1.孕育对球墨铸铁的重要性

铁液球化处理后，硫氧含量明显降低，纯净度显著提高，核心减少。此外，铁液中存在的残余镁使过冷度增大（见图1）。所以，只球化而不孕育的球墨铸铁熔液，石墨核心数少，白口倾向严重，力学性能不好，加工困难，因而球化处理后必须进行孕育。另外，孕育还可提高石墨球的圆整度，改善球化率，辅助石墨成球。孕育是使石墨球数量明显增加的重要手段，是改善球墨铸铁品质的首选方法。

图1   铁液中碳、硅浓度不均匀现象

2.灰铸铁、球墨铸铁孕育的异同点

片状石墨、球状石墨有着相同的形核物质与形核机制，使用的孕育元素基本类同，大多数的孕育剂对灰铸铁与球墨铸铁可以通用。但因为两种铁液的硫氧含量、原始核心状态、核心成分（球墨铸铁含稀土、Ce、La及Mg）以及铁液的过冷度不同，孕育效果会出现差异。

由于球墨铸铁铁液的过冷度远比灰铸铁大，所以，孕育效果明显优于灰铸铁。如纯硅对灰铸铁的孕育效果很弱，但对球墨铸铁却可显示出一定的孕育能力；含Sr硅铁增加球墨数十分有效，却不增加灰铸铁的共晶团数，说明某些对球墨铸铁是好的孕育剂，对于灰铸铁则不一定产生好的效果。Loper估计，在硅铁孕育后的球墨铸铁中存在有大于1000~10000个/mm²的活性晶核，其中有效核心比灰铸铁多得多。

衡量球墨铸铁孕育效果的方法是观察石墨球数的增加状况以及衰减时间长短。检查灰铸铁孕育好坏则是根据抑制白口倾向的能力、提高共晶团数、改善断面敏感性、提高力学性能以及抗衰减时间等多种指标进行评定。

提高孕育效果的措施有：①选择强效孕育剂。在以硅铁为基的孕育剂中最好含少量的Al、Ca、Ce、Sr、Ba等元素。②保证球化后铁液必要的含S量。过低的含S量不利于提高球数，对球化后含w（S）= 0.005%的铁液，用FeS₂进行后孕育使硫提到w（S）= 0.012%，发现石墨形状不受影响，但石墨球数却由528个/mm²增加到585个/mm²。③改善处理方法。尽量缩短孕育至凝固的时间，因为所有孕育剂的孕育效果都在刚加入瞬间为最大，之后立即发生衰退，不存在衰退的酝酿期。④提高铸件冷却速度。

Skaland根据石墨核心的双重结构新模型，设计并生产了一种高效孕育剂Utraseed，它与传统孕育剂的区别是除Fe-Si金属颗粒之外，还添加了一定的S、O非金属组分以补充原球墨铸铁铁液中为获得大量核心时S、O的不足。具体成分为：w（Si）= 70%~76%，w（Ca）= 0.75%~1.25%，w（Ce）= 0.75%~1.25%，w（Al）= 0.75%~1.25%，S和O质量分数小于1%，Fe余量。这种孕育剂球数多、球形好、无碳化物、无缩孔，在转包处理、喂丝法、液流处理工艺中都得到成功应用。

3.孕育衰退

孕育效果随液态停留时间的延长而逐渐消失，这种现象称为孕育衰退。球墨铸铁的孕育作用时间约为12~15min。孕育衰退现象依保温时间加长、处理温度过高、搅拌严重、孕育剂粒度过细、白口炉料增多、原铁液含硫氧偏高而加重。孕育衰退的根本原因是异质核心的减少与失效。衰退的机理与各种夹杂物的具体成核机制有关，是成核的逆过程。目前存在有如下几种衰退理论：

（1）夹杂物粒子粗化：细小的夹杂物（1~4μm）在铁液内部随对流而不停运动，液态停留时间过长会增多颗粒碰撞机会，使粒子粗化。粒子粗化经历三个过程：①碰撞。②扩散。③结合。粗化后的粒子直径d由Wagner方程决定：

式中 d₀—起始粒子直径；

      σ—粒子/液相界面能；

         D—元素扩散率；

         C—元素的体积浓度；

       V_N—夹杂物相的摩尔体积；

         R—气体常数；

         T—温度；

          t—液态保持时间。

可见，粒子粗化与液态保持时间成正比。除时间因素外，粒子的粗化还与界面能、元素扩散率及含量有关。

（2）浓度起伏与温度起伏消失：孕育处理时，熔液中形成很多分散的高Si微区及过饱和C原子显微集团，此外，也出现许多温度波动。图2给出经孕育后保温的液淬试样的碳、硅浓度分布。成分和温度的不均匀现象（又称浓度起伏及温度起伏）对石墨形核有积极的促进作用。随液态保持时间延长，由于扩散使得浓度起伏现象逐渐消失。同时，温度起伏也会随时间推移而逐渐减小，最终降低石墨核心数量。

图2   孕育对灰铸铁、球墨铸铁过冷度的影响

（3）铁液再氧化：Orths认为，孕育处理即铁液脱氧过程，孕育衰退就是铁液的再氧化。孕育处理时脱氧反应产生大量SiO₂，化合氧上升使溶解氧下降，核心数量增多，石墨化作用增强。处理后的铁液，随时间延长大气中的氧重新进入，溶解氧再度升高。当铁液再氧化时，SiO₂的表面受到污染，于是，作为石墨晶核的作用逐渐消失，共晶团数明显减少。表1示出铁液溶氧量、共晶团数随液态保持时间的变化的关系。

表1   铁液保温时间与溶氧量、共晶团数的关系