2 鑄鐵合金7 K) [/ [7 l* d4 C# v& D6 H
2.1 鑄鐵合金概述
8 B8 ]6 }* B& @7 c- G 目前,，世界鑄鐵件的生產(chǎn)狀況和趨勢(shì)是,，灰鑄鐵件的比例明顯下降，但仍占優(yōu)勢(shì),。球鐵鑄件的產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng),，蠕鐵和特種鑄鐵也有了較大發(fā)展�,；诣T鐵的全球產(chǎn)量趨向于逐年下降,，但灰鑄鐵中的高強(qiáng)度鑄鐵所占的比重越來(lái)越大，廣泛用于制造汽車,、拖拉機(jī),、農(nóng)業(yè)機(jī)械,、機(jī)床和通用機(jī)械等各個(gè)方面,。我國(guó)灰鑄鐵約占鑄鐵件總產(chǎn)量的80%以上，而高強(qiáng)度灰鑄鐵的比重較小,。如國(guó)內(nèi)柴油機(jī)缸體鑄件比國(guó)外重30%以上,，且抗拉強(qiáng)度在碳當(dāng)量相同的情況下比國(guó)外低1-2級(jí)。在碳當(dāng)量相同的條件下,，我國(guó)生產(chǎn)的灰鑄鐵的拉伸性能比發(fā)達(dá)國(guó)家低1-2個(gè)牌號(hào),。今后，加強(qiáng)高強(qiáng)度灰鑄鐵的試驗(yàn)研究無(wú)疑應(yīng)是我國(guó)灰鑄鐵的發(fā)展方向,。我國(guó)可鍛鑄鐵總產(chǎn)量在世界上名列前茅,，雖然我國(guó)可鍛鑄鐵產(chǎn)量較大,，但今后的需求量還將有所增大。所以,，今后我國(guó)可鍛鑄鐵還將有一個(gè)大的發(fā)展,。
( y) n% ], U5 Z8 ^ 目前，我國(guó)可鍛鑄鐵的生產(chǎn)與國(guó)外相比,，主要有以下差距,。a品種少，僅有黑心可鍛鑄鐵,。國(guó)外珠光體可鍛鑄鐵生產(chǎn)得很多,，且有焊接性能良好的白心可鍛鑄鐵。b質(zhì)量差,。國(guó)外多以電爐或沖天爐-電爐雙聯(lián)熔煉為主,，且有先進(jìn)的爐前控制與測(cè)試技術(shù)。而國(guó)內(nèi)以小型沖天爐為主,，且對(duì)原材料檢驗(yàn)控制不嚴(yán),，爐前都憑經(jīng)驗(yàn)，先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備很少,，這些都是產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的重要原因,。c鍍鋅工藝落后。d缺少耗能低,、保溫性好,、污染小的理想退火爐。以上差距都有待趕上,，以使我國(guó)可鍛鑄鐵能向更高的水平發(fā)展,。) N3 O" U! h, c
在鑄鐵產(chǎn)量縮減的情況下，球鐵在鑄鐵件中所占的比例依然在增大,。20世紀(jì)50年代,，世界球鐵產(chǎn)量還很少，1960年也只有50萬(wàn)噸,，1970年猛增至500萬(wàn)噸,，到1980年已到760萬(wàn)噸。在西方發(fā)達(dá)國(guó)家,， 通常用球鐵件取代部分灰鑄鐵件和可鍛鑄球件,。我國(guó)球鐵鑄件產(chǎn)量比較低，占鑄鐵件的比例遠(yuǎn)小于西方發(fā)達(dá)國(guó)家,。此外,，我國(guó)球鐵鑄件在質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定性方面的差距也較大。目前我國(guó)球墨鑄鐵生產(chǎn)較突出的問(wèn)題是材質(zhì)強(qiáng)韌性差、缺陷多,。其原因除爐料,、球化處理方法和球化劑等因素外，主要是球化處理前對(duì)鐵液含硫量要求過(guò)松,。發(fā)達(dá)國(guó)家的球鐵生產(chǎn)時(shí),，當(dāng)采用沖天爐或電爐與沖天爐雙聯(lián)熔煉時(shí)，爐外脫硫是必不可少的,，使原鐵液含硫量達(dá)到≤0.001%的水平,，這樣極大地降低了球化處理時(shí)球化劑的消耗及鑄鐵件中硫化物夾雜的含量。為使我國(guó)球鐵生產(chǎn)能有大幅度的增長(zhǎng),，必須大力推動(dòng)實(shí)施能穩(wěn)定提供質(zhì)量可靠的優(yōu)質(zhì)球鐵件的配套技術(shù),。國(guó)內(nèi)外在蠕化工藝和蠕化劑的研究方面都達(dá)到了很高的水平，所研制的蠕化劑種類繁多,，可達(dá)近百種,。我國(guó)稀土資源豐富。