球墨鑄鐵

根據現代考古研究，新鄭鄭韓故城後端灣鑄鐵遺址發現大量鑄鐵相關遺蹟和遺物，後端灣鑄鐵遺址位於新鄭市鄭韓故城東城區西南部，面積近10萬平方米。該遺址是戰國中晚期韓國都城一處鑄造工具和農具的官營手工業作坊，河南後端灣鑄鐵遺址首次發現脱碳窯，將中國球墨鑄鐵史提前至少200年。比西方要早至少2000多年。 ^[5] 

法國的雷奧姆爾（Reaumur）於1722年製成了白心可鍛鑄鐵。後來、美國的塞斯·包伊登（Seth·Boyden）於1826年發明了黑心可鍛鑄鐵。

到了二十世紀二十年代。由於對鑄鐵中碳、硅等主要成分及加入其他合金元素的影響、熔化方法、孕育效果等方面的研究並有了進展，出現了所謂高級鑄鐵。因此，材質有了相當可觀的改善，並在一定程度上擴大了應用範圍。但是，由於存在着韌性低這樣的根本缺點，未能迅速擴大其應用範圍。

1947年，英國人莫羅 ^[6]  (Morrogh)發現了鑄態下存在球狀石墨的鑄鐵。

1948年，通過在高碳，低硫、低磷的灰鑄鐵中加入Ce，並使其殘留量保持在0．02%以上，製得了球墨鑄鐵．幾乎與此同時，美國國際鎳公司(INCO)加格奈賓(Gagnebin)等通過在鑄鐵中加Mg，並使其殘留量保持在0．04%以上，獲得了相同的球墨鑄鐵。

在第二次世界大戰期間，由於生產耐磨馬氏體白口鑄鐵所必需的鉻元素資源缺乏，研究Cr的代用元素就成了當務之急。於是，對於與碳發生化學結合的各種金屬及過渡金屬，均就其能否形成碳化物進行了系統的調查研究，其中也就包括鎂。為了減緩在加鎂時的激烈噴濺，曾使用Cu80一Mg20合金和Ni80-M920合金。結果表明，鎂不但作為鉻的代用元素有良好的效果，而且還發現當鎂在鐵水中有某種程度的殘留量時，有顯著的脱硫作用。以這些新的發現為基礎，繼白口鑄鐵之後，對於在灰口鑄鐵中加鎂的作用也進行了研究。在含C 3.5%、Si2.25%和Ni 2%的灰鑄鐵中加入了0.5%的Mg，其抗拉強度遠遠超過原來的預期(普通灰鑄鐵約為13kgf/mm²)，高達78kgf/mm²。

鑄鐵是含碳量大於2.11%的鐵碳合金，由工業生鐵、廢鋼等鋼鐵及其合金材料經過高温熔融和鑄造成型而得到，除Fe外，還含及其它鑄鐵中的碳以石墨形態析出，若析出的石墨呈條片狀時的鑄鐵叫灰口鑄鐵或灰鑄鐵、呈蠕蟲狀時的鑄鐵叫蠕墨鑄鐵、呈團絮狀時的鑄鐵叫可鍛鑄鐵或碼鐵、而呈球狀時的鑄鐵就叫球墨鑄鐵。

球墨鑄鐵除鐵外的化學成分通常為：含碳量3.0～4.0%，含硅量1.8～3.2%，含錳、磷、硫總量不超過3.0%和適量的稀土、鎂等球化元素。

市面上球墨鑄鐵光譜標準樣品成分如下：

球鐵鑄件差不多已在所有主要工業部門中得到應用，這些部門要求高的強度、塑性、韌性、耐磨性、耐嚴重的熱和機械衝擊、耐高温或低温、耐腐蝕以及尺寸穩定性等。為了滿足使用條件的這些變化、球墨鑄鐵有許多牌號，提供了機械性能和物理性能的一個很寬的範圍。

