球墨鑄鐵

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成分

　生鐵是含碳量大於2％的鐵碳合金，工業生鐵含碳量一般在2.5%--4%，並含C、SI、Mn、S、P等元素，是用鐵礦石經高爐冶煉的產品。根據生鐵裡碳存在形態的不同，又可分為煉鋼生鐵、鑄造生鐵和球墨鑄鐵等幾種。 　　析出的石墨呈球形的鑄鐵。球狀石墨對金屬基體的割裂作用比片狀石墨小，使鑄鐵的強度達到基體組織強度的70～90％，抗拉強度可達120kgf/mm2，並且具有良好的韌性。球墨鑄鐵除鐵外的化學成分通常為：含碳量3.6～3.8％，含矽量2.0～3.0％，含錳、磷、硫總量不超過1.5％和適量的稀土、鎂等球化劑。

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性能

　　球鐵鑄件差不多已在所有主要工業部門中得到應用，這些部門要求高的強度、塑性、韌性、耐磨性、耐嚴重的熱和機械沖擊、耐高溫或低溫、耐腐蝕以及尺寸穩定性等。為瞭滿足使用條件的這些變化、球墨鑄鐵現有許多牌號，提供瞭機械性能和吻理性能的一個很寬的范圍。 　　如國際標準化組織ISO1083所規定的大多數球墨鑄鐵鑄件，主要是以非合金態生產的。顯然，這個范圍包括抗拉強度大於800牛頓/毫米，延伸率為2%的高強度牌號。另一個極端是高塑性牌號，其延伸率大於17%，而相應的強度較低(最低為370牛頓/毫米勺。強度和延伸率並不是設計者選擇材料的唯一根，而其它決定性的重要性能還包括屈服強度、彈性模數、耐磨性和疲勞強度、硬度和沖擊性能。另外，耐蝕性和抗氧化以及電磁性能對於設計者也許是關鍵的。為瞭滿足這些特殊使用，研製瞭一組奧氏體球鐵，通常叫傲Ni一Resis亡球鐵。這些奧氏體球鐵，主要用鋅、鉻和錳合金化，並且列入國際標準。

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歷史

國內

　　在河南鞏縣鐵生溝西漢中、晚期的冶鐵遺址中出土的鐵??，經過金相檢驗，具有放射狀的球狀石墨，球化率相當於現代標準一級水平。而現代的球墨鑄鐵則是遲至1947年才在國外研製成功的。我國古代的鑄鐵，在一個相當長的時期裡含矽量都偏低，也就是說，在約2000年前的西漢時期，我國鐵器中的球狀石墨，就已由低矽的生鐵鑄件經柔化退火的方法得到。這是我國古代鑄鐵技術的重大成就，也是世界冶金史上的奇跡。 　　球墨鑄鐵以其優良的性能，在使用中有時可以代替昂貴的鑄鋼和鍛鋼，在機械製造工業中得到廣泛應用。國際冶金行業過去一直認為球墨鑄鐵是英國人於1947年發明的。西方某些學者甚至聲稱，沒有現代科技手段，發明球墨鑄鐵是不可想象的。1981年，我國球鐵專傢采用現代科學手段，對出土的513件古漢魏鐵器進行研究，通過大量的數據斷定漢代我國就出現瞭球狀石墨鑄鐵。有關論文在第18屆世界科技史大會上宣讀，轟動瞭國際鑄造界和科技史界。國際冶金史專傢於1987年對此進行驗證後認為：古代中國已經摸索到瞭用鑄鐵柔化術製造球墨鑄鐵的規律，這對世界冶金史作重新分期劃代具有重要意義。 　　

