球墨鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)的新進展

曾藝成， 李克銳， 張忠仇

(1. 機械科學(xué)研究總院， 北京 100044； 2. 鄭州機械研究所)

1 概況

2013年我國鑄件產(chǎn)量4450萬噸，鑄鐵件產(chǎn)量為3160萬噸(其中，灰鐵2055萬噸，球鐵1160萬噸，可鍛鑄鐵60萬噸)，占鑄件總產(chǎn)量的73.5%[1]。鑄鐵，特別是球墨鑄鐵已發(fā)展成為一種不可替代的金屬材料并廣泛應(yīng)用于許多重要的工程構(gòu)件。近年來,我國球墨鑄鐵發(fā)展很快，球墨鑄鐵的產(chǎn)量和所占鑄件的比例逐年增加，從1998年到2008年十年中年產(chǎn)量增長近5倍,占鑄件總產(chǎn)量之比例也從14%增加到24%左右；2008年后增速放緩，但至2013年，五年中年產(chǎn)量仍然增長41.5%，占鑄件總產(chǎn)量之比例提高到26.0%，見表1。

球墨鑄鐵廣泛應(yīng)用于我國國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域，如汽車、發(fā)動機、工程機械、農(nóng)機、鑄管和管件、機床、建筑、冶金、礦山、能源、軍工等等部門。近年來，球墨鑄鐵在大型重型結(jié)構(gòu)件(如重型機床床身、風(fēng)電輪轂底座、大型注塑機模板等)、燃氣輪機機體、葉片、軌道交通件、液壓件、精鑄件等方面的應(yīng)用有了較大發(fā)展。

表1 我國歷年球墨鑄鐵的產(chǎn)量[1,2]

球墨鑄鐵的性能和質(zhì)量水平有很大提高，質(zhì)量的穩(wěn)定性逐年增長。原輔材料供應(yīng)和質(zhì)量有了很大改善；質(zhì)量控制和檢測水平穩(wěn)步提升；計算機CAD、CAM和CAE和爐前熱分析等技術(shù)手段日益受到重視，應(yīng)用逐步增加；部分骨干企業(yè)的規(guī)模、裝備和技術(shù)水平已接近和達到世界一流水平，并在國際競爭中取得明顯優(yōu)勢；部分產(chǎn)品的性能達到了國際先進水平，例如：低溫鐵素體球鐵件轉(zhuǎn)向架軸箱零件-40℃ V型缺口試樣沖擊韌性達到15J[3]；高鐵機車轉(zhuǎn)向架軸箱零件、風(fēng)電輪轂和數(shù)控機床橫梁等關(guān)鍵零部件已批量生產(chǎn)和應(yīng)用[2，4]；我國球鐵行業(yè)已經(jīng)具備生產(chǎn)高端球鐵件的基本條件,正處于由大變強的關(guān)鍵時期。

在肯定成績的同時，也必須看到我國球鐵仍存在一些問題，如鑄件綜合質(zhì)量及其穩(wěn)定性差、生產(chǎn)規(guī)模專業(yè)化程度不夠高、應(yīng)用范圍還不夠廣、 球鐵占鑄件產(chǎn)量比例還不夠高等，需要我們今后逐步解決。

2 球鐵生產(chǎn)技術(shù)進展

球墨鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)在重視原輔材料特別是生鐵質(zhì)量，發(fā)展和完善各種處理技術(shù)，材質(zhì)創(chuàng)新和生產(chǎn)過程質(zhì)量控制等方面。

2.1 優(yōu)質(zhì)鑄造生鐵和高純生鐵的充分供應(yīng)

2.1.1 填補了國內(nèi)高純生鐵生產(chǎn)空白，并制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

在球鐵生產(chǎn)中越來越多企業(yè)采用高純生鐵作原料，以提高球鐵質(zhì)量，國內(nèi)一些生鐵生產(chǎn)企業(yè)采用氧化法和精料法生產(chǎn)出高純生鐵，填補了空白，并制訂了企業(yè)、鑄造行業(yè)、機械工業(yè)高純生鐵標(biāo)準(zhǔn)、離心鑄管球鐵用生鐵標(biāo)準(zhǔn)

