球墨铸铁.docx
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球墨铸铁
球墨铸铁
铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金，由工业生铁、废钢等钢铁及其合金材料经过高温熔融和铸造成型而得到，除Fe外，还含及其它铸铁中的碳以石墨形态析出，若析出的石墨呈条片状时的铸铁叫灰口铸铁或灰铸铁、呈蠕虫状时的铸铁叫蠕墨铸铁、呈团絮状时的铸铁叫白口铸铁或码铁、而呈球状时的铸铁就叫球墨铸铁。
球墨铸铁是一种具有优良机械性能的灰口铸铁。
一般在浇注之前，在铁液中加入少量球化剂（通常为镁、稀土镁合金或含铈的稀土合金）和孕育剂（通常为硅铁），使铁水凝固后形成球状石墨。
此种铸铁的强度和韧性比其他铸铁高，有时可代替铸钢和可锻铸铁（malleablecastiron），在机械制造工业中得到了广泛应用。
球墨铸铁在国外是1947年用于工业生产的。
主要性能
球铁铸件差不多已在所有主要工业部门中得到应用，这些部门要求高的强度、塑性、韧性、耐磨性、耐热和机械冲击、耐高温或低温、耐腐蚀以及尺寸稳定性等。
为了满足使用条件的这些变化、球墨铸铁有许多牌号，提供了机械性能和物理性能的一个很宽的范围。
如国际标准化组织ISO1083所规定的大多数球墨铸铁铸件，主要是以非合金态生产的。
显然，这个范围包括抗拉强度大于800牛顿/平方毫米，延伸率为2%的高强度牌号。
另一个极端是高塑性牌号，其延伸率大于17%，而相应的强度较低（最低为370牛顿/平方毫米）。
强度和延伸率并不是设计者选择材料的唯一根据，而其它决定性的重要性能还包括屈服强度、弹性模数、耐磨性和疲劳强度、硬度和冲击性能等。
另外，耐蚀性和抗氧化以及电磁性能对于设计者也许是关键的。
为了满足这些特殊使用，研制了一组奥氏体球铁，通常叫Ni一Resis球铁。
这些奥氏体球铁，主要用镍、铬和锰合金化，并且列入国际标准。
为珠光体型球墨铸铁，具有中高等强度、中等韧性和塑性，综合性能较高，耐磨性和减振性良好，铸造工艺性能良好等特点。
能通过各种热处理改变其性能。
球墨铸铁常用于生产受力复杂，强度、韧性、耐磨性等要求较高的零件，主要用于各种动力机械曲轴、凸轮轴、连接轴、连杆、齿轮、离合器片、液压缸体等零部件。
如汽车、拖拉机、内燃机等的曲轴、凸轮轴，还有通用机械的中压阀门等。
球墨铸铁除铁外的化学成分通常为：
含碳量3.0～4.0%，含硅量1.8～3.2%，含锰、磷、硫总量不超过3.0%和适量的稀土、镁等球化元素。
化学成份的控制
一.C、Si、CE的选择
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的多少，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，对力学性能无明显的影响。
所以过程中确定碳硅含量时，主要考虑保证铸造性能，将碳当量选择在共晶成分左右。
具有共晶成分的铁液的流动性能最好，形成集中缩孔的倾向大，铸件组织的致密度高。
但碳当量过高时，容易产生石墨漂浮的同时，一定程度上对球化有影响，主要表现在要求的残余Mg量高。
使铸铁中夹杂物的数量增多，降低铸铁性能。
硅球墨铸铁中使铁素体增加的作用比灰铸铁大，所以硅含量的高低，直接影响球墨铸铁基体中的铁素体量。
硅在球墨铸铁中对性能的影响很大，主要表现在硅对基体的固溶强化作用的同时，硅能细化石墨，提高石墨球的圆整度。
