球墨鑄鐵件是繼鑄鋼件之后另一技術(shù)創(chuàng)新
鑄鋼件使人類(lèi)文明進(jìn)進(jìn)了鐵器時(shí)代。球墨鑄鐵件的誕生，是繼人類(lèi)發(fā)明煉鋼技術(shù)之后，在玄色金屬應(yīng)用技術(shù)方面又一次大的技術(shù)創(chuàng)新，是20世紀(jì)材料科學(xué)最重大的技術(shù)進(jìn)展之一。
我國(guó)古代工匠早在2000年前就已制造出具有球狀石墨的鑄鐵，分析表明上述鑄鐵件不含鎂或稀土元素，是采用高純木炭生鐵熔劑，在金屬型中澆注，經(jīng)熱處理后制成。但由于這種工藝難于大量生產(chǎn)，因而這種古代球鐵的獨(dú)特技藝沒(méi)有流傳至今。現(xiàn)代球墨鑄鐵采用向鐵液中添加球化劑的方法使其在鑄態(tài)下析出球狀石墨，使得球墨鑄鐵真正登上了產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的舞臺(tái)。
一、現(xiàn)代球墨鑄鐵的誕生
1青年麥里斯的創(chuàng)新促成現(xiàn)代球鐵的誕生
最新公布的資料表明，現(xiàn)代球鐵是美國(guó)國(guó)際鎳公司(INCO)青年科研職員麥里斯(K.D.Millis)首先研究成功的。
1942年2月13日麥里斯等熔化了幾組鎳硬鑄鐵，意外地發(fā)現(xiàn)加鎂的鎳硬鑄鐵比加鉻的標(biāo)準(zhǔn)鎳硬鑄鐵明顯進(jìn)步了韌性，含硫量明顯下降。1943年4月12日麥里斯等在含C3.6%，Si2%,Mn0.75%,S0.06%,Ni2%的鐵液中添加含Mg20%的鎳鎂合金，添加量0.05%，0.3%，0.4%，0.5%。然后添加硅鐵孕育劑。澆注試塊切取抗拉試樣和金相試樣，發(fā)現(xiàn)析出完整的球墨，力學(xué)性能十分優(yōu)異，這次試驗(yàn)標(biāo)志著球鐵的正式研究成功。此后INCO在保密狀態(tài)下進(jìn)行了五年系統(tǒng)的中間試驗(yàn)。
2莫勒論文的發(fā)表推進(jìn)現(xiàn)代球鐵技術(shù)的公布及應(yīng)用
經(jīng)過(guò)五年深進(jìn)系統(tǒng)的試驗(yàn)后，INCO公司分別于1947年3月22日在英國(guó)，1947年11月21日在美國(guó)申請(qǐng)了加鎂球鐵專(zhuān)利。但是直到1949年1月25日英國(guó)鑄鐵研究所的莫勒(HentoMorrgh)在美國(guó)申請(qǐng)加鈰球鐵專(zhuān)利以后，美國(guó)專(zhuān)利局才對(duì)INCO公司的專(zhuān)利進(jìn)行實(shí)質(zhì)性審查，并于1949年10月25日批準(zhǔn)授予加鎂球鐵專(zhuān)利權(quán)。接著又于當(dāng)年11月15日批準(zhǔn)授予莫勒的加鈰球鐵專(zhuān)利權(quán)，INCO公司立即購(gòu)買(mǎi)了后一項(xiàng)專(zhuān)利。
莫勒的研究工作與論文的及時(shí)發(fā)表推進(jìn)了現(xiàn)代球鐵技術(shù)的公然及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的進(jìn)程。1948年6月14日在紐約Jamestown可鍛鑄鐵公司首次采用INCO技術(shù)，澆注了1300lb66in門(mén)路試塊和一批鑄件，為福特汽車(chē)公司可否用于制造曲軸提供技術(shù)評(píng)價(jià)，從此拉開(kāi)了球墨鑄鐵產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的序幕。
3INCO早期的球墨鑄鐵推廣工作
1948年12月20日INCO與Cooper-Bessemer公司簽訂了第一個(gè)技術(shù)轉(zhuǎn)讓合同。采用含Mg16.9%,Ni80.5%,其余為Fe的球化劑用漏斗隨流加進(jìn)2.4%，處理鐵液3500lb，用75%Si-Fe孕育，轉(zhuǎn)包沖進(jìn)，澆注柴油機(jī)缸體缸套。第二家是Hynchburg鑄造廠用于制造球墨鑄鐵管。1949年美國(guó)制訂了ASTM球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)并由麻省理工學(xué)院泰勒教授主持召開(kāi)了球墨鑄鐵學(xué)術(shù)會(huì)議，促進(jìn)了推廣應(yīng)用。不久，福特汽車(chē)曲軸全部用球墨鑄鐵，通用汽車(chē)公司也大量投產(chǎn)?？偖a(chǎn)量逐年增長(zhǎng)，到1966年專(zhuān)利失效為止，INCO共向全世界31個(gè)國(guó)家的651家企業(yè)轉(zhuǎn)讓此項(xiàng)技術(shù)，共生產(chǎn)2，074，868t鑄件。麥里斯全身心貫注于此項(xiàng)事業(yè)，他于1992年逝世后，美國(guó)球墨鑄鐵協(xié)會(huì)設(shè)立麥里斯獎(jiǎng)學(xué)金以鼓勵(lì)創(chuàng)造性的冶金學(xué)新秀。
