球磨鑄鐵

球磨鑄鐵

球磨鑄鐵 即球墨鑄鐵(通過球化和孕育處理得到球狀石墨)。 球墨鑄鐵是通過球化和孕育處理得到球狀石墨,有效地提高了鑄鐵的機械性能,特別是提高了塑性和韌性,從而得到比碳鋼還高的強度。球墨鑄鐵是20世紀五十年代發展起來的一種高強度鑄鐵材料,其綜合性能接近於鋼,正是基於其優異的性能,已成功地用於鑄造一些受力複雜,強度、韌性、耐磨性要求較高的零件。球墨鑄鐵已迅速發展為僅次於灰鑄鐵的、套用十分廣泛的鑄鐵材料。所謂“以鐵代鋼”,主要指球墨鑄鐵。

基本信息

定義

球墨鑄鐵是在熔煉過程中經過球化處理 , 使石墨形成球狀的一種鑄鐵。它具有較高的機械性能和良好的鑄造性能。由於球鐵生產成本比鑄鋼低 , 機械性能比一般鑄鐵好 , 因此目前已得到廣泛套用。
球墨鑄鐵的組織球墨鑄鐵是由球狀石墨和金屬基體組成。在生產實踐中 , 鑄件常見的金屬基體為珠光體和鐵素體兩類。

性能與套用

牌號中的 "QT" 是 " 球鐵 " 兩字漢語拼音的第一個字母。字母后的第一項數字代表最低抗拉強度 , 第二項數字代表最低延伸率。

球鐵的屈服強度較高 , 約為抗拉強度的 0.7―0.8 。一般鑄鋼的屈服強度與抗拉強度之比低於此值。這是球鐵的一個極其可貴的性能。
實踐還證明 , 球鐵是一種良好的耐磨材料 , 其耐磨性能優於灰鑄鐵和碳素結構鋼。因此 , 國內外都用它來製造氣缸體、活塞、曲軸、齒輪及工具機床身等易磨損零件。

套用領域

1947
球墨鑄鐵球墨鑄鐵
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,球墨鑄鐵開始了大規模工業生產。
世界球墨鑄鐵產量的75%是由美國、日本、德國、義大利、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,2009年我國球墨鑄鐵年產量達870萬噸,居世界第一位。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了很高的技術水平。
球墨鑄鐵具有高強度的塑韌性,其在國內外發展非常快,產量已經超過鑄鋼和可鍛鑄鐵,成為僅次於灰鑄鐵的鑄造合金材料。球墨鑄鐵中的石墨之所以成為球狀,主要是在鐵水中加入了能使石墨呈球狀的球化劑。用球墨鑄鐵鑄造技術生產出的產品具有高強度、高韌性和低價格等優點,非常符合汽車生產的要求,因此,球墨鑄鐵鑄造技術在汽車生產中得到了廣泛的套用,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已分別在我國第二汽車廠、南京汽車廠和第一汽車廠投入使用,這也標誌著我國球墨鑄鐵生產達到了較高水平。球墨鑄鐵通過在汽車行業的套用已突顯出其優越性,通過技術水平的不斷提高,相信在未來,球墨鑄鐵將會套用於各大領域。

汽車製造

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。這標誌著我國鑄態球墨鑄鐵生產達到了較高水平。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採用,則標誌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。

冶金工業

試驗研究了大斷面(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。採用適量的釔基重稀土複合球化劑、強制冷卻、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鬆等,現已成功地製作了38噸重的大型複雜結構件,17.5噸重的柴油機體、截面為805mm的球墨鑄鐵軋輥等。

歷史沿革

在河南鞏縣鐵生溝西漢中、晚期的冶鐵遺址中出土的鐵䦆,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里含矽量都偏低,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蹟。

國內

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套用。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像的。1981年,中國球鐵專家採用現代科學手段,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了球狀石墨鑄鐵。有關論文在第18屆世界科技史大會上宣讀,轟動了國際鑄造界和科技史界。國際冶金史專家於1987年對此進行驗證後認為:古代中國已經摸索到了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,球墨鑄鐵開始了大規模工業生產。
球狀石墨周圍的“牛眼狀”鐵素體
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家鑑定,並已有多家企業投產。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。
系統地測定了稀土鎂球墨鑄鐵的力學性能及其他性能,為設計人員提供了有關數據。測定了稀土鎂球墨鑄鐵的比重、導熱性、電磁性等物理性能,結合金相標準研究了石墨和基體組織對球墨鑄鐵性能的影響規律。系統地測定了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,還研究了稀土鎂球墨鑄鐵的應力應變性能、小能量多衝抗力和斷裂韌性,並開始用於指導生產。結合球墨鑄鐵齒輪的套用,還系統地研究了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。

