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球墨鑄鐵

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球墨鑄鐵
球墨鑄鐵

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,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、應用十分廣泛的鑄鐵材料。所謂「以鐵代鋼」,主要指球墨鑄鐵。

目錄

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成分編輯本段回目錄

球墨鑄鐵
球墨鑄鐵
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%,含硅量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。

性能編輯本段回目錄

球墨鑄鐵
球墨鑄鐵
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、耐嚴重的熱和機械衝擊、耐高溫或低溫、耐腐蝕以及尺寸穩定性等。為了滿足使用條件的這些變化、球墨鑄鐵現有許多牌號,提供了機械性能和吻理性能的一個很寬的範圍

如國際標準化組織1501083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,這個範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、硬度和衝擊性能。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。為了滿足這些特殊使用,研製了一組奧氏體球鐵,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

應用編輯本段回目錄

球墨鑄鐵的應用範圍可以分為四個部門:(1)壓力管遭和配件;(2)汽車應用;(3)農業、道路和建築應用;(4)一般工程。

1:壓力管道配件
球墨鑄鐵用作管道開始時,鐵管道和配件大多數由主要工業國家生產,它們的製造、設計和使用既符合國家標準,也符合國際標準和實施規程(I502531)。就運送水和其它液體來說,早就證明球鐵管道要優於灰鑄鐵管道。這種轉變的主要原因在於鐵素體球墨鑄鐵的強度和韌性的配合,使得由這種材料所製成的管道能經受高的運行壓力,在鋪設時能草率裝卸。席氣輸送管道必須能經受多使用條的要求,即經受在管道附近的挖掘和市政工程施工以及交通運輸等,這裡球鐵管道的高強度、高切性和簡單的安裝及連接工藝已經證明選用這種材料是果斷的。

2:汽車應用
就生產的噸位而論,汽車工業是球墨鑄鐵鑄件第二用戶,其數項最多。球鐵應用於汽車中的三個主要地方:(1)動力源一發動機部件;(2)動力傳遞一一齒輪系、齒輪和軸套;(3)車物懸置、制動器和轉向裝置。動力源曲軸是承受連續變化的彎曲、扭轉和剪切載荷的零件,並且在它的使用壽命內,要循環十億次,汽車設計的工程師們早在19152年即在發現用鎂處理的方法四年之後,就立刻考慮採用球鐵的可能性。福特汽車公司的幾乎所有曲軸都用這種材料來製造。世界上大多數汽油機汽車都裝上球鐵曲軸來代替鍛鋼曲軸,這種應用被認為是價值工程的典型例子。

汽車柴油機的製造者們從延長髮動機的使用壽命出發,特別謹慎地考慮曲軸材料的選抒,當高強度的貝氏體等溫悴火球鐵為了提高動力重量比,渦輪增壓器的擴大使用影響了材料的設計根據,裝有渦輪增壓器的排氣管的溫度提高到500一70。C,在這種條件下,氧化和蠕變強度變得重要了。具有優良性能的球鐵正在取代灰鑄鐵應用於排氣管,隨著溫度的提高,將更進一步使用硅鋁合金球鐵。

汽車動力傳遞可鍛鑄鐵件有時用作汽車的傳動部件,將球鐵應用於圓片離合器、分速器箱、後軸和輪殼等的強烈的趨勢。瑞士Sehaffhausen的G.Fiseher鑄造廠在這方面有許多應用,他們與設計者緊密合作,把鑄鋼件、鍛鋼件以及可鍛鑄鐵件轉變為球墨鑄鐵件。懸置件現在,鐵經常用作懸置部件如彈簧掛鉤以及制動系統主要安全部件(制動卡鉗)和轉向關節

3:農業、道路和建築應用
現代的經濟農業方法要求能提供在需要的狀態下可靠的和使用壽命較長的農業機械。整個農用工業中所廣泛使用的球鐵鑄件包括各種拖拉機配件、犁樺、托架、夾鉗和滑輪。典型的部件是農用車倆後軸殼,『它原來採用鑄鋼件。道路鋪設和建築工業都需要相當數量灼各種各類的設備包括推土機打進機起重機壓縮機,球鐵鑄件在這些方面都有應用。