國外

　　1947年英國H.Morrogh發現，在過共晶灰口鑄鐵中附加鈰，使其含量在0.02wt%以上時，石墨呈球狀。1948年美國A.P.Ganganebin等人研究指出，在鑄鐵中添加鎂，隨後用矽鐵孕育，當殘餘鎂量大於0.04wt%時，得到球狀石墨。從此以後，球墨鑄鐵開始瞭大規模工業生產。球墨鑄鐵作為新型工程材料的發展速度是令人驚異的。1949年世界球墨鑄鐵產量隻有5萬噸，1960年為53.5萬噸，1970年增長到500萬噸，1980 　　年為760萬噸，1990年達到915萬噸。2000年達到1500萬噸。球墨鑄鐵的生產發展速度在工業發達國傢特別快。世界球墨鑄鐵產量的75%是由美國、日本、德國、意大利、英國、法國六國生產的。 中國球墨鑄鐵生產起步很早，1950年就研製成功並投入生產，中國的球墨鑄鐵年產量達230萬噸，位於美國、日本之後，居世界第三位。適合中國國情的稀土鎂球化劑的研製成功，鑄態球墨鑄鐵以及奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵等各個領域的生產技術和研究工作均達到瞭很高的技術水平。 　　（1）鑄態珠光體球墨鑄鐵曲軸和鑄態鐵素體球墨鑄鐵汽車底盤零件分別在我國第二汽車廠、南京汽車廠和第一汽車廠相繼投產。這標志著中國鑄態球墨鑄鐵生產達到瞭較高水平。與之相適應的包外脫硫、雙聯法熔煉、瞬時孕育、孕育塊技術以及音頻檢測和熱分析快速分析等技術的采用，則標志著中國大量流水生產汽車鑄件的技術水平與國際先進水平的差距正在縮小。 　　（2）試驗研究瞭大斷麵（壁厚大於120mm）球墨鑄鐵的冶金因素以及相應的生產工藝措施。采用適量的釔基重稀土復合球化劑、強製冷卻、順序凝固、延後孕育，必要時添加微量銻、鉍等可防止球墨鑄鐵件中心部位的石墨畸變和組織疏松等，現已成功地製作瞭38噸重的大型復雜結構件，17.5噸重的柴油機體、截麵為805mm的球墨鑄鐵軋輥等。 　　（3）奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵的研究與應用。20世紀70年代初，幾乎同時中國、美國、芬蘭3個國傢宣佈研究成功瞭具有高強度、高韌性的奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵（國際上統稱ADI），這種材質的抗拉強度達1000MPa，因此它廣泛應用於齒輪以及各種結構件，與合金鋼相比，奧-貝球墨鑄鐵具有顯著的經濟效益和社會效益。 　　（4）球墨鑄鐵管和水平連續鑄造球墨鑄鐵型材。中國已相繼建成幾個球墨鑄鐵管廠，且近幾年還將有幾個球墨鑄鐵管廠建成。2000年，中國年產離心鑄造球墨鑄鐵管達90萬噸。此外，中國自行研製的水平連續鑄造球墨鑄鐵型材生產線已通過國傢鑒定，並已有多傢企業投產。再加上中國引進的一條生產線，至2002年，中國年產球墨鑄鐵型材的能力達數萬噸。 　　（5）系統地測定瞭稀土鎂球墨鑄鐵的力學性能及其他性能，為設計人員提供瞭有關數據。測定瞭稀土鎂球墨鑄鐵的比重、導熱性、電磁性等物理性能，結合金相標準研究瞭石墨和基體組織對球墨鑄鐵性能的影響規律。系統地測定瞭鐵素體球墨鑄鐵在常溫、低溫、靜態和動態條件下的各種性能。此外，還研究瞭稀土鎂球墨鑄鐵的應力應變性能、小能量多沖抗力和斷裂韌性，並開始用於指導生產。結合球墨鑄鐵齒輪的應用，還系統地研究瞭球墨鑄鐵的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度，以及球墨鑄鐵齒輪的點蝕、剝落機理等。 （6）稀土鎂球墨鑄鐵。在高強度低合金球墨鑄鐵方麵，除瞭對銅、鉬研究較多外，還對鎳、鈮等進行瞭研究。在利用天然釩鈦生鐵製作釩鈦合金球墨鑄鐵方麵，中國國內一些單位進行瞭大量、系統的工作。中錳球墨鑄鐵雖然在性能上不夠穩定，在系統研究與生產應用，取得瞭顯著的經濟效益。 　　在耐熱球墨鑄鐵方麵，除瞭中矽球墨鑄鐵以外，系統研究瞭Si+Al總量對稀土鎂球墨鑄鐵抗生長能力的影 　　響。中國研製的RQTAL5Si5耐熱鑄鐵用作耐熱爐條的使用壽命是灰鑄鐵的3倍，是普通耐熱鑄鐵的2倍，並與日本Cr25Ni13Si2耐熱鋼的使用壽命相當。高鎳奧氏體球墨鑄鐵方麵也取得瞭進展，它在石油開采機械、化工設備、工業用爐器件上均取得瞭成功的應用。在耐酸球墨鑄鐵方麵，中國生產的稀土高矽球墨鑄鐵比普通高矽鑄鐵的組織細小、均勻、致密，由此，抗蝕性能提高瞭10%～90%，並且其機械強度也有顯著改善。（7）稀土在球墨鑄鐵中的作用。稀土能使石墨球化。自從H.Morrogh最先使用鈰得到球墨鑄鐵以來，先後許多人研究瞭各種稀土元素的球化行為，發現鈰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。 　　結合國情，中國對稀土的球化作用進行瞭大量研製工作，發現稀土元素對常用的球墨鑄鐵成分（C3.6～3.8wt%，Si2.0～2.5wt%）來說，很難獲得同鎂球墨鑄鐵那樣完整均勻的球狀石墨；而且，當稀土量過高時，還會出現各種變態形的石墨，白口傾向也增大，但是，如果是高碳過共晶成分（C＞4.0wt%），稀土殘留量為0.12～0.15wt%時，可獲得良好的球狀石墨。 　　根據中國鐵質差、含硫量高（沖天爐熔煉）和出鐵溫度低的情況，加入稀土是必要的。球化劑中鎂是主導元素，稀土一方麵可促進石墨球化；另一方麵克服硫以及雜質元素的影響以保證球化也是必須的。稀土防止乾擾元素破壞球化。研究表明，當乾擾元素Pb、Bi、Sb、Te、Ti等總量為0.05wt%時，加入0.01wt%（殘餘量）的稀土，可以完全中和乾擾，並可抑製變態石墨的產生。中國絕大部分的生鐵中含有鈦，有的生鐵中含鈦高達0.2～0.3wt%，但稀土鎂球化劑由於能使鐵中的稀土殘留量達0.02～0.03wt%，故仍可保證石墨球化良好。如果在球墨鑄鐵中加入0.02～0.03wt%Bi，則幾乎把球狀石墨完全破壞；若隨後加入0.01～0.05wt%Ce，則又恢復原來的球化狀態，這是由於Bi和Ce形成瞭穩定的化合物。 　　稀土的形核作用。20世紀60年代以後的研究表明，含鈰的孕育劑可使鐵液在整個保持期中增加球數，使最終的組織中含有更多的石墨球和更小的白口傾向。經研究還表明，含稀土的孕育劑可改善球墨鑄鐵的孕育效果並顯著提高抗衰退的能力。加入稀土可使石墨球數增多的原因可歸結為：稀土可提供更多的晶核，但它與FeSi孕育相比所提供的晶核成分有所不同；稀土可使原來（存在於鐵液中的）不活化的晶核得以長大，結果使鐵液中總的晶核數量增多