2007年，承德市保通鑄鐵型材制造有限公司制訂了Q/CBT《超純生鐵》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2010年，河北龍鳳山鑄業(yè)有限公司制訂了Q/HLFS 01-2010《鑄造用高純生鐵》、濟南庚辰鋼鐵有限公司制訂了Q/0100JGC《鑄造用高純生鐵》，2012年，山西建邦集團有限公司也發(fā)布了Q/JB005-2012《鑄造用高純生鐵》標(biāo)準(zhǔn)。它們可達到的化學(xué)成分見表2。

表2 我國部分高純生鐵的化學(xué)成分 /%

中國鑄造協(xié)會于2011年1月正式發(fā)布了ZXB/T 0001-2011《鑄造用高純生鐵》行業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)，高純生鐵按Ti、Mn、P、S含量分為特級、1級和2級三種。特級生鐵成分要求≤0.02%Ti、≤0.05% Mn、≤0.02% P、≤0.015% S，并要求微量元素低于表3中11個微量元素最大允許值，11個微量元素含量+Ti之和<0.1%。

表3 11個微量元素允許最大含量

全國鑄標(biāo)委2013年也組織制訂了JB/T XXXXX-2013《鑄造用高純生鐵》機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并報批(見表4、表5)；由鑄協(xié)鑄管及鑄件分會提出，冶金工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)研究院歸口的《離心球鐵管用生鐵》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也于2013年通過審查上報。

表4 鑄造用高純生鐵的牌號和化學(xué)成分 /%

注：C1是高純生鐵的牌號，C是“純”字漢語拼音的首位字母，1是指一級高純生鐵。

2.1.2 高純生鐵的應(yīng)用大大提高了球鐵的力學(xué)性能水平和生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性

常州華德機械有限公司自2010年底采用高純生鐵生產(chǎn)QT400-18AL(-40℃)高鐵轉(zhuǎn)向架軸箱以來，已連續(xù)生產(chǎn)近3000爐軸箱等鑄件，質(zhì)量非常穩(wěn)定。北京菲美特機械有限公司僅僅采用高純生鐵代替球鐵用生鐵，其它所有條件、工藝不變，原生產(chǎn)QT 700-2牌號的性能提高到QT 800-5。

2.2 球化劑、孕育劑、脫硫劑、預(yù)處理劑等鑄造輔助材料的供應(yīng)和質(zhì)量有很大改善

鎂是主要的球化元素，球化劑中添加適量的稀土，可以增加石墨球數(shù)、減少白口傾向、抑制干擾元素的作用；如含量過高，則石墨球不圓整、易出碳化物。隨著我國高純生鐵和優(yōu)質(zhì)生鐵生產(chǎn)和供應(yīng)增加，鐵液中的干擾元素減少，鐵液熔煉溫度提高質(zhì)量改善，球化劑中稀土含量也應(yīng)當(dāng)相應(yīng)降低，對原鐵液硫量<0.02%而言，0.5～1.0%的含量就夠了，這一點對要求疲勞強度高及強韌性高的球鐵來說尤其重要。剛修訂的GB/T 28702-2012《球墨鑄鐵用球化劑》國家標(biāo)準(zhǔn)增加了Mg4RE、Mg5RE等牌號球化劑，RE降低至>0～1.5%。

表5 微量元素含量 /%

注：11個微量元素的含量總和，特級≤0.05%，1～2級>0.05%～0.1%。

在孕育劑方面，除了常用的75Fe-Si外，針對不同基體組織的鑄態(tài)球鐵，研制開發(fā)了含Ba、Ca、Al或Sb、Bi元素的多種孕育劑。

2.3 球鐵材質(zhì)方面取得較大進展

2.3.1 硅強化高強度鐵素體球墨鑄鐵

硅是Fe-C合金中能夠封閉γ區(qū)的元素，能降低碳在γ-Fe(奧氏體)中的溶解度，使共析點的含碳量降低，所以硅是促進石墨化元素，能使共晶溫度升高，共晶含碳量降低。在球墨鑄鐵中，硅能促進形成鐵素體并固溶強化鐵素體。

以往的研究表明：硅含量低于5%時，隨著硅含量增加，球墨鑄鐵的抗拉強度、屈服強度和硬度增高，伸長率下降[6]； 當(dāng)硅含量超過5%時，硬度繼續(xù)增加，但抗拉強度急劇下降，韌性下降，沖擊韌度甚至降至普通灰鑄鐵的水平[7]，給人的感覺是過量的Si使球墨鑄鐵變脆。在1949年Millis申請的美國第一個球墨鑄鐵專利中就有這樣的表述：“增加Si的含量(>2.5%)明顯降低力學(xué)性能，特別是韌性、拉伸強度和(或)延展性……”[8]。

