中錳球墨鑄鐵

球墨鑄鐵中國工藝

加入稀土提高性能

在高強(qiáng)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(jìn)行了研究。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(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)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。中國研制的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(dāng)。

高鎳奧氏體球墨鑄鐵方面也取得了進(jìn)展，它在石油開采機(jī)械、化工設(shè)備、工業(yè)用爐器件上均取得了成功的應(yīng)用。

在耐酸球墨鑄鐵方面，中國生產(chǎn)的稀土高硅球墨鑄鐵比普通高硅鑄鐵的組織細(xì)小、均勻、致密，由此，抗蝕性能提高了10%～90%，并且其機(jī)械強(qiáng)度也有顯著改善。

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。

中國對稀土的球化作用進(jìn)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(dāng)稀土量過高時(shí)，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(shí)，可獲得良好的球狀石墨。

根據(jù)中國鐵質(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(dǎo)元素，稀土一方面可促進(jìn)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(dāng)干擾元素Pb、Bi、Sb、Te、Ti等總量為0.05wt%時(shí)，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。中國絕大部分的生鐵中含有鈦，有的生鐵中含鈦高達(dá)0.2～0.3wt%，但稀土鎂球化劑由于能使鐵中的稀土殘留量達(dá)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?，則又恢復(fù)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(jì)60年代以后的研究表明，含鈰的孕育劑可使鐵液在整個(gè)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。

球墨鑄鐵注意事項(xiàng)

（一）嚴(yán)格要求化學(xué)成分，對原鐵液要求的碳硅含量比灰鑄鐵高，降低球墨鑄鐵中錳，磷，硫的含量。

（二）鐵液出爐溫度比灰鑄鐵更高，以補(bǔ)償球化，孕育處理時(shí)鐵液溫度的損失。

（三）進(jìn)行球化處理，即往鐵液中添加球化劑。

（四）加入孕育劑進(jìn)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(tǒng)尺寸，合理應(yīng)用冒口，冷鐵，采用順序凝固原則。

（六）進(jìn)行熱處理。

①退火。得到鐵素體基體，提高塑性、韌性，消除應(yīng)力，改善切削性能。

②正火。得到珠光體基體，提高強(qiáng)度和耐磨性。

③調(diào)質(zhì)。獲得回火索氏體的基體組織，以及良好的綜合力學(xué)性能，如主軸、曲軸、連桿等。

④等溫淬火。使外形復(fù)雜且綜合性能要求高的零件獲得下貝氏體的基體組織，以及高強(qiáng)度、高硬度、高韌性等綜合力學(xué)性能，避免熱處理時(shí)產(chǎn)生開裂，如主軸、曲軸、齒輪等。

球墨鑄鐵主要問題

縮孔縮松

球墨鑄鐵由於其糊狀凝固的特徵決定所生產(chǎn)的鑄鐵由於補(bǔ)縮不良經(jīng)常產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷，為了能在鑄件生產(chǎn)以前預(yù)測這些缺陷情況，早在印年代國內(nèi)外就開展了鑄造過程數(shù)值類比。鑄造過程數(shù)值類比是使用數(shù)值類比技術(shù)，在計(jì)算機(jī)虛擬的環(huán)境下類比實(shí)際鑄件形成過程，包括金屬液體的充型過程、冷卻凝固過程、應(yīng)力形成過程、判斷成型過程中主要原素的影響程度，預(yù)測組織、性能和可能出現(xiàn)的缺陷，為優(yōu)化工藝減少廢品提供依據(jù)。

1962年丹麥的Forsund第一個(gè)采用電子計(jì)算機(jī)類比鑄件的凝固過程，此后美國、英國、德國、日本、法蘭西等相繼開展了這方面的研究。我國于70年代末開始，大連理工大學(xué)、沈陽鑄造研究所率先在我國開展了這一技術(shù)的研究，并分別于1980年發(fā)表了研究報(bào)告（郭可韌等，大型鑄件凝固過程的數(shù)字類比，大連工學(xué)院學(xué)報(bào)，1980（2）1─16；沈陽鑄造研究所，鑄件凝固熱場電子計(jì)算機(jī)類比，鑄造，1980（1）14─22，此后在我國高等院校投入大量人力開展了這項(xiàng)研究。

在“六五”、“七五”期間國家攻關(guān)項(xiàng)目中部有計(jì)算機(jī)在鑄造中應(yīng)用的攻關(guān)項(xiàng)目，“六五”的項(xiàng)目為“大型鑄鋼件凝固控制”、“七五”項(xiàng)目為“大型鑄鋼件鑄造工藝CAD”，組織產(chǎn)、學(xué)、研聯(lián)合攻關(guān)，大大推展了此項(xiàng)技術(shù)在我國的發(fā)展，清華大學(xué)、華中理工大學(xué)已分別能提供FT─Star和華鑄CAE─Inte 4.0商品化學(xué)的軟體并在三明重型機(jī)器有限公司等單位應(yīng)用，獲得了良好的效果。

計(jì)算機(jī)數(shù)值類比由前處理、中間計(jì)算和后處理三部分組成，包括幾何模型的建立，格點(diǎn)劃分，求解條件（初始條件和邊界條件）的確定，數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果的處理及圖形顯示。其所用的數(shù)值類比的基本方法主要是有限差分法，有限元法和邊界元法。

（1）凝固過程數(shù)值類比，主要進(jìn)行鑄造過程的傳熱分析。包括數(shù)值計(jì)算方法的選擇，潛熱處理、縮孔縮撿預(yù)測判別，鑄件、鑄型界面?zhèn)鳠釂栴}處理。

（2）流動場數(shù)值類比，涉及動量、能量與質(zhì)量傳遞，其難度較大。使用的數(shù)值求解技術(shù)有MAC 法、SAMC法，SOLA─AOF法以及SOLA一─MAC法。

（3）鑄造應(yīng)力類比，此項(xiàng)研究開展較晚，主要進(jìn)行彈塑性狀態(tài)應(yīng)力分祈，有Heyn模型，彈塑性模型，Perzyna模型，統(tǒng)一內(nèi)變量模型等。

（4）組織類比，尚處起步階段。分巨視、中觀和微視類比。能計(jì)算形核數(shù)，分析初晶類型，枝晶生長速度，類比組織轉(zhuǎn)變，預(yù)測機(jī)械性能。有確定性模型，Monte、Cellular、Automaton等統(tǒng)計(jì)法模型、相場模型等。

計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用是迅速發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域，鑄造作為重要的工業(yè)領(lǐng)域之一，理應(yīng)加強(qiáng)投入。研究開發(fā)計(jì)算機(jī)在鑄造研究及生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，徹底改變過去那種“睜眼型式，閉眼澆注”的狀態(tài)，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用也必將會促進(jìn)球墨鑄鐵的應(yīng)用和發(fā)展。

氣孔缺陷

球墨鑄鐵件的生產(chǎn)過程中，在熱處理、拋丸清理后或機(jī)加工時(shí)常會發(fā)現(xiàn)一些直徑大約為0.5-3mm，形狀為球形、橢圓狀或針孔狀內(nèi)壁光滑的孔洞，這些孔洞一般在鑄件表皮下2-3mm分布，這就是所謂的皮下氣孔。

皮下氣孔的形成是由于含鎂鐵液表面的張力大，容易形成氧化膜，這對阻礙析出氣體和入侵氣體的排出有一定影響，這些氣體滯留于皮下就會形成氣孔。另外，球墨鑄鐵糊狀凝固特點(diǎn)使氣體通道較早被堵塞，也會促進(jìn)皮下氣孔缺陷的形成。