球铁生产工艺

讲座球墨铸铁的生产球墨铸铁的生产过程包含以下几个环节：熔炼合格的铁液，球化处理，孕育处理，炉前检查，浇注铸件，清理及热处理，铸件质量检查。

在上述各个环节中，熔炼优质铁液和进行有效的球化—孕育处理是生产的关键。

1 化学成分的选定选择适当化学成分是保证铸铁获得良好的组织状态和高性能的基本条件，化学成分的选择既要有利于石墨的球化和获得满意的基体，以期获得所要求的性能，又要使铸铁有较好的铸造性能。

1.1基本元素(1) 碳和硅由于球状石墨对基体的削弱作用很小，故球墨铸铁中石墨数量多少，对力学性能的影响不显著，当含碳量在 3.2%~3.8%范围内变化时，实际上对球墨铸铁的力学性能无明显影响。

确定球墨铸铁的含碳量时，主要从保证铸造性能考虑，为此将碳当量选择在共晶成分左右。

由于球化元素使相图上共晶点的位置右移，因而使共晶碳当量移至 4.6%~4.7%左右，具有共晶成分的铁液流动性最好，形成集中缩孔倾向大，铸铁的组织致密度高。

当碳当量过低时，铸件易产生缩松和裂纹。

碳当量过高时，易产生石墨漂浮现象，其结果是使铸铁中夹杂物数量增多，降低铸铁性能，而且污染工作环境。

用镁和铈处理的铁液有较大的结晶过冷和形成白口的倾向，硅能减小这种倾向。

此外，硅还能细化石墨，提高石墨球的圆整度。

但硅又降低铸铁的韧性，并使韧性—脆性转变温度升高。

因此在选择碳硅含量时，应按照高碳低硅的原则，一般认为Si>2.8%时，会使球墨铸铁的韧性降低，故当要求高韧性时，应以此值为限，如铸件是在寒冷地区使用，则含硅量应适当降低。

对铁素体球墨铸铁，一般控制碳硅含量为C3.6%~4.0%，Si2.4%~2.8%；对珠光体球墨铸铁，一般控制碳硅含量为C3.4%~3.8%，Si2.2%~2.6%。

(2) 锰球墨铸铁中锰所起的作用与其在灰铸铁中所起的作用有不同之处。

在灰铸铁中，锰除了强化铁素体和稳定珠光体外，还能减小硫的危害作用，而在球墨铸铁中，由于球化元素具有很强的脱硫能力，因而锰已不再能起这种有益的作用。

而由于锰有严重的正偏析倾向，往往有可能富集于共晶团晶界处，严重时会促进形成晶间碳化物，因而显著降低球墨铸铁的韧性。

对于铸态铁素体球墨铸铁，通常控制在Mn0.3%~0.4%；对于热处理态铁素体球墨铸铁，可控制M n＜0.5%；对于珠光体球墨铸铁，可控制M n0.4%~0.8%；其中铸态珠光体球墨铸铁锰含量可适当高些，但通常推荐用铜来稳定珠光体。

在球墨铸铁中，锰的偏析程度实际上受石墨球数量及大小的支配，如能把石墨球数量控制的较多，则可适当放宽对锰量的限制。

由于我国低锰生铁资源较少，这一技术是很有实际意义的。

(3) 磷磷在球墨铸铁中有严重的偏析倾向，易在晶界处形成磷共晶，严重降低球墨铸铁的韧性。

磷还增大球墨铸铁的缩松倾向。

当要求球墨铸铁有高韧性时，应将含磷量控制0.04%~0.06%以下，对于寒冷地区使用的铸件，宜采用下限的含磷量。

如球墨铸铁中有钼存在时，更应注意控制磷的含量，因此时易在晶界处形成脆性的磷钼四元化合物。

(4) 硫球墨铸铁中的硫与球化元素有很强的化合能力，生产硫化物或硫氧化物，不仅消耗球化剂，造成球化不稳定，而且还使夹杂物数量增多，导致铸件产生缺陷。

此外，还会使球化衰退速度加快，故在球化处理前应对原铁液的含硫量加以控制。

国外一般要求原铁液中硫的含量低于0.02%，我国目前由于焦炭含硫量较高等熔炼条件的原因，原铁液含硫量往往达不到这一标准，因此应进一步改善熔炼条件，有条件时可进行炉前脱硫，力求降低含硫量。