施工工藝

加入稀土提高性能

在高
球墨鑄鐵球墨鑄鐵
強度低合金球墨鑄鐵方面,除了對、鉬研究較多外,還對等進行了研究。在利用天然釩鈦生鐵製作釩鈦合金球墨鑄鐵方面,國內一些單位進行了大量、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套用,取得了顯著的經濟效益。
在耐熱球墨鑄鐵方面,除了中矽球墨鑄鐵以外,系統研究了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面也取得了進展,它在石油開採機械、化工設備、工業用爐器件上均取得了成功的套用。
在耐酸球墨鑄鐵方面,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、緻密,由此,抗蝕性能提高了10%~90%,並且其機械強度也有顯著改善。
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,先後許多人研究了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了大量研製工作,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,稀土一方面可促進石墨球化;另一方面克服硫以及雜質元素的影響以保證球化也是必須的。
稀土防止干擾元素破壞球化。研究表明,當干擾元素Pb、Bi、Sb、Te、Ti等總量為0.05wt%時,加入0.01wt%(殘餘量)的稀土,可以完全中和干擾,並可抑制變態石墨的產生。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形成了穩定的化合物。
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。

主要產品

奧氏體-貝氏體
20世紀70年代初,幾乎同時中國、美國、芬蘭3個國家宣布研究成功了具有高強度、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,因此它廣泛套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。
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家鑑定,並已有多家企業投產。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。

注意事項

(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,,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,因此需要較高的澆注溫度及較大的澆注系統尺寸,合理套用冒口,冷鐵,採用順序凝固原則
(六)進行熱處理

技術參數

各種鑄鐵代號,由表示該鑄鐵特徵的漢語拼音字母的第一個大寫正體字母組成。當兩種鑄鐵名稱的代號字母相同時,可在該大寫正體字母后加小寫正體字母來區別。同一名稱
球墨鑄鐵球墨鑄鐵
鑄鐵,需要細分時,取其細分特點的漢語拼音第一個大寫正體字母,排列在後面。
鑄鐵名稱,代號及牌號表示方法
鑄鐵名稱...............代號牌號..................表示方法實例
灰鑄鐵....................HT.........................HT100
蠕墨鑄鐵..................RuT........................RuT400
球墨鑄鐵..................QT.........................QT400——17
黑心可鍛鑄鐵..............KHT........................KHT300-06
白心可鍛鑄鐵..............KBT........................KBT350-04
珠光體可鍛鑄鐵............KZT........................KZT450-06
耐磨鑄鐵..................MT.........................MTCu1PTi-150
抗磨白口鑄鐵..............KmBT.......................KmBTMn5Mo2Cu
抗磨球墨鑄鐵..............KmQT.......................KmQTMn6
冷硬鑄鐵..................LT.........................LTCrMoR
耐蝕鑄鐵..................ST.........................STSi15R
耐蝕球墨鑄鐵..............SQT........................SQTAl15Si5
耐熱鑄鐵..................RT.........................RTCr2
耐熱球墨鑄鐵..............RQT........................RQTA16
奧氏體鑄鐵................AT.........................----
...牌號中代號後面的一組數字,表示抗拉強度值;有兩組數字時,第一組表示抗拉強度值,第二組表示延伸率值。兩組數字中間用“一”隔開。
合金元素用國際元素符號表示,含量大於或等於1%時,用整數表示:小於1%時一般不標註。常規元素(C、Si、Mn、S、p)一般不標註,有特殊作用時,才標註其元素符號及含量。

主要分類

....白口鑄鐵:白口鑄鐵中的碳全部以滲透碳體(Fe3c)形式存在,因斷口呈亮白色。故稱白口鑄鐵,由於有大量硬而脆的Fe3c,白口鑄鐵硬度高、脆性大、很難加工。因此,在工業套用方面很少直接使用,只用於少數要求耐磨而不受衝擊的製件,如拔絲模、球磨機鐵球等。大多用作煉鋼和可鍛鑄鐵的坯料。
....灰口鑄鐵;鑄鐵中的碳大部或全部以自由狀態片狀石墨存在。斷口呈灰色。它具有良好鑄造性能、切削加工性好,減磨性,耐磨性好、加上它熔化配料簡單,成本低、廣泛用於製造結構複雜鑄件和耐磨件。
灰口鑄鐵按基體組織不同,分為鐵素體基灰口鑄鐵、珠光體--鐵素體基灰口鑄鐵和珠光體基灰口鑄鐵三類。
由於灰口鑄鐵記憶體在片狀石墨,而石墨是一種密度小,強度低、硬度低、塑性和韌性趨於零的組分。它的存在如同在鋼的基體上存在大量小缺口,即減少承載面積,又增加裂紋源,所以灰口鑄鐵強度低、韌性差,不能進行壓力加工。為改善其性能,在澆注前在鐵水中加入一下量的矽鐵,矽鈣等孕育劑,使珠光體基體細化,
....可鍛鑄鐵:可鍛鑄鐵是用碳、矽含量較低的鐵碳合金鑄成白口鑄鐵坯件,再經過長時間高溫退火處理,使滲碳體分解出團絮狀石墨而成,即可鍛鐵是一種經過石墨化處理的白口鑄鐵。
可鍛鑄鐵按熱處理後顯微組織不同分兩類;一類是黑心可鍛鑄鐵和珠光可鍛鑄鐵。黑心可鍛鑄鐵組織主要是鐵素體(F)基本+團絮狀石墨;珠光體可鍛鑄鐵組織主要是珠光體(P)基體+團絮狀石墨。另一類是白心可鍛鑄鐵,白心可鍛鑄鐵組織決定於斷面尺寸,小斷面的以鐵素體為基體,大斷面的表面區域為鐵素體、心部為珠光體和退火碳。
石墨變細小而均勻分布,經過這種孕育處理的鑄鐵。稱為孕育鑄鐵。
....球墨鑄鐵:在鐵水(球墨生鐵)澆注前加一定量的球化劑(常用的有矽鐵、鎂等)使鑄鐵中石墨球化。由於碳(石墨)以球狀存在於鑄鐵基體中,改善其對基體的割裂作用,球墨鑄鐵的抗拉強度、屈服強度、塑性、衝擊韌性大大提高。並具有耐磨、減震、工藝性能好、成本低等優點,現已廣泛替代可鍛鑄鐵及部分鑄鋼、鍛鋼件、如曲軸、連桿、軋輥、汽車後橋等。

