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现代球墨铸铁的诞生、应用及发展趋势
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 房贵如 王云昭< 点击:
钢铁的应用使人类文明进入了铁器时代。球墨铸铁的诞生，是继人类发明炼钢技术之后，在黑色金属应用技术方面又一次大的技术创新，是20世纪材料科学最重大的技术进展之一。
我国古代工匠早在2000年前就已制造出具有球状石墨的铸铁，分析表明上述铸铁件不含镁或稀土元素，是采用高纯木炭生铁熔剂，在金属型中浇注，经热处理后制成。但由于这种工艺难于大量生产，因而这种古代球铁的独特技艺没有流传至今。现代球墨铸铁采用向铁液中添加球化剂的方法使其在铸态下析出球状石墨，使得球墨铸铁真正登上了工业应用的舞台。
一、现代球墨铸铁的诞生
1. 青年麦里斯的创新促成现代球铁的诞生
最新公布的资料表明，现代球铁是美国国际镍公司(INCO)青年科研人员麦里斯(K.D.Millis)首先研究成功的。
1942年2月13日麦里斯等熔化了几组镍硬铸铁，意外地发现加镁的镍硬铸铁比加铬的标准镍硬铸铁明显提高了韧性，含硫量明显下降。1943年4月12日麦里斯等在含C3.6%，Si2%,Mn0.75%,S0.06%,Ni2%的铁液中添加含Mg20%的镍镁合金，添加量0.05%，0.3%，0.4%，0.5%。然后添加硅铁孕育剂。浇注试块切取抗拉试样和金相试样，发现析出完整的球墨，力学性能十分优异，这次试验标志着球铁的正式研究成功。此后INCO在保密状态下进行了五年系统的中间试验。
2. 莫勒论文的发表推进现代球铁技术的公布及应用
经过五年深入系统的试验后，INCO公司分别于1947年3月22日在英国，1947年11月21日在美国申请了加镁球铁专利。但是直到1949年1月25日英国铸铁研究所的莫勒(Hento Morrgh)在美国申请加铈球铁专利以后，美国专利局才对INCO公司的专利进行实质性审查，并于1949年10月25日批准授予加镁球铁专利权。接着又于当年11月15日批准授予莫勒的加铈球铁专利权，INCO公司立即购买了后一项专利。
莫勒的研究工作与论文的及时发表推进了现代球铁技术的公开及工业应用的进程。1948年6月14日在纽约Jamestown可锻铸铁公司首次采用INCO技术，浇注了1300lb 66in阶梯试块和一批铸件，为福特汽车公司可否用于制造曲轴提供技术评价，从此拉开了球墨铸铁工业生产的序幕。
3. INCO早期的球墨铸铁推广工作
1948年12月20日INCO与Cooper-Bessemer公司签订了第一个技术转让合同。采用含Mg16.9%,Ni80.5%,其余为Fe的球化剂用漏斗随流加入2.4%，处理铁液3500lb，用75%Si-Fe孕育，转包冲入，浇注柴油机缸体缸套。第二家是Hynchburg铸造厂用于制造球墨铸铁管。1949年美国制订了ASTM球墨铸铁标准并由麻省理工学院泰勒教授主持召开了球墨铸铁学术会议，促进了推广应用。不久，福特汽车曲轴全部用球墨铸铁，通用汽车公司也大量投产。总产量逐年增长，到1966年专利失效为止，INCO共向全世界31个国家的651家企业转让此项技术，共生产2，074，868t铸件。麦里斯全身心贯注于此项事业，他于1992年逝世后，美国球墨铸铁协会设立麦里斯奖学金以鼓励创造性的冶金学新秀。
二、现代球铁在我国的早期研究和应用
1. 我国球铁的早期研究工作——镁系球化剂及其处理工艺
我国球铁的研究工作始于1950年，最先是由中国科学院上海冶金所和清华大学王遵明教授分别在上海、抚顺两地进行。由于我国缺镍，未采用INCO的镍镁球化剂，而是采用铜镁合金冲入法研制成功球铁。
