球墨铸铁与球化剂的现状和发展

球墨铸铁与球化剂的现状和发展

球墨鑄鐵問世至今已有52年，其發展迅速之快令人驚訝，即使在經濟不景氣的情況下，球鐵仍然有所發展，有人稱球墨鑄鐵為不適當退卻中的勝利者，指出︰球墨鑄鐵由於其高強度、高韌性和低價格，所以在材料市場上仍佔有重要的地位，儘管幾年來鋼鐵鑄造總產量有所下降，但球鐵產量並未下降，奧──貝球鐵的出現增強了球鐵的競爭地位。

球鐵的生產和研究現狀

3.1常規球鐵

目前常規球鐵──即以鐵素體和珠光體為基體的球鐵仍占球鐵產量中的絕大部分比例，因此注意提升常規球鐵的性能和質量，在保持球鐵的競爭地位中起了重要的作用。

3.2對影響球鐵質量的原素加強控制

球鐵的組織與性能取決於鑄鐵的成份和結晶條件以及所用球化劑的質量，研究認為為了確保球鐵的機械性能，必須針對鑄件具體壁濃、澆注溫度、所用球化劑、球化處理工藝、冷卻參數的優化以及有效的排渣措施進行嚴格控制，而適當的降低碳當量，合金化和熱處理是改善球鐵的有效措施。

3.3有效控制鐵素體球鐵和球光體球鐵的生產[2]

控制球鐵基體的主要原素有鑄鐵的成份、所用球化劑、孕育劑的類型，加入方法以及冷卻條件等。鑄態鐵素體球鐵的成份控制微過共晶成份，其中碳稍高，但不出現石墨漂浮，含矽稍低，孕育劑矽量應少於3%，錳越低越好，應使Mn<0.04%，硫、磷應低，使S≦0.02%、P≦0.02％，這是因為矽可改善球鐵組織和相應的塑性，Si=3.0～3.5%可得到全部鐵素體組織。有研究指出，Si=2.6～2.8％時，鑄鐵具有最高的延伸率和衝擊韌性，但矽在鐵中的顯微偏析隨著含磷量的增加，這種偏析越嚴重，並對機械性能有不良影響，特別是當溫度低于零度時影響更大，而含硫低可以選用低鎂低稀土球化劑球化，並減少“黑斑”缺陷的產生，而“黑斑”主要是鎂、鈰硫化物和氧化物的聚集物，此外也要用低矽球化劑以保證可以進行多次孕育。對珠光體球鐵而言，在生產時鑄鐵成份中錳可提升至0.8～1.0％，有些鑄件如果是用作耐磨性曲軸時，錳可提升至1.2～1.35％，生產鑄態珠光體元素銅.加入量大于1.8%時，它阻礙石墨球化，但促進基體完全珠光體化，一般球鐵中銅含量應小于1.5%，錫是強烈的珠光體化元素，其對硬度的影響大于銅和錳，但Sn≧1.0%時使石墨畸變，因此其含量應限制在0.08％以下。

3.4 稀土在球鐵中的作用

稀土能促進鎂合金的球化效果（球化率和球的圓整度），它對壁濃球鐵件中防止球狀石墨畸變的效果受到了重視，這也是國內外球化劑中都包含稀土的主要原因之一。在鑄件中有些元素能破壞和阻礙石墨球化，這些元素即所謂的球化干擾元素，干擾元素分為兩類，一是消耗球化元素型干擾元素，它們與鎂、稀土生成MgS、MgO、MgSe、RE2O3、RE2S3、RE2Te3等，使球化元素降低從而破壞了球狀石墨形成；另一類是晶間偏析型干擾元素，包括錫、銻、砷、銅、鈦、鋁等在共晶結晶時，這些元素富集在晶界，促進使碳在共晶後期形成畸形的枝晶狀石墨，球化干擾元素原子量越大，其干擾作用越強，現下許多研究都已找到了干擾元素在鑄鐵中的臨界含量，當這些元素含量小於臨界含量時，並不能形成畸變石墨。在有干擾元素的鑄鐵中，加入稀土可消除其干擾作用，有研究報告指出在鑄鐵中干擾元素之和應小於0.10％即z=Ti+Cr+Sb+V+As+Pb+Zn+…<0.10%

有研究指出，中和鐵水中的Al、Sb、TI、Pb、Bi、等只要分別加入0.005～0.04%Ce即可，例如，中和Ti、Pb、Sb、Al等只要分別加入0.005~0.007%、0.014%、0.15%和0.008%的Ce即可。干擾元素在鑄件壁濃，冷卻速度慢的情況下破壞作用更大。

干擾元素對球鐵基體也有影響，Te、B強烈促進白口形成，Cr、As、Sn、Sb、Pb、Bi穩定珠光體，Al、Zr促進鐵素體.值得注意的是，目前正在發展一些球化元素與干擾元素複合球化劑，以改善大斷面球鐵的處理效果及石墨球的圓整度。

3.5球鐵檢測加強

球鐵檢測是保證其質量的重要措施，目前正在研究發展線分析，即產品在生產過程中進行分析，以確

定其質量，已有不少單位在大批量生產條件下利用超音波對鑄件質量進行分析。

在利用超音波測定鑄鐵組織時，片狀石墨的聲速為4500m/s、蠕墨鑄鐵為5400m/s、球墨鑄鐵5600m/s，此外在鑄鐵中高頻衰減率的變化也可判斷鑄鐵類型，球鐵中心頻率為5MHz而片狀鑄鐵僅為1.5MHz.目前還有單位正在用超音波作球化級別的測定，已可測定合格的球化級別和不合格的產品（3級和4級之間），但還不能進行更細分級測定，此方法正在完善中。

