淺談稀土在球墨鑄鐵中的研究與應(yīng)用
發(fā)布日期：2015-4-23 10:58:41 信息來(lái)源：本站原創(chuàng)
鑄鐵是稀土應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一，是稀土使用量最大的用戶。從20世紀(jì)70年代開始，稀土就在球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和灰鑄鐵中得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過(guò)30多年的開發(fā)研究，稀土在鑄鐵領(lǐng)域中的應(yīng)用工藝技術(shù)日臻成熟，其使用量一直在國(guó)內(nèi)占第一位，并取得了巨大的技術(shù)進(jìn)步。
稀土元素在鑄造合金中的應(yīng)用始于球墨鑄鐵（1948年）。它雖然開始于蒙昧?xí)r代，但在工業(yè)中大量應(yīng)用于鑄造合金的各個(gè)領(lǐng)域則是在20世紀(jì)50～60年代，即在啟蒙時(shí)代。進(jìn)入70年代以后，稀土在鑄造合金中的應(yīng)用，在數(shù)量和質(zhì)量方面均達(dá)到了空前的水平，也就是說(shuō)70年代，在稀土鑄造合金領(lǐng)域的應(yīng)用與其他領(lǐng)域一樣進(jìn)入了黃金時(shí)代。
1947年英國(guó)H. Morrogh發(fā)現(xiàn)，在過(guò)共晶灰口鑄鐵中附加鈰，使其含量在0.02wt%以上時(shí)，石墨呈球狀。1948年美國(guó)A. P. Ganganebin等人研究指出，在鑄鐵中添加鎂，隨后用硅鐵孕育，當(dāng)殘余鎂量大于0.04wt%時(shí)，得到球狀石墨。從此以后，球墨鑄鐵開始了大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。
球墨鑄鐵作為新型工程材料的發(fā)展速度是令人驚異的。1949年世界球墨鑄鐵產(chǎn)量只有5萬(wàn)噸，1960年為53.5萬(wàn)噸，1970年增長(zhǎng)到500萬(wàn)噸，1980年為760萬(wàn)噸，1990年達(dá)到915萬(wàn)噸。2000年達(dá)到1500萬(wàn)噸。球墨鑄鐵的生產(chǎn)發(fā)展速度在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家特別快。世界球墨鑄鐵產(chǎn)量的75%是由美國(guó)、日本、德國(guó)、意大利、英國(guó)、法國(guó)六國(guó)生產(chǎn)的。
我國(guó)球墨鑄鐵生產(chǎn)起步很早，1950年就研制成功并投入生產(chǎn)，至今我國(guó)球墨鑄鐵年產(chǎn)量達(dá)230萬(wàn)噸，位于美國(guó)、日本之后，居世界第三位。適合我國(guó)國(guó)情的稀土鎂球化劑的研制成功，鑄態(tài)球墨鑄鐵以及奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵等各個(gè)領(lǐng)域的生產(chǎn)技術(shù)和研究工作均達(dá)到了很高的技術(shù)水平。
（1）鑄態(tài)珠光體球墨鑄鐵曲軸和鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵汽車底盤零件分別在我國(guó)第二汽車廠、南京汽車廠和第一汽車廠相繼投產(chǎn)。這標(biāo)志著我國(guó)鑄態(tài)球墨鑄鐵生產(chǎn)達(dá)到了較高水平。與之相適應(yīng)的包外脫硫、雙聯(lián)法熔煉、瞬時(shí)孕育、孕育塊技術(shù)以及音頻檢測(cè)和熱分析快速分析等技術(shù)的采用，則標(biāo)志著我國(guó)大量流水生產(chǎn)汽車鑄件的技術(shù)水平與國(guó)際先進(jìn)水平的差距正在縮小。
（2）試驗(yàn)研究了大斷面（壁厚大于120mm）球墨鑄鐵的冶金因素以及相應(yīng)的生產(chǎn)工藝措施。采用適量的釔基重稀土復(fù)合球化劑、強(qiáng)制冷卻、順序凝固、延后孕育，必要時(shí)添加微量銻、鉍等可防止球墨鑄鐵件中心部位的石墨畸變和組織疏松等，現(xiàn)已成功地制作了38噸重的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，17.5噸重的柴油機(jī)體、截面為805mm的球墨鑄鐵軋輥等。
（3）奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵的研究與應(yīng)用。20世紀(jì)70年代初，幾乎同時(shí)中國(guó)、美國(guó)、芬蘭3個(gè)國(guó)家宣布研究成功了具有高強(qiáng)度、高韌性的奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵（國(guó)際上統(tǒng)稱ADI），這種材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度達(dá)1000MPa，因此它廣泛應(yīng)用于齒輪以及各種結(jié)構(gòu)件，與合金鋼相比，奧-貝球墨鑄鐵具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