1952年，更多的单位开始研究用纯镁代替铜镁合金，采用钟罩压入法处理球铁；1953年我国又掌握了补加铁水的方法，以弥补钟罩压入法铁水温降大的缺点。大部分工厂采用钟罩压入法一直到1957年左右，这种方法耗镁量高(一般占铁水量的0.5%～1.0%)，同时球化不够稳定，劳动条件差。1957～1958年间，铸铁研究室(1957年由清华大学与一机部机械院等有关单位组成的合作研究机构)、大连造船厂、天津拖拉机厂、上海区球铁曲轴研究小组(由上海交大等单位组成)等单位先后试验成功压力加镁和灭容加镁的方法，并在生产中正式采用。至此，镁系球化剂及其处理工艺经过八年的不断研究和应用，基本成熟和完善了。
2. 以曲轴为代表的球铁零件的应用和第一次球铁生产大普及
球铁生产初期，由于工艺尚不成熟，质量尚不稳定，因而球铁多是来制作受力不大的小零件和机修配件。1956年9月和10月分别在北京和上海召开了球铁曲轴研讨会，并肯定了球铁曲轴使用的可靠性。会后，无锡柴油机厂、南京汽车厂、天津动力机厂、天津拖拉机厂相继开展了试验研究工作，并陆续鉴定投产。一机部汽车局于1957年11月在天津动力机厂召开了铸铁曲轴经验交流会议，制订了球铁曲轴的技术条件、检验方法，提出了曲轴用球铁可采用50-1.5、60-2两个牌号。球铁曲轴的成功应用，标志着我国的球铁作为一种工程材料登上了机械工业舞台。后来用于生产的重要零件有：鞍钢于1955年试制成功球铁轧辊，铁道科学研究院于1957年试制成功铁路车辆球铁轴瓦，本钢于1957年试制成功钢锭模，此外，还有凸轮轴、正时齿轮、阀门、减速器齿轮等零件。1958年11月召开第一次全国球铁会议时，全国已有近四百个单位研究、生产球铁，并试制了一些当时国外尚未报道的球铁零件，如铁轨、无缝管、热轧齿轮、液体轧制薄板、汽轮机转子和水轮机主轴等。
本时期的球铁品种比较少，真正用于生产只有相当于现标准的QT60-2、QT42-10和QT50-5三种牌号，性能水平也不高，珠光体球铁抗拉强度一般在70kgf/mm2以下，铁素体球铁的延伸率平均不超过15%。
3. 稀土镁球铁的研制
1958年以来，各地大量生产土铁，土铁的特点是C、Si、Mn低，S、P高，因为高硫球铁的性能不高且不稳定，还需要长时间退火，镁系球化剂不适应我国当时的铸造生产条件。1961年包钢又成功地从炉渣中提取出廉价的稀土，为稀土球化剂提供了充足的原料。1964年，一机部机械院与南京汽车厂、无锡柴油机厂等单位，采用稀土合金和镁作复合球化剂，研究成功具有我国资源特点的稀土镁球铁，解决了镁球铁生产中长期存在的夹渣、缩松、球化不良等缺陷，并分别于1964年底和1965年初在南京汽车厂、无锡柴油机厂正式投入生产。由于复合球化剂反应平稳，上海工艺研究所等单位于1965年又研究成功非常简便的冲入法代替压力加镁法，简化了球铁的生产工艺。
与原镁球铁相比，稀土镁球铁的铸造性能好，机械性能高，生产简便安全，在原铁水质量较差的情况下能制造出合格的球铁，因而在我国得到很快的发展。1976年10月以“稀土镁球墨铸铁的冶金及工艺特性”为主题首次在国际铸造年会上公布这一成果，引起国际铸造界的重视。
1977年5月，一机部在沙市召开了第三次全国球铁会议，交流了随流孕育、摇包脱硫、快速测定球化率等九项球铁新技术，以后又召开多届年会，交流球铁新成果。
