| 词条 | 球墨铸铁 |
| 释义 | § 成分 球墨铸铁生铁是含碳量大于2％的铁碳合金，工业生铁含碳量一般在2.5%--4%，并含C、SI、Mn、S、P等元素，是用铁矿石经高炉冶炼的产品。根据生铁里碳存在形态的不同，又可分为炼钢生铁、铸造生铁和球墨铸铁等几种。 析出的石墨呈球形的铸铁。球状石墨对金属基体的割裂作用比片状石墨小，使铸铁的强度达到基体组织强度的70～90％，抗拉强度可达120kgf/mm2，并且具有良好的韧性。球墨铸铁除铁外的化学成分通常为：含碳量3.6～3.8％，含硅量2.0～3.0％，含锰、磷、硫总量不超过1.5％和适量的稀土、镁等球化剂。 § 性能 球墨铸铁球铁铸件差不多已在所有主要工业部门中得到应用，这些部门要求高的强度、塑性、韧性、耐磨性、耐严重的热和机械冲击、耐高温或低温、耐腐蚀以及尺寸稳定性等。为了满足使用条件的这些变化、球墨铸铁现有许多牌号，提供了机械性能和吻理性能的一个很宽的范围。 如国际标准化组织1501083所规定的大多数球墨铸铁铸件，主要是以非合金态生产的。显然，这个范围包括抗拉强度大于800牛顿/毫米，延伸率为2%的高强度牌号。另一个极端是高塑性牌号，其延伸率大于17%，而相应的强度较低(最低为370牛顿/毫米勺。强度和延伸率并不是设计者选择材料的唯一根，而其它决定性的重要性能还包括屈服强度、弹性模数、耐磨性和疲劳强度、硬度和冲击性能。另外，耐蚀性和抗氧化以及电磁性能对于设计者也许是关键的。为了满足这些特殊使用，研制了一组奥氏体球铁，通常叫傲Ni一Resis亡球铁。这些奥氏体球铁，主要用锌、铬和锰合金化，并且列入国际标准。 § 应用 球墨铸铁 球墨铸铁的应用范围可以分为四个部门：(1)压力管遭和配件；(2)汽车应用；(3)农业、道路和建筑应用；(4)一般工程。 1：压力管道和配件 球墨铸铁用作管道开始时，铁管道和配件大多数由主要工业国家生产，它们的制造、设计和使用既符合国家标准，也符合国际标准和实施规程(I502531)。就运送水和其它液体来说，早就证明球铁管道要优于灰铸铁管道。这种转变的主要原因在于铁素体球墨铸铁的强度和韧性的配合，使得由这种材料所制成的管道能经受高的运行压力，在铺设时能草率装卸。席气输送管道必须能经受多使用条的要求，即经受在管道附近的挖掘和市政工程施工以及交通运输等，这里球铁管道的高强度、高切性和简单的安装及连接工艺已经证明选用这种材料是果断的。 2：汽车应用 就生产的吨位而论，汽车工业是球墨铸铁铸件第二用户，其数项最多。球铁应用于汽车中的三个主要地方：(1)动力源一发动机部件；(2)动力传递一一齿轮系、齿轮和轴套；(3)车物悬置、制动器和转向装置。动力源曲轴是承受连续变化的弯曲、扭转和剪切载荷的零件，并且在它的使用寿命内，要循环十亿次，汽车设计的工程师们早在19152年即在发现用镁处理的方法四年之后，就立刻考虑采用球铁的可能性。福特汽车公司的几乎所有曲轴都用这种材料来制造。世界上大多数汽油机汽车都装上球铁曲轴来代替锻钢曲轴，这种应用被认为是价值工程的典型例子。 汽车柴油机的制造者们从延长发动机的使用寿命出发，特别谨慎地考虑曲轴材料的选抒，当高强度的贝氏体等温悴火球铁为了提高动力重量比，涡轮增压器的扩大使用影响了材料的设计根据，装有涡轮增压器的排气管的温度提高到500一70。C，在这种条件下，氧化和蠕变强度变得重要了。具有优良性能的球铁正在取代灰铸铁应用于排气管，随着温度的提高，将更进一步使用硅铝合金球铁。 汽车动力传递可锻铸铁件有时用作汽车的传动部件，将球铁应用于圆片离合器、分速器箱、后轴和轮壳等的强烈的趋势。瑞士Sehaffhausen的G.Fiseher铸造厂在这方面有许多应用，他们与设计者紧密合作，把铸钢件、锻钢件以及可锻铸铁件转变为球墨铸铁件。悬置件现在，铁经常用作悬置部件如弹簧挂钩以及制动系统主要安全部件(制动卡钳)和转向关节。 