現代球墨鑄鐵的誕生、應用及發展趨勢

關鍵字：球墨鑄鐵
鋼鐵的應用使人類文明進入了鐵器時代。球墨鑄鐵的誕生，是繼人類發明鍊鋼技術之後，在黑色金屬應用技術方面又一次大的技術創新，是20世紀材料科學最重大的技術進展之一。
我國古代工匠早在2000年前就已製造出具有球狀石墨的鑄鐵，分析表明上述鑄鐵件不含鎂或稀土元素，是採用高純木炭生鐵熔劑，在金屬型中澆注，經熱處理后製成。但由於這種工藝難於大量生產，因而這種古代球鐵的獨特技藝沒有流傳至今。現代球墨鑄鐵採用向鐵液中添加球化劑的方法使其在鑄態下析出球狀石墨，使得球墨鑄鐵真正登上了工業應用的舞台。
一、現代球墨鑄鐵的誕生
1.青年麥里斯的創新促成現代球鐵的誕生
最新公布的資料表明，現代球鐵是美國國際鎳公司(INCO)青年科研人員麥里斯(K.D.Millis)首先研究成功的。1942年2月13日麥里斯等熔化了幾組鎳硬鑄鐵，意外地發現加鎂的鎳硬鑄鐵比加鉻的標準鎳硬鑄鐵明顯提高了韌性，含硫量明顯下降。1943年4月12日麥里斯等在含C3.6%，Si2%,Mn0.75%,S0.06%,Ni2%的鐵液中添加含Mg20%的鎳鎂合金，添加量0.05%，0.3%，0.4%，0.5%。然後添加硅鐵孕育劑。澆注試塊切取抗拉試樣和金相試樣，發現析出完整的球墨，力學性能十分優異，這次試驗標誌著球鐵的正式研究成功。此後INCO在保密狀態下進行了五年系統的中間試驗。
2.莫勒論文的發表推進現代球鐵技術的公布及應用
經過五年深入系統的試驗后，INCO公司分別於1947年3月22日在英國，1947年11月21日在美國申請了加鎂球鐵專利。但是直到1949年1月25日英國鑄鐵研究所的莫勒(Hento Morrgh)在美國申請加鈰球鐵專利以後，美國專利局才對INCO公司的專利進行實質性審查，並於1949年10月25日批准授予加鎂球鐵專利權。接著又於當年11月15日批准授予莫勒的加鈰球鐵專利權，INCO公司立即購買了后一項專利。
莫勒的研究工作與論文的及時發表推進了現代球鐵技術的公開及工業應用的進程。1948年6月14日在紐約Jamestown可鍛鑄鐵公司首次採用INCO技術，澆注了1300lb 66in階梯試塊和一批鑄件，為福特汽車公司可否用於製造麯軸提供技術評價，從此拉開了球墨鑄鐵工業生產的序幕。
3. INCO早期的球墨鑄鐵推廣工作
1948年12月20日INCO與Cooper-Bessemer公司簽訂了第一個技術轉讓合同。採用含Mg16.9%,Ni80.5%,其餘為Fe的球化劑用漏斗隨流加入2.4%，處理鐵液3500lb，用75%Si-Fe孕育，轉包沖入，澆注柴油機缸體缸套。第二家是Hynchburg鑄造廠用於製造球墨鑄鐵管。1949年美國制訂了ASTM球墨鑄鐵標準並由麻省理工學院泰勒教授主持召開了球墨鑄鐵學術會議，促進了推廣應用。不久，福特汽車曲軸全部用球墨鑄鐵，通用汽車公司也大量投產。總產量逐年增長，到1966年專利失效為止，INCO共向全世界31個國家的651家企業轉讓此項技術，共生產2，074，868t鑄件。麥里斯全身心貫注於此項事業，他於1992年逝世后，美國球墨鑄鐵協會設立麥里斯獎學金以鼓勵創造性的冶金學新秀。
二、現代球鐵在我國的早期研究和應用
1.我國球鐵的早期研究工作——鎂系球化劑及其處理工藝
我國球鐵的研究工作始於1950年，最先是由中國科學院上海冶金陶瓷所和清華大學王遵明教授分別在上海、撫順兩地進行。由於我國缺鎳，未採用INCO的鎳鎂球化劑，而是採用銅鎂合金沖入法研製成功球鐵。
