球墨鑄鐵與球化劑的現(xiàn)狀和發(fā)展

1、球墨鑄鐵與球化劑的現(xiàn)狀和發(fā)展 盛達(dá) 球墨鑄鐵問(wèn)世至今已有52年，其發(fā)展迅速之快令人驚訝，即使在經(jīng)濟(jì)不景氣的情況下，球鐵仍然有所發(fā)展，有人稱(chēng)球墨鑄鐵為不適當(dāng)退卻中的勝利者，指出：球墨鑄鐵由于其高強(qiáng)度、高韌性和低價(jià)格，所以在材料市場(chǎng)上仍占有重要的地位，盡管幾年來(lái)鋼鐵鑄造總產(chǎn)量有所下降，但球鐵產(chǎn)量并未下降，奧貝球鐵的出現(xiàn)增強(qiáng)了球鐵的競(jìng)爭(zhēng)地位。1   球鐵的生產(chǎn)和研究現(xiàn)狀 目前世界上球鐵產(chǎn)量（1996）年達(dá)到13，97，291噸（未包括俄羅斯）一直保持在較高的水平上，世界各主要國(guó)家球鐵產(chǎn)量見(jiàn)表1。  表1 世界各國(guó)主要國(guó)家球鐵產(chǎn)量1 （1996年）   鑄造廠家

2、球鐵產(chǎn)量球鐵/灰鐵%球鐵/鑄件總量%美國(guó)日本中國(guó)德國(guó)法國(guó)英國(guó)中國(guó)臺(tái)灣2,9501,41810,9977805073464,034,0002,140,5401,434,9231,506,000869,192484,000270,74666.7070.5120.6652.4690.4164.9532.3128.6630.7713.1626.8638.2931.2626.85世界總產(chǎn)量（未包括俄羅斯）22038未包括臺(tái)灣13,197,29133.2619.441.       1常規(guī)球鐵 目前常規(guī)球鐵即以鐵素體和珠光體為基體的球鐵仍占球鐵產(chǎn)

3、量中的絕大部分比例，因此注意提高常規(guī)球鐵的性能和質(zhì)量，在保持球鐵的競(jìng)爭(zhēng)地位中起了重要的作用。11   1對(duì)影響球鐵質(zhì)量的因素加強(qiáng)控制球鐵的組織與性能取決于鑄鐵的成份和結(jié)晶條件以及所用球化劑的質(zhì)量，研究認(rèn)為為了確保球鐵的機(jī)械性能，必須針對(duì)鑄件具體壁厚、澆注溫度、所用球化劑、球化處理工藝、冷卻參數(shù)的優(yōu)化以及有效的排渣措施進(jìn)行嚴(yán)格控制，而適當(dāng)?shù)慕档吞籍?dāng)量，合金化和熱處理是改善球鐵的有效措施。 112有效控制鐵素體球鐵和球光體球鐵的生產(chǎn)2 控制球鐵基體的主要因素有鑄鐵的成份、所用球化劑、孕育劑的類(lèi)型，加入方法以及冷卻條件等。 鑄態(tài)鐵素體球鐵的成份控制微過(guò)共晶成份，其中碳稍高，但不出

4、現(xiàn)石墨漂浮，含硅稍低，孕育劑硅量應(yīng)少于3%，錳越低越好，應(yīng)使Mn<0.04%，硫、磷應(yīng)低，使S0.02%、P.，這是因?yàn)楣杩筛纳魄蜩F組織和相應(yīng)的塑性，Si=3.03.5%可得到全部鐵素體組織。有研究指出，Si=2.6.時(shí)，鑄鐵具有最高的延伸率和沖擊韌性，但硅在鐵中的顯微偏析隨著含磷量的增加，這種偏析越嚴(yán)重，并對(duì)機(jī)械性能有不良影響，特別是當(dāng)溫度低于零度時(shí)影響更大，而含硫低可以選用低鎂低稀土球化劑球化，并減少“黑斑”缺陷的產(chǎn)生，而“黑斑”主要是鎂、鈰硫化物和氧化物的聚集物，此外也要用低硅球化劑以保證可以進(jìn)行多次孕育。對(duì)珠光體球鐵而言，在生產(chǎn)時(shí)鑄鐵成份中錳可提高至.，有些鑄件如果是用作耐磨性曲

