硫和氧在球墨铸铁中的应用

对灰铸铁而言，经熔炼过程制得的铁液中含有适量硫和氧，是此后进行有效孕育处理的重要条件，是不可缺少的。

目前，对铸铁孕育作用的机制尚未完全认识，仍存在多种说法。其中，非金属夹杂物成核说已得到广泛的认同。通常用于铸铁的孕育剂，以硅为主要成分，还含有少量铝、钙、锆、钡等元素。浇注前向铁液中加入孕育剂后，其中的活性元素与铁液中含有的硫、氧作用，生成大量微细的氧化物、硫化物和硫氧复合化合物，弥散于铁液中。在灰铸铁铁液的共晶凝固过程中，这些夹杂物能作为石墨的外来晶核，促进石墨生核、使共晶团细化。

因此，灰铸铁孕育处理前的原铁液中，硫含量不宜低于0.06%，**保持在0.06%～0.08%之间。原铁液中硫含量很低时，还有必要故意加入‘硫化亚铁’使其增硫；氧含量，一般在20×14-4%～30×10-4%之间。

对球墨铸铁而言，硫和氧都是有害元素。特别是硫，属于作用很强的反球化元素，只在原铁液中的含量降低到0.02%以下，才能保证石墨的球化良好，采用型内球化工艺时，还应使硫含量降低到0.01%。因此，降低原铁液中的硫含量，是进行球化处理的前提。生产球墨铸铁件时，必须严格控制炉料，以确保铁液中的硫含量低，必要时应进行炉外脱硫作业。

在球墨铸铁原铁液中加镁进行球化处理时，镁与铁液中的硫和氧发生反应，生成MgS和MgO。有资料说，加镁后可使铁液中的硫含量降低80～90%，氧含量降低40～50%。可见，铁液中的硫、氧含量高，将使球化剂中的镁大量损失，导致球化作用难以控制，而且会造成大量熔渣。所以，生产球墨铸铁件时，对硫和氧都是避之尤恐不及的。

既然如此，在灰铸铁中有促进石墨生核作用的氧化物、硫化物和硫氧复合化合物，在球墨铸铁中可否起同样地作用？如何才能利用这种作用？是大家所关心的问题。

根据一些研究工作的结果，氧化物、硫化物和硫氧复合化合物在球墨铸铁中同样也能作为球状石墨的外来晶核。如果运用得当，将含硫、氧的孕育剂用于球墨铸铁，可多方面地改善球墨铸铁的性能，如：

·石墨球的尺寸减小，数量增多、球化率提高；

·减轻铸铁的白口倾向，有利于制造薄壁球墨铸铁件；

·生产厚壁铸件时，可减轻晶间偏析，提高铸件质量；

·生产厚壁铸件时，可减轻或防止石墨漂浮；

·使铸铁组织中铁素体量增多；

·减少铸铁凝固过程中的收缩，铸件产生缩松、缩孔的倾向小。

在灰铸铁中可作为石墨外来晶核的氧化物、硫化物和硫氧复合化合物，在球墨铸铁中的情况就很不相同。化学活性很强的镁能使其中的大部分还原，生成MgS和MgO进入熔渣，因而，不足以为球状石墨的形成提供有效的生核条件。

因此，对于球墨铸铁而言，能作为球状石墨外来晶核的氧化物、硫化物和硫氧复合化合物，在热力学上应比镁的氧化物和硫化物更为稳定。

在铁液温度下，常用于处理铸铁的合金元素中，铈、钙与硫、氧的亲和力大 于镁。因而，使铈、钙与硫、氧结合不失为一种可取的方案。

铈可与硫、氧结合，形成的化合物有CeS、Ce2O3、Ce2O2S等，这些化合物在1500℃左右是稳定的，尺寸约为1～3μm，密度约为6.5 g/cm3，基本上呈球形，可以弥散分布于铁液中、作为石墨的外来晶核，而且研究工作中已见到球状石墨的心部有这类化合物。

钙的化合物对球状石墨的生核也有十分重要的作用。

用于球墨铸铁的原铁液中硫含量都很低，而且往往要进行炉外脱硫作业，很难稳定地将硫含量控制在很窄的范围内。原铁液中的氧含量也难以准确地控制。 因此，生产球墨铸铁件时，要利用硫化物和氧化物作为球状石墨的外来晶核，可行的方法之一是将硫、氧和铈、钙都配合于孕育剂中。

适用于球墨铸铁的、含铈、钙、硫、氧等多种元素的孕育剂，欧洲早已有商品供应，且有多种规格的产品以适应不同的生产条件。这类孕育剂，主要成分仍是硅，但配有细微而分散的氧化物和硫化物，因而外观多呈黑色颗粒状。表1中列出了其中一种的化学成分，由此可见这类孕育剂的大致情况。

这种孕育剂加入铁液以后，铈、钙与孕育剂本身所含的硫和氧反应，也与铁液中残留的硫和氧反应，产生硫化物、氧化物和硫氧复合化合物。这些化合物同样可作为球状石墨的外来晶核，对石墨的生核有重要的作用。铈还可以与其他微量元素作用，形成稳定的金属间化合物，抑制其有害的影响。采用这类孕育剂，如果处理、控制得当，就可以得到前节所列的效果。

由于这类孕育剂中含有铈和钙，产生的硫化物、氧化物和硫氧复合化合物的稳定性好，用于球墨铸铁时，可在加镁处理之前作为预处理剂加入，加入镁后绝大部分仍能保持，不致被镁所还原。

由于这类孕育剂中含有硫和氧，即使在加镁处理之后、铁液中硫、氧含量很低时加入，也能形成硫化物、氧化物和硫氧复合化合物，作为石墨的外来晶核。因此，也可在球化处理后用于浇注过程中的瞬时孕育。