(1)硅強化鐵素體球墨鑄鐵的創(chuàng)新

通過近年來的研究，在一定條件下增硅強化鐵素體球墨鑄鐵不僅可以提高球墨鑄鐵的抗拉強度、屈服強度和硬度，同時也使伸長率提高。1998年瑞典就規(guī)定了用Si3.2%來生產(chǎn)450的牌號、Si3.7%來生產(chǎn)500的牌號。瑞典Indexator公司通過研究認(rèn)為：“對于抗拉強度500MPa級別，Si固溶強化鐵素體球墨鑄鐵的延展性是常規(guī)鐵素體-珠光體球墨鑄鐵的兩倍，同時屈服強度增加，屈強比從0.6增加到0.8，沖擊性能與常規(guī)鐵素體-珠光體球墨鑄鐵相同，而疲勞性能稍優(yōu)”。至今美國等已收授了3個用Si強化的球墨鑄鐵專利，芬蘭等國也在生產(chǎn)中開始應(yīng)用[8]。硅強化鐵素體球鐵的出現(xiàn),打破了我國以往球鐵生產(chǎn)遵循的“高碳低硅大孕育量”的習(xí)慣做法。

ISO 1083；2004/JS球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)，在規(guī)范性附錄中補充了一個ISO 1083/JS/500-10的球墨鑄鐵牌號，把伸長率從原先的7%提高到10%[9]。中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1348-2009等同采用國際標(biāo)準(zhǔn)，也在規(guī)范性附錄中規(guī)定了QT 500-10的牌號[10]，比QT 500-7有更高的塑韌性和硬度均勻性，適用于要求具有良好切削性能、較高塑韌性和強度適中的鑄件。

2012年3月，德國和歐洲的球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 1563在修改時又增加了3個牌號(見表6)[11]，大幅度地提高了鐵素體-珠光體混合基體球墨鑄鐵的屈服強度和伸長率。

德國在GJS-400-18牌號(C3.5～3.6%，Si2.4～2.5%，Mn0.15～0.2%，P～0.02%，S<0.009%，Mg～0.04%)基礎(chǔ)上利用增硅來進行生產(chǎn)試驗，原材料采用加拿大Sorel生鐵60%、廢鋼40%，用FeSi90增硅，出鐵溫度1520～1550℃，澆注溫度1380～1390℃；用蓋包法進行球化處理，球化劑為Elmag公司的6039、FeSiMg5～6，用不同成分的孕育劑進行孕育處理，加入量為0.3%。[8]

表6 D1N EN 1563的新牌號

注：括號中是原牌號的性能。

在增Si試驗中，保持Mn、P、S、Mg含量不變，而C量隨Si量增加而減低，使共晶飽和度Sc接近1，Sc按下式(1)計算：

Sc=C/(4.26-0.31Si-0.33P-0.4S+0.027Mn)

(1)

力學(xué)性能、鑄造性能、加工性能等試驗結(jié)果表明[8]：

Si對抗拉強度和屈服強度的影響，均存在最大值，分別為4.3%和4.7%，對斷后伸長率的影響則存在急劇降低轉(zhuǎn)折點，為4.3%，其高溫性能和低溫沖擊性能變化規(guī)律與普通球鐵無多大區(qū)別。

而加入合金元素(Mn≤1%；Cr≤0.6%；V≤0.26%)對抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率影響不大，只有當(dāng)Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)到0.6%時，才使伸長率降低。由于Si的強化，直至GJS600-10的牌號基體組織基本都是鐵素體，如圖1所示。不同牌號和不同壁厚的鑄件要求有相應(yīng)的孕育劑和孕育方法。

圖1 兩種途徑時不同組織

不同含硅量對縮孔縮松傾向的影響不大；鐵液流動性僅取決于澆注溫度，而與硅量無關(guān)。

圖2是切削速度為240 m/min時，車削不同牌號球鐵時刀具的壽命對比，車削500-14時刀具壽命(磨損200 μm時)比500-7要長60%以上；車削600-10時刀具壽命比600-3要長150%。