5、軸時(shí)，錳可提高至.，生產(chǎn)鑄態(tài)珠光體元素銅。加入量大于1.8%時(shí)，它阻礙石墨球化，但促進(jìn)基體完全珠光體化，一般球鐵中銅含量應(yīng)小于1.5%，錫是強(qiáng)烈的珠光體化元素，其對(duì)硬度的影響大于銅和錳，但Sn1.0%時(shí)使石墨畸變，因此其含量應(yīng)限制在0.08以下。1.1.   3稀土在球鐵中的作用稀土能促進(jìn)鎂合金的球化效果（球化率和球的圓整度），它對(duì)壁厚球鐵件中防止球狀石墨畸變的效果受到了重視，這也是國(guó)內(nèi)外球化劑中都包含稀土的主要原因之一。在鑄件中有些元素能破壞和阻礙石墨球化，這些元素即所謂的球化干擾元素，干擾元素分為兩類(lèi)，一是消耗球化元素型干擾元素，它們與鎂、稀土生成MgS、gO、MgSe

6、、RE2O3、RE2S3、RE2Te3等，使球化元素降低從而破壞了球狀石墨形成；另一類(lèi)是晶間偏析型干擾元素，包括錫、銻、砷、銅、鈦、鋁等在共晶結(jié)晶時(shí)，這些元素富集在晶界，促進(jìn)使碳在共晶后期形成畸形的枝晶狀石墨，球化干擾元素原子量越大，其干擾作用越強(qiáng)，現(xiàn)在許多研究都已找到了干擾元素在鑄鐵中的臨界含量，當(dāng)這些元素含量小于臨界含量時(shí)，并不能形成畸變石墨。在有干擾元素的鑄鐵中，加入稀土可消除其干擾作用，有研究報(bào)告指出在鑄鐵中干擾元素之和應(yīng)小于0.10即z=Ti+Cr+Sb+V+As+Pb+Zn+<0.10%有研究指出，中和鐵水中的l、b、I、Pb、Bi、等只要分別加入.0050.04%Ce即可，

7、例如，中和Ti、Pb、Sb、Al等只要分別加入0.0050.007%、0.014%、0.15%和0.008%的Ce即可。干擾元素在鑄件壁厚，冷卻速度慢的情況下破壞作用更大。干擾元素對(duì)球鐵基體也有影響，Te、B強(qiáng)烈促進(jìn)白口形成，Cr、As、Sn、Sb、Pb、Bi穩(wěn)定珠光體，l、Zr促進(jìn)鐵素體。值得注意的是，目前正在發(fā)展一些球化元素與干擾元素復(fù)合球化劑，以改善大斷面球鐵的處理效果及石墨球的圓整度。1.1. 4球鐵檢測(cè)加強(qiáng)球鐵檢測(cè)是保證其質(zhì)量的重要措施，目前正在研究發(fā)展線分析，即產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行分析，以確定其質(zhì)量，已有不少單位在大批量生產(chǎn)條件下利用超聲波對(duì)鑄件質(zhì)量進(jìn)行分析。在利用超聲波測(cè)定鑄鐵組

8、織時(shí)，片狀石墨的聲速為4500m/s、蠕墨鑄鐵為5400m/s、球墨鑄鐵5600m/s，此外在鑄鐵中高頻衰減率的變化也可判斷鑄鐵類(lèi)型，球鐵中心頻率為5MHz而片狀鑄鐵僅為1.5MHz。目前還有單位正在用超聲波作球化級(jí)別的測(cè)定，已可測(cè)定合格的球化級(jí)別和不合格的產(chǎn)品（級(jí)和級(jí)之間），但還不能進(jìn)行更細(xì)分級(jí)測(cè)定，此方法正在完善中。             奧貝球鐵 20世紀(jì)70年代，荷蘭、中國(guó)、美國(guó)彼此獨(dú)立地，幾乎是同時(shí)宣布各自研究成功了貝氏體球鐵，中國(guó)研究成功的是下貝氏體，美國(guó)為下貝

9、氏體馬氏體，荷蘭為上貝氏體奧氏體，荷蘭成果最具代表性，即現(xiàn)在所稱(chēng)的奧貝球鐵。1977年M.Jokason宣布荷蘭的Kgmi Kgmmene公司所屬的karkkila鑄造廠開(kāi)發(fā)了一種特性優(yōu)異的新型鑄鐵，即奧貝球鐵，并在1978年召開(kāi)第45屆國(guó)際年會(huì)上宣讀了有關(guān)論文，此一發(fā)明在美、英、法、加等3個(gè)國(guó)家申請(qǐng)了專(zhuān)利（美國(guó)專(zhuān)利號(hào)：3860457，荷蘭專(zhuān)利1996/72，原西德專(zhuān)利2852870），引起了各國(guó)重視，被譽(yù)為近幾十年來(lái)鑄鐵冶金中的重大成就之一。奧貝球鐵兼?zhèn)涓邚?qiáng)度、高韌性和高耐磨性。如英國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)有NE-GJS-800-8，EN-GJS-1000-5，EN-GJS-1400-1，它的性能見(jiàn)表。表部