現(xiàn)在,，在生產(chǎn)中應(yīng)用的蠕化劑主要是稀土硅鐵鎂合金,、稀土硅鈣合金和稀土鎂鈦合金。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的蠕化處理工藝主要有沖入法,、隨流法,、氣動(dòng)法、型內(nèi)法等,。蠕墨鑄鐵已用于大量生產(chǎn),，建有生產(chǎn)線（用感應(yīng)電爐熔化），質(zhì)量基本穩(wěn)定,。我國(guó)在穩(wěn)定生產(chǎn)蠕鐵方面也取得了一定的經(jīng)驗(yàn),，尤其在汽缸蓋和排氣管方面。國(guó)內(nèi)通常用沖天爐熔化,，原鐵液質(zhì)量差,，雖用稀土鎂球化劑以保證鑄件質(zhì)量，但材質(zhì)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和伸長(zhǎng)率較國(guó)外水平低,。當(dāng)前,，影響國(guó)內(nèi)蠕鐵發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題仍然是生產(chǎn)穩(wěn)定性問(wèn)題， 這又主要表現(xiàn)為熔煉,、處理等技術(shù)水平和生產(chǎn)管理水平有待提高上,。隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展,，對(duì)具有特殊性能的材料的需求量不斷增長(zhǎng),，而我國(guó)特種鑄鐵（抗磨、耐蝕和耐熱鑄鐵）的發(fā)展速度較緩慢，技術(shù)水平和國(guó)外差距較大,。為了適應(yīng)新形勢(shì)下國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,，特種鑄鐵的研究今后將成為我國(guó)鑄鐵發(fā)展的一個(gè)重要方向。
8 q5 H' B0 b, J. J* k! q8 e2.2 鑄鐵合金的發(fā)展" D& F( v z* D9 a3 T1 u
2.2.1 高強(qiáng)化,、薄壁化是我國(guó)灰鑄鐵的發(fā)展方向,。
# e k+ b( i/ g$ R+ V 我國(guó)高強(qiáng)度灰鑄鐵件與國(guó)外相比，主要差距是強(qiáng)度低,、耐磨性差,、壽命低、斷面敏感性大,、加工性差,。高強(qiáng)度灰鑄鐵的著眼點(diǎn)是提高碳當(dāng)量，在保證良好的鑄造性能的同時(shí)獲得高的強(qiáng)度,。但為獲得強(qiáng)度高,、性能穩(wěn)定和品質(zhì)均一的鑄鐵件，又必須嚴(yán)格控制碳當(dāng)量,，并從熔煉,、檢測(cè)等方面來(lái)予以保證。目前國(guó)外對(duì)高強(qiáng)度灰鑄鐵的生產(chǎn),，除作常規(guī)檢測(cè)外,，還提出了十項(xiàng)新的檢驗(yàn)指標(biāo)，即鐵水溫度,、鐵水純凈度,、共晶團(tuán)數(shù)、共晶度,、相對(duì)硬度,、相對(duì)強(qiáng)度、品質(zhì)因數(shù),、彈性模數(shù),、過(guò)冷度、過(guò)冷度比,。其中,，共晶度一般在0.8-1.0左右較好；相對(duì)強(qiáng)度為1.15-1.20時(shí),，鑄鐵的性能最理想,；相對(duì)硬度在0.8-1.0時(shí)，切削性能良好,。品質(zhì)因數(shù)愈高,，材質(zhì)愈好,。過(guò)冷度一般控制在,6-8度之間，這時(shí)孕育效果最佳,；過(guò)冷度比通�,？刂圃�1.5-2.5之間；彈性模數(shù)之值愈大,，鑄鐵抗拉強(qiáng)度愈大,；共晶團(tuán)愈細(xì)，鑄鐵的強(qiáng)度愈高,。通過(guò)對(duì)上述指標(biāo)的嚴(yán)格控制可達(dá)到穩(wěn)定的質(zhì)量,。我國(guó)高強(qiáng)度灰鑄鐵研究的重點(diǎn)是：a提高鐵液溫度，改善鑄鐵冶金質(zhì)量,，采用合成鑄鐵熔煉工藝,；b 加強(qiáng)孕育處理技術(shù)，尤其是強(qiáng)化孕育鑄鐵的研究和推廣,；c研究和推廣低合金化孕育鑄鐵,；d調(diào)整化學(xué)成分、控制鑄鐵的Si/C比,，以獲得高強(qiáng)度低應(yīng)力鑄鐵,。國(guó)內(nèi)的實(shí)踐表明，若使Si/c比值在0.5-0.9,，再加以適當(dāng)?shù)脑杏秃辖鸹�,，可獲得具有良好綜合力學(xué)性能的高強(qiáng)灰鑄鐵。