由表 4 可 得 ，FeS 加入量 3% 时 对伸长率的 增加效果 最明显 ；
Fe2O3 加 入 量 10% 时 对 伸 长 率 的 增 加 效 果 最 明 显 ； Bi2O3 加入量 4%时对伸长率的增加效果最明显 。 所
合作用 ， 大幅增加了球墨铸铁的石墨球数 ， 改善了球墨铸铁的基体组织和力学性能 ， 尤其是伸长率得到了明显的提高 。 另外 ， 通过改变该孕育剂的加入量 ， 确定出该孕育剂的最佳加入量是 0.1%。 关键词 ： 孕育剂 ； 球墨铸铁 ； Bi 中图分类号 ：TG143.5 文献标识码 ：A 文章编号 ：1001-3814(2010)23-0031-03
收稿日期 ：2010-07-07 作 者 简 介 ： 王 伟 （1984- ）， 男 ， 山 东 烟 台 人 ， 硕 士 ， 主 要 从 事 铸 造 合 金 及其复合材料的研究 ； 电话 ：0531-88395639 ；
1
实验
通 过 向 硅 钙 中 添 加 一 定 量 的 Bi2O3、FeS 和
1.1 孕育剂成分的设计 Fe2O3 粉末 , 为了得到 3 种物质的最佳配比 ， 现将这 3
E-mail: syndwh@163.com
《 热加工工艺 》 2010 年第 39 卷第 23 期
31
金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding
表 1 孕育剂成分设计 ( 质量分数 ，％ ) Tab.1 Composition design of inoculants (wt％ )
δ(%) 0( 对比 ) 12.65 1 15.9 2 17.05 3 14.9 4 18.8 5 16.9 6 18.25 7 17.55 8 18.5 9 16.45
编号 伸长率 △δ 抗拉强度 △σ
珠光体 石墨球数 N △N · (%) σ / MPa / MPa / (个 mm-2) / ( 个· mm-2) 含量 (%)
RE 0.041 0.038
Mg 0.041 0.045
ⅰ ⅱ ⅲ
QT5500-7 3.73 QT450-10 3.96
1.2 实验方法及设备
经过球化处理以及一次孕育处理的原铁液在转 入浇注包时 ， 将用铝箔包好的孕育剂加入浇注包中 进行二次孕育处理 ， 处理后将铁水浇注进入事先做 好的 Y 型试块的树脂砂型中 ， 等 Y 型试块冷却后 ， 依次从 Y 型试块的底部相同部位截取试块 ， 制成标 准的抗拉试棒 （ 拉伸试验按国标 GB/T1348-2009 规 定执行 ）， 进行拉伸试验 ， 并取样进行微观组织的观 察 。 试样腐蚀前主要是利用金像显微镜观察石墨球 的形态以及分布 ， 然后用 3% 的硝酸酒精溶液腐蚀 试样来观察其基体组织 ， 并按照国家标准对照得出 珠光体的相对含量 （ 此过程按国标 GB/T 9441-2009 规定进行 ）。
3.25 4.4 2.25 6.15 4.25 5.6 4.9 5.85 3.8
570 555.5 534.5 537.5 537.5 549 544 547 545.5 562
-14.5 -35.5 -32.5 -32.5 -21 -26 -23 -24.5 -8
274 342 351 328 350 340 301 404 307 311
9 种成分的孕育剂， 如表 1 所示。 实验中采用 QT500-7 和 QT450-10 两种原铁水 ， 化学成分如表 2
所示 。 在 工厂条件下 采 用 5 t 的 冷 风 冲 天 炉 冶 炼 2 炉 ， 然后采用稀土镁硅铁合金进行球化处理以及冶 金常用的 75 硅铁进行孕育处理 ， 在将铁水转入浇注 包时加入用铝箔包好的各种成分的孕育剂对铁水进 行二次孕育处理 。
Development of A New Type of Ductile Iron Inoculant
WANG Wei, YU Huashun, CHEN Dawei
(Key Laboratory of Solid-liquid SБайду номын сангаасructural Evolution and Processing of Materials (Ministry of Education), College of Materials Science and Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China) Abstract ： By adding Bi2O3, FeS and Fe2O3 into calcium silicon, a new type of ductile iron inoculants was developed. By Ca-Bi-S-O coordination role, the number of graphite nodules greatly increases, the base structure and mechanical properties improves, especially, the elongation increases obviously. In addition, by changing the amount of the inoculant, it is determined that the optimal dosage of the inoculants is 0.1%. Key words ： inoculants; ductile cast iron; Bi