10、分國(guó)家?jiàn)W貝球鐵性能牌號(hào)b(MPa)(MPa) b(%) HB英國(guó)EN-GJS-800-88005008260320EN-GJS-1000-510007005300360EN-GJS-1200-212008502340440EN-GJS-1400-114001101380480美國(guó)Grade1875560  269321Grade2105070010302363Grade312258757363440Grade4140010854388477Grade516102951418512德國(guó)GGG80B8005006280310GGG100B10007005280340GGG120B1200

11、9502330390GGG140B140012001400442GGG150B1500    421475日本FCD900A9006008  JISFCD1000A10007005  5503FCD1200A12009002>340奧貝球鐵成份與常規(guī)球鐵成份相同，球化劑和處理工藝也相同，其差別是必須進(jìn)行等溫淬火處理，等溫淬火溫度不同時(shí)可分別獲得上貝氏體奧氏體，下貝氏奧氏體，下貝氏馬氏體等不同基體。這種鑄鐵成本高、生產(chǎn)難度較大，目前應(yīng)用面雖在不斷擴(kuò)大，但其總量并不大，被人們稱(chēng)之為世紀(jì)材料。2球化劑的現(xiàn)狀 球化劑是目前獲得球鐵的主要手段之一，在志包鋼稀

12、土一廠共同完成國(guó)家攻關(guān)課題“稀土三劑系列化”時(shí)，我校課題組對(duì)世界上多個(gè)球化劑生產(chǎn)廠，國(guó)內(nèi)主要合金生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)研，取得了英、美、法、德、日、前蘇聯(lián)、印度等十幾個(gè)國(guó)家多家合金生產(chǎn)廠的產(chǎn)品樣本及國(guó)內(nèi)主要球化劑生產(chǎn)廠的產(chǎn)品樣本，為對(duì)比國(guó)內(nèi)外球化劑性能及今后球化劑生產(chǎn)改進(jìn)提供了依據(jù)。 21球化劑的類(lèi)型 按生產(chǎn)方式分有下述幾種 (1)球化劑的類(lèi)型 包括鎂硅系合金、稀土鎂硅系合金、鈣系合金(日本用的較多)，鎳鎂系合金、純鎂合金、稀土合金。 上述合金中目前世界上用的最為廣泛的是稀土鎂硅鐵合金，但中國(guó)合金中RE/Mg的比值范圍大(0.52.2)，國(guó)外的合金RE/Mg的比值范圍小(0.10.3)。中國(guó)合金中稀土大于

13、等于鎂含量的占多數(shù)，小于鎂含量的占少數(shù)，而國(guó)外(除前蘇聯(lián)一些合金外)球化劑合金中的稀土含量幾乎都小于鎂含量，因此稀土三劑系列化課題組建議除保留FeSlMg8E18外(此合金是效果優(yōu)良的蠕化劑)，其它全部球化劑中RE/Mg1，隨后修訂的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中采納了這個(gè)建議。 鈣鎂球化劑主要是日本生產(chǎn)和應(yīng)用，如日本信越(SHINETSU)生產(chǎn)的鈣系合金NC5、NCl0、NCl5、NC20、NC25中鎂含量從428變動(dòng)，但鈣含量變化較小，其變化范圍為2031%；此類(lèi)合金白口傾向小，但要求處理溫度高，處理后渣量大。 鎳鎂合金在美洲、歐洲均有應(yīng)用，美國(guó)國(guó)際鎳公司生產(chǎn)的鎳鎂合金最高達(dá)8285%，其中Mg、Ca分別為1