如國際標準化組織ISO1083所規定的大多數球墨鑄鐵鑄件，主要是以非合金態生產的。顯然，這個範圍包括抗拉強度大於800牛頓/平方毫米，延伸率為2%的高強度牌號。另一個極端是高塑性牌號，其延伸率大於17%，而相應的強度較低(最低為370牛頓/平方毫米）。強度和延伸率並不是設計者選擇材料的根據，而其它決定性的重要性能還包括屈服強度、彈性模數、耐磨性和疲勞強度、硬度和衝擊性能等。另外，耐蝕性和抗氧化以及電磁性能對於設計者也許是關鍵的。為了滿足這些特殊使用，研製了一組奧氏體球鐵，通常叫Ni一Resis球鐵。這些奧氏體球鐵，主要用鎳、鉻和錳合金化，並且列入國際標準。

為珠光體型球墨鑄鐵，具有中高等強度、中等韌性和塑性，綜合性能較高，耐磨性和減振性良好，鑄造工藝性能良好等特點。能通過各種熱處理改變其性能。主要用於各種動力機械曲軸、凸輪軸、連接軸、連桿、齒輪、離合器片、液壓缸體等零部件。 ^[1] 

在高強度低合金球墨鑄鐵方面，除了對銅、鉬研究較多外，還對鎳、鈮等進行了研究。中錳球墨鑄鐵雖然在性能上不夠穩定，但多年來的系統研究與生產應用，取得了顯著的經濟效益。

在耐熱球墨鑄鐵方面，除了中硅球墨鑄鐵以外，系統研究了Si+Al總量對稀土鎂球墨鑄鐵抗生長能力的影響。中國研製的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，並與日本Cr25Ni13Si2耐熱鋼的使用壽命相當。

高鎳奧氏體球墨鑄鐵方面也取得了進展，它在石油開採機械、化工設備、工業用爐器件上均取得了成功的應用。

在耐酸球墨鑄鐵方面，中國生產的稀土高硅球墨鑄鐵比普通高硅鑄鐵的組織細小、均勻、緻密，由此，抗蝕性能提高了10%～90%，並且其機械強度也有顯著改善。

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，先後許多人研究了各種稀土元素的球化行為，發現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行了大量研製工作，發現稀土元素對常用的球墨鑄鐵成分（C3.6～3.8wt%，Si2.0～2.5wt%）來説，很難獲得同鎂球墨鑄鐵那樣完整均勻的球狀石墨；而且，當稀土量過高時，還會出現各種變態形的石墨，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，可獲得良好的球狀石墨。

根據中國鐵質差、含硫量高（沖天爐熔鍊）和出鐵温度低的情況，加入稀土是必要的。球化劑中鎂是主導元素，稀土一方面可促進石墨球化；另一方面克服硫以及雜質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，當干擾元素Pb、Bi、Sb、Te、Ti等總量為0.05wt%時，加入0.01wt%（殘餘量）的稀土，可以完全中和干擾，並可抑制變態石墨的產生。中國絕大部分的生鐵中含有鈦，有的生鐵中含鈦高達0.2～0.3wt%，但稀土鎂球化劑由於能使鐵中的稀土殘留量達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；若隨後加入0.01～0.05wt%Ce，則又恢復原來的球化狀態，這是由於Bi和Ce形成了穩定的化合物。

稀土的形核作用。20世紀60年代以後的研究表明，含鈰的孕育劑可使鐵液在整個保持期中增加球數，使最終的組織中含有更多的石墨球和更小的白口傾向。經研究還表明，含稀土的孕育劑可改善球墨鑄鐵的孕育效果並顯著提高抗衰退的能力。加入稀土可使石墨球數增多的原因可歸結為：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（存在於鐵液中的）不活化的晶核得以長大，結果使鐵液中總的晶核數量增多。