所以球铁中的硅含量的提高，很大程度上提高强度指标，降低韧性。
球墨铸铁经过球化处理过的铁液有较大的结晶过冷和形成白口倾向，硅能够减少这种倾向。
但是硅量控制过高，大断面球铁中促使碎块状石墨的生成，降低铸件的力学性能。
资料显示，球墨铸铁中硅以孕育的方式加入，一定程度上提高性能。
根据上述分析，从改善铸造性能的角度出发，铁水的碳当量选在共晶点附近最好，此时铁水的流动性最好，集中缩孔倾向较大，易于补缩等。
但碳当量过高会引起石墨漂浮，石墨漂浮层的厚度会随着碳当量的增加而加厚。
应当指出，碳当量太高是产生石墨漂浮的主要原因，但不是唯一的原因，铸件大小、壁厚、浇注温度也是一些重要因素。
二.锰（Mn）
锰在球墨铸铁中起的作用与灰铸铁不同。
灰铸铁中，锰除了强化铁素体和稳定珠光体外，还能减少硫的危害作用。
球墨铸铁中，球化元素具有很强的脱硫能力，锰不再具有这种作用。
由于锰具有严重的正偏析倾向，往往富集于共晶团晶界处，促使形成晶间碳化物，显著降低球墨铸铁的韧性。
对厚大断面球铁来说，锰的偏析倾向更严重。
同时锰含量的提高，基体中的珠光体含量提高，所以提高了强度指标的同时，降低韧性。
对高韧性球墨铸铁中锰含量控制应更严格。
因此，在原材料可能的情况下Mn越低越好。
对与大型铸件锰的控制上限为Mn<0.3%。
三.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的韧性时，应将磷控制在0.06%以下。
四.硫
球墨铸铁中的硫与球化元素有很强的化合能力，生成硫化物和硫氧化物，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，球化衰退速度加快。
熔炼中硫涉入从增碳剂中，过程控制尽可能降低原材料中硫含量的同时，采取炉前脱硫措施。
用Re—Mg合金处理后，一般硫的残留量S<0.02%，这对球化衰退和硫化物夹渣都没有影响，当原铁水中的S>0.02%时，必须采用脱硫处理。
五.钼
Mo提高了材料的高温强度和常温强度，由于的使用，容易形成一定量的珠光体和碳化物，降低韧性，对于有Mo合金化的球墨铸铁，材料规范要求Mo含量0.3~0.7%控制。
六.镁和稀土的含量
镁是主要的球化元素，稀土具有脱硫，中和反球化元素，对Mg具有保护作用，提高铁水的抗衰退能力。
但是稀土元素是碳化物形成元素，因此在保证球化良好的情况下尽可能控制稀土的残留量。
Re=0.01~0.04%，Mg=0.03~0.06%时可以保证球化。
根据上述分析计算，最终确定化学成份如下：
碳C：
3.30～4.00%、硅Si：
2.15～2.93%、锰Mn：
0.46～0.66%、硫S：
0.010～0.020%、磷P：
0.027～0.035%、镁Mg：
0.027～0.060%、稀土Re：
0.026～0.043%、碳当量：
4.3～4.6
序号
牌号及种类
化学成分（质量分数据%）
碳
硅
锰
磷
硫
镁
稀土
铜
钼
其它
C
Si
Mn
P
S
Mg
RE
Cu
Mo
1
QT400-18
孕育前
3.6~3.9
≤0.50
≤0.08
≤0.025
孕育后
3.6~3.9
2.2~2.8
0.04~0.06
0.03~0.05
2
QT400-15
孕育前
3.5~3.9
≤0.50
≤0.07
≤0.02
孕育后
2.5~2.9
0.04~0.06
0.03~0.05
3
QT450-10
孕育前
3.4~3.9
≤0.50
≤0.07
≤0.03
孕育后
2.2~3.1
0.025~0.06
0.02~0.05
4
