熔煉HT300機床鑄鐵，生產中出現沖天爐鑄件的強度硬度始終優于電爐，盡管鐵液五大元素基本相同，還對電爐鐵液增硫，但抗拉強度普遍相差30~20MPa，粗加工后床身導軌面硬度HB相差10~30。最終只好采取降低電爐鐵液的碳量，勉強滿足鑄件強度硬度要求。
過去普遍認為：電爐鐵液過熱溫度、化學成分、鐵液純凈度等比沖天爐好控制；鐵液凝固過冷度較大，晶粒細化；在原輔材料和鐵液處理完全一致的情況下，電爐鑄件的強度硬度應該比沖天爐好。經過一個多月沖天爐、電爐鐵液化學成分比對，發現主要區別在鐵液中鈦、氮含量。電爐含鈦量一般在0.035%～0.055%之間，而沖天爐含鈦量0.019%～0.025%之間。沖天爐鐵液氮含量在90～120ppm左右，而電爐鐵液氮含量低于100ppm。
當鐵液中氮含量高，鑄件冷卻時鐵素體就會被氮過飽和，室溫下隨著時間的延長，氮逐漸以Fe4N的形式析出，鑄件的強度和硬度上升，但塑性和韌性下降。鑄鐵中溶解氮量高，石墨化程度就低，析出的碳量少，生成的Fe3C增多。因此，氮促進鑄鐵生成珠光體，抑制基體中的鐵素體。沖天爐與中頻電爐熔煉高級別灰鑄鐵，必須根據原理制定鐵液處理工藝，解決高端灰鑄鐵的力學性能。空氣中的氮會溶解進入鐵液，N在鐵液中的平衡濃度約100×10-6。生鐵、廢鋼和增碳劑中的氮，也是增加鐵液含氮量的重要因素。
鐵液中含氮量大于110×10-6可以導致鑄件裂隙狀氮氣孔。含氮量極少的生鐵石墨粗大，并且會遺傳給后續生產的鑄鐵。鐵液中含氮量過低難于生成Fe3C,因此難于形成珠光體。珠光體是共析分解的鐵素體和碳化物間層界面結合，以一定比例配合的有機結合物。在極限含量以下，適當提高含氮量，有利于提高鑄鐵的珠光體量，從而提高強度。
但是，對于大型風電鑄件，采用全鐵素體基體的QT350-22、QT400-18，以期穩定獲得常溫和低溫沖擊韌性俱佳的鑄件，勢必消減鐵液的含氮量。Ti和Zr同屬元素周期表ⅣA族，具有很多相似的化學性質。例如它們都有較強的與N生成TiN和ZrN的固氮能力。
1.鈦和鋯對鐵液中氮的影響
冶金熱力學主要研究金屬液狀態變化、化學變化、組織變化，以及冶金反應的方向和限度。鐵液中溶解有合金元素和雜質，這些合金元素和雜質體現多元鐵液中各組元活度的相互影響力度。鐵液中Ti與Zr的加入，使N的活度作用系數減少，比Al、C、Cr、Cu、Mn、Mo、O、P、S、Si對N的活度作用系數減少到1～2個數量級，Zr又是Ti的2.3倍。可見鋯對鐵液中的氮，有很大的限制作用。
國產生鐵普遍含Ti量高，沖天爐的冶金反應可以降低鐵液中的鈦含量，電爐重熔鐵液不會降低鐵液鈦含量。所以Ti含量高，限制N的作用，減少珠光體，降低鑄鐵強度。
現代鑄鐵在優化石墨形態的基礎上，細化基體組織調節奧氏體，改善鑄鐵的潔凈度和斷面均勻性，從而提高鑄鐵的力學性能、韌塑性、疲勞強度、耐蝕性和降低冷脆轉變溫度等，擴大鑄鐵的使用性能，以適應高端裝備制造業對機械零件的特殊要求。
2.含鋯的孕育劑
資料表明：孕育處理就是在鐵液中加入孕育劑，以改變鐵液的冶金狀態，從而改善鑄鐵的結晶特征、金相組織和性能。而這些性能的改善不能用鐵液加入孕育劑后化學成分的變化來解釋。簡言之，孕育處理就是加入孕育劑以后產生大量晶核，減少結晶過冷度，改變石墨形態促進灰鑄鐵獲得A型石墨，促進球墨鑄鐵石墨球圓整，增加共晶團數和促進細片珠光體形成。長期以來鑄鐵工作者以改進石墨形態為契機，提高鑄鐵力學性能從而擴大應用范圍。