14、316，及20，鎳最低的5761%(其中Mg4.04.5，Ca<2.5，F(xiàn)e3236)。德國(guó)金屬化學(xué)公司生產(chǎn)的鎳鎂合金中Ni4751，Mgl517，C1.0Si2832%,RE1.0%余Fe。這些合金的優(yōu)點(diǎn)是比重大，反映平穩(wěn)，鎳可起合金化作用，其特點(diǎn)是價(jià)格貴，這種合金在中國(guó)基本沒(méi)有應(yīng)用。 鎳硅系合金目前在中國(guó)基本上已不用。純鎂合金處理時(shí)要用專(zhuān)用的壓力加鎂包，鎂的吸收率高，但處理安全措施要極為嚴(yán)格，生產(chǎn)中應(yīng)用比例較小。 稀土是發(fā)明球鐵時(shí)使用的球化劑，它的發(fā)現(xiàn)推進(jìn)了球鐵工業(yè)應(yīng)用的進(jìn)程。但價(jià)格高，白口傾向大，過(guò)量會(huì)使石墨變態(tài)，現(xiàn)在己不作為球化劑單獨(dú)使用，僅作為輔助球化元素。 (2)壓塊狀球化劑

15、 用鎂粉和鐵粉及所設(shè)計(jì)的硅含量直接加壓成型，這種球化劑中含硅很低，通常稱(chēng)為低硅壓塊狀球化劑，因而為后續(xù)的孕育提供了大的余地，有利于生產(chǎn)鑄態(tài)球鐵，但這種合金易漂浮，處理效果波動(dòng)大，處理時(shí)最好跟塊狀球化劑混合使用。 (3)包芯線型球化劑 將鎂粉、鐵粉包覆在薄鋼板或鋼板中，將其快速送入鐵水中達(dá)到球化目的，這種球化劑較貴，且設(shè)備投資大，但處理時(shí)合金吸收率高，因此處理球鐵的總成本幾乎沒(méi)有提高。 (4)粉狀球化劑 這種球化劑是俄羅斯的一個(gè)專(zhuān)利，使用時(shí)將鎂粉與抑制劑混合放入包內(nèi)，并使鐵水從合金表面上流過(guò)，逐層與合金反映達(dá)到球化效果，這種專(zhuān)門(mén)工藝稱(chēng)之為MC。 22球化劑的應(yīng)用目前國(guó)內(nèi)外在球鐵生產(chǎn)中主要應(yīng)用火法

16、冶煉的合金，壓塊球化劑、包芯線球化劑、粉狀球化劑應(yīng)用的很少，火法冶煉的球化劑在生產(chǎn)中應(yīng)用占90以上，目前這類(lèi)合金中增加Ba、Ca、Cu、Ni等以達(dá)到控制基體目的，對(duì)合金中的氧化鎂含量已有限量指標(biāo)?，F(xiàn)對(duì)中國(guó)33個(gè)典型工廠和美國(guó)77個(gè)工廠生產(chǎn)球鐵工廠進(jìn)行對(duì)比分析。 中國(guó)33個(gè)工廠的基本情況是：33個(gè)工廠總計(jì)有36個(gè)熔爐，其中電爐(中頻、工頻、電弧爐)9個(gè)占25，沖天爐22個(gè)占61，沖天爐一電爐雙聯(lián)熔煉廠4個(gè)占11，高爐1個(gè)占3，球鐵處理溫度大于1500，4個(gè)占11，14501500，20個(gè)占56，13501400，6個(gè)占167，13001350，2個(gè)占5.6%；大于12701個(gè)占2.7；鐵水含硫量

17、小于等于003占20；處理方法中沖入法占94，噴吹法占3，壓力加鎂法3，用量最大的6#合金Mg8RE8占46，其次為Mg8RE5占37，Mg9RE5占11。美國(guó)77個(gè)工廠的基本情況是：熔化設(shè)備沖天爐占30%，感應(yīng)電爐占63，球化處理溫度14821538占75%；原鐵水在球化處理前有50工廠采用預(yù)脫硫工藝，有90的工廠S小于0025%，球化處理方法中在美國(guó)大工廠中沖入法占36，而小廠(小于200噸/周)沖入法僅占22，壓入法、多孔塞法、型內(nèi)處理法、Tundish蓋包法、壓力加鎂法則占絕大部分比重，使用的球化劑中含鎂大于的占82Mg46占633，含鎂小于4占164純鎂占5，其它的鎂合金占82。資料

18、表明中國(guó)生產(chǎn)球鐵方面還有不小的差距，美國(guó)生產(chǎn)的電爐可保證球化處理所需要的高溫，一般經(jīng)預(yù)脫硫，含硫量低，質(zhì)量要優(yōu)于我國(guó)處理球鐵的質(zhì)量，因此處理球鐵可用低鎂、低稀土球化劑，而且質(zhì)量控制也嚴(yán)格，包括使用衰退時(shí)間控制器。我國(guó)從90年到現(xiàn)在球化劑生產(chǎn)已有了很大變化，稀土鎂合金國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)修訂，對(duì)合金中的RE作了重大調(diào)整，除保留Mg8RE18以外，其它合金中Mg/Re均大于1，工廠使用的合金中稀土量有所下降，Mg8RE57的合金應(yīng)用大量增加，電爐也增加了不少，但原鐵水中的含硫量變化不大，預(yù)脫硫工藝未有效地推廣，因此我國(guó)球化劑中Mg、BE仍處在較高的水平上，新的球化處理工藝在我國(guó)推廣不多，如在美國(guó)占有很大比

