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什么是球墨铸铁2012-04-19 字号:T|T

  在河南巩县铁生沟西汉中、晚期的冶铁遗址中出土的铁,经过金相检验,具有放射状的球状石墨,球化率相当于现代标准一级水平。而现代的球墨铸铁则是迟至1947年才在国外研制成功的。我国古代的铸铁,在一个相当长的时期里含硅量都偏低,也就是说,在约2000年前的西汉时期,我国铁器中的球状石墨,就已由低硅的生铁铸件经柔化退火的方法得到。这是我国古代铸铁技术的重大成就,也是世界冶金史上的奇迹。

  球墨铸铁以其优良的性能,在使用中有时可以代替昂贵的铸钢和锻钢,在机械制造工业中得到广泛应用。国际冶金行业过去一直认为球墨铸铁是英国人于1947年发明的。西方某些学者甚至声称,没有现代科技手段,发明球墨铸铁是不可想象的。1981年,我国球铁专家采用现代科学手段,对出土的513件古汉魏铁器进行研究,通过大量的数据断定汉代我国就出现了球状石墨铸铁。有关论文在第18届世界科技史大会上宣读,轰动了国际铸造界和科技史界。国际冶金史专家于1987年对此进行验证后认为:古代中国已经摸索到了用铸铁柔化术制造球墨铸铁的规律,这对世界冶金史作重新分期划代具有重要意义。

  1947年英国H. Morrogh发现,在过共晶灰口铸铁中附加铈,使其含量在0.02wt%以上时,石墨呈球状。1948年美国A. P. Ganganebin等人研究指出,在铸铁中添加镁,随后用硅铁孕育,当残余镁量大于0.04wt%时,得到球状石墨。从此以后,球墨铸铁开始了大规模工业生产。

  球墨铸铁作为新型工程材料的发展速度是令人惊异的。1949年世界球墨铸铁产量只有5万吨,1960年为53.5万吨,1970年增长到500万吨,1980年为760万吨,1990年达到915万吨。2000年达到1500万吨。球墨铸铁的生产发展速度在工业发达国家特别快。世界球墨铸铁产量的75%是由美国、日本、德国、意大利、英国、法国六国生产的。

  我国球墨铸铁生产起步很早,1950年就研制成功并投入生产,至今我国球墨铸铁年产量达230万吨,位于美国、日本之后,居世界第三位。适合我国国情的稀土镁球化剂的研制成功,铸态球墨铸铁以及奥氏体-贝氏体球墨铸铁等各个领域的生产技术和研究工作均达到了很高的技术水平。

(1)铸态珠光体球墨铸铁曲轴和铸态铁素体球墨铸铁汽车底盘零件分别在我国第二汽车厂、南京汽车厂和第一汽车厂相继投产。这标志着我国铸态球墨铸铁生产达到了较高水平。与之相适应的包外脱硫、双联法熔炼、瞬时孕育、孕育块技术以及音频检测和热分析快速分析等技术的采用,则标志着我国大量流水生产汽车铸件的技术水平与国际先进水平的差距正在缩小。
(2)试验研究了大断面(壁厚大于120mm)球墨铸铁的冶金因素以及相应的生产工艺措施。采用适量的钇基重稀土复合球化剂、强制冷却、顺序凝固、延后孕育,必要时添加微量锑、铋等可防止球墨铸铁件中心部位的石墨畸变和组织疏松等,现已成功地制作了38吨重的大型复杂结构件,17.5吨重的柴油机体、截面为805mm的球墨铸铁轧辊等。(3)奥氏体-贝氏体球墨铸铁的研究与应用。20世纪70年代初,几乎同时中国、美国、芬兰3个国家宣布研究成功了具有高强度、高韧性的奥氏体-贝氏体球墨铸铁(国际上统称ADI),这种材质的抗拉强度达1000MPa,因此它广泛应用于齿轮以及各种结构件,与合金钢相比,奥-贝球墨铸铁具有显著的经济效益和社会效益。
(4)球墨铸铁管和水平连续铸造球墨铸铁型材。我国已相继建成几个球墨铸铁管厂,且近几年还将有几个球墨铸铁管厂建成。2000年,我国年产离心铸造球墨铸铁管达90万吨。此外,我国自行研制的水平连续铸造球墨铸铁型材生产线已通过国家鉴定,并已有多家企业投产。再加上我国引进的一条生产线,至2002年,我国年产球墨铸铁型材的能力达数万吨。
(5)系统地测定了稀土镁球墨铸铁的力学性能及其他性能,为设计人员提供了有关数据。测定了稀土镁球墨铸铁的比重、导热性、电磁性等物理性能,结合金相标准研究了石墨和基体组织对球墨铸铁性能的影响规律。系统地测定了铁素体球墨铸铁在常温、低温、静态和动态条件下的各种性能。此外,还研究了稀土镁球墨铸铁的应力应变性能、小能量多冲抗力和断裂韧性,并开始用于指导生产。结合球墨铸铁齿轮的应用,还系统地研究了球墨铸铁的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度,以及球墨铸铁齿轮的点蚀、剥落机理等。
(6)稀土镁球墨铸铁。在高强度低合金球墨铸铁方面,除了对铜、钼研究较多外,还对镍、铌等进行了研究。在利用天然钒钛生铁制作钒钛合金球墨铸铁方面,国内一些单位进行了大量、系统的工作。中锰球墨铸铁虽然在性能上不够稳定,但多年来的系统研究与生产应用,取得了显著的经济效益。