主要問題

縮孔縮松

球墨鑄鐵由於其糊狀凝固的特徵決定所生產的鑄鐵由於補縮不良經常產生縮孔、縮松等缺陷,為了能在鑄件生產以前預測這些缺陷情況,早在印年代國內外就開展了鑄造過程數值類比。鑄造過程數值類比是使用數值類比技術,在計算機虛擬的環境下類比實際鑄件形成過程,包括金屬液體的充型過程、冷卻凝固過程、應力形成過程、判斷成型過程中主要原素的影響程度,預測組織、性能和可能出現的缺陷,為最佳化工藝減少廢品提供依據。
1962年丹麥的Forsund第一個採用電子計算機類比鑄件的凝固過程,此後美國、英國、德國、日本、法蘭西等相繼開展了這方面的研究。我國於70年代末開始,大連理工大學、瀋陽鑄造研究所率先在我國開展了這一技術的研究,並分別於1980年發表了研究報告(郭可韌等,大型鑄件凝固過程的數字類比,大連工學院學報,1980(2)1─16;瀋陽鑄造研究所,鑄件凝固熱場電子計算機類比,鑄造,1980(1)14─22,此後在我國高等院校投入大量人力開展了這項研究。
在“六五”、“七五”期間國家攻關項目中部有計算機在鑄造中套用的攻關項目,“六五”的項目為“大型鑄鋼件凝固控制”、“七五”項目為“大型鑄鋼件鑄造工藝CAD”,組織產、學、研聯合攻關,大大推展了此項技術在我國的發展,清華大學、華中理工大學已分別能提供FT─Star和華鑄CAE─Inte4.0商品化學的軟體並在三明重型機器有限公司等單位套用,獲得了良好的效果。
計算機數值類比由前處理、中間計算和後處理三部分組成,包括幾何模型的建立,格點劃分,求解條件(初始條件和邊界條件)的確定,數值計算,計算結果的處理及圖形顯示。其所用的數值類比的基本方法主要是有限差分法,有限元法和邊界元法。
(1)凝固過程數值類比,主要進行鑄造過程的傳熱分析。包括數值計算方法的選擇,潛熱處理、縮孔縮撿預測判別,鑄件、鑄型界面傳熱問題處理。
(2)流動場數值類比,涉及動量、能量與質量傳遞,其難度較大。使用的數值求解技術有MAC法、SAMC法,SOLA─AOF法以及SOLA一─MAC法。
(3)鑄造應力類比,此項研究開展較晚,主要進行彈塑性狀態應力分祈,目前有Heyn模型,彈塑性模型,Perzyna模型,統一內變數模型等。
(4)組織類比,尚處起步階段。分巨視、中觀和微視類比。能計算形核數,分析初晶類型,枝晶生長速度,類比組織轉變,預測機械性能。目前有確定性模型,Monte、Cellular、Automaton等統計法模型、相場模型等。
計算機及其套用是迅速發展的技術領域,鑄造作為重要的工業領域之一,理應加強投入。研究開發計算機在鑄造研究及生產領域的套用,徹底改變過去那種“睜眼型式,閉眼澆注”的狀態,計算機的套用也必將會促進球墨鑄鐵的套用和發展。

氣孔缺陷

球墨鑄鐵件的生產過程中,在熱處理、拋丸清理後或機加工時常會發現一些直徑大約為0.5-3mm,形狀為球形、橢圓狀或針孔狀內壁光滑的孔洞,這些孔洞一般在鑄件表皮下2-3mm分布,這就是所謂的皮下氣孔。
皮下氣孔的形成是由於含鎂鐵液表面的張力大,容易形成氧化膜,這對阻礙析出氣體和入侵氣體的排出有一定影響,這些氣體滯留於皮下就會形成氣孔。另外,球墨鑄鐵糊狀凝固特點使氣體通道較早被堵塞,也會促進皮下氣孔缺陷的形成。

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