另外,，調(diào)整Mn,Si含量,，使含Mn量比含Si量高0.2%-1.3%或以上，可以得到另一種高強(qiáng)度低應(yīng)力鑄鐵,。目前,，我國(guó)的工廠大多無(wú)爐前快速測(cè)定C,Si含量的儀器，因而不能及時(shí)掌握C,Si的變化情況C,Si含量波動(dòng)很大,，致使鑄件質(zhì)量難以穩(wěn)定,，這是今后急需解決的一個(gè)問(wèn)題。鑄鐵薄壁化,、輕量化,、強(qiáng)韌化是為了滿足工程界對(duì)工程材料節(jié)能性、回用性兩方面的要求,，適應(yīng)“人類可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略”的需要,。對(duì)汽車工業(yè)而言，降低整車自重對(duì)節(jié)能,、減少?gòu)U氣排放有關(guān)鍵性的意義,。鑄件的“薄壁高強(qiáng)”化正在工程界成為一種趨勢(shì),，其技術(shù)應(yīng)用也將日益成熟并迅速拓展，在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái),，3-5mm的高強(qiáng)薄壁球鐵件將會(huì)大量出現(xiàn)在一般機(jī)電產(chǎn)品中,。所謂“薄壁高強(qiáng)”,，即生產(chǎn)中所指壁厚為4-6mm（國(guó)外為3.0-3.5mm）,，抗拉強(qiáng)度大于250MPa。而國(guó)內(nèi)目前大多數(shù)工廠發(fā)動(dòng)機(jī)仍使用HT200牌號(hào)材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),。就材質(zhì)而論,，其主要原因是大多數(shù)工廠采用沖天爐熔煉，鐵液指標(biāo)達(dá)不到要求,， 特別是鐵液溫度低和化學(xué)成分波動(dòng)大,，使該類產(chǎn)品鑄件難以控制，從而導(dǎo)致廢品率高,。其中屬于材質(zhì)方面的主要是性能達(dá)不到高牌號(hào)要求,，斷面均勻性差，滲漏嚴(yán)重,，熱疲勞性能差,。我國(guó)在“六五”至“八五” 期間，經(jīng)過(guò)科研院所,、大專院校與生產(chǎn)廠家的聯(lián)合攻關(guān),，對(duì)高強(qiáng)薄壁鑄鐵件的研究取得了較大進(jìn)展，縮短了與國(guó)外先進(jìn)水平的差距,。與國(guó)外同類產(chǎn)品相比,，在鑄件的使用性能和品質(zhì)穩(wěn)定性方面，還存在著不小的差距,。如在材料耐磨性方面,，國(guó)外汽車一般第一次大修里程，汽油機(jī)為30萬(wàn)km,，柴油機(jī)大于50萬(wàn)km,。而國(guó)內(nèi)分別是10-15萬(wàn)km和25萬(wàn)km。汽缸套使用壽命國(guó)外可達(dá)到6000-8000h,，而國(guó)內(nèi)只有 3000-5000h,。由于耐磨性與材料的綜合性能密切相關(guān)，為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)不斷強(qiáng)化的要求,，改善缸體的組織與性能和研究缸體新材料與新工藝,，提高缸體耐磨性和使用壽命，已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員研究的重點(diǎn)之一,。
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/ {. b) M# Y Y7 F+ d, M2.2.2發(fā)展球鐵新品種,、采用新的球鐵生產(chǎn)工藝. I( h8 j( A7 ?3 U5 P9 b
(1) 加強(qiáng)薄壁和大斷面鑄態(tài)球鐵技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,。要保證鑄件的力學(xué)強(qiáng)度和切削加工等性能不致因壁厚減小而降低，其基本途徑就是使球墨鑄鐵的力學(xué)性能得到改善,。最重要的兩個(gè)方面,，一是白口化傾向的減低和抑制，二是石墨組織的改善,。球化劑的合理選用和稀土（RE）元素的加入是實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度薄壁球鐵鑄造的關(guān)鍵,。該技術(shù)的核心是在鑄造（熔煉）工藝中要保證RE/S=2-2.5。