二、現(xiàn)代球鐵在我國(guó)的早期研究和應(yīng)用
1我國(guó)球鐵的早期研究工作——鎂系球化劑及其處理工藝
我國(guó)球鐵的研究工作始于1950年，最先是由中國(guó)科學(xué)院上海冶金陶瓷所和清華大學(xué)王遵明教授分別在上海、撫順兩地進(jìn)行。由于我國(guó)缺鎳，未采用INCO的鎳鎂球化劑，而是采用銅鎂合金沖進(jìn)法研制成功球鐵。
1952年，更多的單位開(kāi)始研究用純鎂代替銅鎂合金，采用鐘罩壓進(jìn)法處理球鐵;1953年我國(guó)又把握了補(bǔ)加鐵水的方法，以彌補(bǔ)鐘罩壓進(jìn)法鐵水溫降大的缺點(diǎn)。大部分工廠采用鐘罩壓進(jìn)法一直到1957年左右，這種方法耗鎂量高(一般占鐵水量的0.5%～1.0%)，同時(shí)球化不夠穩(wěn)定，勞動(dòng)條件差。1957～1958年間，鑄鐵研究室(1957年由清華大學(xué)與一機(jī)部機(jī)械院等有關(guān)單位組成的合作研究機(jī)構(gòu))、大連造船廠、天津拖拉機(jī)廠、上海區(qū)球鐵曲軸研究小組(由上海交大等單位組成)等單位先后試驗(yàn)成功壓力加鎂和滅容加鎂的方法，并在生產(chǎn)中正式采用。至此，鎂系球化劑及其處理工藝經(jīng)過(guò)八年的不斷研究和應(yīng)用，基本成熟和完善了。
2以曲軸為代表的球鐵零件的應(yīng)用和第一次球鐵生產(chǎn)大普及
球鐵生產(chǎn)初期，由于工藝尚不成熟，質(zhì)量尚不穩(wěn)定，因而球鐵多是來(lái)制作受力不大的小零件和機(jī)修配件。1956年9月和10月分別在北京和上海召開(kāi)了球鐵曲軸研討會(huì)，并肯定了球鐵曲軸使用的可靠性。會(huì)后，無(wú)錫柴油機(jī)廠、南京汽車(chē)廠、天津動(dòng)力機(jī)廠、天津拖拉機(jī)廠相繼開(kāi)展了試驗(yàn)研究工作，并陸續(xù)鑒定投產(chǎn)。一機(jī)部汽車(chē)局于1957年11月在天津動(dòng)力機(jī)廠召開(kāi)了鑄鐵曲軸經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)議，制訂了球鐵曲軸的技術(shù)條件、檢驗(yàn)方法，提出了曲軸用球鐵可采用50-1.5、60-2兩個(gè)牌號(hào)。球鐵曲軸的成功應(yīng)用，標(biāo)志著我國(guó)的球鐵作為一種工程材料登上了機(jī)械產(chǎn)業(yè)舞臺(tái)。后來(lái)用于生產(chǎn)的重要零件有：鞍鋼于1955年試制成功球鐵軋輥，鐵道科學(xué)研究院于1957年試制成功鐵路車(chē)輛球鐵軸瓦，本鋼于1957年試制成功鋼錠模，此外，還有凸輪軸、正時(shí)齒輪、閥門(mén)、減速器齒輪等零件。1958年11月召開(kāi)第一次全國(guó)球鐵會(huì)議時(shí)，全國(guó)已有近四百個(gè)單位研究、生產(chǎn)球鐵，并試制了一些當(dāng)時(shí)國(guó)外尚未報(bào)道的球鐵零件，如鐵軌、無(wú)縫管、熱軋齒輪、液體軋制薄板、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和水輪機(jī)主軸等。
本時(shí)期的球鐵品種比較少，真正用于生產(chǎn)只有相當(dāng)于現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的QT60-2、QT42-10和QT50-5三種牌號(hào)，性能水平也不高，珠光體球鐵抗拉強(qiáng)度一般在70kgf/mm2以下，鐵素體球鐵的延伸率均勻不超過(guò)15%。
3稀土鎂球鐵的研制