1.2合金元素球铁中加入合金元素的作用是控制基体，提高力学性能和获得某些特殊的性能，如耐磨、耐热、耐蚀性能等。

在球墨铸铁中应用的合金元素主要有钼、铜、镍、铬和锑。

这些元素的应用场合、作用及适宜含量如下：(1) 钼在生产高强度球墨铸铁时，不少工厂往往使用钼以提高铸铁的强度，其用量一般在0.25%左右。

在生产贝氏体球墨铸铁或奥氏体-贝氏体球墨铸铁时，往往亦加入一些钼，使铸铁的奥氏体等温分解曲线(即C曲线)右移，提高淬透性。

为了将奥氏体的等温分解温度降低至200~400℃范围，须使铸铁的含钼量为0.6%~0.8%左右(对于厚壁铸件，含钼量应选择高些)。

但在铸铁的结晶过程中，钼在共晶团内有较大的正偏析倾向，当含钼量达到0.8%~1.0%时，容易促使在共晶团边界形成富钼的四元磷共晶或钼的碳化物等脆性相。

此外，钼的价格贵，应注意控制使用。

(2) 铜铜具有稳定珠光体的作用。

国内外有的工厂用含铜为0.4%~0.8%的球墨铸铁制造汽车发动机的曲轴，有时常和0.25%左右的钼配合使用。

在贝氏体球墨铸铁中，常将铜和钼按Mo0.2%~0.4%，Cu0.6%~0.8%的比例配合使用，这种成分的球墨铸铁经过等温淬火处理，能稳定地获得高的贝氏体百分率的组织。

(3) 镍在国外镍常作为强化元素使用，其作用和铜相似。

在国内由于其价格较贵，因而用得较少。

镍还可用于生产奥氏体球墨铸铁，并与钼相配合，在奥氏体-贝氏体球墨铸铁中应用，如Ni1.3%~1.8%，Mo0.3%~0.8%的球墨铸铁，与等温淬火相配合，可稳定得到所要求的奥氏体-贝氏体基体组织。

与钼相比，镍作为合金元素的优点，是其在共晶团内部分布比较均匀，不会因偏析而使共晶团边界脆化。

钼和镍都是较贵重的金属，在奥氏体-贝氏体球墨铸铁中要有条件地选用，一般用在厚壁而重要的零件上。

(4) 铬铬用于珠光体球墨铸铁，在铸件中加入量为0.2%~0.3%时，即可起到显著的稳定珠光体及强化力学性能的作用，但由于易形成铁铬碳化物，故应用时应谨慎。

(5) 锑锑是强烈稳定珠光体元素，当其含量在0.006%~0.008%时，就能在提高球墨铸铁基体中珠光体百分率方面起到有效的作用。

在生产铸态珠光体球墨铸铁时，用微量锑代替铜，在经济上更为合理。

但锑有干扰石墨球化的作用，当Sb>0.01%时，即会明显地使石墨形状恶化，故对球墨铸铁的含锑量应严格控制在0.006%~0.008%以下，使用时还应注意积累问题。

1.3微量元素（干扰元素）球墨铸铁中常存在一些非特意加入的微量元素，如Ti、As、Pb、Al、Cr、Sn、Sb等。

在大多数情况下，这些元素对铸铁的性能起不良影响；或是干扰石墨球化，或是促使在共晶团边界上析出脆性相，或是在铁素体球墨铸铁中阻碍基体的铁素体化过程，即使含量很低，也防碍球化，导致力学性能下降，特别是塑性和韧性急剧下降。

稀土元素如铈、镧、钍、钇等皆有不同程度的中和干扰球化元素的作用，加入RE0.01%~0.02%即能中和这些元素的有害作用。

稀土元素的存在可放宽反球化元素的最大允许量。

采用地方生铁，应该了解其原生矿中微量元素的含量，因从供货厂家所提供的化学成分中往往看不出微量元素的存在，如果微量元素含量超标，将会影响球化效果。

一些采用废钢和废机铁熔炼的生铁，也会出现微量干扰元素超标的问题。

1.4各种基体组织球墨铸铁的化学成分1.4.1铁素体球墨铸铁表中列出各类铁素体球墨铸铁推荐的化学成分。

其中低温用铁素体球墨铸铁是指在—40℃仍保持足够冲击韧度的球墨铸铁对于退火铁素体球墨铸铁，允许的Si、Mn含量范围较宽，Si的质量分数可从2.0%到2.7%，对原材料的纯净度(干扰球化元素含量)要求可适当放宽。