圖2 切削速度240m/min的刀具壽命對比

(2)硅強化鐵素體球墨鑄鐵的優(yōu)缺點

硅強化球墨鑄鐵與原先的混合基體球鐵相比有以下優(yōu)點：

a、有更好的力學(xué)性能組合(抗拉強度、屈服極限以及高的伸長率)，其彎曲疲勞強度較相同強度牌號的普通球鐵約高10%[12]，可使設(shè)計人員減小鑄件壁厚，從而減輕鑄件重量；

b、鑄件本體中硬度與抗拉強度分布均勻；切削性能好，刀具壽命長，降低機械加工成本；

c、不用添加合金元素，鑄態(tài)下即可達到性能要求，從而降低成本，減少能源消耗。

d、鑄件模樣不需要任何變動，但因韌性的提高，必須在內(nèi)澆口及冒口頸處進行相應(yīng)修改，否則在去澆冒口時會損害鑄件造成鑄件缺肉；

e、可以放寬化學(xué)成分中珠光體穩(wěn)定元素和碳化物形成元素的含量，從而可以放心使用大量的廢鋼，降低生產(chǎn)成本。

硅強化球墨鑄鐵也存在一些缺點，例如生產(chǎn)QT600-10的窗口比較小，即Si要嚴(yán)格控制在4.3%以下；鑄件表面至今還無法硬化；焊接性能差；V型缺口沖擊試樣斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度(Trs50)較高，如QT500-7為-11℃，500-14則為69℃，沖擊韌性也比相同強度牌號的普通球鐵低[12]。

應(yīng)用和推廣硅強化鐵素體球墨鑄鐵有很大的經(jīng)濟意義。

2.3.2 高強度高沖擊韌性低溫鐵素體球鐵

(1)高強度高低溫沖擊韌性鐵素體球鐵的創(chuàng)新。

表7是德國(歐盟)的低溫鐵素體球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)。

表7 DIN EN 1563：2003規(guī)定的低溫鐵素體球鐵的力學(xué)性能(附鑄試樣)

由表7可知，抗拉強度為350MPa的球墨鑄鐵，其低溫沖擊功在-40℃時有技術(shù)要求；當(dāng)抗拉強度為400MPa時，僅在-20℃時有技術(shù)要求。國內(nèi)的低溫鐵素體球墨鑄鐵的標(biāo)準(zhǔn)(如表8所示)等同采用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO1083：2004，與DIN EN 1563：2003類同。

表8 中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1348-2009規(guī)定的低溫鐵素體球鐵牌號及力學(xué)性能(附鑄試樣)[11]

隨著國內(nèi)外經(jīng)濟的高速發(fā)展，在石化、風(fēng)電、高鐵和工程機械領(lǐng)域中對低溫高韌性球墨鑄鐵的力學(xué)性能要求越來越高，原有的性能已不能滿足要求。如某些風(fēng)電裝備的球鐵件要求常溫抗拉強度≥400MPa，且-40℃時三個V型缺口試樣沖擊功平均值要≥12J、單個值<9J；高鐵京哈線、哈大線和出口俄羅斯等的高鐵車關(guān)鍵球鐵零部件要求QT400-18AL(-40℃)，QT400-18AL(-50℃)甚至QT400-18AL(-60℃)。由于抗拉強度與低溫沖擊韌性有相互制約關(guān)系，因此難度很大。

鑒于國內(nèi)外球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)中QT400-18AL中只有-20℃沖擊功的要求，則QT400-18AL中要求-40℃、-50℃、-60℃時沖擊功的牌號就是一種創(chuàng)新。全國鑄造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會正在組織有關(guān)單位起草制訂新的國家標(biāo)準(zhǔn)《低溫鐵素體球墨鑄鐵件》。

為了滿足生產(chǎn)發(fā)展需要，國內(nèi)很多企業(yè)開展了高強度低溫高韌性鐵素體球鐵的研究，如常州華德機械有限公司、吉鑫風(fēng)能科技股份有限公司、萊州新忠耀機械有限公司、上海圣德曼鑄造有限公司、鄭州機械研究所、北京菲美得機械有限公司等。其中華德機械有限公司對其研究結(jié)果進行了鑒定并公開發(fā)表，他們認(rèn)為球墨鑄鐵的沖擊性能應(yīng)包括：上限沖擊功Cvmax(其斷口為100%韌窩