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應用

　　1947年英國H. Morrogh發現，在過共晶灰口鑄鐵中附加鈰，使其含量在0.02wt%以上時，石墨呈球狀。1948年美國A. P. Ganganebin等人研究指出，在鑄鐵中添加鎂，隨後用矽鐵孕育，當殘餘鎂量大於0.04wt%時，得到球狀石墨。從此以後，球墨鑄鐵開始瞭大規模工業生產。球墨鑄鐵作為新型工程材料的發展速度是令人驚異的。1949年世界球墨鑄鐵產量隻有5萬噸，1960年為53.5萬噸，1970年增長到500萬噸，1980年為760萬噸，1990年達到915萬噸。2000年達到1500萬噸。球墨鑄鐵的生產發展速度在工業發達國傢特別快。世界球墨鑄鐵產量的75%是由美國、日本、德國、意大利、英國、法國六國生產的。 　　我國球墨鑄鐵生產起步很早，1950年就研製成功並投入生產，至今我國球墨鑄鐵年產量達230萬噸，位於美國、日本之後，居世界第三位。適合我國國情的稀土鎂球化劑的研製成功，鑄態球墨鑄鐵以及奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵等各個領域的生產技術和研究工作均達到瞭很高的技術水平。

汽車方麵

　　（1）鑄態珠光體球墨鑄鐵曲軸和鑄態鐵素體球墨鑄鐵汽車底盤零件分別在我國第二汽車廠、南京汽車廠和第一汽車廠相繼投產。這標志著我國鑄態球墨鑄鐵生產達到瞭較高水平。與之相適應的包外脫硫、雙聯法熔煉、瞬時孕育、孕育塊技術以及音頻檢測和熱分析快速分析等技術的采用，則標志著我國大量流水生產汽車鑄件的技術水平與國際先進水平的差距正在縮小。