球化劑要選用Fe-Si-Mg-RE-Ca系材料,，其中稀土元素（Ce.La.Pr）的加入并使之與硫保持一定比例是球化技術(shù)關(guān)鍵,，同時(shí)嚴(yán)格控制P≤0.04%-0.06%,Be=0.003%-0.007%。實(shí)驗(yàn)證實(shí),，當(dāng)Mg/S≥5時(shí),，易生成白口；而RE/S≤2(時(shí),，出現(xiàn)球化不良,；RE/S≥2.5時(shí)，也易出現(xiàn)白口,。故在一般情況下要求硫含量越低越好的鑄鐵,，此時(shí)（薄壁狀態(tài)）為了一定的球化率、晶粒細(xì)化和減少白口,，則必須保持一定比例的硫含量,。此點(diǎn)對(duì)于以廢鋼（S較少）為主要原料的熔煉廠應(yīng)特別予以注意。% N' D1 e& J+ P
(2) 繼續(xù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用奧-貝球鐵,。奧-貝球鐵是近幾十年來(lái)鑄鐵冶金研究的重大成就之一,，它是迄今為止具有最好綜合性能的一種球鐵，尤其是高的彎曲疲勞性能和良好的耐磨性,，因而獲得廣泛的注目和開(kāi)發(fā)應(yīng)用,。奧貝球鐵的基體組織由板狀或針狀鐵素體25%-50%的穩(wěn)定殘余奧氏體和碳化物組成，有時(shí)有少量的馬氏體存在,，一般通過(guò)850-900度奧氏體化后在300-450度等溫淬火來(lái)獲得,，其常規(guī)化學(xué)成分與通常的鐵素體或珠光體球鐵一樣。采用等溫淬火來(lái)獲得奧-貝球鐵,，其熱處理費(fèi)用高,，難以普及，且因殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變這一加工硬化現(xiàn)象使得加工困難,。國(guó)外出現(xiàn)了中斷熱落砂法,、中斷正火法等新的生產(chǎn)奧-貝球鐵工藝，這些生產(chǎn)工藝成本低,、能耗少,，且可行,，因而具有研究和推廣的實(shí)際意義。
1 E) m& E# d$ n$ f& i; U(3) 發(fā)展奧氏體球鐵,。奧氏體球鐵在石油,、化工、海洋與船舶,、儀器儀表,、食品、動(dòng)力與冷凍,、以及核工程等許多領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景,，因而成為近年來(lái)球鐵領(lǐng)域中的一個(gè)新的研究重點(diǎn),。盡管目前產(chǎn)量還不大,，但有些國(guó)家卻發(fā)展很快，尤其德國(guó)的產(chǎn)量每年以10%的速度遞增,，并且,，一種以GGG-NiGrNb20-2為牌號(hào)的可焊接奧氏體球鐵已在德國(guó)問(wèn)世，其化學(xué)成分（%）為：C≤3.0,，Si1.5-2.6,Mn0.5-1.5,P≤0.4,Nb0.1-0.2,Ni18-22,Gr1.2-2.5,Mg0.08,。瑞士Sulzer研制的新型Ni-Mn奧氏體球鐵在-196度下仍具有很好的沖擊韌性， 最近又出現(xiàn)了15%Ni-5%Mn,20%Ni-4%Mn系的經(jīng)濟(jì)性很好,、低溫用奧氏體球鐵,。GGG-NiMn137牌號(hào)也開(kāi)始用于制造熱核反應(yīng)堆外殼承重結(jié)構(gòu)、核潛艇高壓殼體等,。我國(guó)鎳的貯量占世界第一位,，而奧氏體球鐵的研究還是一個(gè)弱點(diǎn)，因此有待開(kāi)發(fā),，尤其是高Ni奧氏體球鐵,。
- N0 { D) R \% s( W: L; w(4) 采用新的球鐵生產(chǎn)工藝。0 F' c5 T5 D7 Q% V
在熔煉方面,，最好采用感應(yīng)電爐或沖天爐-電爐雙聯(lián)熔煉,，特別是沖天爐—爐外脫硫—電爐保溫的工藝流程能為制取球鐵提供優(yōu)質(zhì)的高溫低硫原鐵液。在球化處理方面,，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外已有的方法達(dá)8種以上,，國(guó)外廣泛采用GF轉(zhuǎn)包法和包蓋法，我國(guó)也正在推廣使用,。在孕育方面,，孕育劑的選擇應(yīng)在一定的鑄件冷卻速度下使球化—孕育有一個(gè)最佳的搭配。孕育方法以瞬時(shí)孕育為佳,，近十多年來(lái),，國(guó)內(nèi)外已發(fā)展了五六種新的瞬時(shí)孕育工藝,。此外，近年來(lái)發(fā)展的鐵液過(guò)濾凈化技術(shù)也已得到推廣應(yīng)用,，成為提高球鐵質(zhì)量的一種很好的措施,。