对于铸态铁素体球墨铸铁，允许硅的质量分数可提高至2.5%~3.0%(应力求采用下限含硅量)，必须使用低锰生铁(锰含量越低越好)，还要求生铁中的含磷量低、形成珠光体的元素(Cu、Cr、Sn、Sb等)含量要尽量降低，生铁的纯净度(干扰元素含量)和废钢的纯净度都有很高的要求，采取强化孕育措施，如型内孕育、浇口杯孕育等迟后孕育工艺，采用高效孕育剂以及增加冷却速度等，以增加石墨球数。

在保证球化前提下，降低残余Mg和RE量。

对于低温用铁素体球墨铸铁，除了必须采取上述适用于铸态铁素体球墨铸铁的措施外，还必须严格限制Si、Mn、P的上限。

1.4.2珠光体球墨铸铁表中列出珠光体球墨铸铁推荐化学成分。

表珠光体球墨铸铁推荐化学成分（%）对于硅含量，小件取上限，大件取下限，只要不出现游离渗碳体，含硅量尽量低。

由于锰易呈正偏析和形成碳化物，故不宜通过添加锰获得珠光体组织，尤其是对于厚大断面、或是薄壁小铸件，含锰量应按下限控制。

对于韧性要求较低的铸件，可放宽含磷量：w(P)≤0.1%。

对于厚大断面铸件，应添加铜或同时添加铜和钼。

也可以添加：镍w(Ni)≤2%、钒w(V)≤0.3%或锡w(Sn)≤0.05%~0.08%等，以稳定珠光体。

生产铸态珠光体球墨铸态要遵循以下原则：(1) 严格控制炉料(生铁与废钢)，避免含有强烈形成碳化物元素如Cr、V、Mo、Te等，含锰量取下限，以防止铸态下形成游离渗碳体。

(2) 适量孕育，一方面防止形成碳化物，另一方面还要防止因强化孕育导致出现大量的铁素体。

(3) 根据铸件壁厚的性能要求，添加稳定珠光体，但又不形成碳化物的元素如Cu、Ni、Sn等，其中，添加铜的效果显著，成本较低(与添加镍相比)，而且也无副作用(与添加锡相比)。

在生产高强度珠光体球墨铸铁（抗拉强度要求超过700MPa）时，应采用纯净炉料、严格控制形成碳化物元素、干扰元素以及P、S等有害杂质元素的含量，必要时，还应添加适量的铜和钼。

1.4.3铁素体-珠光体球墨铸铁在生产牌号QT500-7这种典型的、含有铁素体和珠光体混合基体的球墨铸铁时，可参考铁素体、珠光体球墨铸铁的生产所必须遵循的原则。

(1) 采用热处理生产铁素体-珠光体球墨铸铁时，参考生产退火铁素体球墨铸铁所要求的化学成分，此时，可不必添加铜，只是在石墨化退火第二阶段，缩短保温时间，令其中的部分珠光体转变成铁素体，其余部分则保留下来，组成混合基体。

视所要求的铁素体与珠光体的相对含量，决定缩短第二阶段的保温时间，要求的铁素体越多，则要缩短的保温时间就越短。

(2) 采用铸态生产铁素体-珠光体球墨铸铁时，参考生产铸态铁素体球墨铸铁要遵循的原则。

在此基础上，通过控制添加铜的数量，以获得铁素体与珠光体的混合基体，随加铜量的增多，珠光体量增加。

1.4.4贝氏体球墨铸铁贝氏体球墨铸铁是指基体组织以贝氏体为主的球墨铸铁。

一般是经奥氏体化（850℃~950℃保温)处理后，以较快的速度在盐浴中进行贝氏体转变。

国际上称之为ADI(Austempering ductile Iron)，即奥氏体等温淬火球墨铸铁。

此外，在添加足够量的Cu、Ni、Mo元素的情况下，也可在连续冷却条件下获得贝氏体球墨铸铁。

1.4.5马氏体球墨铸铁马氏体球墨铸铁具有最高的强度和硬度，马氏体经高温回火后具有优良的综合力学性能。

可以采取淬火（油淬）、空冷、奥氏体等温淬火、铸态获得马氏体基体组织。

1.4.6奥氏体球墨铸铁分为高镍奥氏体球墨铸铁和无磁奥氏体球墨铸铁。