（4）球墨鑄鐵管和水平連續(xù)鑄造球墨鑄鐵型材。我國(guó)已相繼建成幾個(gè)球墨鑄鐵管廠，且近幾年還將有幾個(gè)球墨鑄鐵管廠建成。2000年，我國(guó)年產(chǎn)離心鑄造球墨鑄鐵管達(dá)90萬(wàn)噸。此外，我國(guó)自行研制的水平連續(xù)鑄造球墨鑄鐵型材生產(chǎn)線已通過(guò)國(guó)家鑒定，并已有多家企業(yè)投產(chǎn)。再加上我國(guó)引進(jìn)的一條生產(chǎn)線，至2002年，我國(guó)年產(chǎn)球墨鑄鐵型材的能力達(dá)數(shù)萬(wàn)噸。
（5）系統(tǒng)地測(cè)定了稀土鎂球墨鑄鐵的力學(xué)性能及其他性能，為設(shè)計(jì)人員提供了有關(guān)數(shù)據(jù)。測(cè)定了稀土鎂球墨鑄鐵的比重、導(dǎo)熱性、電磁性等物理性能，結(jié)合金相標(biāo)準(zhǔn)研究了石墨和基體組織對(duì)球墨鑄鐵性能的影響規(guī)律。系統(tǒng)地測(cè)定了鐵素體球墨鑄鐵在常溫、低溫、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下的各種性能。此外，還研究了稀土鎂球墨鑄鐵的應(yīng)力應(yīng)變性能、小能量多沖抗力和斷裂韌性，并開始用于指導(dǎo)生產(chǎn)。結(jié)合球墨鑄鐵齒輪的應(yīng)用，還系統(tǒng)地研究了球墨鑄鐵的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度，以及球墨鑄鐵齒輪的點(diǎn)蝕、剝落機(jī)理等。
（6）稀土鎂球墨鑄鐵。在高強(qiáng)度低合金球墨鑄鐵方面，除了對(duì)銅、鉬研究較多外，還對(duì)鎳、鈮等進(jìn)行了研究。在利用天然釩鈦生鐵制作釩鈦合金球墨鑄鐵方面，國(guó)內(nèi)一些單位進(jìn)行了大量、系統(tǒng)的工作。中錳球墨鑄鐵雖然在性能上不夠穩(wěn)定，但多年來(lái)的系統(tǒng)研究與生產(chǎn)應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
在耐熱球墨鑄鐵方面，除了中硅球墨鑄鐵以外，系統(tǒng)研究了Si+Al總量對(duì)稀土鎂球墨鑄鐵抗生長(zhǎng)能力的影響。我國(guó)研制的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，并與日本Cr25Ni13Si2耐熱鋼的使用壽命相當(dāng)。
高鎳奧氏體球墨鑄鐵方面也取得了進(jìn)展，它在石油開采機(jī)械、化工設(shè)備、工業(yè)用爐器件上均取得了成功的應(yīng)用。
在耐酸球墨鑄鐵方面，我國(guó)生產(chǎn)的稀土高硅球墨鑄鐵比普通高硅鑄鐵的組織細(xì)小、均勻、致密，由此，抗蝕性能提高了10%～90%，并且其機(jī)械強(qiáng)度也有顯著改善。
（7）稀土在球墨鑄鐵中的作用。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(lái)，先后許多人研究了各種稀土元素的球化行為，發(fā)現(xiàn)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。
結(jié)合國(guó)情，我國(guó)對(duì)稀土的球化作用進(jìn)行了大量研制工作，發(fā)現(xiàn)稀土元素對(duì)常用的球墨鑄鐵成分（C3.6～3.8wt%，Si2.0～2.5wt%）來(lái)說(shuō)，很難獲得同鎂球墨鑄鐵那樣完整均勻的球狀石墨；而且，當(dāng)稀土量過(guò)高時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)各種變態(tài)形的石墨，白口傾向也增大，但是，如果是高碳過(guò)共晶成分（C＞4.0wt%），稀土殘留量為0.12～0.15wt%時(shí)，可獲得良好的球狀石墨。
根據(jù)我國(guó)鐵質(zhì)差、含硫量高（沖天爐熔煉）和出鐵溫度低的情況，加入稀土是必要的。球化劑中鎂是主導(dǎo)元素，稀土一方面可促進(jìn)石墨球化；另一方面克服硫以及雜質(zhì)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(dāng)干擾元素Pb、Bi、Sb、Te、Ti等總量為0.05wt%時(shí)，加入0.01wt%（殘余量）的稀土，可以完全中和干擾，并可抑制變態(tài)石墨的產(chǎn)生。我國(guó)絕大部分的生鐵中含有鈦，有的生鐵中含鈦高達(dá)0.2～0.3wt%，但稀土鎂球化劑由于能使鐵中的稀土殘留量達(dá)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；若隨后加入0.01～0.05wt%Ce，則又恢復(fù)原來(lái)的球化狀態(tài)，這是由于Bi和Ce形成了穩(wěn)定的化合物。
稀土的形核作用。20世紀(jì)60年代以后的研究表明，含鈰的孕育劑可使鐵液在整個(gè)保持期中增加球數(shù)，使最終的組織中含有更多的石墨球和更小的白口傾向。經(jīng)研究還表明，含稀土的孕育劑可改善球墨鑄鐵的孕育效果并顯著提高抗衰退的能力。加入稀土可使石墨球數(shù)增多的原因可歸結(jié)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(lái)（存在于鐵液中的）不活化的晶核得以長(zhǎng)大，結(jié)果使鐵液中總的晶核數(shù)量增多。