3：农业、道路和建筑应用 现代的经济的农业方法要求能提供在需要的状态下可靠的和使用寿命较长的农业机械。整个农用工业中所广泛使用的球铁铸件包括各种拖拉机配件、犁桦、托架、夹钳和滑轮。典型的部件是农用车俩后轴壳，‘它原来采用铸钢件。道路铺设和建筑工业都需要相当数量灼各种各类的设备包括推土机、打进机、起重机和压缩机，球铁铸件在这些方面都有应用。 4：一般应用 球墨铸铁机床工业利用球铁的工程性能，它允许设计复杂的机床部件以及铸件重量超过10。吨的重型机器铸件。在应用包括注射塑模板、锻压机汽缸和活塞。球铁的抗拉强度和屈服强度高，机械加工性能好，允许生产较轻铸件而使其保持刚性。同样，球铁的强度和韧性使其成为各种手工工具，如扳手、夹钳和量具的理想材料。 造纸机工业利用了球铁高的强度和高的弹性模数。例如与灰铸铁相比，球铁的弹性模数高60%，设计压力滚筒和干燥滚筒时能减少重量。同样，球铁(适当加入镍锢合金)轧辊应用于钢厂，比起钢和冷硬铸铁来有较高的性能。 5：阀制造 阀的制造者们是球铁(包括奥氏体球铁)的主要使用者，其应用方面包括成功地输送各种酸、盐和碱性液体。球铁在阀的应用方面的一个有趣的例子是球阀塞由英国Parkfeld制造厂生产。用于1420毫米煤气管道的大型球阀塞，原先用锻钢制造，直径2410毫米、重量17吨。基本上重新设计的球铁球阀塞重量仅n吨。附加的好处包括减少机械加工余量和加工时间以及提高了总的精度。完全铁素体球铁(1501085牌号370一27)应用于这些球阀塞。铁素体球铁(GGG40)用作用过的原子核燃料杆(仍含有50%铀235)的运送和贮藏容器的材料是由德国KrefeldSiempelkamp铸造厂所积极促成的。为了取得应用这种球铁的赞赏，Ssempelkarnp要求重量大约85吨的Caster容器经受有史以来施加于铁铸件的最严格的最恶劣的负荷试验。这些试验包括将85吨铸件在低于一40“C温度，从九米高度落到1000吨重的水泥座上，以及由坦克中发射出一发大炮弹，几乎以声音的速度撞击到铸件上。在所有这些试验中，球铁容器经受住了一切严励的试验，而只有表面损伤，当然可保证对于放射线的密封完全可靠。在模拟运输机故障状态和飞机坠毁之后，己确信球铁是安全的，所设计的球铁Caster容器可能得到最高的“Pradikat”安全级一柏林和Braun-sch二elg管理局的B(L巧证明书。这是铸造业公认的一个潜在的市场的极好例子。 § 制造步骤 （一）严格要求化学成分，对原铁液要求的碳硅含量比灰铸铁高，降低球墨铸铁中锰，磷，硫的含量 （二）铁液出炉温度比灰铸较铁更高，比补偿球化，孕育处理时铁液温度的损失 （三）进行球化处理，即往铁液中添加球一化剂 （四）进行孕育处理 （五）球墨铸铁流动性较差，收缩较大，因此需要较高的浇注温度及较大的浇注系统尺寸，多应用冒口，冷铁，采用顺序凝固原则 （六）进行热处理 § 球铁应用的发展前途 球墨铸铁当球铁的吨位增加和市场渗透是很惊人的，这种材料决不能看到达到了它的全部潜力。基于这一点，现在不生产球铁的铸铁厂，建议很好地重新考虑这方面的可能性。节能要求导致基本上重新设计零件，以达到重量轻、效率高，这就必然要提醒设计者集中注意材料。球铁正日益被认为能提供高的强度一重量特性，并且能以比较低的成本生产。 因此预料，随着代替灰铸铁、可锻铸铁和铸银件，能亲眼看到球铁生产吨位的持续增加。最近出版的刊物对于帮助造厂在这面的力是有利的，虽然计值会变提高而改善。但铁水温度低于1450“C后孕育效果很差，RG值几乎不变。由表3可得:孕育铸铁的质量指标用铸造焦熔炼的比用冶金焦熔炼的高18%，值得注意的是相对硬度反而降低3%。 § 相关历史 1947年英国H.Morrogh发现，在过共晶灰口铸铁中附加铈，使其含量在0.02wt%以上时，石墨呈球状。