球墨铸铁的应用及技术发展

发布时间：2021-12-14 16:53所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次

摘要：球墨铸铁以独特的性能优势被广泛应用于工业生产领域。基于现代球墨铸铁的应用及发展，归纳了其性能与工艺特点，并分析了其应用发展趋势。通过简述球墨铸铁的应用情况，研究了其在实际应用中的优势;阐述了球墨铸铁的生产发展过程，重点介绍了其中的2个重要处理工

　　摘要：球墨铸铁以独特的性能优势被广泛应用于工业生产领域。基于现代球墨铸铁的应用及发展，归纳了其性能与工艺特点，并分析了其应用发展趋势。通过简述球墨铸铁的应用情况，研究了其在实际应用中的优势;阐述了球墨铸铁的生产发展过程，重点介绍了其中的2个重要处理工艺，即热处理和球化处理。此外，对球墨铸铁的发展过程和生产现状进行了陈述，旨在为球墨铸铁应用及技术的进一步发展奠定基础。

　　关键词：球墨铸铁;应用;生产工艺

　　0引言

　　铸铁是工业上应用最广的金属材料之一[1]。但是，由于铸铁组织中石墨的形态为片状，使其存在着抗拉强度低、冲击韧性差等缺点。鉴于此，国内外学者对通过热处理方法改变这种石墨形态进行了大量的探索[2-3]。到20世纪20年代，由于对铸铁中的碳、硅等主要成分已经进行了较充分地研究，对加入其他合金元素的影响、熔化方法、孕育效果等方面的研究也有了一定的进展，出现了所谓的“高级铸铁”[4]。

　　铸铁的材质有了相当可观的改善，其应用范围得到了很大的扩展，广泛应用于柴油机、汽车和铁路机车的曲轴、凸轮轴和齿轮，同时也大量在管道和阀门领域使用，上述场所的铸造零件受力比较复杂，要求要有较高的强度、韧性和耐磨性。球墨铸铁的主要特点是凝固组织中的石墨呈球形，球状石墨是铁水的球化和孕育处理后的结果。球墨铸铁具有许多优良的性能，目前在汽车、冶金、农机、船舶和化工等领域得到了广泛应用[5-6]。

　　1球墨铸铁的化学组成

　　20世纪40年代末球墨铸铁被研究发现，球墨铸铁的综合性能接近于钢，是一种新型高强度铸铁材料。球墨铸铁的化学成分特点是C和Si含量较高，Mn，S和P含量较低，并保证有一定量的残余Mg和稀土元素。球墨铸铁的化学成分大致如下:C3.8%～4.0%，Si2.0%～2.8%，Mn0.6%～0.8%，S≤0.04%，P≤0.10%，Mg0.03%～0.05%和Re0.02%～0.04%。[7-8]。

　　球形石墨和金属基体构成了球墨铸铁的显微组织结构。铁水的成分和冷却速度决定了金属基体的组成，主要有铁素体、珠光体和铁素体+珠光体3类[9]。热处理会进一步改变金属基体的显微结构，热处理后，球墨铸铁的金属基体还可以转变为其他组织，如索氏体、下贝氏体等[10]。球墨铸铁的成分要保证碳以石墨形态析出，并且石墨必须球化。球化处理的目的是促使石墨呈球状析出。常用的球化剂有钙、镁和稀土。

　　用镁作球化剂时，一般采用压入法进行球化处理。目前，我国广泛应用的球化剂是稀土合金，一般采用冲入法进行球化处理，即将球化剂和孕育剂放在铁水包底部，然后将铁水冲入，使球化剂与铁水发生反应。镁是阻碍石墨化的元素，加镁后铸铁易形成白口[11-12]，石墨球的粒径更小，球形度更好，分布得更加均匀，从而极大改善了球墨铸铁的机械性能。

　　2球墨铸铁的性能

　　球墨铸铁的机械强度较高，主要原因是球墨铸铁基体具有高的强度利用率(70%～90%)，远大于普通的灰铸铁基体(30～50%)。球状的石墨降低了基体的割裂作用，同时减少了基体中应力集中现象。虽然球墨铸铁具有较高的机械强度，但是其韧性和塑性远低于钢[13]，是球墨铸铁的加工性能大大降低，提高球墨铸铁的塑性和韧性是目前的研究热点。

　　球状石墨和基体组织对球墨铸铁的力学性能影响较大，主要表现为:①石墨球的粒径越小，球形度越好、分布越均匀，球墨铸铁的强度、塑性和韧性越好;②结构中的铁素体基体具有较高的塑性和韧性;③结构中的珠光体基体具有较高的强度和耐磨性;④热处理后获得的马氏体具有较高的硬度，但韧性较低。

　　球墨铸铁中含有一定量的石墨，使其具有近似灰铸铁的优良性能，例如铸造性能、减摩性、切削加工性等[14]。但是球墨铸铁的熔炼工艺和铸造工艺比灰铸铁要求高[15]，主要原因是球墨铸铁的白口倾向大，铸件容易产生缩松。球墨铸铁的组织、力学性能和应用。

　　3球墨铸铁的热处理

　　3.1球墨铸铁热处理的特点

　　因为球墨铸铁的力学性能主要取决于其金属基体，而金属基体是可以通过各种热处理来改善其性能的，因此对球墨铸铁也可以像钢那样进行各种热处理以改善其性能，尤其是力学性能。但需要注意的是，铸铁热处理是不能改变石墨的形态、大小与分布的，铸铁热处理只是改变铸铁中金属基体的组织状态[16]。与钢相比，球墨铸铁的热处理具有以下特点。