进入80年代以来，我国球铁产量逐年大幅度增长，生产厂遍及全国各省市区；研究成功等温淬火球铁及多种特种球铁，球铁牌号增至十多个品种，并相继制订了“稀土镁球铁金相”、“球墨铸铁件”、“球铁用生铁”、“稀土硅铁镁合金”等技术标准；研究开发了适应球铁大量流水生产的先进工艺，如摇包、气动脱硫；型内、型上球化；多种瞬时孕育；音频、超声、热分析等多种球化率快速检测方法等。以汽车零件为代表的大量流水生产逐步达到国际水平，离心铸管产量也逐年增长，使我国逐步迈进球铁生产大国的行列。
4. 球铁基础理论及基础技术的研究
在球化理论方面，哈工大、中科院物理所、华中工学院、镇江农机学院等单位分别采用液淬、热分析、扫描电镜观察、电子探针等先进手段进行试验，并系统地提出了自己的观点：球状石墨是从液相中直接析出长大的；在液态就可能发生石墨畸变；石墨生成的结构机理是以螺旋位错方式长大；石墨畸变的原因是氧、硫等表面活性原子堵塞螺旋位错台阶而阻碍了石墨的球状生长；镁、稀土等球化元素的作用在于其脱氧、脱硫的“清扫剂”作用等等。这些观点丰富了原有的球化理论，并对原铁水质量控制、合理选择球化剂、加强孕育、防止球化不良和衰退产生等生产实际问题都有非常重要的指导意义。
在石墨形貌方面，清华大学采用扫描电镜等手段，用深腐蚀和热腐蚀方法，研究了各种铸铁的石墨形貌和内部结构，建立了一套铸铁石墨形貌的扫描电镜图谱，并据此提出了“铸铁石墨分类、命名”的文件，深化了对铸铁石墨形貌的认识。
在球铁基本性能方面，郑州机械所、北京钢铁学院、北京市机电院等单位系统测定了各种不同基体、不同牌号稀土镁球铁的动静态力学、使用、加工等性能，为合理选用球铁材质制造服役条件恶劣零件(如齿轮等)提供了科学数据。
三、球铁生产技术的最新进展及发展方向
综观国内外球铁生产及其技术近一、二十年的发展，有八个方面的进展及动向分别介绍如下。
1. 球铁产量和比例逐年增长，是增幅最大的铸件品种(见表1)
a. 主要工业国家球铁产量的比例均已达到30%左右；中国约比工业发达国家低1倍，但增幅最快，产量增长7倍，比例增长3倍。
b. 同期的灰铸铁件的比例逐年下降，可锻铸件的产量及比例均大幅度下降。
2. 采用成套先进技术，稳定提高球铁大量流水生产质量
汽车工业是球铁的最主要用户，反映了球铁生产规模和生产技术的最高水平。以汽车铸件为代表的球铁大量流水生产，推荐采用如下三方面成套先进技术：
a. 高温低硫低氧的优质原铁水，是稳定内部质量的基础。
采用铸造焦、热风水冷冲天炉、电炉熔化或双联过热、摇包或气动脱硫、直读光谱仪快速分析成分等先进技术。
b. 专用球化剂、孕育剂及合理的球化、孕育工艺(随流或型内)是确保球化良好和基体稳定的必要手段。
c. 高刚度铸型及先进的型砂是提高铸件内、外质量的有效措施。
采用静压、高压、气冲加压、挤压等高紧实率铸型和树脂砂可有效减少缩松，提高铸件尺寸精度和降低粗糙度。
另外，为了适应多品种变批量的生产方式，还需应用快换模板、快调浇口、通气针和型砂定量等技术。
综合采用上述成套技术，我国主要汽车铸造厂的工艺及装备已达到国际水平，生产规模也接近国际水平(如二汽铸造二厂年产量达7万吨)，静态性能可稳定达到QT450-10、QT400-15、QT500-7、QT600-3，其中脱硫效果稳定的南汽铸态性能达到QT600-10，正火后可达到QT880-5的高性能水平。
3. 离心铸管产量急剧增长，成为球铁的最大用户
离心球铁管由于强度高、塑性好、耐腐蚀性好等优点，故在供水、输气管道中大量应用。工业发达国家的离心球铁管产量已占铸管总产量的95%～98%，球铁总产量的40%～50%，成为球铁的最大用户。中小口径(＜1000mm)铸管采用水冷金属型工艺(即冷模法)；大口径采用热模法(喷和衬树脂砂)。国外已能生产最大尺寸达DN2000mm×8000mm和DN2600mm×4000mm的铸管。