1958年以來(lái)，各地大量生產(chǎn)土鐵，土鐵的特點(diǎn)是C、Si、Mn低，S、P高，由于高硫球鐵的性能不高且不穩(wěn)定，還需要長(zhǎng)時(shí)間退火，鎂系球化劑不適應(yīng)我國(guó)當(dāng)時(shí)的鑄造生產(chǎn)條件。1961年包鋼又成功地從爐渣中提取出廉價(jià)的稀土，為稀土球化劑提供了充足的原料。1964年，一機(jī)部機(jī)械院與南京汽車(chē)廠、無(wú)錫柴油機(jī)廠等單位，采用稀土合金和鎂作復(fù)合球化劑，研究成功具有我國(guó)資源特點(diǎn)的稀土鎂球鐵，解決了鎂球鐵生產(chǎn)中長(zhǎng)期存在的夾渣、縮松、球化不良等缺陷，并分別于1964年底和1965年初在南京汽車(chē)廠、無(wú)錫柴油機(jī)廠正式投進(jìn)生產(chǎn)。由于復(fù)合球化劑反應(yīng)平穩(wěn)，上海工藝研究所等單位于1965年又研究成功非常簡(jiǎn)便的沖進(jìn)法代替壓力加鎂法，簡(jiǎn)化了球鐵的生產(chǎn)工藝。
與原鎂球鐵相比，稀土鎂球鐵的鑄造性能好，機(jī)械性能高，生產(chǎn)簡(jiǎn)便安全，在原鐵水質(zhì)量較差的情況下能制造出合格的球鐵，因而在我國(guó)得到很快的發(fā)展。1976年10月以“稀土鎂球墨鑄鐵的冶金及工藝特性”為主題首次在國(guó)際鑄造年會(huì)上公布這一成果，引起國(guó)際鑄造界的重視。
1977年5月，一機(jī)部在沙市召開(kāi)了第三次全國(guó)球鐵會(huì)議，交流了隨流孕育、搖包脫硫、快速測(cè)定球化率等九項(xiàng)球鐵新技術(shù)，以后又召開(kāi)多屆年會(huì)，交流球鐵新成果。
進(jìn)進(jìn)80年代以來(lái)，我國(guó)球鐵產(chǎn)量逐年大幅度增長(zhǎng)，生產(chǎn)廠遍及全國(guó)各省市區(qū);研究成功等溫淬火球鐵及多種特種球鐵，球鐵牌號(hào)增至十多個(gè)品種，并相繼制訂了“稀土鎂球鐵金相”、“球墨鑄鐵件”、“球鐵用生鐵”、“稀土硅鐵鎂合金”等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);研究開(kāi)發(fā)了適應(yīng)球鐵大量流水生產(chǎn)的先進(jìn)工藝，如搖包、氣動(dòng)脫硫;型內(nèi)、型上球化;多種瞬時(shí)孕育;音頻、超聲、熱分析等多種球化率快速檢測(cè)方法等。以汽車(chē)零件為代表的大量流水生產(chǎn)逐步達(dá)到國(guó)際水平，離心鑄管產(chǎn)量也逐年增長(zhǎng)，使我國(guó)逐步邁進(jìn)球鐵生產(chǎn)大國(guó)的行列。
4球鐵基礎(chǔ)理論及基礎(chǔ)技術(shù)的研究
在球化理論方面，哈工大、中科院物理所、華中工學(xué)院、鎮(zhèn)江農(nóng)機(jī)學(xué)院等單位分別采用液淬、熱分析、掃描電鏡觀察、電子探針等先進(jìn)手段進(jìn)行試驗(yàn)，并系統(tǒng)地提出了自己的觀點(diǎn)：球狀石墨是從液相中直接析出長(zhǎng)大的;在液態(tài)就可能發(fā)生石墨畸變;石墨天生的結(jié)構(gòu)機(jī)理是以螺旋位錯(cuò)方式長(zhǎng)大;石墨畸變的原因是氧、硫等表面活性原子堵塞螺旋位錯(cuò)臺(tái)階而阻礙了石墨的球狀生長(zhǎng);鎂、稀土等球化元素的作用在于其脫氧、脫硫的“清掃劑”作用等等。這些觀點(diǎn)豐富了原有的球化理論，并對(duì)原鐵水質(zhì)量控制、公道選擇球化劑、加強(qiáng)孕育、防止球化不良和衰退產(chǎn)生等生產(chǎn)實(shí)際題目都有非常重要的指導(dǎo)意義。
在石墨形貌方面，清華大學(xué)采用掃描電鏡等手段，用深腐蝕和熱腐蝕方法，研究了各種鑄鐵的石墨形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建立了一套鑄鐵石墨形貌的掃描電鏡圖譜，并據(jù)此提出了“鑄鐵石墨分類(lèi)、命名”的文件，深化了對(duì)鑄鐵石墨形貌的熟悉。
在球鐵基本性能方面，鄭州機(jī)械所、北京鋼鐵學(xué)院、北京市機(jī)電院等單位系統(tǒng)測(cè)定了各種不同基體、不同牌號(hào)稀土鎂球鐵的消息態(tài)力學(xué)、使用、加工等性能，為公道選用球鐵材質(zhì)制造服役條件惡劣零件(如齒輪等)提供了科學(xué)數(shù)據(jù)。
三、球鐵生產(chǎn)技術(shù)的最新進(jìn)展及發(fā)展方向
綜觀國(guó)內(nèi)外球鐵生產(chǎn)及其技術(shù)近一、二十年的發(fā)展，有八個(gè)方面的進(jìn)展及動(dòng)向分別先容如下。
