球墨鑄鐵發(fā)展史

在河南鞏縣鐵生溝西漢中、晚期的冶鐵遺址中出土的鐵 ，經(jīng)過金相檢驗，具有放射狀的球狀石墨，球化率相當于現(xiàn)代標準一級水平。而現(xiàn)代的球墨鑄鐵則是遲至1947年才在國外研制成功的。我國古代的鑄鐵，在一個相當長的時期里含硅量都偏低，也就是說，在約2000年前的西漢時期，我國鐵器中的球狀石墨，就已由低硅的生鐵鑄件經(jīng)柔化退火的方法得到。這是我國古代鑄鐵技術(shù)的重大成就，也是世界冶金史上的奇跡。
球墨鑄鐵以其優(yōu)良的性能，在使用中有時可以代替昂貴的鑄鋼和鍛鋼，在機械制造工業(yè)中得到廣泛應用。國際冶金行業(yè)過去一直認為球墨鑄鐵是英國人于1947年發(fā)明的。西方某些學者甚至聲稱，沒有現(xiàn)代科技手段，發(fā)明球墨鑄鐵是不可想象的。1981年，我國球鐵專家采用現(xiàn)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(shù)據(jù)斷定漢代我國就出現(xiàn)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。國際冶金史專家于1987年對此進行驗證后認為：古代中國已經(jīng)摸索到了用鑄鐵柔化術(shù)制造球墨鑄鐵的規(guī)律，這對世界冶金史作重新分期劃代具有重要意義。

1947年英國H. Morrogh發(fā)現(xiàn)，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，隨后用硅鐵孕育，當殘余鎂量大于0.04wt%時，得到球狀石墨。從此以后，球墨鑄鐵開始了大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

球墨鑄鐵作為新型工程材料的發(fā)展速度是令人驚異的。1949年世界球墨鑄鐵產(chǎn)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(chǎn)發(fā)展速度在工業(yè)發(fā)達國家特別快。世界球墨鑄鐵產(chǎn)量的75%是由美國、日本、德國、意大利、英國、法國六國生產(chǎn)的。

我國球墨鑄鐵生產(chǎn)起步很早，1950年就研制成功并投入生產(chǎn)，至今我國球墨鑄鐵年產(chǎn)量達230萬噸，位于美國、日本之后，居世界第三位。適合我國國情的稀土鎂球化劑的研制成功，鑄態(tài)球墨鑄鐵以及奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵等各個領域的生產(chǎn)技術(shù)和研究工作均達到了很高的技術(shù)水平。

（1）鑄態(tài)珠光體球墨鑄鐵曲軸和鑄態(tài)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(chǎn)。這標志著我國鑄態(tài)球墨鑄鐵生產(chǎn)達到了較高水平。與之相適應的包外脫硫、雙聯(lián)法熔煉、瞬時孕育、孕育塊技術(shù)以及音頻檢測和熱分析快速分析等技術(shù)的采用，則標志著我國大量流水生產(chǎn)汽車鑄件的技術(shù)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（壁厚大于120mm）球墨鑄鐵的冶金因素以及相應的生產(chǎn)工藝措施。采用適量的釔基重稀土復合球化劑、強制冷卻、順序凝固、延后孕育，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松等，現(xiàn)已成功地制作了38噸重的大型復雜結(jié)構(gòu)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(tǒng)稱ADI），這種材質(zhì)的抗拉強度達1000MPa，因此它廣泛應用于齒輪以及各種結(jié)構(gòu)件，與合金鋼相比，奧-貝球墨鑄鐵具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

（4）球墨鑄鐵管和水平連續(xù)鑄造球墨鑄鐵型材。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(chǎn)離心鑄造球墨鑄鐵管達90萬噸。此外，我國自行研制的水平連續(xù)鑄造球墨鑄鐵型材生產(chǎn)線已通過國家鑒定，并已有多家企業(yè)投產(chǎn)。再加上我國引進的一條生產(chǎn)線，至2002年，我國年產(chǎn)球墨鑄鐵型材的能力達數(shù)萬噸。

（5）系統(tǒng)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(shù)據(jù)。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(jié)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(guī)律。系統(tǒng)地測定了鐵素體球墨鑄鐵在常溫、低溫、靜態(tài)和動態(tài)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，并開始用于指導生產(chǎn)。結(jié)合球墨鑄鐵齒輪的應用，還系統(tǒng)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制作釩鈦合金球墨鑄鐵方面，國內(nèi)一些單位進行了大量、系統(tǒng)的工作。中錳球墨鑄鐵雖然在性能上不夠穩(wěn)定，但多年來的系統(tǒng)研究與生產(chǎn)應用，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

在耐熱球墨鑄鐵方面，除了中硅球墨鑄鐵以外，系統(tǒng)研究了Si+Al總量對稀土鎂球墨鑄鐵抗生長能力的影響。我國研制的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，并與日本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，它在石油開采機械、化工設備、工業(yè)用爐器件上均取得了成功的應用。

在耐酸球墨鑄鐵方面，我國生產(chǎn)的稀土高硅球墨鑄鐵比普通高硅鑄鐵的組織細小、均勻、致密，由此，抗蝕性能提高了10%～90%，并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，先后許多人研究了各種稀土元素的球化行為，發(fā)現(xiàn)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(jié)合國情，我國對稀土的球化作用進行了大量研制工作，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)各種變態(tài)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(jù)我國鐵質(zhì)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(zhì)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%（殘余量）的稀土，可以完全中和干擾，并可抑制變態(tài)石墨的產(chǎn)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%，但稀土鎂球化劑由于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；若隨后加入0.01～0.05wt%Ce，則又恢復原來的球化狀態(tài)，這是由于Bi和Ce形成了穩(wěn)定的化合物。

稀土的形核作用。20世紀60年代以后的研究表明，含鈰的孕育劑可使鐵液在整個保持期中增加球數(shù)，使最終的組織中含有更多的石墨球和更小的白口傾向。經(jīng)研究還表明，含稀土的孕育劑可改善球墨鑄鐵的孕育效果并顯著提高抗衰退的能力。加入稀土可使石墨球數(shù)增多的原因可歸結(jié)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（存在于鐵液中的）不活化的晶核得以長大，結(jié)果使鐵液中總的晶核數(shù)量增多。