1952年，更多的單位開始研究用純鎂代替銅鎂合金，採用鐘罩壓入法處理球鐵；1953年我國又掌握了補加鐵水的方法，以彌補鐘罩壓入法鐵水溫降大的缺點。大部分工廠採用鐘罩壓入法一直到1957年左右，這種方法耗鎂量高(一般占鐵水量的0.5%～1.0%)，同時球化不夠穩定，勞動條件差。1957～1958年間，鑄鐵研究室(1957年由清華大學與一機部機械院等有關單位組成的合作研究機構)、大連造船廠、天津拖拉機廠、上海區球鐵曲軸研究小組(由上海交大等單位組成)等單位先後試驗成功壓力加鎂和滅容加鎂的方法，並在生產中正式採用。至此，鎂系球化劑及其處理工藝經過八年的不斷研究和應用，基本成熟和完善了。
2.以曲軸為代表的球鐵零件的應用和第一次球鐵生產大普及
球鐵生產初期，由於工藝尚不成熟，質量尚不穩定，因而球鐵多是來製作受力不大的小零件和機修配件。1956年9月和10月分別在北京和上海召開了球鐵曲軸研討會，並肯定了球鐵曲軸使用的可靠性。會後，無錫柴油機廠、南京汽車廠、天津動力機廠、天津拖拉機廠相繼開展了試驗研究工作，並陸續鑒定投產。一機部汽車局於1957年11月在天津動力機廠召開了鑄鐵曲軸經驗交流會議，制訂了球鐵曲軸的技術條件、檢驗方法，提出了曲軸用球鐵可採用50-1.5、60-2兩個牌號。球鐵曲軸的成功應用，標誌著我國的球鐵作為一種工程材料登上了機械工業舞台。後來用於生產的重要零件有：鞍鋼於1955年試製成功球鐵軋輥，鐵道科學研究院於1957年試製成功鐵路車輛球鐵軸瓦，本鋼於1957年試製成功鋼錠模，此外，還有凸輪軸、正時齒輪、閥門、減速器齒輪等零件。1958年11月召開第一次全國球鐵會議時，全國已有近四百個單位研究、生產球鐵，並試製了一些當時國外尚未報道的球鐵零件，如鐵軌、無縫管、熱軋齒輪、液體軋制薄板、汽輪機轉子和水輪機主軸等。
本時期的球鐵品種比較少，真正用於生產只有相當於現標準的QT60-2、QT42-10和QT50-5三種牌號，性能水平也不高，珠光體球鐵抗拉強度一般在70kgf/mm2以下，鐵素體球鐵的延伸率平均不超過15%。
3.稀土鎂球鐵的研製
1958年以來，各地大量生產土鐵，土鐵的特點是C、Si、Mn低，S、P高，因為高硫球鐵的性能不高且不穩定，還需要長時間退火，鎂系球化劑不適應我國當時的鑄造生產條件。1961年包鋼又成功地從爐渣中提取出廉價的稀土，為稀土球化劑提供了充足的原料。1964年，一機部機械院與南京汽車廠、無錫柴油機廠等單位，採用稀土合金和鎂作複合球化劑，研究成功具有我國資源特點的稀土鎂球鐵，解決了鎂球鐵生產中長期存在的夾渣、縮松、球化不良等缺陷，並分別於1964年底和1965年初在南京汽車廠、無錫柴油機廠正式投入生產。由於複合球化劑反應平穩，上海工藝研究所等單位於1965年又研究成功非常簡便的沖入法代替壓力加鎂法，簡化了球鐵的生產工藝。
與原鎂球鐵相比，稀土鎂球鐵的鑄造性能好，機械性能高，生產簡便安全，在原鐵水質量較差的情況下能製造出合格的球鐵，因而在我國得到很快的發展。1976年10月以「稀土鎂球墨鑄鐵的冶金及工藝特性」為主題首次在國際鑄造年會上公布這一成果，引起國際鑄造界的重視。
1977年5月，一機部在沙市召開了第三次全國球鐵會議，交流了隨流孕育、搖包脫硫、快速測定球化率等九項球鐵新技術，以後又召開多屆年會，交流球鐵新成果。進入80年代以來，我國球鐵產量逐年大幅度增長，生產廠遍及全國各省市區；研究成功等溫淬火球鐵及多種特種球鐵，球鐵牌號增至十多個品種，並相繼制訂了「稀土鎂球鐵金相」、「球墨鑄鐵件」、「球鐵用生鐵」、「稀土硅鐵鎂合金」等技術標準；研究開發了適應球鐵大量流水生產的先進工藝，如搖包、氣動脫硫；型內、型上球化；多種瞬時孕育；音頻、超聲、熱分析等多種球化率快速檢測方法等。以汽車零件為代表的大量流水生產逐步達到國際水平，離心鑄管產量也逐年增長，使我國逐步邁進球鐵生產大國的行列。
4.球鐵基礎理論及基礎技術的研究