QT500-7
孕育前
3.4~3.9
≤0.60
≤0.08
≤0.03
孕育后
2.5~3.0
0.025~0.06
0.02~0.05
5
QT600-3
孕育前
3.6~3.8
0.50~0.70
≤0.08
≤0.025
孕育后
2.0~2.4
0.025~0.06
0.02~0.05
0.20~0.75
6
QT700-2
孕育前
3.7~4.0
0.50~0.80
≤0.08
≤0.02
孕育后
2.3~2.6
0.035~0.065
0.035~0.065
0.40~0.80
0.15~0.40
7
QT800-2
孕育前
3.7~4.0
≤0.50
≤0.07
≤0.03
孕育后
2.3~2.6
0.82
0.39
8
QT900-2
孕育前
3.5~3.7
≤0.50
≤0.08
≤0.025
孕育后
2.7~3.0
0.03~0.05
0.025~0.045
0.50~0.70
0.15~0.25
序号
零件名称
材质
化学成分（%）
力学性能
碳
硅
锰
磷
硫
铜
镁
镍
铬
钒
钼
钛
铌
其它
屈服强度
σ0.2（MPa）min
抗拉强度
σb（MPa）min
延伸率
δ（%）min
断面收率Z（%）min
硬度HB
C
Si
Mn
P
S
Cu
Mg
Ni
Cr
V
Mo
Ti
Nb
RE
1
QT450-10
3.6
1.7
0.5
320
475
12
/
180
2
QT450-10
熔炼控制
一.原材料的选择
铁素体球铁的生产，选择高纯的原材料是非常必要的，原材料中的Si、Mn、S、P含量要少（Si<1.0%,Mn<0.3%S<0.03%,P<0.03%），对Cu、Cr、Mo等一些合金元素要严格控制含量。
由于很多微量元素对球化衰退最为敏感，如，钨、锑、锡、钛、钒等。
钛对球化影响很大应加以控制，但钛高是我国生铁的特点,这主要与生铁的冶金工艺有关。
二.脱硫
原铁液含硫量决定球化剂的加入量，原铁液中的含硫量越高，则球化剂的加入量越多，否则不能获得球化良好的铸件。
球化处理前原铁液中的S含量控制在0.02%以下。
对球化处理前原铁液的含硫量高时，必须进行脱硫处理。
三.Mo合金处理：
Mo合金化处理，采用涡流工艺，加入量控制在0.5~1.0%，具体根据最终Mo含量进行调整。
为了确保Mo的有效吸收，对合金的粒度应该严格要求。
四.球化剂和球化处理
生产厚大断面球铁件时，为了提高抗衰退能力，在球化剂中加入一定比例的重稀土，这样既可以保证起球化作用的Mg的含量，同时也可以增加具有较高抗衰退能力的重稀土元素，如，钇等。
根据国内很多工厂的试验和生产实践，采用Re—Mg与钇基重稀土的复合球化剂作为厚大断面球铁件生产的球化剂是非常理想的，使用这种球化剂在我们公司的实际生产应用过程中也取得了很好的效果。
据有关资料表明，钇的球化能力仅次于镁，但其抗衰退能力比镁强的多，且不回硫，钇可过量加入，高碳孕育良好时，不会出现渗碳体。
另外，钇与磷可形成高熔点夹杂物，使磷共晶减少并弥散，从而进一步提高球铁的延伸率。
在球化处理时，为了提高镁的吸收率，控制反应速度及提高球化效果，采用特有的球化工艺。
对球化处理的控制，主要是在反应速度上进行控制，控制球化反应时间在2分钟左右。
对此采用中低Mg、Re球化剂和钇基重稀土的复合球化剂，球化剂的加入量根据残留Mg量确定。
球化衰退防止：
球化衰退的原因一方面和Mg、RE元素由铁液中逃逸减少有关，另一方面也和孕育作用不断衰退有关，为了防止球化衰退，采取以下措施：