1球鐵產(chǎn)量和比例逐年增長(zhǎng)，是增幅最大的鑄件品種
主要產(chǎn)業(yè)國(guó)家球鐵產(chǎn)量的比例均已達(dá)到30%左右;中國(guó)約比產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家低1倍，但增幅最快，產(chǎn)量增長(zhǎng)7倍，比例增長(zhǎng)3倍。
同期的灰鑄鐵件的比例逐年下降，可鍛鑄件的產(chǎn)量及比例均大幅度下降。
2采用成套先進(jìn)技術(shù)，穩(wěn)定進(jìn)步球鐵大量流水生產(chǎn)質(zhì)量
汽車(chē)產(chǎn)業(yè)是球鐵的最主要用戶(hù)，反映了球鐵生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)技術(shù)的最高水平。以汽車(chē)鑄件為代表的球鐵大量流水生產(chǎn)，推薦采用如下三方面成套先進(jìn)技術(shù)：
a高溫低硫低氧的優(yōu)質(zhì)原鐵水，是穩(wěn)定內(nèi)部質(zhì)量的基礎(chǔ)。采用鑄造焦、熱風(fēng)水冷沖天爐、電爐熔化或雙聯(lián)過(guò)熱、搖包或氣動(dòng)脫硫、直讀光譜儀快速分析成分等先進(jìn)技術(shù)。
b專(zhuān)用球化劑、孕育劑及公道的球化、孕育工藝(隨流或型內(nèi))是確保球化良好和基體穩(wěn)定的必要手段。
c高剛度鑄型及先進(jìn)的型砂是進(jìn)步鑄件內(nèi)、外質(zhì)量的有效措施。
采用靜壓、高壓、氣沖加壓、擠壓等高緊實(shí)率鑄型和樹(shù)脂砂可有效減少縮松，進(jìn)步鑄件尺寸精度和降低粗糙度。
另外，為了適應(yīng)多品種變批量的生產(chǎn)方式，還需應(yīng)用快換模板、快調(diào)澆口、通氣針和型砂定量等技術(shù)。
綜合采用上述成套技術(shù)，我國(guó)主要汽車(chē)鑄造廠的工藝及裝備已達(dá)到國(guó)際水平，生產(chǎn)規(guī)模也接近國(guó)際水平(如二汽鑄造二廠年產(chǎn)量達(dá)7萬(wàn)噸)，靜態(tài)性能可穩(wěn)定達(dá)到QT450-10、QT400-15、QT500-7、QT600-3，其中脫硫效果穩(wěn)定的南汽鑄態(tài)性能達(dá)到QT600-10，正火后可達(dá)到QT880-5的高性能水平。
3離心鑄管產(chǎn)量急劇增長(zhǎng)，成為球鐵的最大用戶(hù)
離心球鐵管由于強(qiáng)度高、塑性好、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，故在供水、輸氣管道中大量應(yīng)用。產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的離心球鐵管產(chǎn)量已占鑄管總產(chǎn)量的95%～98%，球鐵總產(chǎn)量的40%～50%，成為球鐵的最大用戶(hù)。中小口徑(<1000mm)鑄管采用水冷金屬型工藝(即冷模法);大口徑采用熱模法(噴涂料和襯樹(shù)脂砂)。國(guó)外已能生產(chǎn)最大尺寸達(dá)DN2000mm×8000mm和DN2600mm×4000mm的鑄管。
我國(guó)近十多年來(lái)引進(jìn)和研制了一批離心球鐵管生產(chǎn)線(xiàn)，生產(chǎn)能力已達(dá)70萬(wàn)噸，年銷(xiāo)售量約30萬(wàn)噸，已占球鐵總量的20%以上。其中新興鑄管團(tuán)體公司產(chǎn)量最大，且已能用熱模法大批量生產(chǎn)DN(1200～1600)mm×5000mm的大管徑鑄管。
4等溫淬火球鐵成為球鐵系列的最新成員
70年代初，美國(guó)、中國(guó)、芬蘭幾乎同時(shí)發(fā)表了等溫淬火球鐵的科研成果，研究?jī)?nèi)容涉及成分及原始組織控制、鑄態(tài)獲得貝氏體組織的方法、等溫淬火工藝選擇、等溫淬火設(shè)備及自動(dòng)檢測(cè)，使用性能系統(tǒng)測(cè)試及優(yōu)選，在典型零件(齒輪、閘瓦、車(chē)輪、磨球、磨盤(pán)等)上的應(yīng)用等。
等溫淬火球鐵是力學(xué)性能等級(jí)最高的球鐵品種，也是一類(lèi)球鐵的總稱(chēng)。其強(qiáng)韌性、硬度可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)變化，其金相組織亦相應(yīng)沿上貝氏體+奧氏體→下貝氏體+奧氏體→下貝氏體→下貝氏體+馬氏體→馬氏體+下貝氏體方向變化……
