试验+实践验证，6种添加剂对提高球墨铸铁性能提升的最优选择
本文中，验证了一种在过冷趋势下有效提高球墨铸铁形核潜力的方法的研究。完成了一项鉴别最有效增大球墨粒数的添加剂的实验研究。在铸造生产条件下进行了一项验证数据的研究。
提高球墨铸铁性能的一项关键因素是提高球墨粒数，尤其是在过冷趋势下。通过增加凝固过程中的石墨颗粒的数量，可以增大由于石墨结晶而释放潜热的速率，提高渗碳体液相线之上的凝固结束的温度，防止形成碳化物。
最近确认了六种添加剂，对它们诱导形成球墨颗粒的效果做了对比的研究。在实验室和铸造厂，都证明了其中一种添加剂始终优于其它五种。
实验室试验
实验在用氧化铝作内衬的无芯感应炉上用普通熔炼操作完成，所用的原料生铁含有以下组分：3.85%C，1.85%Si，0.3%Mn，小于0.03%P和小于0.01%S。初步研究表明炉料的石墨化能力对形核潜力是至关重要的，所有的热量可以从炉料中生产出高达50%的（Fe3C）碳化物麻口球墨铸铁。通过添加质量分数为1.3%的硅铁合金，6%的含1%稀土元素的镁合金和0.3%的作为变质剂的铸造级硅铁合金，在盖包中完成了球化处理。
用来作为促进石墨形核冶金添加剂有碳化硅
1）碳化硅（SiC）；
2）混合物X;C由50%的SiC,50%的硅铁合金和5%的Mg)；
3)混合物Y ( 50%的SiC和50%的75硅铁)组成的混合物；
4)硅钙SiCa；
5)硫化亚铁FeS和结晶石墨。
研究结果表明向原铁中添加的0.3%的SiC 是在球墨铸铁中增加形核潜力，减小过冷趋势，提高以伸长率为主的拉伸性能的最有效的冶金添加剂。
在加入熔炉中的铁水中之前，这些冶金添加剂用低碳钢箔包住来促进下沉，减少氧化和在炉壁上的附着。通过比较每个实验添加前得到的球墨铸铁试样的初始状态与添加之后得到的试样的状态来监测这些添加剂的效果。
浇注得到的试样中包含激冷楔块来确定白口倾向，直径25mm的试棒来做显微组织检查的和做拉伸实验的试棒。在加入添加剂之前和之后分别从原铁中得到销试样来确定氧和氮的总含量的变化。记录热分析数据来确定过冷和复辉。研究球墨铸铁的微观组织、白口倾向和机械性能的变化，并评估了实验数据。只在用加入添加剂之后增加了球墨粒数并改善了白口情况的球墨铸铁浇注的试样上进行了拉伸试验。
抛光的微观组织的图像分析数据表明，从加入0.3%的SiC的球墨铸铁中获得了最多的石墨分离数量和最合适的形核形态，该添加剂满足图形分析条件，使形核数量增加了64%（如图1）。加入混合物Y之后，球墨粒数增加了15%。加入0.05%的SiCa或0.1%的结晶石墨使球墨粒数分别增加了3.5%和2.5%。混合物X和FeS对球墨粒数有消极的影响，使其减少了19%。
此外，SiC对形核特征有积极的影响；0.3%的SiC添加剂使球化率提高了21%，球形度提高了2.4%，圆度提高了2.4%。0.1%的结晶石墨对球化率和圆度来说无关紧要，但是混合物X和FeS 对形核特征有不利影响。
单独的SiC或与75硅铁混合的SiC，可以改善石墨球的大小分布，增加小石墨球（4-16微米）的数量，减小大石墨球（16-64微米）的数量。之前刊登的研究结果表明，石墨球大小的偏态分布、尺寸小且形核晚的石墨球的数量的减小对球墨铸铁的性能有积极影响；大的球墨粒数对球墨铸铁的性能有害，会加大缩孔缩松趋势。
对蚀显后的微观组织的检查结果表明参考球墨铸铁试样中的铁素体和珠光体平均含量是32%和58%。结论是；混有75硅铁的SiC添加剂，对铁素体的生成是最有利的，其次是结晶石墨添加剂。分别可以使其增加20%和14%。单独的SiC可以在原铁中增加3%的铁素体。
对激冷楔块的分析（如图2）表明,加入SiC、混合物Y和结晶石墨之后试样中的碳化物减少，而加入SiC、FeS和混合物X之后试样中碳化物含量增加。
避免过冷和复辉