A、铁液中应保持有足够的球化元素含量；C、降低原铁液的含硫量，并防止铁液氧化；C、缩短铁液经球化处理后的停留时间；D、铁液经球化处理并扒渣后，为防止Mg、RE元素逃逸，可用覆盖剂将铁液表面覆盖严，隔绝空气以减少元素的逃逸。
五.孕育剂和孕育处理
球化处理是球铁生产的基础，孕育处理是球铁生产的关键，孕育效果决定了石墨球的直径、石墨球数和石墨球的园整度，为了保证孕育效果，孕育处理采用多级孕育处理。
孕育处理越接近浇注，孕育效果越好。
从孕育到浇注需要一定的时间，该时间越长，孕育衰退就越严重。
为了防止或减少孕育衰退，采用以下措施：
A、使用长效孕育剂（含有一定量的钡、锶、锆或锰的硅基孕育剂）；
B、采用多级孕育处理（包内孕育、孕育槽孕育、水口瞬时孕育等）；
C、尽量缩短孕育到浇注时间。
孕育剂的加入量控制在0.6~1.4%，孕育剂加入量过少，直接造成孕育效果差，孕育量过大，导致铸件夹杂。
六.浇注工艺控制
浇注应采用快浇，平稳注入的原则。
为了提高瞬时孕育的均匀性及防止熔渣进入型腔，水口盆的总容量应与铸件的毛重相当，浇注时将孕育剂放入水口盆中，将铁水一次全部注入水口，使铁水与孕育剂充分混合，扒去表面浮渣，提出水口堵浇注。
铸造工艺的控制原则
合理的铸造工艺是至关重要的因素。
通过铸造工艺对凝固时间加以控制，其原则是在厚大断面处放置冷铁来调节温度场加速铁水凝固。
（同行业中有些工厂采用强制冷却工艺，既在使用冷铁的条件下再增加水冷或空气冷却等强制措施以强化铸件凝固，减少凝固时间，效果非常好。
但有一定的危险性，技术要求高。
除此之外，为获得铁素体基体开箱温度要控制600℃以下。
）
通过对影响铸铁铁素体球铁的各个因素进行分析，对其进行控制，各项性能指标完全满足要求；在获得高的抗拉强度和屈服强度的前提下，得到高的延伸率；合理控制球化孕育工艺，铸态下得到全铁素体组织，避免后续的热处理。
根据上述铁素体球墨铸铁的控制技术，我们在生产美国GE公司球铁件时已得到充分的验证，取得了较好的结果。
有关厚大断面球墨铸铁的生产技术国内外都有报道，虽然各自的方法不同，但所遵循的原则是相同的。
1．严格控制原材料，合理选择化学成份，减少干扰球化的元素含量。
2．采用有效的防衰退措施。
3．选择合理的铸造工艺。
4．合理的选择球化孕育处理方法
中国工艺
加入稀土提高性能
在高强度低合金球墨铸铁方面，除了对铜、钼研究较多外，还对镍、铌等进行了研究。
中锰球墨铸铁虽然在性能上不够稳定，但多年来的系统研究与生产应用，取得了显著的经济效益。
在耐热球墨铸铁方面，除了中硅球墨铸铁以外，系统研究了Si+Al总量对稀土镁球墨铸铁抗生长能力的影响。
中国研制的RQTAL5Si5耐热铸铁用作耐热炉条的使用寿命是灰铸铁的3倍，是普通耐热铸铁的2倍，并与日本Cr25Ni13Si2耐热钢的使用寿命相当。
高镍奥氏体球墨铸铁方面也取得了进展，它在石油开采机械、化工设备、工业用炉器件上均取得了成功的应用。
在耐酸球墨铸铁方面，中国生产的稀土高硅球墨铸铁比普通高硅铸铁的组织细小、均匀、致密，由此，抗蚀性能提高了10%～90%，并且其机械强度也有显著改善。
稀土能使石墨球化。
自从H.Morrogh最先使用铈得到球墨铸铁以来，先后许多人研究了各种稀土元素的球化行为，发现铈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。