我國(guó)古代工匠早在2000年前就已制造出具有球狀石墨的鑄鐵，分析表明上述鑄鐵件不含鎂或稀土元素，是采用高純木炭生鐵熔劑，在金屬型中澆注，經(jīng)熱處理后制成。但由于這種工藝難于大量生產(chǎn)，因而這種古代球鐵的獨(dú)特技藝沒(méi)有流傳至今。現(xiàn)代球墨鑄鐵采用向鐵液中添加球化劑的方法使其在鑄態(tài)下析出球狀石墨，使得球墨鑄鐵真正登上了產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的舞臺(tái)。
一、現(xiàn)代球墨鑄鐵的誕生
1青年麥里斯的創(chuàng)新促成現(xiàn)代球鐵的誕生
最新公布的資料表明，現(xiàn)代球鐵是美國(guó)國(guó)際鎳公司(INCO)青年科研職員麥里斯(K.D.Millis)首先研究成功的。
1942年2月13日麥里斯等熔化了幾組鎳硬鑄鐵，意外地發(fā)現(xiàn)加鎂的鎳硬鑄鐵比加鉻的標(biāo)準(zhǔn)鎳硬鑄鐵明顯進(jìn)步了韌性，含硫量明顯下降。1943年4月12日麥里斯等在含C3.6%，Si2%,Mn0.75%,S0.06%,Ni2%的鐵液中添加含Mg20%的鎳鎂合金，添加量0.05%，0.3%，0.4%，0.5%。然后添加硅鐵孕育劑。澆注試塊切取抗拉試樣和金相試樣，發(fā)現(xiàn)析出完整的球墨，力學(xué)性能十分優(yōu)異，這次試驗(yàn)標(biāo)志著球鐵的正式研究成功。此后INCO在保密狀態(tài)下進(jìn)行了五年系統(tǒng)的中間試驗(yàn)。
2莫勒論文的發(fā)表推進(jìn)現(xiàn)代球鐵技術(shù)的公布及應(yīng)用
經(jīng)過(guò)五年深進(jìn)系統(tǒng)的試驗(yàn)后，INCO公司分別于1947年3月22日在英國(guó)，1947年11月21日在美國(guó)申請(qǐng)了加鎂球鐵專(zhuān)利。但是直到1949年1月25日英國(guó)鑄鐵研究所的莫勒(HentoMorrgh)在美國(guó)申請(qǐng)加鈰球鐵專(zhuān)利以后，美國(guó)專(zhuān)利局才對(duì)INCO公司的專(zhuān)利進(jìn)行實(shí)質(zhì)性審查，并于1949年10月25日批準(zhǔn)授予加鎂球鐵專(zhuān)利權(quán)。接著又于當(dāng)年11月15日批準(zhǔn)授予莫勒的加鈰球鐵專(zhuān)利權(quán)，INCO公司立即購(gòu)買(mǎi)了后一項(xiàng)專(zhuān)利。
莫勒的研究工作與論文的及時(shí)發(fā)表推進(jìn)了現(xiàn)代球鐵技術(shù)的公然及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的進(jìn)程。1948年6月14日在紐約Jamestown可鍛鑄鐵公司首次采用INCO技術(shù)，澆注了1300lb66in門(mén)路試塊和一批鑄件，為福特汽車(chē)公司可否用于制造曲軸提供技術(shù)評(píng)價(jià)，從此拉開(kāi)了球墨鑄鐵產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的序幕。
3INCO早期的球墨鑄鐵推廣工作
1948年12月20日INCO與Cooper-Bessemer公司簽訂了第一個(gè)技術(shù)轉(zhuǎn)讓合同。采用含Mg16.9%,Ni80.5%,其余為Fe的球化劑用漏斗隨流加進(jìn)2.4%，處理鐵液3500lb，用75%Si-Fe孕育，轉(zhuǎn)包沖進(jìn)，澆注柴油機(jī)缸體缸套。第二家是Hynchburg鑄造廠用于制造球墨鑄鐵管。1949年美國(guó)制訂了ASTM球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)并由麻省理工學(xué)院泰勒教授主持召開(kāi)了球墨鑄鐵學(xué)術(shù)會(huì)議，促進(jìn)了推廣應(yīng)用。不久，福特汽車(chē)曲軸全部用球墨鑄鐵，通用汽車(chē)公司也大量投產(chǎn)?？偖a(chǎn)量逐年增長(zhǎng)，到1966年專(zhuān)利失效為止，INCO共向全世界31個(gè)國(guó)家的651家企業(yè)轉(zhuǎn)讓此項(xiàng)技術(shù)，共生產(chǎn)2，074，868t鑄件。麥里斯全身心貫注于此項(xiàng)事業(yè)，他于1992年逝世后，美國(guó)球墨鑄鐵協(xié)會(huì)設(shè)立麥里斯獎(jiǎng)學(xué)金以鼓勵(lì)創(chuàng)造性的冶金學(xué)新秀。