時，即塑性范圍內(nèi)的沖擊功)、塑性-脆性轉(zhuǎn)變溫度(可用沖擊功開始下降的溫度、也可用具有50%脆性斷口的溫度即FATT50來表示)和轉(zhuǎn)變速率三部分(見圖3)。好的低溫高韌性鐵素體球鐵應(yīng)該具有高的上限沖擊值、低的塑性-脆性轉(zhuǎn)變溫度和低的沖擊功-溫度轉(zhuǎn)變速率[13]。

圖3 低溫球鐵沖擊功與溫度的關(guān)系

該廠的試驗是在生產(chǎn)條件下進行的。采用模擬鑄件凝固條件的基爾試塊(25mm)，鑄型為樹脂砂型，采用高純生鐵、高質(zhì)量碳素廢鋼、回爐料配料，電爐熔煉，蓋包法球化處理，出鐵溫度1510～1530℃，澆注溫度1370～1390℃。經(jīng)過多次試驗，優(yōu)選的化學(xué)成分見表9，常溫力學(xué)性能和金相組織見表10，不同溫度下的沖擊功值見表11。

表9 QT400-18AL(-40℃)試樣的典型化學(xué)成分 /%

表10 QT400-18AL的常溫性能與金相組織(熱處理后)

表11 QT400-18AL在不同溫度下的沖擊功(熱處理后)

華德公司2010年成功研制出高速列車球墨鑄鐵轉(zhuǎn)向架軸箱，現(xiàn)已先后生產(chǎn)約3000爐(包)次，質(zhì)量十分穩(wěn)定。

2012年下半年，為了給《低溫鐵素體球墨鑄鐵件》國家標(biāo)準(zhǔn)的制訂提供數(shù)據(jù)，華德公司重新對溫度降至-50℃、-60℃時試樣沖擊功的變化進行了系統(tǒng)的試驗檢測[13]。試樣取自≤30 mm的標(biāo)準(zhǔn)附鑄試塊，第一、二次試驗結(jié)果：常溫力學(xué)性能達到QT400-18AL，低溫沖擊性能-40℃14.5J；-50℃13J；-60℃10.1J。繼續(xù)對-40℃ QT400-18AL的核心技術(shù)進行改進和創(chuàng)新，優(yōu)化鐵液成分，適當(dāng)加入合金元素可以降低韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度和隨溫度下降的速率，保證穩(wěn)定獲得要求的沖擊性能。 -60 ℃的沖擊功已提高至12.9J，能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。圖4比較直觀地顯示三組試驗試樣沖擊功隨溫度變化的趨勢。

圖4 三組試驗在不同溫度下的沖擊功

目前QT400-18AL(-40℃)已用于高寒地帶高鐵列車轉(zhuǎn)向架CRH380BL軸箱和CRH380統(tǒng)型軸箱，出口德國西門子的軸箱(圖5)，出口法國阿爾斯通高鐵列車變速箱(圖6)。

圖5 CRH380高速列車軸箱(80kg/件)

圖6 高鐵列車變速箱(140kg/件)

QT400-18AL(-50℃)已用于出口德國(用于俄羅斯)機車變速箱(圖7)，出口德國龐巴迪的牽引電機端蓋(用于俄羅斯)(圖8)。

圖7 機車變速箱(550kg/件)

圖8 機車牽引電機端蓋(120kg/件)和轉(zhuǎn)子壓板

2.3.3 高強度高塑性珠光體球鐵

球墨鑄鐵的彎曲疲勞強度，在抗拉強度小于700MPa時，隨抗拉強度的增加而增加，大致呈線性關(guān)系。進一步提高抗拉強度，彎曲疲勞強度變化不大[12]，QT700-2、QT800-2、QT900-2的疲勞強度(無缺口)都在280～300MPa。要想進一步提高疲勞強度，必須在提高強度的同時提高塑性，因材料的伸長率越高，越易吸收疲勞裂紋擴展的能量，使其擴展速度減慢，提高其疲勞極限。ADI的抗拉強度與疲勞強度的關(guān)系很好說明這一問題，表12摘自2007年修訂的ASTM897M各牌號典型性能[13]，其中等級1400和1600的疲勞強度摘自GB/T24733-2009等溫淬火球墨鑄鐵件附錄C。從表12可以看出強度配合一定塑性，可獲得最高的疲勞強度。