中国对稀土的球化作用进行了大量研制工作，发现稀土元素对常用的球墨铸铁成分（C3.6～3.8wt%，Si2.0～2.5wt%）来说，很难获得同镁球墨铸铁那样完整均匀的球状石墨；而且，当稀土量过高时，还会出现各种变态形的石墨，白口倾向也增大，但是，如果是高碳过共晶成分（C>4.0wt%），稀土残留量为0.12～0.15wt%时，可获得良好的球状石墨。
根据中国铁质差、含硫量高（冲天炉熔炼）和出铁温度低的情况，加入稀土是必要的。
球化剂中镁是主导元素，稀土一方面可促进石墨球化；另一方面克服硫以及杂质元素的影响以保证球化也是必须的。
稀土防止干扰元素破坏球化。
研究表明，当干扰元素Pb、Bi、Sb、Te、Ti等总量为0.05wt%时，加入0.01wt%（残余量）的稀土，可以完全中和干扰，并可抑制变态石墨的产生。
中国绝大部分的生铁中含有钛，有的生铁中含钛高达0.2～0.3wt%，但稀土镁球化剂由于能使铁中的稀土残留量达0.02～0.03wt%，故仍可保证石墨球化良好。
如果在球墨铸铁中加入0.02～0.03wt%Bi，则几乎把球状石墨完全破坏；若随后加入0.01～0.05wt%Ce，则又恢复原来的球化状态，这是由于Bi和Ce形成了稳定的化合物。
稀土的形核作用。
20世纪60年代以后的研究表明，含铈的孕育剂可使铁液在整个保持期中增加球数，使最终的组织中含有更多的石墨球和更小的白口倾向。
经研究还表明，含稀土的孕育剂可改善球墨铸铁的孕育效果并显著提高抗衰退的能力。
加入稀土可使石墨球数增多的原因可归结为：
稀土可提供更多的晶核，但它与FeSi孕育相比所提供的晶核成分有所不同；稀土可使原来（存在于铁液中的）不活化的晶核得以长大，结果使铁液中总的晶核数量增多。
注意事项
（一）严格要求化学成分，对原铁液要求的碳硅含量比灰铸铁高，降低球墨铸铁中锰，磷，硫的含量。
（二）铁液出炉温度比灰铸铁更高，以补偿球化，孕育处理时铁液温度的损失。
（三）进行球化处理，即往铁液中添加球化剂。
（四）加入孕育剂进行孕育处理。
（五）球墨铸铁流动性较差，收缩较大，因此需要较高的浇注温度及较大的浇注系统尺寸，合理应用冒口，冷铁，采用顺序凝固原则。
（六）进行热处理。
①退火。
得到铁素体基体，提高塑性、韧性，消除应力，改善切削性能。
②正火。
得到珠光体基体，提高强度和耐磨性。
③调质。
获得回火索氏体的基体组织，以及良好的综合力学性能，如主轴、曲轴、连杆等。
④等温淬火。
使外形复杂且综合性能要求高的零件获得下贝氏体的基体组织，以及高强度、高硬度、高韧性等综合力学性能，避免热处理时产生开裂，如主轴、曲轴、齿轮等。
生产中的难点
此类铸件因断面厚大冷却缓慢，金属液体凝固时间长，铸件内部很容易产生缩松。
生产铁素体球墨铸铁时，为了获得较高的抗拉强度、屈服强度和延伸率，以往均要进行铁素体化热处理，热处理温度是根据铸态组织中是否存在游离渗碳体或珠光体，而采用900-950℃的高温热处理。
但生产成本高，工艺复杂，生产周期长，给生产组织以及交货期带来非常大的困难，这就要求必须在铸态下获得铁素体基体。
因此生产这种材料的难点主要有以下几方面：
a．铸件要进行指定区域的射线探伤，如何解决铸件的内部缩松；
b．如何保证在铸态下获得铁素体基体90%以上；
c．如何使材料有足够的抗拉强度和屈服强度；
d．如何获得足够的延伸率（>18%），在合金化处理后,获得规定的延伸率；
c．采用最优的合金化处理工艺；
主要问题
缩孔缩松
球墨铸铁由於其糊状凝固的特徵决定所生产的铸铁由於补缩不良经常产生缩孔、缩松等缺陷，为了能在铸件生产以前预测这些缺陷情况，早在印年代国内外就开展了铸造过程数值类比。