二、現(xiàn)代球鐵在我國(guó)的早期研究和應(yīng)用
1我國(guó)球鐵的早期研究工作——鎂系球化劑及其處理工藝
我國(guó)球鐵的研究工作始于1950年，最先是由中國(guó)科學(xué)院上海冶金陶瓷所和清華大學(xué)王遵明教授分別在上海、撫順兩地進(jìn)行。由于我國(guó)缺鎳，未采用INCO的鎳鎂球化劑，而是采用銅鎂合金沖進(jìn)法研制成功球鐵。
1952年，更多的單位開(kāi)始研究用純鎂代替銅鎂合金，采用鐘罩壓進(jìn)法處理球鐵;1953年我國(guó)又把握了補(bǔ)加鐵水的方法，以彌補(bǔ)鐘罩壓進(jìn)法鐵水溫降大的缺點(diǎn)。大部分工廠采用鐘罩壓進(jìn)法一直到1957年左右，這種方法耗鎂量高(一般占鐵水量的0.5%～1.0%)，同時(shí)球化不夠穩(wěn)定，勞動(dòng)條件差。1957～1958年間，鑄鐵研究室(1957年由清華大學(xué)與一機(jī)部機(jī)械院等有關(guān)單位組成的合作研究機(jī)構(gòu))、大連造船廠、天津拖拉機(jī)廠、上海區(qū)球鐵曲軸研究小組(由上海交大等單位組成)等單位先后試驗(yàn)成功壓力加鎂和滅容加鎂的方法，并在生產(chǎn)中正式采用。至此，鎂系球化劑及其處理工藝經(jīng)過(guò)八年的不斷研究和應(yīng)用，基本成熟和完善了。
2以曲軸為代表的球鐵零件的應(yīng)用和第一次球鐵生產(chǎn)大普及
球鐵生產(chǎn)初期，由于工藝尚不成熟，質(zhì)量尚不穩(wěn)定，因而球鐵多是來(lái)制作受力不大的小零件和機(jī)修配件。1956年9月和10月分別在北京和上海召開(kāi)了球鐵曲軸研討會(huì)，并肯定了球鐵曲軸使用的可靠性。會(huì)后，無(wú)錫柴油機(jī)廠、南京汽車(chē)廠、天津動(dòng)力機(jī)廠、天津拖拉機(jī)廠相繼開(kāi)展了試驗(yàn)研究工作，并陸續(xù)鑒定投產(chǎn)。一機(jī)部汽車(chē)局于1957年11月在天津動(dòng)力機(jī)廠召開(kāi)了鑄鐵曲軸經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)議，制訂了球鐵曲軸的技術(shù)條件、檢驗(yàn)方法，提出了曲軸用球鐵可采用50-1.5、60-2兩個(gè)牌號(hào)。球鐵曲軸的成功應(yīng)用，標(biāo)志著我國(guó)的球鐵作為一種工程材料登上了機(jī)械產(chǎn)業(yè)舞臺(tái)。后來(lái)用于生產(chǎn)的重要零件有：鞍鋼于1955年試制成功球鐵軋輥，鐵道科學(xué)研究院于1957年試制成功鐵路車(chē)輛球鐵軸瓦，本鋼于1957年試制成功鋼錠模，此外，還有凸輪軸、正時(shí)齒輪、閥門(mén)、減速器齒輪等零件。1958年11月召開(kāi)第一次全國(guó)球鐵會(huì)議時(shí)，全國(guó)已有近四百個(gè)單位研究、生產(chǎn)球鐵，并試制了一些當(dāng)時(shí)國(guó)外尚未報(bào)道的球鐵零件，如鐵軌、無(wú)縫管、熱軋齒輪、液體軋制薄板、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和水輪機(jī)主軸等。
本時(shí)期的球鐵品種比較少，真正用于生產(chǎn)只有相當(dāng)于現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的QT60-2、QT42-10和QT50-5三種牌號(hào)，性能水平也不高，珠光體球鐵抗拉強(qiáng)度一般在70kgf/mm2以下，鐵素體球鐵的延伸率均勻不超過(guò)15%。
3稀土鎂球鐵的研制