  在耐热球墨铸铁方面,除了中硅球墨铸铁以外,系统研究了Si+Al总量对稀土镁球墨铸铁抗生长能力的影响。我国研制的RQTAL5Si5耐热铸铁用作耐热炉条的使用寿命是灰铸铁的3倍,是普通耐热铸铁的2倍,并与日本Cr25Ni13Si2耐热钢的使用寿命相当。

  高镍奥氏体球墨铸铁方面也取得了进展,它在石油开采机械、化工设备、工业用炉器件上均取得了成功的应用。

  在耐酸球墨铸铁方面,我国生产的稀土高硅球墨铸铁比普通高硅铸铁的组织细小、均匀、致密,由此,抗蚀性能提高了10%~90%,并且其机械强度也有显著改善。
(7)稀土在球墨铸铁中的作用。稀土能使石墨球化。自从H. Morrogh最先使用铈得到球墨铸铁以来,先后许多人研究了各种稀土元素的球化行为,发现铈是最有效的球化元素,其他元素也均具有程度不等的球化能力。

  结合国情,我国对稀土的球化作用进行了大量研制工作,发现稀土元素对常用的球墨铸铁成分(C3.6~3.8wt%,Si2.0~2.5wt%)来说,很难获得同镁球墨铸铁那样完整均匀的球状石墨;而且,当稀土量过高时,还会出现各种变态形的石墨,白口倾向也增大,但是,如果是高碳过共晶成分(C>4.0wt%),稀土残留量为0.12~0.15wt%时,可获得良好的球状石墨。

  根据我国铁质差、含硫量高(冲天炉熔炼)和出铁温度低的情况,加入稀土是必要的。球化剂中镁是主导元素,稀土一方面可促进石墨球化;另一方面克服硫以及杂质元素的影响以保证球化也是必须的。

  稀土防止干扰元素破坏球化。研究表明,当干扰元素Pb、Bi、Sb、Te、Ti等总量为0.05wt%时,加入0.01wt%(残余量)的稀土,可以完全中和干扰,并可抑制变态石墨的产生。我国绝大部分的生铁中含有钛,有的生铁中含钛高达0.2~0.3wt%,但稀土镁球化剂由于能使铁中的稀土残留量达0.02~0.03wt%,故仍可保证石墨球化良好。如果在球墨铸铁中加入0.02~0.03wt%Bi,则几乎把球状石墨完全破坏;若随后加入0.01~0.05wt%Ce,则又恢复原来的球化状态,这是由于Bi和Ce形成了稳定的化合物。

  稀土的形核作用。20世纪60年代以后的研究表明,含铈的孕育剂可使铁液在整个保持期中增加球数,使最终的组织中含有更多的石墨球和更小的白口倾向。经研究还表明,含稀土的孕育剂可改善球墨铸铁的孕育效果并显著提高抗衰退的能力。加入稀土可使石墨球数增多的原因可归结为:稀土可提供更多的晶核,但它与FeSi孕育相比所提供的晶核成分有所不同;稀土可使原来(存在于铁液中的)不活化的晶核得以长大,结果使铁液中总的晶核数量增多。

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