冶金因素

　　（2）試驗研究瞭大斷麵（壁厚大於120mm）球墨鑄鐵的冶金因素以及相應的生產工藝措施。采用適量的釔基重稀土復合球化劑、強製冷卻、順序凝固、延後孕育，必要時添加微量銻、鉍等可防止球墨鑄鐵件中心部位的石墨畸變和組織疏松等，現已成功地製作瞭38噸重的大型復雜結構件，17.5噸重的柴油機體、截麵為805mm的球墨鑄鐵軋輥等。

奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵

　　20世紀70年代初，幾乎同時中國、美國、芬蘭3個國傢宣佈研究成功瞭具有高強度、高韌性的奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵（國際上統稱ADI），這種材質的抗拉強度達1000MPa，因此它廣泛應用於齒輪以及各種結構件，與合金鋼相比，奧-貝球墨鑄鐵具有顯著的經濟效益和社會效益。

球墨鑄鐵型材

　　我國已相繼建成幾個球墨鑄鐵管廠，且近幾年還將有幾個球墨鑄鐵管廠建成。2000年，我國年產離心鑄造球墨鑄鐵管達90萬噸。此外，我國自行研製的水平連續鑄造球墨鑄鐵型材生產線已通過國傢鑒定，並已有多傢企業投產。再加上我國引進的一條生產線，至2002年，我國年產球墨鑄鐵型材的能力達數萬噸。

力學性能及其他性能

　　（5）系統地測定瞭稀土鎂球墨鑄鐵的力學性能及其他性能，為設計人員提供瞭有關數據。測定瞭稀土鎂球墨鑄鐵的比重、導熱性、電磁性等物理性能，結合金相標準研究瞭石墨和基體組織對球墨鑄鐵性能的影響規律。系統地測定瞭鐵素體球墨鑄鐵在常溫、低溫、靜態和動態條件下的各種性能。此外，還研究瞭稀土鎂球墨鑄鐵的應力應變性能、小能量多沖抗力和斷裂韌性，並開始用於指導生產。結合球墨鑄鐵齒輪的應用，還系統地研究瞭球墨鑄鐵的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度，以及球墨鑄鐵齒輪的點蝕、剝落機理等。

稀土鎂球墨鑄鐵

　　在高強度低合金球墨鑄鐵方麵，除瞭對銅、鉬研究較多外，還對鎳、鈮等進行瞭研究。在利用天然釩鈦生鐵製作釩鈦合金球墨鑄鐵方麵，國內一些單位進行瞭大量、系統的工作。中錳球墨鑄鐵雖然在性能上不夠穩定，但多年來的系統研究與生產應用，取得瞭顯著的經濟效益。 　　在耐熱球墨鑄鐵方麵，除瞭中矽球墨鑄鐵以外，系統研究瞭Si+Al總量對稀土鎂球墨鑄鐵抗生長能力的影響。我國研製的RQTAL5Si5耐熱鑄鐵用作耐熱爐條的使用壽命是灰鑄鐵的3倍，是普通耐熱鑄鐵的2倍，並與日本Cr25Ni13Si2耐熱鋼的使用壽命相當。 　　高鎳奧氏體球墨鑄鐵方麵也取得瞭進展，它在石油開采機械、化工設備、工業用爐器件上均取得瞭成功的應用。 　　在耐酸球墨鑄鐵方麵，我國生產的稀土高矽球墨鑄鐵比普通高矽鑄鐵的組織細小、均勻、致密，由此，抗蝕性能提高瞭10%～90%，並且其機械強度也有顯著改善。