在球化理論方面，哈工大、中科院物理所、華中工學院、鎮江農機學院等單位分別採用液淬、熱分析、掃描電鏡觀察、電子探針等先進手段進行試驗，並系統地提出了自己的觀點：球狀石墨是從液相中直接析出長大的；在液態就可能發生石墨畸變；石墨生成的結構機理是以螺旋位錯方式長大；石墨畸變的原因是氧、硫等表面活性原子堵塞螺旋位錯台階而阻礙了石墨的球狀生長；鎂、稀土等球化元素的作用在於其脫氧、脫硫的「清掃劑」作用等等。
這些觀點豐富了原有的球化理論，並對原鐵水質量控制、合理選擇球化劑、加強孕育、防止球化不良和衰退產生等生產實際問題都有非常重要的指導意義。
在石墨形貌方面，清華大學採用掃描電鏡等手段，用深腐蝕和熱腐蝕方法，研究了各種鑄鐵的石墨形貌和內部結構，建立了一套鑄鐵石墨形貌的掃描電鏡圖譜，並據此提出了「鑄鐵石墨分類、命名」的文件，深化了對鑄鐵石墨形貌的認識。
在球鐵基本性能方面，鄭州機械所、北京鋼鐵學院、北京市機電院等單位系統測定了各種不同基體、不同牌號稀土鎂球鐵的動靜態力學、使用、加工等性能，為合理選用球鐵材質製造服役條件惡劣零件(如齒輪等)提供了科學數據。
三、球鐵生產技術的最新進展及發展方向
綜觀國內外球鐵生產及其技術近一、二十年的發展，有八個方面的進展及動向分別介紹如下。
  1.球鐵產量和比例逐年增長，是增幅最大的鑄件品種(見表1)

表11981、1990、1994、1997年度幾個國家鑄件產量統計

由表1可看出：
a.主要工業國家球鐵產量的比例均已達到30%左右；中國約比工業發達國家低1倍，但增幅最快，產量增長7倍，比例增長3倍。
b.同期的灰鑄鐵件的比例逐年下降，可鍛鑄件的產量及比例均大幅度下降。
2.採用成套先進技術，穩定提高球鐵大量流水生產質量
汽車工業是球鐵的最主要用戶，反映了球鐵生產規模和生產技術的最高水平。以汽車鑄件為代表的球鐵大量流水生產，推薦採用如下三方面成套先進技術：
a.高溫低硫低氧的優質原鐵水，是穩定內部質量的基礎。
採用鑄造焦、熱風水冷衝天爐、電爐熔化或雙聯過熱、搖包或氣動脫硫、直讀光譜儀快速分析成分等先進技術。
b.專用球化劑、孕育劑及合理的球化、孕育工藝(隨流或型內)是確保球化良好和基體穩定的必要手段。
c.高剛度鑄型及先進的型砂是提高鑄件內、外質量的有效措施。
採用靜壓、高壓、氣沖加壓、擠壓等高緊實率鑄型和樹脂砂可有效減少縮松，提高鑄件尺寸精度和降低粗糙度。
另外，為了適應多品種變批量的生產方式，還需應用快換模板、快調澆口、通氣針和型砂定量等技術。
綜合採用上述成套技術，我國主要汽車鑄造廠的工藝及裝備已達到國際水平，生產規模也接近國際水平(如二汽鑄造二廠年產量達7萬噸)，靜態性能可穩定達到QT450-10、QT400-15、QT500-7、QT600-3，其中脫硫效果穩定的南汽鑄態性能達到QT600-10，正火后可達到QT880-5的高性能水平。
3.離心鑄管產量急劇增長，成為球鐵的最大用戶
離心球鐵管由於強度高、塑性好、耐腐蝕性好等優點，故在供水、輸氣管道中大量應用。工業發達國家的離心球鐵管產量已佔鑄管總產量的95%～98%，球鐵總產量的40%～50%，成為球鐵的最大用戶。中小口徑(＜1000mm)鑄管採用水冷金屬型工藝(即冷模法)；大口徑採用熱模法(噴塗料和襯樹脂砂)。國外已能生產最大尺寸達DN2000mm×8000mm和DN2600mm×4000mm的鑄管。
我國近十多年來引進和研製了一批離心球鐵管生產線，生產能力已達70萬噸，年銷售量約30萬噸，已佔球鐵總量的20%以上。其中新興鑄管集團公司產量最大，且已能用熱模法大批量生產DN(1200～1600)mm×5000mm的大管徑鑄管。

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