我国近十多年来引进和研制了一批离心球铁管生产线，生产能力已达70万吨，年销售量约30万吨，已占球铁总量的20%以上。其中新兴铸管集团公司产量最大，且已能用热模法大批量生产DN(1200～1600)mm×5000mm的大管径铸管。(end)
我国古代工匠早在2000年前就已制造出具有球状石墨的铸铁，分析表明上述铸铁件不含镁或稀土元素，是采用高纯木炭生铁熔剂，在金属型中浇注，经热处理后制成。但由于这种工艺难于大量生产，因而这种古代球铁的独特技艺没有流传至今。现代球墨铸铁采用向铁液中添加球化剂的方法使其在铸态下析出球状石墨，使得球墨铸铁真正登上了工业应用的舞台。
一、现代球墨铸铁的诞生
1. 青年麦里斯的创新促成现代球铁的诞生
最新公布的资料表明，现代球铁是美国国际镍公司(INCO)青年科研人员麦里斯(K.D.Millis)首先研究成功的。
1942年2月13日麦里斯等熔化了几组镍硬铸铁，意外地发现加镁的镍硬铸铁比加铬的标准镍硬铸铁明显提高了韧性，含硫量明显下降。1943年4月12日麦里斯等在含C3.6%，Si2%,Mn0.75%,S0.06%,Ni2%的铁液中添加含Mg20%的镍镁合金，添加量0.05%，0.3%，0.4%，0.5%。然后添加硅铁孕育剂。浇注试块切取抗拉试样和金相试样，发现析出完整的球墨，力学性能十分优异，这次试验标志着球铁的正式研究成功。此后INCO在保密状态下进行了五年系统的中间试验。
2. 莫勒论文的发表推进现代球铁技术的公布及应用
经过五年深入系统的试验后，INCO公司分别于1947年3月22日在英国，1947年11月21日在美国申请了加镁球铁专利。但是直到1949年1月25日英国铸铁研究所的莫勒(Hento Morrgh)在美国申请加铈球铁专利以后，美国专利局才对INCO公司的专利进行实质性审查，并于1949年10月25日批准授予加镁球铁专利权。接着又于当年11月15日批准授予莫勒的加铈球铁专利权，INCO公司立即购买了后一项专利。
莫勒的研究工作与论文的及时发表推进了现代球铁技术的公开及工业应用的进程。1948年6月14日在纽约Jamestown可锻铸铁公司首次采用INCO技术，浇注了1300lb 66in阶梯试块和一批铸件，为福特汽车公司可否用于制造曲轴提供技术评价，从此拉开了球墨铸铁工业生产的序幕。
3. INCO早期的球墨铸铁推广工作
1948年12月20日INCO与Cooper-Bessemer公司签订了第一个技术转让合同。采用含Mg16.9%,Ni80.5%,其余为Fe的球化剂用漏斗随流加入2.4%，处理铁液3500lb，用75%Si-Fe孕育，转包冲入，浇注柴油机缸体缸套。第二家是Hynchburg铸造厂用于制造球墨铸铁管。1949年美国制订了ASTM球墨铸铁标准并由麻省理工学院泰勒教授主持召开了球墨铸铁学术会议，促进了推广应用。不久，福特汽车曲轴全部用球墨铸铁，通用汽车公司也大量投产。总产量逐年增长，到1966年专利失效为止，INCO共向全世界31个国家的651家企业转让此项技术，共生产2，074，868t铸件。麦里斯全身心贯注于此项事业，他于1992年逝世后，美国球墨铸铁协会设立麦里斯奖学金以鼓励创造性的冶金学新秀。
二、现代球铁在我国的早期研究和应用
1. 我国球铁的早期研究工作——镁系球化剂及其处理工艺
我国球铁的研究工作始于1950年，最先是由中国科学院上海冶金所和清华大学王遵明教授分别在上海、抚顺两地进行。由于我国缺镍，未采用INCO的镍镁球化剂，而是采用铜镁合金冲入法研制成功球铁。