1948年美国A.P.Ganganebin等人研究指出，在铸铁中添加镁，随后用硅铁孕育，当残余镁量大于0.04wt%时，得到球状石墨。从此以后，球墨铸铁开始了大规模工业生产。球墨铸铁球墨铸铁作为新型工程材料的发展速度是令人惊异的。1949年世界球墨铸铁产量只有5万吨，1960年为53.5万吨，1970年增长到500万吨，1980年为760万吨，1990年达到915万吨。2000年达到1500万吨。球墨铸铁的生产发展速度在工业发达国家特别快。世界球墨铸铁产量的75%是由美国、日本、德国、意大利、英国、法国六国生产的。 中国球墨铸铁生产起步很早，1950年就研制成功并投入生产，中国的球墨铸铁年产量达230万吨，位于美国、日本之后，居世界第三位。适合中国国情的稀土镁球化剂的研制成功，铸态球墨铸铁以及奥氏体-贝氏体球墨铸铁等各个领域的生产技术和研究工作均达到了很高的技术水平。 （1）铸态珠光体球墨铸铁曲轴和铸态铁素体球墨铸铁汽车底盘零件分别在我国第二汽车厂、南京汽车厂和第一汽车厂相继投产。这标志着中国铸态球墨铸铁生产达到了较高水平。与之相适应的包外脱硫、双联法熔炼、瞬时孕育、孕育块技术以及音频检测和热分析快速分析等技术的采用，则标志着中国大量流水生产汽车铸件的技术水平与国际先进水平的差距正在缩小。 （2）试验研究了大断面（壁厚大于120mm）球墨铸铁的冶金因素以及相应的生产工艺措施。采用适量的钇基重稀土复合球化剂、强制冷却、顺序凝固、延后孕育，必要时添加微量锑、铋等可防止球墨铸铁件中心部位的石墨畸变和组织疏松等，现已成功地制作了38吨重的大型复杂结构件，17.5吨重的柴油机体、截面为805mm的球墨铸铁轧辊等。 （3）奥氏体-贝氏体球墨铸铁的研究与应用。20世纪70年代初，几乎同时中国、美国、芬兰3个国家宣布研究成功了具有高强度、高韧性的奥氏体-贝氏体球墨铸铁（国际上统称ADI），这种材质的抗拉强度达1000MPa，因此它广泛应用于齿轮以及各种结构件，与合金钢相比，奥-贝球墨铸铁具有显著的经济效益和社会效益。 （4）球墨铸铁管和水平连续铸造球墨铸铁型材。中国已相继建成几个球墨铸铁管厂，且近几年还将有几个球墨铸铁管厂建成。2000年，中国年产离心铸造球墨铸铁管达90万吨。此外，中国自行研制的水平连续铸造球墨铸铁型材生产线已通过国家鉴定，并已有多家企业投产。再加上中国引进的一条生产线，至2002年，中国年产球墨铸铁型材的能力达数万吨。球墨铸铁件（5）系统地测定了稀土镁球墨铸铁的力学性能及其他性能，为设计人员提供了有关数据。测定了稀土镁球墨铸铁的比重、导热性、电磁性等物理性能，结合金相标准研究了石墨和基体组织对球墨铸铁性能的影响规律。系统地测定了铁素体球墨铸铁在常温、低温、静态和动态条件下的各种性能。此外，还研究了稀土镁球墨铸铁的应力应变性能、小能量多冲抗力和断裂韧性，并开始用于指导生产。结合球墨铸铁齿轮的应用，还系统地研究了球墨铸铁的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，以及球墨铸铁齿轮的点蚀、剥落机理等。 （6）稀土镁球墨铸铁。在高强度低合金球墨铸铁方面，除了对铜、钼研究较多外，还对镍、铌等进行了研究。在利用天然钒钛生铁制作钒钛合金球墨铸铁方面，中国国内一些单位进行了大量、系统的工作。中锰球墨铸铁虽然在性能上不够稳定，在系统研究与生产应用，取得了显著的经济效益。 在耐热球墨铸铁方面，除了中硅球墨铸铁以外，系统研究了Si+Al总量对稀土镁球墨铸铁抗生长能力的影响。中国研制的RQTAL5Si5耐热铸铁用作耐热炉条的使用寿命是灰铸铁的3倍，是普通耐热铸铁的2倍，并与日本Cr25Ni13Si2耐热钢的使用寿命相当。高镍奥氏体球墨铸铁方面也取得了进展，它在石油开采机械、化工设备、工业用炉器件上均取得了成功的应用。