[2]
球墨铸铁的综合性能接近于钢 ， 基于其优异的 性能 ， 目前已成功地用于铸造一些受力复杂 、 强度 、 韧性 、 耐磨性要求较高的零件 。 球墨铸铁已迅速发 展为仅次于灰铸铁的 、 应用十分广泛的铸铁材料 。 我国球铁生产主要采用冶金用 75 硅铁作孕育剂 ， 这 种 硅 铁 中 对 孕 育 起 重 要 作 用 的 Ca 、Al 没 有 限 定 含 量范围 ， 其孕育效果不稳定 。 在球墨铸铁生产中 ， 铁 水中能否有足够多的硫化物和氧化物作为石墨结晶 的核心 ， 取决于原铁水的纯度和添加剂 、 保持时间和 温度以及冶金处理工艺 。 生产中通用的孕育剂硅铁
CaSi 90 82 74 85 77 78 80 81 73
[Bi] 3.59 6.28 8.97 6.28 8.97 3.59 8.97 3.59 6.28
[S] 0.364 0.364 0.364 1.09 1.09 1.09 1.81 1.81 1.81
其中 ，Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ ，ⅰ 、ⅱ 、ⅲ ，A、B 、C 分别为表 3 中各 对应列 （ 因子 ） 上 1、2、3 水平对于伸长率效应 、 抗拉 强度效应 、 石墨球数效应的值 ， 其计算式为 ：
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Ⅰi(Ⅱi，Ⅲi)= 第 i 列上对应水平 1（2，3）的数据和。 R1、R2、R3 为极差 ，表明因子对结果的影响幅度 。 计算结果汇总于表 4。
表 4 实验数据的分析 Tab.4 The analysis of test data
Ⅰ Ⅱ Ⅲ 9.9 16 14.55 -82.5 -79.5 -55.5 6.1 27 14.3 14.5 11.65 -70 -81 -66.5 2.85 14.5 14.7 14.35 11.4 -65 -76 -76.5 3.3 11.5 A B C R3 199 169 200 31 274 176 118 156 128 190 250 122 -
随着工业技术的发展 ， 对铸铁力学性能的要求 也愈来愈高 。 提高铸铁材料力学性能的途径主要有 以下几种 ：① 改变铸铁的碳与硅之比 ； ② 孕育处理 ；
中还含有钙 、 钡 、 锶 、 锰和锆等金属元素 。 加入上述元 素 ， 主要目的是使其与铁中的硫和氧结合 ， 为石墨提 供有效的非均质结晶核心 [3]。 但是 ， 铁水中能起作用 的硫和氧是有限的 ， 孕育剂中添加元素的作用因而 也是有限的 ， 处理后可能形成的有效晶核的数量将 制约孕育的效果 。 另外 ， 含 Bi 孕育剂提高球铁石墨 球数的作用比任何其它孕育剂都显著 ， 可以设想它 将对改善球铁的组织和提高性能起到有益的作用 。 为了增强孕育效果 ， 现研制一种新型孕育剂 ， 其中含 有铋 、 钙 、 硫和氧 ， 使得孕育处理后 ， 球铁的微观组织 和力学性能都得到很大的改善 。
2
结果与讨论
将实验的数据汇总列于表 3 中 。 其中 ，△δ= 对应
2.1 正交实验结果
编 号 的 伸 长 率 - 对 比 试 样 的 伸 长 率 ； △σ = 对 应 编 号 的抗 拉强度 - 对 比 试 样 的 抗 拉 强 度 ；△N= 对 应 编 号 的石墨球数 -对比试样的石墨球数 。
表 3 正交实验测试结果 Tab.3 Results of orthogonal test
以对伸长率的影响 ， 最适水平为 3%FeS、10%Fe2O3、
4%Bi2O3。
新型孕育剂的主要作用是 ： 在加入金属元素的 同时 ， 引进一定浓度的非金属元素 （S 和 O）。 孕育剂 中反应能力强的 Ca 和 Si 与硫 、 氧作用后 ， 就会产生 较多的石墨晶核 。 另外 ，Bi 的加入会和稀土元素 Ce 等形成金属间化合物 CeBi 等也可以作为石墨形核 的异质核心 。 于是，通过瞬时孕育处理 ，在石墨生核过 程中 ， 将同时受益于钙 、 硅 、 硫 、 氧 、 铋的协同作用 ， 形 成更多的石墨核心 ， 从而使得石墨球数大幅度的增 加。 当然影响球墨铸铁件伸长率的因素很多 ，但石墨 球个数是一个很重要的因素 ， 除此之外 ， 基体组织的 构成以及合金化元素的含量都对其有一定的影响 。
表 2 QT500-7 和 QT450-10 的化学成分 ( 质量分数 ，％ )
Tab.2 Chemical composition of QT500-7 and QT450-10 (wt％ )
原铁水
C
Si 2.72 2.74
Mn 0.20 0.29
P 0.048 0.052
S 0.028 0.029
2.2 孕育剂加入量的寻优