热分析数据表明，铸铁的初始状态随热量变化而变化，并呈现出不同的过冷度。原铁的过冷在71.3F（21.84℃）到48.4F（9.11℃）之间变化，球墨铸铁的过冷度在87.45F（27.47℃）到65.6F（18.66℃）之间变化。如图3所示。
过冷度是灰铁的共晶温度（TEgray= 1153 + 6.7*Si）与实际的较低的共晶温度(TElow)之间的差值，它描述了铸铁形成过冷组织的趋势。高的过冷意味着凝固开始需要更长的时间，发生缩孔和外陷的风险也更大。数据表明单独的SiC或混有75硅铁的SiC添加剂对过冷有利（即可减少过冷）。原铁中过冷减小了22%，球铁中单独的SiC 使其减小了7.4%，与硅铁混合的SiC使其减小了0.6%。FeS也可以使过冷减小，但也会使球墨粒数减少。与初始状态相比，在原铁和球铁中加入其他冶金添加剂都会引起过冷增加。
热分析数据也证明了原铁与球墨铸铁的过冷趋势之间的相互关系。原铁中过冷的增加会引起球铁中过冷的增加，反之亦然。
复辉的数据表明，只有单独的SiC或混有75硅铁的SiC，和FeS对原铁和球墨铸铁中复辉现象的减少是有利的。如图4。
比较冶金添加剂对复辉和球墨粒数的影响时，数据表明球墨粒数增加时复辉减小，反之亦然。
数据分析表明，除了添加结晶石墨后得到的试样，热分析测试得到的过冷趋势与球铁楔块中碳化物含量的变化有很好的相关性。加入结晶石墨之后浇注得到的楔块中的碳化物含量减小，但是热分析得到的过冷增大。
气体测试结果表明，加入SiC,混合物Y，FeS和结晶石墨使原铁中总的氧含量增加4-9ppm。数据分析结果表明，除了加入FeS使球墨粒数减少之外，以上总的氧含量的增加与球墨铸铁中球墨粒数的增加之间存在相关性。但是，原铁中总的氧含量的增加并不足以引起球铁中球墨粒数的增加。所有的添加剂都仅能使原铁中的氮含量增加1到3ppm，氮含量这些变化与球墨铸铁中球墨粒数的变化是不相关的。
根据显微结构和热分析结果，选择用SiC单独生产的和那些用混有75硅铁的SiC和0.1%的结晶石墨生产的试样来做拉伸试验。结果表明加入SiC导致伸长率从16%增加到23%，拉伸强度从511增加到522Mpa，屈服强度从333增加到346Mpa。并且用SiC生产的试样的拉伸性能更一致，与参考试样仅有较低偏差。加入混有75硅铁的 仅使伸长率和拉伸强度有很少的增加。加入结晶石墨使伸长率从19%增加到21%，极限抗拉强度从545增加到552Mpa，屈服强度从348增加到357Mpa。
在实际生产中
基于实验室中的结果，在工业铸造厂中进行了球墨铸铁的试验。实验在感应电炉中用常规的化学成分为3.67%碳化物、2.43%硅、0.27%锰、0.26%磷和0.045%镁的铁进行。熔化合格的炉料之后，浇注出参考试样。然后向熔炉中加入0.3%的SiC并浇注出第二套试样。在添加前和添加后，用原料铁液和最终的铁液浇注得到所需试样。
在工业生产条件下获得的结果证明，0.3%的SiC对球墨铸铁形核潜力的有利影响可以使球墨铸铁的球墨粒数增多，使白口倾向减小。
作为参考件浇注的球墨铸铁试样的抛光显微组织每平方毫米平均有156个球墨颗粒，其含有32%的铁素体和0.14%的碳化物。加入0.3%的SiC之后，球墨粒数增加到每平方毫米241个。石墨球的圆度从0.708提升到0.717，球形度从0.880提升到0.891（如图5和图6）。蚀刻的显微组织表明，铁素体含量较实验室中生产的试样有所增加，从32%增加到51%。碳化物含量仍然很低，并且降到了0.1%。
实验证明SiC对石墨球尺寸出现的频率是有利的。尺寸在32到64微米之间的石墨球的含量从19%减到了11%。如图7。
由30mm直径棒料加工的实验试样确定的拉伸性能表明，添加SiC之后伸长率从8.7%增加到10.1%，极限拉伸强度从528Mpa降到505Mpa，屈服强度为329Mpa并且没有变化。拉伸性能的变化反映出添加SiC之后铁素体含量增加。
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