4:一般應用

球墨鑄鐵
球墨鑄鐵
機床工業利用球鐵的工程性能,它允許設計複雜的機床部件以及鑄件重量超過10。噸的重型機器鑄件。在應用包括注射塑模板、鍛壓機汽缸和活塞。球鐵的抗拉強度和屈服強度高,機械加工性能好,允許生產較輕鑄件而使其保持剛性。同樣,球鐵的強度和韌性使其成為各種手工工具,如扳手夾鉗量具的理想材料。

造紙機工業利用了球鐵高的強度和高的彈性模數。例如與灰鑄鐵相比,球鐵的彈性模數高60%,設計壓力滾筒和乾燥滾筒時能減少重量。同樣,球鐵(適當加入鎳錮合金)軋輥應用於鋼廠,比起鋼和冷硬鑄鐵來有較高的性能。

5:閥製造
閥的製造者們是球鐵(包括奧氏體球鐵)的主要使用者,其應用方面包括成功地輸送各種酸、鹽和鹼性液體。球鐵在閥的應用方面的一個有趣的例子是球閥塞由英國Parkfeld製造廠生產。用於1420毫米煤氣管道的大型球閥塞,原先用鍛鋼製造,直徑2410毫米、重量17噸。基本上重新設計的球鐵球閥塞重量僅n噸。附加的好處包括減少機械加工餘量和加工時間以及提高了總的精度。完全鐵素體球鐵(1501085牌號370一27)應用於這些球閥塞。鐵素體球鐵(GGG40)用作用過的原子核燃料桿(仍含有50%鈾235)的運送和貯藏容器的材料是由德國KrefeldSiempelkamp鑄造廠所積極促成的。為了取得應用這種球鐵的讚賞,Ssempelkarnp要求重量大約85噸的Caster容器經受有史以來施加於鐵鑄件的最嚴格的最惡劣的負荷試驗。這些試驗包括將85噸鑄件在低於一40「C溫度,從九米高度落到1000噸重的水泥座上,以及由坦克中發射出一發大炮彈,幾乎以聲音的速度撞擊到鑄件上。在所有這些試驗中,球鐵容器經受住了一切嚴勵的試驗,而只有表面損傷,當然可保證對於放射線的密封完全可靠。在模擬運輸機故障狀態和飛機墜毀之後,己確信球鐵是安全的,所設計的球鐵Caster容器可能得到最高的「Pradikat」安全級一柏林和Braun-sch二elg管理局的B(L巧證明書。這是鑄造業公認的一個潛在的市場的極好例子。

製造步驟編輯本段回目錄

(一)嚴格要求化學成分,對原鐵液要求的碳硅含量比灰鑄鐵高,降低球墨鑄鐵中的含量
(二)鐵液出爐溫度比灰鑄較鐵更高,比補償球化,孕育處理時鐵液溫度的損失
(三)進行球化處理,即往鐵液中添加球一化劑
(四)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,多應用冒口,冷鐵,採用順序凝固原則
(六)進行熱處理

球鐵應用的發展前途編輯本段回目錄

球墨鑄鐵
球墨鑄鐵
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了它的全部潛力。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面的可能性。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注意材料。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面的力是有利的,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%,值得注意的是相對硬度反而降低3%。

相關歷史編輯本段回目錄

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,隨後用硅鐵孕育,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

球墨鑄鐵
球墨鑄鐵
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只有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家特別快。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了很高的技術水平。

(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。這標誌著中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復合球化劑、強製冷卻、順序凝固、延後孕育,必要時添加微量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。

(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個國家宣佈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家鑒定,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。

球墨鑄鐵
球墨鑄鐵件
(5)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。

(6)稀土鎂球墨鑄鐵。在高強度低合金球墨鑄鐵方面,除了對銅、鉬研究較多外,還對鎳、鈮等進行了研究。在利用天然釩鈦生鐵製作釩鈦合金球墨鑄鐵方面,中國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,在系統研究與生產應用,取得了顯著的經濟效益

在耐熱球墨鑄鐵方面,除了中硅球墨鑄鐵以外,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。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應用。在耐酸球墨鑄鐵方面,中國生產的稀土高硅球墨鑄鐵比普通高硅鑄鐵的組織細小、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。

(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,中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。

根據中國鐵質差、含量高(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。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

歷史爭論編輯本段回目錄

球墨鑄鐵
球墨鑄鐵
河南鞏縣鐵生溝西漢中、晚期的冶鐵遺址中出土的鐵钁,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硅量都偏低,在約2000年前的西漢時期,中國鐵器中的球狀石墨,就已由低硅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。

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