（一）嚴格要求化學成分，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）鐵液出爐温度比灰鑄鐵更高，以補償球化，孕育處理時鐵液温度的損失。

（三）進行球化處理，即往鐵液中添加球化劑。

（四）加入孕育劑進行孕育處理。

（五）球墨鑄鐵流動性較差，收縮較大，因此需要較高的澆注温度及較大的澆注系統尺寸，合理應用冒口，冷鐵，採用順序凝固原則。

（六）進行熱處理。

①退火。得到鐵素體基體，提高塑性、韌性，消除應力，改善切削性能。

②正火。得到珠光體基體，提高強度和耐磨性。

③調質。獲得回火索氏體的基體組織，以及良好的綜合力學性能，如主軸、曲軸、連桿等。

④等温淬火。使外形複雜且綜合性能要求高的零件獲得下貝氏體的基體組織，以及高強度、高硬度、高韌性等綜合力學性能，避免熱處理時產生開裂，如主軸、曲軸、齒輪等。

球墨鑄鐵由於其糊狀凝固的特徵決定所生產的鑄鐵由於補縮不良經常產生縮孔、縮松等缺陷，為了能在鑄件生產以前預測這些缺陷情況，早在印年代國內外就開展了鑄造過程數值類比。鑄造過程數值類比是使用數值類比技術，在計算機虛擬的環境下類比實際鑄件形成過程，包括金屬液體的充型過程、冷卻凝固過程、應力形成過程、判斷成型過程中主要原素的影響程度，預測組織、性能和可能出現的缺陷，為優化工藝減少廢品提供依據。

1962年丹麥的Forsund第一個採用電子計算機類比鑄件的凝固過程，此後美國、英國、德國、日本、法蘭西等相繼開展了這方面的研究。我國於70年代末開始，大連理工大學、瀋陽鑄造研究所率先在我國開展了這一技術的研究，並分別於1980年發表了研究報告（郭可韌等，大型鑄件凝固過程的數字類比，大連工學院學報，1980（2）1─16；瀋陽鑄造研究所，鑄件凝固熱場電子計算機類比鑄造，1980（1）14─22，此後在我國高等院校投入大量人力開展了這項研究。

在“六五”、“七五”期間國家攻關項目中部有計算機在鑄造中應用的攻關項目，“六五”的項目為“大型鑄鋼件凝固控制”、“七五”項目為“大型鑄鋼件鑄造工藝CAD”，組織產、學、研聯合攻關，大大推展了此項技術在我國的發展，清華大學、華中理工大學已分別能提供FT─Star和華鑄CAE─Inte 4.0商品化學的軟體並在三明重型機器有限公司等單位應用，獲得了良好的效果。

計算機數值類比由前處理、中間計算和後處理三部分組成，包括幾何模型的建立，格點劃分，求解條件（初始條件和邊界條件）的確定，數值計算，計算結果的處理及圖形顯示。其所用的數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）凝固過程數值類比，主要進行鑄造過程的傳熱分析。包括數值計算方法的選擇，潛熱處理、縮孔縮撿預測判別，鑄件、鑄型界面傳熱問題處理。

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

（3）鑄造應力類比，此項研究開展較晚，主要進行彈塑性狀態應力分祈，有Heyn模型，彈塑性模型，Perzyna模型，統一內變量模型等。

（4）組織類比，尚處起步階段。分巨視、中觀和微視類比。能計算形核數，分析初晶類型，枝晶生長速度，類比組織轉變，預測機械性能。有確定性模型，Monte、Cellular、Automaton等統計法模型、相場模型等。

計算機及其應用是迅速發展的技術領域，鑄造作為重要的工業領域之一，理應加強投入。研究開發計算機在鑄造研究及生產領域的應用，徹底改變過去那種“睜眼型式，閉眼澆注”的狀態，計算機的應用也必將會促進球墨鑄鐵的應用和發展。