3.6球化劑的現狀

球化劑是目前獲得球鐵的主要手段之一，在志包鋼稀土一廠共同完成國家攻關課題“稀土三劑系列化”時，我校課題組對世界上100多個球化劑生產廠，國內主要合金生產進行調研，取得了英、美、法、德、日、蘇俄、印度等十幾個國家50多家合金生產廠的產品樣本及國內主要球化劑生產廠的產品樣本，為對比國內外球化劑性能及今後球化劑生產改進提供了依據。2．1球化劑的類型按生產模式分有下述幾種（1）球化劑的類型包括鎂矽系合金、稀土鎂矽系合金、鈣系合金（日本用的較多），鎳鎂系合金、純鎂合金、稀土合金。上述合金中目前世界上用的最為廣泛的是稀土鎂矽鐵合金，但中國合金中RE/Mg的比值範圍大（0.5~2.2），國外的合金RE/Mg的比值範圍小（0.1~0.3）。中國合金中稀土大于等于鎂含量的占多數，小於鎂含量的占少數，而國外（除蘇俄一些合金外）球化劑合金中的稀土含量幾乎都小於鎂含量，因此稀土三劑系列化課題組建議除保留FeSlMg8E18外（此合金是效果優良的蠕化劑），其它全部球化劑中RE/Mg≦1，隨後修訂的國家標準中採納了這個建議.鈣鎂球化劑主要是日本生產和應用，如日本信越（SHIN─ETSU）生產的鈣系合金NC5、NCl0、NCl5、NC20、NC25中鎂含量從4~28％變動，但鈣含量變化較小，其變化範圍為20~31%；此類合金白口傾向小，但要求處理溫度高，處理後渣量大。鎳鎂合金在美洲、歐洲均有應用，美國國際鎳公司生產的鎳鎂合金最高達82~85%，其中Mg、Ca分別為13~16，及20，鎳最低的57~61%（其中Mg4.0~4.5％，Ca<2.5，Fe32~36）。德國金屬化學公司生產的鎳鎂合金中Ni47~51％，Mgl5~17％，C1.0％Si28~32%，RE1.0%余Fe.這些合金的優點是比重大，反映平穩，鎳可起合金化作用，其特點是價格貴，這種合金在中國基本沒有應用。鎳矽系合金目前在中國基本上已不用。純鎂合金處理時要用專用的壓力加鎂包，鎂的吸收率高，但處理安全措施要極為嚴格，生產中應用比例較小。稀土是發明球鐵時使用的球化劑，它的發現推進了球鐵工業應用的進程。但價格高，白口傾向大，過量會使石墨變態，現下己不作為球化劑單獨使用，僅作為輔助球化元素。2）壓塊狀球化劑用鎂粉和鐵粉及所設計的矽含量直接加壓成型，這種球化劑中含矽很低，通常稱為低矽壓塊狀球化劑，因而為後續的孕育提供了大的餘地，有利用生產鑄態球鐵，但這種合金易漂浮，處理效果波動大，處理時最好跟塊狀球化劑混合使用。（3）包芯線型球化劑將鎂粉、鐵粉包覆在薄鋼板或鋼板中，將其快速送入鐵水中達到球化目的，這種球化劑較貴，且設備投資大，但處理時合金吸收率高，因此處理球鐵的總成本幾乎沒有提升。（4）粉狀球化劑種球化劑是俄羅斯的一個專利，使用時將鎂粉與抑制劑混合放入包內，並使鐵水從合金表面上流過，逐層與合金反映達到球化效果，這種專門工藝稱之為MC. 2．2球化劑的應用目前國內外在球鐵生產中主要應用火法冶煉的合金，壓塊球化劑、包芯線球化劑、粉狀球化劑應用的很少，火法冶煉的球化劑在生產中應用占90％以上，目前這類合金中增加Ba、Ca、Cu、Ni等以達到控制基體目的，對合金中的氧化鎂含量已有限量指標。

熔化設備沖天爐占30%，感應電爐占63％，球化處理溫度1482~1538℃占75%；原鐵水在球化處理前有50％工廠採用預脫硫工藝，有90％的工廠S小於0．025%，球化處理方法中在美國大工廠中沖入法占36％，而小廠（小于200公頓/周）沖入法僅占22％，壓入法、多孔塞法、型內處理法、Tundish蓋包法、壓力加鎂法則占絕大部分比重，使用的球化劑中含鎂大於％的占8．2％Mg4~6％占63．3，含鎂小于4％占16．4％純鎂占5％，其它的鎂合金占8．2％。

我國從90年到現下球化劑生產已有了很大變化，稀土鎂合金國家標準經過修訂，對合金中的RE作了重大調整，除保留Mg8RE18以外，其它合金中Mg/Re均大于1，工廠使用的合金中稀土量有所下降，Mg8RE5─7的合金應用大量增加，電爐也增加了不少，但原鐵水中的含硫量變化不大，預脫硫工藝未有效地推展，因此我國球化劑中Mg、BE仍處在較高的水準上，新的球化處理工藝在我國推展不多，如在美國佔有很大比例的Tundish蓋包法在我國幾乎還未得到應用，這些都是我國球鐵生產廠待解決的問題.

3.7球化劑在使用中的問題及質量原素控制指標