表12 2007年11月7日修訂的ASTM897M各牌號典型性能

近年來，隨著國家節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)的日益提高，增壓及增壓中冷發(fā)動機已發(fā)展成為市場的主流。發(fā)動機爆發(fā)壓力增加后，曲軸所承受的工作載荷提高。在一定的安全系數(shù)下，對結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的曲軸而言，爆發(fā)壓力越高，要求的曲軸疲勞彎矩越高。普通材質(zhì)的球墨鑄鐵曲軸已無法滿足增壓發(fā)動機對曲軸疲勞彎矩的要求，爆發(fā)壓力超過13MPa以上的發(fā)動機多采用強度和疲勞性能較好的鍛鋼曲軸。由于鍛鋼曲軸成本較高，有一定規(guī)模和技術(shù)實力的曲軸制造商紛紛研究提高球鐵疲勞特別是結(jié)構(gòu)疲勞性能的工藝，希望能夠取代鍛鋼在增壓發(fā)動機曲軸上應(yīng)用。高強度高塑性珠光體球鐵和等溫淬火球鐵(ADI)是近年來發(fā)展較快的兩種曲軸材料，有可能替代鍛鋼曲軸在更高功率發(fā)動機曲軸上應(yīng)用。

國內(nèi)最早把高強度高塑性珠光體球鐵用于曲軸生產(chǎn)的是原南京汽車廠鑄造廠，他們生產(chǎn)牌號為QT880-5 SOF1M曲軸正式用于南京IVECO汽車發(fā)動機，并出口到意大利Teksid，由它供意大利IVECO。廣西玉柴機器股份有限公司(簡稱玉柴)、山東天潤曲軸股份有限公司(簡稱天潤)也積極研發(fā)QT800-6、QT900-6(QT900-5)，并在曲軸上應(yīng)用工作[16][17]。由于強度高、塑性好，使曲軸有很好的滾壓強化效果，大幅度提高曲軸的結(jié)構(gòu)疲勞強度。表13、表14分別為玉柴和天潤的試驗結(jié)果。

表13 玉柴幾種不同材料和強化工藝曲軸的疲勞彎矩試驗對比數(shù)據(jù)

表14 天潤不同材質(zhì)的同型號曲軸疲勞強度及安全系數(shù)

玉柴已用QT800-6代替42CrMo曲軸裝在YC4F、YC4110ZQ、CA6DE、CY4102B2Q/BZLQ等柴油機上，最大功率達220ps。用QT900-6曲軸代替42CrMo、48MnV曲軸裝在YC6108ZQB、YC6A、YC6M等柴油機上，最大功率達410ps。

除曲軸外，汽車底盤零件也大量采用球墨鑄鐵制造。隨著重型載重卡車的發(fā)展，以及不斷降低汽車自重的要求，底盤零件既要承受更大應(yīng)力，又要減薄壁厚降低重量，常用的QT450-15、QT500-7已不能滿足要求，用QT800-5來代替，已在一些重卡中得到應(yīng)用。

以上情況表明，QT800-5(800-6)、QT900-5(900-6)在我國已成功運用，不過這些牌號的球鐵都是經(jīng)正火處理的，鑄態(tài)的研發(fā)工作雖已開展，并取得一定效果，但不穩(wěn)定，如南京汽車廠鑄造廠就曾與Teksid派來的專家共同進行鑄態(tài)QT880-5曲軸的試驗，依靠加入Cu、Cr、Sn等合金元素，控制開箱時間，雖然得到抗拉強度973MPa，伸長率5.3%的本體性能，但很不穩(wěn)定，且曲軸上各部位性能不均勻。北京菲美特公司也進行了鑄態(tài)QT800-5的研發(fā)工作，表15是他們的試驗結(jié)果。

表15 北京菲美特公司 QT800-5產(chǎn)品的力學(xué)性能

北京菲美特公司的試驗結(jié)果表明，用標(biāo)準(zhǔn)基爾試樣測定，鑄態(tài)達到QT800-5的力學(xué)性能，是完全沒問題的。用附鑄試樣、本體試樣測定，則還不夠穩(wěn)定，還需要進一步優(yōu)化成分。

等溫淬火球鐵(ADI)、硅強化鐵素體球鐵、高強度低溫高韌性鐵素體球鐵和高強度高塑性珠光體球鐵這四種球鐵，具有很好的強韌(塑)性配合，綜合性能優(yōu)于普通球鐵。除ADI外，在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中還沒有相應(yīng)牌號(硅強化鐵素體球鐵已在德國和歐盟有標(biāo)準(zhǔn))，可以稱為新一代球墨鑄鐵，是球鐵推廣應(yīng)用的方向。