球墨鑄鐵件的生產過程中，在熱處理、拋丸清理後或機加工時常會發現一些直徑大約為0.5-3mm，形狀為球形、橢圓狀或針孔狀內壁光滑的孔洞，這些孔洞一般在鑄件表皮下2-3mm分佈，這就是所謂的皮下氣孔。

皮下氣孔的形成是由於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，這些氣體滯留於皮下就會形成氣孔。另外，球墨鑄鐵糊狀凝固特點使氣體通道較早被堵塞，也會促進皮下氣孔缺陷的形成。 ^[2] 

各種鑄鐵代號，由表示該鑄鐵特徵的漢語拼音字母的第一個大寫正體字母組成。當兩種鑄鐵名稱的代號字母相同時，可在該大寫正體字母后加小寫正體字母來區別。同一名稱鑄鐵，需要細分時，取其細分特點的漢語拼音第一個大寫正體字母，排列在後面。

鑄鐵名稱，代號及牌號表示方法

鑄鐵名稱...............代號牌號..................表示方法實例

灰鑄鐵....................HT.........................HT100

蠕墨鑄鐵..................RuT........................RuT400

球墨鑄鐵..................QT.........................QT 400——17

黑心可鍛鑄鐵..............KHT........................KHT300-06

白心可鍛鑄鐵..............KBT........................KBT350-04

珠光體可鍛鑄鐵............KZT........................KZT450-06

耐磨鑄鐵..................MT.........................MT Cu1PTi-150

抗磨白口鑄鐵..............KmBT.......................KmBTMn5Mo2Cu

抗磨球墨鑄鐵..............KmQT.......................KmQTMn6

冷硬鑄鐵..................LT.........................LTCrMoR

耐蝕鑄鐵..................ST.........................STSi15R

耐蝕球墨鑄鐵..............SQT........................SQTAl15Si5

耐熱鑄鐵..................RT.........................RTCr2

耐熱球墨鑄鐵..............RQT........................RQTA16

...牌號中代號後面的一組數字，表示抗拉強度值；有兩組數字時，第一組表示抗拉強度值，第二組表示延伸率值。兩組數字中間用“一”隔開。

合金元素用國際元素符號表示，含量大於或等於1%時，用整數表示：小於1 %時一般不標註。常規元素（C、Si、Mn、S、p）一般不標註，有特殊作用時，才標註其元素符號及含量。

球墨鑄鐵常用於生產受力複雜，強度、韌性、耐磨性等要求較高的零件，如汽車、拖拉機、內燃機等的曲軸、凸輪軸，還有通用機械的中壓閥門等。

也可用做高放射性物體儲藏運輸容器。 ^[3] 

20世紀70年代初，幾乎同時中國、美國、芬蘭3個國家宣佈研究成功了具有高強度、高韌性的奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵（國際上統稱ADI），這種材質的抗拉強度達1000MPa，因此它廣泛應用於齒輪以及各種結構件，與合金鋼相比，奧-貝球墨鑄鐵具有顯著的經濟效益和社會效益。

節能要求導致基本上重新設計零件，以達到重量輕、效率高，這就必然要提醒設計者集中注意材料。球鐵正日益被認為能提供高的強度一重量特性，並且能以比較低的成本生產。當球鐵的噸位增加和市場滲透是很驚人的，這種材料決不能看到達到了它的全部潛力。基於這一點，不生產球鐵的鑄鐵廠，建議很好地重新考慮這方面的可能性。

因此預料，隨着代替灰鑄鐵、可鍛鑄鐵和鑄銀件，能親眼看到球鐵生產噸位的持續增加。出版的刊物對於幫助造廠在這面的力是有利的，雖然計值會變提高而改善。但鐵水温度低於1450“C後孕育效果很差，RG值幾乎不變。由表3可得:孕育鑄鐵的質量指標用鑄造焦熔鍊的比用冶金焦熔鍊的高18%，值得注意的是相對硬度反而降低3%。 ^[4]