1952年，更多的单位开始研究用纯镁代替铜镁合金，采用钟罩压入法处理球铁；1953年我国又掌握了补加铁水的方法，以弥补钟罩压入法铁水温降大的缺点。大部分工厂采用钟罩压入法一直到1957年左右，这种方法耗镁量高(一般占铁水量的0.5%～1.0%)，同时球化不够稳定，劳动条件差。1957～1958年间，铸铁研究室(1957年由清华大学与一机部机械院等有关单位组成的合作研究机构)、大连造船厂、天津拖拉机厂、上海区球铁曲轴研究小组(由上海交大等单位组成)等单位先后试验成功压力加镁和灭容加镁的方法，并在生产中正式采用。至此，镁系球化剂及其处理工艺经过八年的不断研究和应用，基本成熟和完善了。
2. 以曲轴为代表的球铁零件的应用和第一次球铁生产大普及
球铁生产初期，由于工艺尚不成熟，质量尚不稳定，因而球铁多是来制作受力不大的小零件和机修配件。1956年9月和10月分别在北京和上海召开了球铁曲轴研讨会，并肯定了球铁曲轴使用的可靠性。会后，无锡柴油机厂、南京汽车厂、天津动力机厂、天津拖拉机厂相继开展了试验研究工作，并陆续鉴定投产。一机部汽车局于1957年11月在天津动力机厂召开了铸铁曲轴经验交流会议，制订了球铁曲轴的技术条件、检验方法，提出了曲轴用球铁可采用50-1.5、60-2两个牌号。球铁曲轴的成功应用，标志着我国的球铁作为一种工程材料登上了机械工业舞台。后来用于生产的重要零件有：鞍钢于1955年试制成功球铁轧辊，铁道科学研究院于1957年试制成功铁路车辆球铁轴瓦，本钢于1957年试制成功钢锭模，此外，还有凸轮轴、正时齿轮、阀门、减速器齿轮等零件。1958年11月召开第一次全国球铁会议时，全国已有近四百个单位研究、生产球铁，并试制了一些当时国外尚未报道的球铁零件，如铁轨、无缝管、热轧齿轮、液体轧制薄板、汽轮机转子和水轮机主轴等。
本时期的球铁品种比较少，真正用于生产只有相当于现标准的QT60-2、QT42-10和QT50-5三种牌号，性能水平也不高，珠光体球铁抗拉强度一般在70kgf/mm2以下，铁素体球铁的延伸率平均不超过15%。
3. 稀土镁球铁的研制
1958年以来，各地大量生产土铁，土铁的特点是C、Si、Mn低，S、P高，因为高硫球铁的性能不高且不稳定，还需要长时间退火，镁系球化剂不适应我国当时的铸造生产条件。1961年包钢又成功地从炉渣中提取出廉价的稀土，为稀土球化剂提供了充足的原料。1964年，一机部机械院与南京汽车厂、无锡柴油机厂等单位，采用稀土合金和镁作复合球化剂，研究成功具有我国资源特点的稀土镁球铁，解决了镁球铁生产中长期存在的夹渣、缩松、球化不良等缺陷，并分别于1964年底和1965年初在南京汽车厂、无锡柴油机厂正式投入生产。由于复合球化剂反应平稳，上海工艺研究所等单位于1965年又研究成功非常简便的冲入法代替压力加镁法，简化了球铁的生产工艺。
与原镁球铁相比，稀土镁球铁的铸造性能好，机械性能高，生产简便安全，在原铁水质量较差的情况下能制造出合格的球铁，因而在我国得到很快的发展。1976年10月以“稀土镁球墨铸铁的冶金及工艺特性”为主题首次在国际铸造年会上公布这一成果，引起国际铸造界的重视。
1977年5月，一机部在沙市召开了第三次全国球铁会议，交流了随流孕育、摇包脱硫、快速测定球化率等九项球铁新技术，以后又召开多届年会，交流球铁新成果。
进入80年代以来，我国球铁产量逐年大幅度增长，生产厂遍及全国各省市区；研究成功等温淬火球铁及多种特种球铁，球铁牌号增至十多个品种，并相继制订了“稀土镁球铁金相”、“球墨铸铁件”、“球铁用生铁”、“稀土硅铁镁合金”等技术标准；研究开发了适应球铁大量流水生产的先进工艺，如摇包、气动脱硫；型内、型上球化；多种瞬时孕育；音频、超声、热分析等多种球化率快速检测方法等。以汽车零件为代表的大量流水生产逐步达到国际水平，离心铸管产量也逐年增长，使我国逐步迈进球铁生产大国的行列。