在耐酸球墨铸铁方面，中国生产的稀土高硅球墨铸铁比普通高硅铸铁的组织细小、均匀、致密，由此，抗蚀性能提高了10%～90%，并且其机械强度也有显著改善。 （7）稀土在球墨铸铁中的作用。稀土能使石墨球化。自从H.Morrogh最先使用铈得到球墨铸铁以来，先后许多人研究了各种稀土元素的球化行为，发现铈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。 结合国情，中国对稀土的球化作用进行了大量研制工作，发现稀土元素对常用的球墨铸铁成分（C3.6～3.8wt%，Si2.0～2.5wt%）来说，很难获得同镁球墨铸铁那样完整均匀的球状石墨；而且，当稀土量过高时，还会出现各种变态形的石墨，白口倾向也增大，但是，如果是高碳过共晶成分（C＞4.0wt%），稀土残留量为0.12～0.15wt%时，可获得良好的球状石墨。 根据中国铁质差、含硫量高（冲天炉熔炼）和出铁温度低的情况，加入稀土是必要的。球化剂中镁是主导元素，稀土一方面可促进石墨球化；另一方面克服硫以及杂质元素的影响以保证球化也是必须的。稀土防止干扰元素破坏球化。研究表明，当干扰元素Pb、Bi、Sb、Te、Ti等总量为0.05wt%时，加入0.01wt%（残余量）的稀土，可以完全中和干扰，并可抑制变态石墨的产生。中国绝大部分的生铁中含有钛，有的生铁中含钛高达0.2～0.3wt%，但稀土镁球化剂由于能使铁中的稀土残留量达0.02～0.03wt%，故仍可保证石墨球化良好。如果在球墨铸铁中加入0.02～0.03wt%Bi，则几乎把球状石墨完全破坏；若随后加入0.01～0.05wt%Ce，则又恢复原来的球化状态，这是由于Bi和Ce形成了稳定的化合物。 稀土的形核作用。20世纪60年代以后的研究表明，含铈的孕育剂可使铁液在整个保持期中增加球数，使最终的组织中含有更多的石墨球和更小的白口倾向。经研究还表明，含稀土的孕育剂可改善球墨铸铁的孕育效果并显著提高抗衰退的能力。加入稀土可使石墨球数增多的原因可归结为：稀土可提供更多的晶核，但它与FeSi孕育相比所提供的晶核成分有所不同；稀土可使原来（存在于铁液中的）不活化的晶核得以长大，结果使铁液中总的晶核数量增多 § 历史争论 球墨铸铁在河南巩县铁生沟西汉中、晚期的冶铁遗址中出土的铁，经过金相检验，具有放射状的球状石墨，球化率相当于现代标准一级水平。而现代的球墨铸铁则是迟至1947年才研制成功的。中国古代的铸铁，在一个相当长的时期里含硅量都偏低，在约2000年前的西汉时期，中国铁器中的球状石墨，就已由低硅的生铁铸件经柔化退火的方法得到。这是中国古代铸铁技术的重大成就，也是世界冶金史上的奇迹。 球墨铸铁以其优良的性能，在使用中有时可以代替昂贵的铸钢和锻钢，在机械制造工业中得到广泛应用。国际冶金行业过去一直认为球墨铸铁是英国人于1947年发明的。西方某些学者甚至声称，没有现代科技手段，发明球墨铸铁是不可想象的。1981年，中国球铁专家采用现代科学手段，对出土的513件古汉魏铁器进行研究，通过大量的数据断定汉代中国就出现了球状石墨铸铁。有关论文在第18届世界科技史大会上宣读，轰动了国际铸造界和科技史界。国际冶金史专家于1987年对此进行验证后认为：古代中国已经摸索到了用铸铁柔化术制造球墨铸铁的规律，这对世界冶金史作重新分期划代具有重要意义。 § 相关词条 生铁铸造界钢铁材料 制造业冶金史塑料科技 § 参考资料 [1]论文天下网http://www.lunwentianxia.com/class_sf/TG255/ [2]知网空间网http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-XDZT198103000.htm |
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