鋯與石墨化孕育劑聯合使用，能獲得具有高沖擊值和白口傾向低的高強度鑄鐵。鋯是脫氧劑，與鐵液中的硫、氧發生反應，有強固氮作用。微量鋯加入鐵液即能成為有效的石墨化元素，但超過一定量會成為強碳化物形成元素。
硅鍶鋯孕育劑是目前灰鑄鐵最好的孕育劑之一，國外應用廣泛，主要用作隨流孕育。鍶孕育元素具有最好的消除鑄件白口的能力，不明顯增加共晶團數，孕育后鑄件產生縮孔和縮松趨向最小；鋁含量極低，減少鑄件針孔幾率。因此適合汽車類鑄件，特別是發動機缸體缸蓋的生產。固氮元素之一的鈦是反球化元素，灰鑄鐵含鈦量高影響加工性能、加劇刀具磨損，因此硅鋯就成為保證全鐵素體基體，獲得冷態高沖擊值，具有生成細化枝晶，鑄造高強度鐵素體球鐵鑄件的理想孕育劑。
鋯在鐵液中形成ZrC作為石墨結晶核心，改善石墨組織減小白口傾向，獲得均勻細小的A型石墨。含錳的硅鋯孕育劑，由于熔點低在鐵液中熔化快，適合大型鑄件的澆注溫度。硅鋯孕育劑的加入，可以消除氮的負面影響。Ti、Zr、Hf是元素周期表過渡元素ⅣB族金屬元素，1956年迪多夫發表的鋯的熔點為1855±15℃，Zr為典型彌散相元素，穩定性比鈦弱比鉿強。在合金中，尺寸為0.01～0.1μm的彌散相，抑制金屬再結晶和晶粒長大，從而細化晶粒強化合金性能。Zr或固溶于基體中，或在加入Zr后生成Al3Zr、ZrN、ZrC等細小質點彌散，條狀分布在鐵素體枝晶上，與基體共格釘扎位錯，阻礙枝晶長大及晶界遷移，生成細化的枝晶和細晶粒。
對于灰鑄鐵，起孕育作用的元素是碳、鋁、鈣、鍶、鋯、鈦、鋇、鎂和稀土，硅僅作為這些孕育元素的載體，并使其在鐵液中迅速溶解分散。這使我們聯想到工業純硅不能孕育的原因。
3.鋯與鑄鐵微合金化
鋼鐵冶煉的喂絲、合金化、微合金化、潔凈鋼、預處理等技術，都被引入鑄鐵的鐵液處理，用以改善鑄鐵的質量。進入21世紀，煉鋼采用BOF吹煉+RH真空循環脫氣等先進的冶煉技術降低鋼中碳含量，加入鈦鈮固定碳、氮元素，從而得到無間隙原子的純凈的鐵素體鋼（簡稱IF鋼）。新一代汽車用高強度和復雜的冷深沖成形超低碳薄板鋼，已經取代沸騰鋼（第一代沖壓用鋼08F）和鋁鎮靜鋼（第二代沖壓用鋼08Al）。
金屬材料的屈服強度隨晶粒尺寸的減小而增大，晶粒細化是提高金屬材料強度但又不損害韌性的唯一方法。鑄鐵的微合金化，主要是促進生成并細化珠光體，強化鐵素體。微合金化元素的加入，可以提高灰鑄鐵碳硅當量，改善鑄造性能。在臨界溫度A1以下，處于不穩定狀態的奧氏體稱為過冷奧氏體。過冷奧氏體的分解產物是珠光體。多元體系中，溶質相互影響，活度系數往往1+1大于2。如果把強碳化物形成元素、中強碳化物形成元素、弱碳化物形成元素、非碳化物形成元素和內吸附元素有機的結合起來，則能夠成百千倍的提高奧氏體的穩定性。奧氏體共析分解，增加合金因素，形成合金滲碳體或特殊碳化物，則需碳化物形成元素也擴散和重新分布，這樣合金元素在奧氏體中擴散速度緩慢，是推遲共析轉變的重要因素。鑄鐵中的溶解氮是阻礙石墨化的因素，硫量較高的鐵液氮的溶解速度低，鑄鐵中硅高也明顯降低溶解氮。然而風電類大斷面球墨鑄鐵鑄件為降低韌脆溫度，恰恰含硅量必須較低，含硫量通常也控制的很低。鑄鐵中即使含鉛量為0.0007%，也會產生魏氏石墨。粗大的奧氏體晶粒將促進魏氏組織鐵素體的形成。鑄鐵中的鉛來源于搪瓷廢鋼、油漆、易切削廢鋼、銅（非電解銅）、發動機積垢、鍍鉛鋼板等，鑄鐵中無論含鉛量多少，都是有害的。加入鋯以后加強石墨化和細化枝晶、晶粒，可以避免形成針狀鐵素體。