4. 球铁基础理论及基础技术的研究
在球化理论方面，哈工大、中科院物理所、华中工学院、镇江农机学院等单位分别采用液淬、热分析、扫描电镜观察、电子探针等先进手段进行试验，并系统地提出了自己的观点：球状石墨是从液相中直接析出长大的；在液态就可能发生石墨畸变；石墨生成的结构机理是以螺旋位错方式长大；石墨畸变的原因是氧、硫等表面活性原子堵塞螺旋位错台阶而阻碍了石墨的球状生长；镁、稀土等球化元素的作用在于其脱氧、脱硫的“清扫剂”作用等等。这些观点丰富了原有的球化理论，并对原铁水质量控制、合理选择球化剂、加强孕育、防止球化不良和衰退产生等生产实际问题都有非常重要的指导意义。
在石墨形貌方面，清华大学采用扫描电镜等手段，用深腐蚀和热腐蚀方法，研究了各种铸铁的石墨形貌和内部结构，建立了一套铸铁石墨形貌的扫描电镜图谱，并据此提出了“铸铁石墨分类、命名”的文件，深化了对铸铁石墨形貌的认识。
在球铁基本性能方面，郑州机械所、北京钢铁学院、北京市机电院等单位系统测定了各种不同基体、不同牌号稀土镁球铁的动静态力学、使用、加工等性能，为合理选用球铁材质制造服役条件恶劣零件(如齿轮等)提供了科学数据。
三、球铁生产技术的最新进展及发展方向
综观国内外球铁生产及其技术近一、二十年的发展，有八个方面的进展及动向分别介绍如下。
1. 球铁产量和比例逐年增长，是增幅最大的铸件品种(见表1)
表11981、1990、1994、1997年度几个国家铸件产量统计
a. 主要工业国家球铁产量的比例均已达到30%左右；中国约比工业发达国家低1倍，但增幅最快，产量增长7倍，比例增长3倍。
b. 同期的灰铸铁件的比例逐年下降，可锻铸件的产量及比例均大幅度下降。
2. 采用成套先进技术，稳定提高球铁大量流水生产质量
汽车工业是球铁的最主要用户，反映了球铁生产规模和生产技术的最高水平。以汽车铸件为代表的球铁大量流水生产，推荐采用如下三方面成套先进技术：
a. 高温低硫低氧的优质原铁水，是稳定内部质量的基础。
采用铸造焦、热风水冷冲天炉、电炉熔化或双联过热、摇包或气动脱硫、直读光谱仪快速分析成分等先进技术。
b. 专用球化剂、孕育剂及合理的球化、孕育工艺(随流或型内)是确保球化良好和基体稳定的必要手段。
c. 高刚度铸型及先进的型砂是提高铸件内、外质量的有效措施。
采用静压、高压、气冲加压、挤压等高紧实率铸型和树脂砂可有效减少缩松，提高铸件尺寸精度和降低粗糙度。
另外，为了适应多品种变批量的生产方式，还需应用快换模板、快调浇口、通气针和型砂定量等技术。
综合采用上述成套技术，我国主要汽车铸造厂的工艺及装备已达到国际水平，生产规模也接近国际水平(如二汽铸造二厂年产量达7万吨)，静态性能可稳定达到QT450-10、QT400-15、QT500-7、QT600-3，其中脱硫效果稳定的南汽铸态性能达到QT600-10，正火后可达到QT880-5的高性能水平。
3. 离心铸管产量急剧增长，成为球铁的最大用户
离心球铁管由于强度高、塑性好、耐腐蚀性好等优点，故在供水、输气管道中大量应用。工业发达国家的离心球铁管产量已占铸管总产量的95%～98%，球铁总产量的40%～50%，成为球铁的最大用户。中小口径(＜1000mm)铸管采用水冷金属型工艺(即冷模法)；大口径采用热模法(喷和衬树脂砂)。国外已能生产最大尺寸达DN2000mm×8000mm和DN2600mm×4000mm的铸管。
我国近十多年来引进和研制了一批离心球铁管生产线，生产能力已达70万吨，年销售量约30万吨，已占球铁总量的20%以上。其中新兴铸管集团公司产量最大，且已能用热模法大批量生产DN(1200～1600)mm×5000mm的大管径铸管。(end)