1958年以來(lái)，各地大量生產(chǎn)土鐵，土鐵的特點(diǎn)是C、Si、Mn低，S、P高，由于高硫球鐵的性能不高且不穩(wěn)定，還需要長(zhǎng)時(shí)間退火，鎂系球化劑不適應(yīng)我國(guó)當(dāng)時(shí)的鑄造生產(chǎn)條件。1961年包鋼又成功地從爐渣中提取出廉價(jià)的稀土，為稀土球化劑提供了充足的原料。1964年，一機(jī)部機(jī)械院與南京汽車(chē)廠、無(wú)錫柴油機(jī)廠等單位，采用稀土合金和鎂作復(fù)合球化劑，研究成功具有我國(guó)資源特點(diǎn)的稀土鎂球鐵，解決了鎂球鐵生產(chǎn)中長(zhǎng)期存在的夾渣、縮松、球化不良等缺陷，并分別于1964年底和1965年初在南京汽車(chē)廠、無(wú)錫柴油機(jī)廠正式投進(jìn)生產(chǎn)。由于復(fù)合球化劑反應(yīng)平穩(wěn)，上海工藝研究所等單位于1965年又研究成功非常簡(jiǎn)便的沖進(jìn)法代替壓力加鎂法，簡(jiǎn)化了球鐵的生產(chǎn)工藝。
與原鎂球鐵相比，稀土鎂球鐵的鑄造性能好，機(jī)械性能高，生產(chǎn)簡(jiǎn)便安全，在原鐵水質(zhì)量較差的情況下能制造出合格的球鐵，因而在我國(guó)得到很快的發(fā)展。1976年10月以“稀土鎂球墨鑄鐵的冶金及工藝特性”為主題首次在國(guó)際鑄造年會(huì)上公布這一成果，引起國(guó)際鑄造界的重視。
1977年5月，一機(jī)部在沙市召開(kāi)了第三次全國(guó)球鐵會(huì)議，交流了隨流孕育、搖包脫硫、快速測(cè)定球化率等九項(xiàng)球鐵新技術(shù)，以后又召開(kāi)多屆年會(huì)，交流球鐵新成果。
進(jìn)進(jìn)80年代以來(lái)，我國(guó)球鐵產(chǎn)量逐年大幅度增長(zhǎng)，生產(chǎn)廠遍及全國(guó)各省市區(qū);研究成功等溫淬火球鐵及多種特種球鐵，球鐵牌號(hào)增至十多個(gè)品種，并相繼制訂了“稀土鎂球鐵金相”、“球墨鑄鐵件”、“球鐵用生鐵”、“稀土硅鐵鎂合金”等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);研究開(kāi)發(fā)了適應(yīng)球鐵大量流水生產(chǎn)的先進(jìn)工藝，如搖包、氣動(dòng)脫硫;型內(nèi)、型上球化;多種瞬時(shí)孕育;音頻、超聲、熱分析等多種球化率快速檢測(cè)方法等。以汽車(chē)零件為代表的大量流水生產(chǎn)逐步達(dá)到國(guó)際水平，離心鑄管產(chǎn)量也逐年增長(zhǎng)，使我國(guó)逐步邁進(jìn)球鐵生產(chǎn)大國(guó)的行列。
4球鐵基礎(chǔ)理論及基礎(chǔ)技術(shù)的研究
在球化理論方面，哈工大、中科院物理所、華中工學(xué)院、鎮(zhèn)江農(nóng)機(jī)學(xué)院等單位分別采用液淬、熱分析、掃描電鏡觀察、電子探針等先進(jìn)手段進(jìn)行試驗(yàn)，并系統(tǒng)地提出了自己的觀點(diǎn)：球狀石墨是從液相中直接析出長(zhǎng)大的;在液態(tài)就可能發(fā)生石墨畸變;石墨天生的結(jié)構(gòu)機(jī)理是以螺旋位錯(cuò)方式長(zhǎng)大;石墨畸變的原因是氧、硫等表面活性原子堵塞螺旋位錯(cuò)臺(tái)階而阻礙了石墨的球狀生長(zhǎng);鎂、稀土等球化元素的作用在于其脫氧、脫硫的“清掃劑”作用等等。這些觀點(diǎn)豐富了原有的球化理論，并對(duì)原鐵水質(zhì)量控制、公道選擇球化劑、加強(qiáng)孕育、防止球化不良和衰退產(chǎn)生等生產(chǎn)實(shí)際題目都有非常重要的指導(dǎo)意義。
在石墨形貌方面，清華大學(xué)采用掃描電鏡等手段，用深腐蝕和熱腐蝕方法，研究了各種鑄鐵的石墨形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建立了一套鑄鐵石墨形貌的掃描電鏡圖譜，并據(jù)此提出了“鑄鐵石墨分類(lèi)、命名”的文件，深化了對(duì)鑄鐵石墨形貌的熟悉。
在球鐵基本性能方面，鄭州機(jī)械所、北京鋼鐵學(xué)院、北京市機(jī)電院等單位系統(tǒng)測(cè)定了各種不同基體、不同牌號(hào)稀土鎂球鐵的消息態(tài)力學(xué)、使用、加工等性能，為公道選用球鐵材質(zhì)制造服役條件惡劣零件(如齒輪等)提供了科學(xué)數(shù)據(jù)。
三、球鐵生產(chǎn)技術(shù)的最新進(jìn)展及發(fā)展方向
綜觀國(guó)內(nèi)外球鐵生產(chǎn)及其技術(shù)近一、二十年的發(fā)展，有八個(gè)方面的進(jìn)展及動(dòng)向分別先容如下。
1球鐵產(chǎn)量和比例逐年增長(zhǎng)，是增幅最大的鑄件品種