4.潔凈鐵液
潔凈鐵液就是冶金質量高的鐵液。鐵液純凈度考核：①鐵液中非金屬及有害元素硫、磷含量；②氣體元素氮、氫、氧含量；③非金屬夾雜物和微量干擾元素含量。鑄鐵含氧量過高，增加非金屬夾雜物，降低塑性、韌性和疲勞壽命。鋯的性質與稀土金屬相似，國外鋼鐵冶金企業對鋯的應用很重視。研究證明，1650℃時鋯的脫氧能力強于鋁，只需加入少量的鋯終脫氧，便可以得到含氧量極低的鋼。因此，工業發達國家鑄造熔煉出鐵溫度保持在1520~1550℃，隨著過熱溫度的提高，鐵液中含氮量、含氫量略有上升，但1450℃以后的氧含量大幅度下降，鐵液的純凈度得到提高。鑄鐵中的氫主要來自鐵液與鑄型水分的化學反應，起阻礙石墨化的作用，溶解氫量增大鑄鐵結晶的過冷度，從而增大白口傾向。鎂、鋯、稀土可以降低鐵液的含氫量。鋯在鐵液中生成ZrC、Al3Zr、ZrN降低鐵液溶解氮，增加析出和細化奧氏體枝晶。
現代制造業80%以上金屬結構件的破壞是由疲勞失效引起，鑄鐵凝固產生的渣孔、氣孔和集聚晶界的低熔點微量元素，都是鑄鐵結構件中的疲勞源或斷裂點。當N含量＜90ppm時，灰鑄鐵件不會產生這種氮析出氣孔。Ca、Ba、FeSi的孕育，枝晶數量減少，長度變短。硅鋯錳復合孕育劑孕育顯著增加奧氏體核心，使初生奧氏體數量增多。鑄鐵中的夾雜物、Fe3P、磷共晶和FeS型的偏析相、石墨、滲碳體及碳化物、金屬間化合物等的韌性比基體韌性差，稱為脆性相。鑄鐵中的硫化錳夾雜物，可以通過加入稀土、鋯等元素將長條狀硫化錳球化變質，提高鑄鐵的斷裂韌度。
國外有學者將鐵液非金屬夾雜物分為三類：Ⅰ類是鐵錳氧化物、球狀硫化物；Ⅱ類是薄膜狀或鏈狀分布的硫化物；Ⅲ類是Al2O3、棱角狀硫化物和形狀不規則的氧硫化物。薄膜狀或鏈狀分布的硫化物，降低鑄鐵的抗拉強度；棱角狀硫化物和不規則形狀的硫氧化物，是材料疲勞源和應力集中的裂紋源。
改善鑄鐵內部非金屬夾雜物的有效辦法：一是提高鑄鐵冶金質量，提高鐵液的潔凈度。二是改善鑄鐵中非金屬夾雜物的形態和分布。硅系鈣、鍶、鋇、鋯錳、稀土復合孕育劑進行球化變質處理，可以改善Ⅱ類、Ⅲ類非金屬夾雜物形態和尺寸，獲得Ⅰ類球狀氧硫化物的復合夾雜物。適量稀土能夠減少夾渣和縮松。
5.結束語
硅鋯錳復合孕育劑中鋯在鐵液中生成ZrC、Al3Zr、ZrN降低鐵液溶解氮，生成大量結晶核心，增加析出和細化奧氏體枝晶，增加石墨結晶核心促進鐵液石墨化，促進穩定獲得鐵素體基體，提高鑄鐵的強度。
鋯、鍶、鋇的碳化物和氧化物，晶格常數與石墨接近，它們與氧的親和力較弱，滯后發生氧化反應。資料認為：“孕育處理即鐵液脫氧過程，孕育衰退就是鐵液的再氧化過程”，因為鋯、鍶、鋇的硅系孕育劑有上述優點，所以抗孕育衰退能力都很強。硅鋯復合孕育劑有效消除鑄件白口，使灰鑄鐵獲得A型石墨。鋯對鐵基金屬的作用還有待更深入的研究和探討。