在得到上述结果后 ， 我们尝试了适当降低所设 计孕育剂的加入量 ， 看是否能达到同样的效果 。 于 是 ， 我们又设计了下一组实验 ， 即以 QT450-10 为原 铁液 ， 分别加入 0.05% 和 0.1% 两种不同含量的所示 孕育剂进行二次孕育处理 ， 具体成分如表 5 所示 。 通过对浇注出的 Y 型试样进行抗拉强度以及 伸长率的测试 ， 再对其进行金相组织观察 ， 可得到如
上半月出版
Casting· Forging·Welding 金属铸锻焊技术
一种新型球墨铸铁孕育剂的研制
王 伟 ， 于化顺 ， 陈大伟
（ 山东大学 材料科学与工程学院 材料液固结构演变与加工教育部重点实验室 ， 山东 济南 250061 ） 摘 要 ： 通过向硅钙中添加一定量的 Bi2O3、FeS 和 Fe2O3 ， 制成一种新型的球墨铸铁孕育剂 。 通过 Ca-Bi-S-O 的配
实验编号
2010 年 12 月
下面是对得到的结果用极差分析法进行分析 ，
[O] 2.24 4.302 6.36 2.8 4.86 5.24 3.36 3.74 5.8
FeS 1 1 1 3 3 3 5 5 5
Fe2O3 5 10 15 5 10 15 5 10 15
Bi2O3 4 7 10 7 10 4 10 4 7
68 77 54 76 66 27 130 33 37
③热处理 ； ④ 合金化 。 其中孕育处理是比较简便而
又经济 、 行之有效的方法 。 孕育处理要有合适的孕
[1]
育剂 ， 孕育剂对铸铁件的质量 、 成本 ， 尤其对高档铸 铁件的发展有重要作用 。 孕育处理的作用在于改变 铸铁共晶结晶的凝固条件 ， 达到消除白口 、 促进石墨 化 、 细化晶粒 、 提高组织均匀性的目的 ， 从而改善铸 铁的力学性能和加工性能 。
R1 R2
这里 ， 我们主要以孕育剂的添加对伸长率的影 响为主要因素来考虑进行下一步的实验 。 由表 4 可 得 ，FeS 加入量 3% 时 对伸长率的 增加效果 最明显 ；
Fe2O3 加 入 量 10% 时 对 伸 长 率 的 增 加 效 果 最 明 显 ； Bi2O3 加入量 4%时对伸长率的增加效果最明显 。 所
合作用 ， 大幅增加了球墨铸铁的石墨球数 ， 改善了球墨铸铁的基体组织和力学性能 ， 尤其是伸长率得到了明显的提高 。 另外 ， 通过改变该孕育剂的加入量 ， 确定出该孕育剂的最佳加入量是 0.1%。 关键词 ： 孕育剂 ； 球墨铸铁 ； Bi 中图分类号 ：TG143.5 文献标识码 ：A 文章编号 ：1001-3814(2010)23-0031-03
收稿日期 ：2010-07-07 作 者 简 介 ： 王 伟 （1984- ）， 男 ， 山 东 烟 台 人 ， 硕 士 ， 主 要 从 事 铸 造 合 金 及其复合材料的研究 ； 电话 ：0531-88395639 ；
1
实验
通 过 向 硅 钙 中 添 加 一 定 量 的 Bi2O3、FeS 和
1.1 孕育剂成分的设计 Fe2O3 粉末 , 为了得到 3 种物质的最佳配比 ， 现将这 3
E-mail: syndwh@163.com
《 热加工工艺 》 2010 年第 39 卷第 23 期
31
金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding
表 1 孕育剂成分设计 ( 质量分数 ，％ ) Tab.1 Composition design of inoculants (wt％ )
δ(%) 0( 对比 ) 12.65 1 15.9 2 17.05 3 14.9 4 18.8 5 16.9 6 18.25 7 17.55 8 18.5 9 16.45
编号 伸长率 △δ 抗拉强度 △σ
珠光体 石墨球数 N △N · (%) σ / MPa / MPa / (个 mm-2) / ( 个· mm-2) 含量 (%)
RE 0.041 0.038
Mg 0.041 0.045
ⅰ ⅱ ⅲ
QT5500-7 3.73 QT450-10 3.96
1.2 实验方法及设备
经过球化处理以及一次孕育处理的原铁液在转 入浇注包时 ， 将用铝箔包好的孕育剂加入浇注包中 进行二次孕育处理 ， 处理后将铁水浇注进入事先做 好的 Y 型试块的树脂砂型中 ， 等 Y 型试块冷却后 ， 依次从 Y 型试块的底部相同部位截取试块 ， 制成标 准的抗拉试棒 （ 拉伸试验按国标 GB/T1348-2009 规 定执行 ）， 进行拉伸试验 ， 并取样进行微观组织的观 察 。 试样腐蚀前主要是利用金像显微镜观察石墨球 的形态以及分布 ， 然后用 3% 的硝酸酒精溶液腐蚀 试样来观察其基体组织 ， 并按照国家标准对照得出 珠光体的相对含量 （ 此过程按国标 GB/T 9441-2009 规定进行 ）。
3.25 4.4 2.25 6.15 4.25 5.6 4.9 5.85 3.8
570 555.5 534.5 537.5 537.5 549 544 547 545.5 562
-14.5 -35.5 -32.5 -32.5 -21 -26 -23 -24.5 -8
274 342 351 328 350 340 301 404 307 311