19、例的Tundish蓋包法在我國(guó)幾乎還未得到應(yīng)用，這些都是我國(guó)球鐵生產(chǎn)廠待解決的問(wèn)題。23球化劑在使用中的問(wèn)題及質(zhì)量因素控制指標(biāo) 影響球化劑質(zhì)量的因素有：成分、粒度、形狀、密度、MgO含且等。這里僅就火法冶煉生產(chǎn)的球化劑分析，例舉不少工廠使用中反映的問(wèn)題：(1)球化劑成分不準(zhǔn)。(2)球化劑粉化合金粒度不合要求。(3)球化劑密度波動(dòng)大、有些球化劑上浮快，反應(yīng)過(guò)于激烈，安全無(wú)保證。(4)MgO含量過(guò)高，球化處理不良，球化劑加入量過(guò)大。(5)球化處理后衰退快。(6)球化后白口傾向大。要解決上述問(wèn)題，應(yīng)從兩方面入手：一是合金生產(chǎn)廠提供質(zhì)量合格的產(chǎn)品。首先要完善氧化鎂分析問(wèn)題，其次嚴(yán)格控制原材料，控制促進(jìn)

20、合金粉化的元素和干擾元素，加強(qiáng)管理，第三要嚴(yán)格執(zhí)行準(zhǔn)確的冶煉工藝，控制好影響球化劑質(zhì)量的主要指標(biāo)，第四是提供用戶所要求的粒度。另一方面對(duì)生產(chǎn)的工人進(jìn)行培訓(xùn)，讓它們懂得合金特性及準(zhǔn)確的使用方法。生產(chǎn)中的問(wèn)題與生產(chǎn)工人素質(zhì)直接相關(guān)，有些工人只是教什么做什么，不能舉一反三，這是不行的。需要合金生產(chǎn)廠家和使用廠家的配合，普及提高對(duì)球鐵的認(rèn)識(shí)和生產(chǎn)技術(shù)水平，這樣才能使我國(guó)球鐵生產(chǎn)保持良好的發(fā)展勢(shì)頭。3計(jì)算機(jī)在球鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用球鐵由于其糊狀凝固的特征決定所生產(chǎn)的鑄鐵由于補(bǔ)縮不良經(jīng)常產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷，為了能在鑄件生產(chǎn)以前預(yù)測(cè)這些缺陷情況，早在印年代國(guó)內(nèi)外就開(kāi)展了鑄造過(guò)程數(shù)值模擬鑄造過(guò)程數(shù)值模擬是使用數(shù)值

21、模擬技術(shù)，在計(jì)算機(jī)虛擬的環(huán)境下模擬實(shí)際鑄件形成過(guò)程，包括金屬液體的充型過(guò)程、冷卻凝固過(guò)程、應(yīng)力形成過(guò)程、判斷成型過(guò)程中主要因素的影響程度，預(yù)測(cè)組織、性能和可能出現(xiàn)的缺陷，為優(yōu)化工藝減少?gòu)U品提供依據(jù)。1962年丹麥的Forsund第一個(gè)采用電子計(jì)算機(jī)模擬鑄件的凝固過(guò)程，此后美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本、法國(guó)等相繼開(kāi)展了這方面的研究。我國(guó)于70年代末開(kāi)始，大連理工大學(xué)、沈陽(yáng)鑄造研究所率先在我國(guó)開(kāi)展了這一技術(shù)的研究，并分別于1980年發(fā)表了研究報(bào)告(郭可韌等，大型鑄件凝固過(guò)程的數(shù)字模擬，大連工學(xué)院學(xué)報(bào)，1980(2)116；沈陽(yáng)鑄造研究所，鑄件凝固熱場(chǎng)電子計(jì)算機(jī)模擬，鑄造，1980(1)1422，此后在我國(guó)高等院校投入大量人力開(kāi)展了這項(xiàng)研究，在“六五”、“七五”期間國(guó)家攻關(guān)項(xiàng)目中部有計(jì)算