影響鑄鐵組織和性能的關(guān)鍵是碳在鑄鐵中存在的形式、形態(tài)、大小和分布。鑄鐵的發(fā)展，主要是圍繞如何改變石墨的數(shù)量、大小、形狀和分布這一中心問題進(jìn)行的。因此，首先應(yīng)研究鑄鐵中石墨的形成過程及其影響因素。鑄鐵中石墨的形成過程稱為石墨化。在鑄鐵中，碳能以化合態(tài)的滲碳體和游離狀態(tài)的石墨兩種形式存在，游離狀態(tài)的石墨容易形成片狀結(jié)構(gòu)。這是由于石墨的晶格為簡(jiǎn)單六方晶格，基面中的原子間距142nm，原子間結(jié)合力較強(qiáng)；而兩基面間的面間距340nm，因基面間距較大，原子間結(jié)合力較弱，故結(jié)晶時(shí)易形成片狀結(jié)構(gòu)，且強(qiáng)度、塑性和韌性極低，接近于零，硬度僅為3HBS。另外，在碳原子的四個(gè)價(jià)電子中，只有一個(gè)價(jià)電子參加到電子氣中去，這便是石墨具有某些不太明顯的金屬性能(如導(dǎo)電性)的原因。 
前面我們已討論過化合態(tài)的滲碳體，它若加熱到高溫，便會(huì)分解為鐵和碳(Fe2C→3Fe。所以化合態(tài)的滲碳體只是一種亞穩(wěn)定相，而游離態(tài)的石墨則是一種穩(wěn)定相。一般，在鐵碳合金的結(jié)晶過程中，因?yàn)闈B碳體的含碳量69％)比石墨的含碳量(100％)更接近于合金成分的含碳量5％o％)，析出滲碳體時(shí)所需的原子擴(kuò)散量較小，滲碳體的晶核易形成，所以自合金液體或奧氏體中析出的是滲碳體而不是石墨。但在擴(kuò)散時(shí)間足夠的條件下，或在合金中含有可促進(jìn)石 墨形成的元素(如硅等)時(shí)，在合金中便會(huì)直接自液體或奧氏體中析出石墨。實(shí)踐證明，成分相同的合金在冷卻時(shí)，冷卻速度愈快，析出滲碳體的可能性愈大；冷卻速度愈慢，析出石墨的可能性愈大。

隨著新型孕育劑的加入,球墨鑄鐵梯形試塊的厚度由50mmm減少到10mm,其硬度值從177.0N/mm2增加到232.7N/mm硬度值增加了55.7N/mm相對(duì)于添加前的從165.7N/mm2增加到236.3N/mm增加了70.6N/mm增加的幅度較小,這說明由于厚度的變化引起的斷面敏感性較小,這就為生產(chǎn)厚大變截面球鐵件提供了一種的復(fù)合新型孕育劑,使不同厚度部位的力學(xué)性能都能達(dá)到要求。 掃描電鏡和能譜分析的結(jié)果表明,在不同牌號(hào)的球鐵鐵水中添加這種新型孕育劑后,從球墨鑄鐵中萃取出來的石墨球絕大多數(shù)呈現(xiàn)出近似圓球的形狀,而不添加新型孕育劑時(shí)石墨球有很多呈現(xiàn)出各種典型的不圓整狀態(tài),比如,蠕蟲狀、橢球狀、棒狀等。由此可見,新型孕育劑的添加有利于石墨球圓整度的提高。
接著我們采用萃取球墨-壓扁法、層磨法、高溫?zé)Y(jié)后石墨球核心物質(zhì)的分析等各種途徑對(duì)石墨球核心物質(zhì)的分析可以得出,量元S、Bi等在石墨球形核的過程中起著至關(guān)重要的作用,正是它們與鐵水中的各種金屬元素發(fā)生反應(yīng)生成各種氧化物、硫化物以及金屬間化合物等,增加了石墨球形核的核心,從而達(dá)到增加石墨球數(shù)量,提高其圓整度的作用。 透射電鏡研究結(jié)果表明,石墨的核心物質(zhì)可能是一個(gè)顆粒,也可能是兩個(gè)顆粒連在一起共同作為石墨核心,其尺寸大都為2-3um,由選區(qū)電子衍射圖譜標(biāo)定的結(jié)果可知,核心物質(zhì)確實(shí)存在γ-MnS。綜合XRD、EDS以及TEM的測(cè)試結(jié)果,我們推斷石墨核心的發(fā)源地為Mn、Ca、Mg等的硫化物以及金屬間化合物CeBi,外層為頑輝石MgO·SiO2及鎂橄欖石2MgO·SiO通過孕育處理引入Ca后,反應(yīng)生成了六方硅酸鹽CaO·SiOCaO·Al2O3·2SiO它們與石墨的晶格失配度較低,石墨可以在其表面上形核析出。

球墨鑄鐵是工業(yè)上應(yīng)用廣泛的金屬材料之球墨鑄鐵以其度、高塑韌性、良好的抗疲勞能力和鑄造性能以及較低的生產(chǎn)成本而應(yīng)用越來越廣泛,并逐步替代鑄鋼件。孕育處理是球鐵生產(chǎn)中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié),其目的在于增加石墨球的數(shù)量、提高其圓整度、細(xì)化石墨球、防止球化衰退、降低白口傾向、防止在共晶團(tuán)間形成自由滲碳體等。 球墨鑄鐵在生產(chǎn)中普遍應(yīng)用的孕育劑是75硅鐵,但其孕育效果較差,為自由滲碳體,需要加入量較大,然而為了控制終硅量,則必須降低原鐵水的含硅量,這就給回爐料的利用帶來了一定難度。而孕育效果非常強(qiáng)的孕育劑,加入較少的量就能達(dá)到和普通孕育劑相同的孕育效果,而且增硅也少,這樣就可以適當(dāng)?shù)靥岣咴F水的含硅量,進(jìn)而提高了對(duì)回爐料的利用率,從而降低生產(chǎn)成本。
本論文通過反復(fù)試驗(yàn)研制出一種由Fe2OFeS、Bi2OCaSi四種物質(zhì)組成的新型復(fù)合孕育劑,為了確定孕育劑中各種物質(zhì)的佳成分配比,我們通過向牌號(hào)為QT500-7的球鐵鐵水中加入此種孕育劑進(jìn)行了三因素三水平的正交試驗(yàn)。通過對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析確定出孕育劑中各成分的佳配比。然后繼續(xù)探討了這種新型孕育劑對(duì)球墨鑄鐵觀組織和力學(xué)性能的影響。 研究結(jié)果表明,新型復(fù)合孕育劑的主要成分組成為：Bi%,余量為Ca,其加入量為鑄件重量的0.1wt%,在向牌號(hào)為QT450-10的球鐵鐵水中加入此種新型孕育劑后球鐵組織中的石墨球數(shù)明顯增多,由264個(gè)/mmm2增加至325個(gè)/mm石墨球數(shù)的增多有助于鐵素體含量的增加,另外球化級(jí)別也由添加前的4級(jí)提高到3級(jí),從而使鑄件達(dá)到較好的綜合力學(xué)性能,尤其是伸長(zhǎng)率得到了很大的提高