2.3.4 耐熱、耐腐蝕高鎳奧氏體球鐵

近年來，隨著重型卡車、大型工程機械和礦山機械的發(fā)展，柴油機功率不斷提高，增壓器的應(yīng)用愈來愈多，氣體的排放溫度越來越高。當(dāng)排放溫度超過750℃，增壓器殼體、排氣歧管只能用抗沖擊性、抗蠕變性能強，耐蝕性、高溫抗氧化性能好的高鎳奧氏體球鐵來制造，除殼體、歧管外，需要耐熱、耐腐蝕的零部件還很多，國內(nèi)、外市場對高鎳奧氏體球鐵件的需求量越來越大，但我國以前沒有奧氏體球鐵國家標(biāo)準(zhǔn)，給企業(yè)生產(chǎn)帶來許多困難。為此，鑄標(biāo)委組織西峽縣內(nèi)燃機進排氣管有限責(zé)任公司等單位起草了GB/T26648-2011《奧氏體鑄鐵件》國家標(biāo)準(zhǔn)，2010年6月審查通過，2011年發(fā)布，共有12個牌號，其中10個為球墨鑄鐵，只有2個是灰鑄鐵的。高鎳奧氏體球鐵除用于耐熱構(gòu)件外，也開始用于低溫零件，如液化天然氣長輸管線壓縮機的葉輪、主軸和接收站中壓縮機缸體、閥片等，工作溫度達-193℃。

2.4 球鐵生產(chǎn)控制技術(shù)逐步完善

2.4.1 球化處理工藝不斷完善

近年來，不少工廠采用蓋包法(圖10)、喂絲法(圖11)等環(huán)境友好的球化處理方法，工藝穩(wěn)定性和Mg的吸收率提高，使球鐵的質(zhì)量有很大改善。如上海圣德曼鑄造有限公司和河南歐迪艾鑄造有限公司等采用蓋包法處理，每天處理20包以上，效果顯著；東風(fēng)汽車有限公司鑄造二廠和中信重工重鑄鐵業(yè)公司等采用喂線法球化工藝，取得良好效果；新興鑄管公司采用噴射法、蕪湖新興鑄管公司采用轉(zhuǎn)包法球化處理，實現(xiàn)了大批量安全穩(wěn)定生產(chǎn)[19]。國外先進的球化處理方法除Foseco公司INITEK工藝(專用處理包)外，目前在我國都得到了開發(fā)和應(yīng)用。

圖9 普通沖入法球化處理

圖10 蓋包法球化處理現(xiàn)場

圖11 2x60t喂絲法球化處理站

球化處理由粗放式(沖入法)向精細化(如喂絲法等)處理發(fā)展，以保證球化質(zhì)量及其穩(wěn)定性。孕育方法強調(diào)多次孕育、瞬時孕育。

2.4.2 球鐵基礎(chǔ)研究及應(yīng)用方面的進展

石墨球大小、數(shù)量分布、圓整度等對球鐵鑄件質(zhì)量的影響研究及控制技術(shù)取得較好的結(jié)果。

(1)注意硫氧量的控制

?？瞎狙芯空J(rèn)為，原鐵液硫量應(yīng)控制在0.015%左右，這樣球鐵的石墨球數(shù)較合適；另一種工藝是先將原鐵液硫量降低到0.01%以下，再加硫處理劑，以獲得足夠的石墨核心。Foseco公司的專利處理包也是先進行前期孕育處理，降低鐵液中氧和硫的活性，并在鐵液中形成大量氧化物、硫化物，作為石墨生核的異質(zhì)核心。

(2)利用球鐵凝固時石墨化膨脹解決鑄件疏松問題。?？瞎咎岢觯瑧?yīng)該減少增加共晶階段石墨球的析出，以充分利用石墨球析出的膨脹力，因此不希望大石墨球數(shù)量多或石墨球大小均勻，而是希望石墨球細小而且數(shù)量多。鑭系球化劑具有這種作用。