1 `( w! k# c3 {, g2.2.3 發(fā)展孕育技術(shù)& W7 V m& v( r0 ~3 j- Q
孕育推動(dòng)了高強(qiáng)度灰鑄鐵的發(fā)展，并使球墨鑄鐵,、蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)更趨完美,。凡是經(jīng)過(guò)孕育處理的鑄鐵，都具有石墨細(xì)化,、組織均勻和壁厚敏感性小的特點(diǎn),。隨著工業(yè)的發(fā)展，勢(shì)必有大量廢鋼要利用,，電爐熔煉在鑄鐵熔煉中的地位日益突出,。在該種熔煉、爐料條件下,，孕育更是必不可少,。孕育處理已經(jīng)成為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄鐵產(chǎn)品的一種重要手段。在現(xiàn)代鑄鐵的生產(chǎn)中,，灰鑄鐵以及球墨鑄鐵孕育處理的重要性正越來(lái)越受到人們的重視,，而且這種情況肯定還會(huì)繼續(xù)下去。過(guò)去,，對(duì)孕育的發(fā)展往往寄希望于新的孕育劑,，這無(wú)疑是必要的。但近年來(lái),，孕育方法的改進(jìn),，特別是遲后孕育，受到了人們的重視,。因此,，今后在發(fā)展孕育劑的同時(shí)，對(duì)孕育問(wèn)題的注意力可能轉(zhuǎn)向發(fā)展新的孕育方法,。另外,，必須在鐵液質(zhì)量、鐵液成分,、爐料組成,、孕育技術(shù)、爐前快速檢驗(yàn)與控制等環(huán)節(jié)采取措施,，克服鑄造性能,、白口傾向、力學(xué)性能以及希望高碳當(dāng)量之間的矛盾。$ {2 r' u8 j8 H) X5 a! E' b, h
2.2.4發(fā)展合金鑄鐵
" g+ q4 E) V4 T3 G1 v" V 合金化是提高鑄鐵性能的重要手段之一,，隨著生產(chǎn)日益發(fā)展,，鑄鐵合金化或微合金化必將發(fā)揮重要的作用。必須結(jié)合當(dāng)?shù)刭Y源不斷開(kāi)拓合金鑄鐵新品種,， 利用先進(jìn)手段不斷加深對(duì)現(xiàn)用合金鑄鐵的認(rèn)識(shí),。$ j4 @" C! m$ I& Q! J) P
2.2.5發(fā)展鑄鐵件表面強(qiáng)化技術(shù)- q- X- c% D6 J: n8 u3 Y# R
對(duì)于特殊應(yīng)用場(chǎng)合，往往希望鑄件表層具有特殊的性能,。傳統(tǒng)鑄件的整體強(qiáng)化導(dǎo)致零件整體鑄造時(shí)工藝性能惡化,、生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜、廢品率增加和合金元素浪費(fèi),，并且增加了成本,，從而限制了鑄鐵材質(zhì)優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮。鑄鐵件表面層激光強(qiáng)化處理和鑄件表面合金化技術(shù)可以在普通鑄件表面形成冶金結(jié)合的合金層,，使鑄件具有復(fù)合性能,，以適應(yīng)于特殊的應(yīng)用場(chǎng)合。上述技術(shù)已經(jīng)逐步用于耐磨零件的生產(chǎn),，取得了明顯的成效,�,？傊�,，上述鑄鐵技術(shù)不是孤立的，加強(qiáng)鑄鐵復(fù)合化技術(shù)的研究和應(yīng)用,，以系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)采取綜合措施,，是獲得優(yōu)質(zhì)、高強(qiáng)鑄件的根本保證,。在此基礎(chǔ)上,，加強(qiáng)質(zhì)量管理、采用先進(jìn)的檢測(cè)手段,、提高鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量也是必不可少的環(huán)節(jié),。$ |( u% d* }% {1 n; Q6 C3 y
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發(fā)表于 2011-11-17 23:33:41
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