稀土在球墨鑄鐵中的作用

　　稀土能使石墨球化。自從H. Morrogh最先使用鈰得到球墨鑄鐵以來，先後許多人研究瞭各種稀土元素的球化行為，發現鈰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。 　　結合國情，我國對稀土的球化作用進行瞭大量研製工作，發現稀土元素對常用的球墨鑄鐵成分（C3.6～3.8wt%，Si2.0～2.5wt%）來說，很難獲得同鎂球墨鑄鐵那樣完整均勻的球狀石墨；而且，當稀土量過高時，還會出現各種變態形的石墨，白口傾向也增大，但是，如果是高碳過共晶成分（C＞4.0wt%），稀土殘留量為0.12～0.15wt%時，可獲得良好的球狀石墨。 　　根據我國鐵質差、含硫量高（沖天爐熔煉）和出鐵溫度低的情況，加入稀土是必要的。球化劑中鎂是主導元素，稀土一方麵可促進石墨球化；另一方麵克服硫以及雜質元素的影響以保證球化也是必須的。 　　稀土防止乾擾元素破壞球化。研究表明，當乾擾元素Pb、Bi、Sb、Te、Ti等總量為0.05wt%時，加入0.01wt%（殘餘量）的稀土，可以完全中和乾擾，並可抑製變態石墨的產生。我國絕大部分的生鐵中含有鈦，有的生鐵中含鈦高達0.2～0.3wt%，但稀土鎂球化劑由於能使鐵中的稀土殘留量達0.02～0.03wt%，故仍可保證石墨球化良好。如果在球墨鑄鐵中加入0.02～0.03wt%Bi，則幾乎把球狀石墨完全破壞；若隨後加入0.01～0.05wt%Ce，則又恢復原來的球化狀態，這是由於Bi和Ce形成瞭穩定的化合物。 　　稀土的形核作用。20世紀60年代以後的研究表明，含鈰的孕育劑可使鐵液在整個保持期中增加球數，使最終的組織中含有更多的石墨球和更小的白口傾向。經研究還表明，含稀土的孕育劑可改善球墨鑄鐵的孕育效果並顯著提高抗衰退的能力。加入稀土可使石墨球數增多的原因可歸結為：稀土可提供更多的晶核，但它與FeSi孕育相比所提供的晶核成分有所不同；稀土可使原來（存在於鐵液中的）不活化的晶核得以長大，結果使鐵液中總的晶核數量增多。

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製造步驟

　　（一）嚴格要求化學成分，對原鐵液要求的碳矽含量比灰鑄鐵高，降低球墨鑄鐵中錳，磷，硫的含量 　　（二）鐵液出爐溫度比灰鑄鐵更高，以補償球化，孕育處理時鐵液溫度的損失 　　（三）進行球化處理，即往鐵液中添加球化劑 　　（四）加入孕育劑進行孕育處理 　　（五）球墨鑄鐵流動性較差，收縮較大，因此需要較高的澆註溫度及較大的澆註系統尺寸，合理應用冒口，冷鐵，采用順序凝固原則 　　（六）進行熱處理

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發展前途

　　當球鐵的噸位增加和市場滲透是很驚人的，這種材料決不能看到達到瞭它的全部潛力。基於這一點，現在不生產球鐵的鑄鐵廠，建議很好地重新考慮這方麵的可能性。節能要求導致基本上重新設計零件，以達到重量輕、效率高，這就必然要提醒設計者集中註意材料。球鐵正日益被認為能提供高的強度一重量特性，並且能以比較低的成本生產。 　　因此預料，隨著代替灰鑄鐵、可鍛鑄鐵和鑄銀件，能親眼看到球鐵生產噸位的持續增加。最近出版的刊物對於幫助造廠在這麵的力是有利的，雖然計值會變提高而改善。但鐵水溫度低於1450“C後孕育效果很差，RG值幾乎不變。由表3可得:孕育鑄鐵的質量指標用鑄造焦熔煉的比用冶金焦熔煉的高18%，值得註意的是相對硬度反而降低3%。

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歷史爭論

　　在河南鞏縣鐵生溝西漢中、晚期的冶鐵遺址中出土的鐵??，經過金相檢驗，具有放射狀的球狀石墨，球化率相當於現代標準一級水平。而現代的球墨鑄鐵則是遲至1947年才研製成功的。中國古代的鑄鐵，在一個相當長的時期裡含矽量都偏低，在約2000年前的西漢時期，中國鐵器中的球狀石墨，就已由低矽的生鐵鑄件經柔化退火的方法得到。這是中國古代鑄鐵技術的重大成就，也是世界冶金史上的奇跡。 　　球墨鑄鐵以其優良的性能，在使用中有時可以代替昂貴的鑄鋼和鍛鋼，在機械製造工業中得到廣泛應用。國際冶金行業過去一直認為球墨鑄鐵是英國人於1947年發明的。西方某些學者甚至聲稱，沒有現代科技手段，發明球墨鑄鐵是不可想象的。1981年，中國球鐵專傢采用現代科學手段，對出土的513件古漢魏鐵器進行研究，通過大量的數據斷定漢代中國就出現瞭球狀石墨鑄鐵。有關論文在第18屆世界科技史大會上宣讀，轟動瞭國際鑄造界和科技史界。國際冶金史專傢於1987年對此進行驗證後認為：古代中國已經摸索到瞭用鑄鐵柔化術製造球墨鑄鐵的規律，這對世界冶金史作重新分期劃代具有重要意義。