2.4.3 數(shù)值模擬技術(shù)方面的進展

球鐵凝固溫度場、鐵液充型和流場壓力等的計算機數(shù)值模擬近年來發(fā)展很快，模擬技術(shù)日趨成熟，準(zhǔn)確性提高，從而優(yōu)化了球鐵鑄件的鑄造工藝，減少了鑄件缺陷，縮短了鑄件試制周期、降低了生產(chǎn)成本。

2.4.4 無損探傷技術(shù)的應(yīng)用

超聲波、磁粉、射線探傷等檢測技術(shù)的應(yīng)用日漸增多，特別是對鑄件大批中量生產(chǎn)時實現(xiàn)在線檢測，保證了每一件產(chǎn)品的質(zhì)量，使球鐵件能放心用于各種機械裝備的關(guān)鍵零部件上。

3 存在問題和發(fā)展方向

3.1 質(zhì)量的穩(wěn)定性一致性

我國球墨鑄鐵的生產(chǎn)中，質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性差是一個老問題，主要體現(xiàn)在材質(zhì)力學(xué)性能波動大，鑄件鑄造缺陷還不能根本消除。因此如何提高和保持球鐵鑄件質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性，仍然是我們今后需要認(rèn)真面對和重視的問題，必須要加強生產(chǎn)過程控制和嚴(yán)格管理，使我國由球鐵生產(chǎn)大國變?yōu)樯a(chǎn)強國。

3.2 專業(yè)化生產(chǎn)

專業(yè)化生產(chǎn)是保證球鐵質(zhì)量穩(wěn)定性的重要途徑之一，國內(nèi)已有不少成功例子，例如吉鑫風(fēng)能科技股份有限公司，是中大型球墨鑄鐵件專業(yè)生產(chǎn)廠，日產(chǎn)球墨鑄鐵件500～600噸，具有年產(chǎn)16～18萬噸球鐵件生產(chǎn)能力，90%為鐵素體球鐵風(fēng)電鑄件，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；又如常州華德機械有限公司，是高強度低溫高韌性鐵素體球鐵專業(yè)生產(chǎn)廠，目前QT400-18AL(-40℃)產(chǎn)量已占總產(chǎn)量50～70%以上，已生產(chǎn)了近3000爐次，質(zhì)量十分穩(wěn)定。很多鑄管生產(chǎn)廠、曲軸生產(chǎn)廠都是球鐵專業(yè)生產(chǎn)廠，只要加強生產(chǎn)過程質(zhì)量控制與管理，都能保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。

3.3 厚大斷面球鐵件的質(zhì)量控制

隨著裝備制造業(yè)不斷大型化，如何保證厚大球鐵件的質(zhì)量問題顯得尤為突出。首先是如何保證厚大斷面不出現(xiàn)異型石墨，同時保證一定石墨球數(shù)；其次是保證不同斷面在鑄態(tài)條件下力學(xué)性能的一致性；再有就是減少缺陷，特別是顯微縮松等。這些都是目前面臨的問題，需要進行大量基礎(chǔ)性的試驗。

另外，ADI件的淬透性，目前比較可靠的只能淬透壁厚150mm，200mm以上就較難淬透且不穩(wěn)定。如何提高其淬透性，也是大型ADI件需解決的問題。

3.4 擴大球鐵應(yīng)用領(lǐng)域

球墨鑄鐵由于其綜合性能好、制造方便、成本價廉，重量又比鋼輕，是代替鋼(鑄、鍛、焊接)件的一種理想材料。國際上常把球鐵和鑄鋼比例作為衡量一個國家工業(yè)化水平高低的重要指標(biāo)。表16為2008～2012年主要工業(yè)發(fā)達國家球鐵/鑄鋼比例的比較。

表16 2008-2012年主要工業(yè)發(fā)達國家球鐵/鑄鋼比例的比較[1,2，20]

國名年份美國日本德國法國英國中國世界平均20083.066.688.389.942.981.182.2620093.777.06.6914.52.451.812.2120102.806.547.7410.72.81.872.13(2.29)20113.937.497.807.632.841.922.3920123.126.467.556.612.582.012.22

由表可知，我國2012年球鐵件產(chǎn)量雖達1090萬噸，與鑄鋼的比例也逐年提高，但仍低于世界平均水平，重要零部件的應(yīng)用上還不夠廣泛。說明我國球鐵件還有很大發(fā)展空間，特別是軌道交通、工程機械、煤礦機械等部門許多零部件，國外已大量采用球鐵制造，但我們?nèi)杂描T鋼，需要我們努力促進。

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