主要產(chǎn)業(yè)國(guó)家球鐵產(chǎn)量的比例均已達(dá)到30%左右;中國(guó)約比產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家低1倍，但增幅最快，產(chǎn)量增長(zhǎng)7倍，比例增長(zhǎng)3倍。
同期的灰鑄鐵件的比例逐年下降，可鍛鑄件的產(chǎn)量及比例均大幅度下降。
2采用成套先進(jìn)技術(shù)，穩(wěn)定進(jìn)步球鐵大量流水生產(chǎn)質(zhì)量
汽車(chē)產(chǎn)業(yè)是球鐵的最主要用戶(hù)，反映了球鐵生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)技術(shù)的最高水平。以汽車(chē)鑄件為代表的球鐵大量流水生產(chǎn)，推薦采用如下三方面成套先進(jìn)技術(shù)：
a高溫低硫低氧的優(yōu)質(zhì)原鐵水，是穩(wěn)定內(nèi)部質(zhì)量的基礎(chǔ)。采用鑄造焦、熱風(fēng)水冷沖天爐、電爐熔化或雙聯(lián)過(guò)熱、搖包或氣動(dòng)脫硫、直讀光譜儀快速分析成分等先進(jìn)技術(shù)。
b專(zhuān)用球化劑、孕育劑及公道的球化、孕育工藝(隨流或型內(nèi))是確保球化良好和基體穩(wěn)定的必要手段。
c高剛度鑄型及先進(jìn)的型砂是進(jìn)步鑄件內(nèi)、外質(zhì)量的有效措施。
采用靜壓、高壓、氣沖加壓、擠壓等高緊實(shí)率鑄型和樹(shù)脂砂可有效減少縮松，進(jìn)步鑄件尺寸精度和降低粗糙度。
另外，為了適應(yīng)多品種變批量的生產(chǎn)方式，還需應(yīng)用快換模板、快調(diào)澆口、通氣針和型砂定量等技術(shù)。
綜合采用上述成套技術(shù)，我國(guó)主要汽車(chē)鑄造廠的工藝及裝備已達(dá)到國(guó)際水平，生產(chǎn)規(guī)模也接近國(guó)際水平(如二汽鑄造二廠年產(chǎn)量達(dá)7萬(wàn)噸)，靜態(tài)性能可穩(wěn)定達(dá)到QT450-10、QT400-15、QT500-7、QT600-3，其中脫硫效果穩(wěn)定的南汽鑄態(tài)性能達(dá)到QT600-10，正火后可達(dá)到QT880-5的高性能水平。
3離心鑄管產(chǎn)量急劇增長(zhǎng)，成為球鐵的最大用戶(hù)
離心球鐵管由于強(qiáng)度高、塑性好、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，故在供水、輸氣管道中大量應(yīng)用。產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的離心球鐵管產(chǎn)量已占鑄管總產(chǎn)量的95%～98%，球鐵總產(chǎn)量的40%～50%，成為球鐵的最大用戶(hù)。中小口徑(<1000mm)鑄管采用水冷金屬型工藝(即冷模法);大口徑采用熱模法(噴涂料和襯樹(shù)脂砂)。國(guó)外已能生產(chǎn)最大尺寸達(dá)DN2000mm×8000mm和DN2600mm×4000mm的鑄管。
我國(guó)近十多年來(lái)引進(jìn)和研制了一批離心球鐵管生產(chǎn)線(xiàn)，生產(chǎn)能力已達(dá)70萬(wàn)噸，年銷(xiāo)售量約30萬(wàn)噸，已占球鐵總量的20%以上。其中新興鑄管團(tuán)體公司產(chǎn)量最大，且已能用熱模法大批量生產(chǎn)DN(1200～1600)mm×5000mm的大管徑鑄管。
4等溫淬火球鐵成為球鐵系列的最新成員
70年代初，美國(guó)、中國(guó)、芬蘭幾乎同時(shí)發(fā)表了等溫淬火球鐵的科研成果，研究?jī)?nèi)容涉及成分及原始組織控制、鑄態(tài)獲得貝氏體組織的方法、等溫淬火工藝選擇、等溫淬火設(shè)備及自動(dòng)檢測(cè)，使用性能系統(tǒng)測(cè)試及優(yōu)選，在典型零件(齒輪、閘瓦、車(chē)輪、磨球、磨盤(pán)等)上的應(yīng)用等。
等溫淬火球鐵是力學(xué)性能等級(jí)最高的球鐵品種，也是一類(lèi)球鐵的總稱(chēng)。其強(qiáng)韌性、硬度可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)變化，其金相組織亦相應(yīng)沿上貝氏體+奧氏體→下貝氏體+奧氏體→下貝氏體→下貝氏體+馬氏體→馬氏體+下貝氏體方向變化……
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