铸造过程数值类比是使用数值类比技术，在计算机虚拟的环境下类比实际铸件形成过程，包括金属液体的充型过程、冷却凝固过程、应力形成过程、判断成型过程中主要原素的影响程度，预测组织、性能和可能出现的缺陷，为优化工艺减少废品提供依据。
1962年丹麦的Forsund第一个采用电子计算机类比铸件的凝固过程，此后美国、英国、德国、日本、法兰西等相继开展了这方面的研究。
我国于70年代末开始，大连理工大学、沈阳铸造研究所率先在我国开展了这一技术的研究，并分别于1980年发表了研究报告（郭可韧等，大型铸件凝固过程的数字类比，大连工学院学报，1980
（2）1─16；沈阳铸造研究所，铸件凝固热场电子计算机类比，铸造，1980
（1）14─22，此后在我国高等院校投入大量人力开展了这项研究。
在“六五”、“七五”期间国家攻关项目中部有计算机在铸造中应用的攻关项目，“六五”的项目为“大型铸钢件凝固控制”、“七五”项目为“大型铸钢件铸造工艺CAD”，组织产、学、研联合攻关，大大推展了此项技术在我国的发展，清华大学、华中理工大学已分别能提供FT─Star和华铸CAE─Inte4.0商品化学的软体并在三明重型机器有限公司等单位应用，获得了良好的效果。
计算机数值类比由前处理、中间计算和后处理三部分组成，包括几何模型的建立，格点划分，求解条件（初始条件和边界条件）的确定，数值计算，计算结果的处理及图形显示。
其所用的数值类比的基本方法主要是有限差分法，有限元法和边界元法。
（1）凝固过程数值类比，主要进行铸造过程的传热分析。
包括数值计算方法的选择，潜热处理、缩孔缩捡预测判别，铸件、铸型界面传热问题处理。
（2）流动场数值类比，涉及动量、能量与质量传递，其难度较大。
使用的数值求解技术有MAC法、SAMC法，SOLA─AOF法以及SOLA一─MAC法。
（3）铸造应力类比，此项研究开展较晚，主要进行弹塑性状态应力分祈，目前有Heyn模型，弹塑性模型，Perzyna模型，统一内变量模型等。
（4）组织类比，尚处起步阶段。
分巨视、中观和微视类比。
能计算形核数，分析初晶类型，枝晶生长速度，类比组织转变，预测机械性能。
目前有确定性模型，Monte、Cellular、Automaton等统计法模型、相场模型等。
计算机及其应用是迅速发展的技术领域，铸造作为重要的工业领域之一，理应加强投入。
研究开发计算机在铸造研究及生产领域的应用，彻底改变过去那种“睁眼型式，闭眼浇注”的状态，计算机的应用也必将会促进球墨铸铁的应用和发展。
气孔缺陷
球墨铸铁件的生产过程中，在热处理、抛丸清理后或机加工时常会发现一些直径大约为0.5-3mm，形状为球形、椭圆状或针孔状内壁光滑的孔洞，这些孔洞一般在铸件表皮下2-3mm分布，这就是所谓的皮下气孔。
皮下气孔的形成是由于含镁铁液表面的张力大，容易形成氧化膜，这对阻碍析出气体和入侵气体的排出有一定影响，这些气体滞留于皮下就会形成气孔。
另外，球墨铸铁糊状凝固特点使气体通道较早被堵塞，也会促进皮下气孔缺陷的形成。
铸件要进行100%尺寸检验。
外观检查，磁粉（MT）、超声波（UT）及射线透照（RT）等无损探伤检验。
每件RT供货规范为ASTM-F186。
奥氏体-贝氏体
20世纪70年代初，几乎同时中国、美国、芬兰3个国家宣布研究成功了具有高强度、高韧性的奥氏体-贝氏体球墨铸铁（国际上统称ADI），这种材质的抗拉强度达1000MPa，因此它广泛应用于齿轮以及各种结构件，与合金钢相比，奥-贝球墨铸铁具有显著的经济效益和社会效益。
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