　　1)球墨铸铁的组织结构中包括奥氏体、铁素体和石墨，其存在于共析转变温度范围内，且共析转变温度不是在一个恒定的范围内进行的而是在一个相当宽的范围内进行[17]。铁素体和奥氏体的不同平衡数量对应共析转变区内的各个温度点。奥氏体的成分也随共析转变温度的变化而变化，如随共析温度的升高，奥氏体中的C含量增加。所以，可以通过改变热处理温度和保温时间，调节奥氏体和铁素体的数量，从而改变冷却后组织中铁素体和珠光体的比例，实现较大幅度地调整铸铁的力学性能。

　　2)共析转变温度与铸铁中Si的含量有关，Si含量每增加1%，可使共析温度升高28℃，选择球墨铸铁合适的热处理温度时，要充分考虑Si的含量[18]。另外，Si还使得发生共析转变和共晶反应的C含量降低。

　　3.2球墨铸铁的热处理工艺

　　3.2.1退火

　　退火的目的是获得铁素体球墨铸铁。浇铸后，球墨铸铁的铸态组织中常出现铁素体+珠光体+自由渗碳体+球状石墨的混合基体组织，这种组织不仅机械性能低，且难以切削加工。为了获得高塑性的铁素体组织，改善切削加工性，消除铸造反力，必须进行退火，使其中的渗碳体和珠光体能够分解[19]。根据球墨铸铁的铸态组织不同，退火工艺有下列2种。

　　1)高温退火高温退火十分必要，尤其是铸态组织中含有铁素体、珠光体、自由渗碳体和球状石墨时，必须进行高温退火。工艺过程为:首先将铸件加热到900～950℃，然后保温2～5h，使渗碳体分解，然后随炉缓冷至600℃左右，再出炉空冷。2)低温退火当铸态组织为铁素体+珠光体+球状石墨而没有自由渗碳体时，则采用低温退火，使珠光体中的渗碳体分解，从而获得铁素体+球状石墨的组织。工艺过程为:将铸件加热到720～760℃，保温3～6h，随炉缓冷至600℃，出炉空冷。

　　3.2.2正火

　　正火的目的是增加球墨铸铁基体组织中的珠光体量(珠光体虽占75%以上)，并细化组织以获得高强度和高耐磨性。正火工艺根据加热温度，可分为高温正火(又称完全奥氏体化正火)、低温正火(又称不完全奥氏体化正火)。

　　1)高温正火为了获得高强度的珠光体球墨铸铁，对铸件应进行高温正火，即将铸件加热到880～920℃，保温1～3h，然后空冷。为了减少铁素体含量，提高基体中珠光体含量，正火时常采取加快冷却速度的方法。由于冷却速度大，易在铸件中引起内应力，因此，正火后常进行一次去除应力退火，退火温度一般采用550～600℃，保温1～2h，然后空冷。2)低温正火将铸件加热到820～860℃，保温一定时间，使基体组织一部分转变为奥氏体，另一部分铁素体不转变。正火后，得到的组织为珠光体+少量破碎铁素体+球状石墨。这种组织既有较高的强度又具有较好的塑性。

　　3.2.3调质处理对于一些受力比较复杂、综合机械性能要求较高的零件，如连杆、曲柄等，如果采用正火，其强度和韧性的配合不够理想，常采用调质处理。工艺过程为:首先将铸件加热到850～900℃，球墨铸铁中的铁素体转变为了奥氏体，淬油淬火后获得马氏体;然后进行550～600℃回火2～4h，在空气中冷却得到回火索氏体和球状石墨组织。回火索氏体具有较高的强度，其塑性和韧性均优于珠光体基体。

　　3.2.4等温淬火对于既要求具有高的强度、硬度和耐磨性，又具有较好的塑性和韧性，外形复杂、热处理易变形或开裂的零件，如传动齿轮、凸轮轴等，可采用等温淬火。工艺过程为:加热温度为860～900℃，保温一段时问，然后迅速冷至250～300℃的等温盐浴中，进行30～90min等温处理，一般不再进行回火。等温淬火后的组织为下贝氏体+石墨。等温淬火后球墨铸铁件抗拉强度可达1200～1500MPa，硬度(HRC)为38～50，具有良好的耐磨性。

　　4球墨铸铁的球化处理

　　球墨铸铁还需进行球化处理，其目的是将铁水中的C以球形石墨的形态析出。为了获得球形石墨，需要向铁水中加入一定量的球化剂和孕育剂，对铁水进行球化处理和孕育处理。球墨铸铁所用孕育剂与灰铸铁的孕育剂相同，都是硅铁、硅钙合金等[20]。球墨铸铁生产中常用的球化剂有Mg、稀土或稀土镁等，其加入量一般为铁水总量的1.0%～1.6%。球化剂中含有能使铁水中的石墨以球形析出的元素，即球化元素。

　　研究表明，Mg，Y，Ce，Ca等元素有较强的球化能力。这些元素在铁水中先脱S，然后残余量再起石墨球化作用，铁水中残留的Mg含量为0.03%～0.05%。其他稀土元素如Er，Yb，Ho和La也具有一定的球化能力，其与硫的结合力比Mg强，使铁水中的Mg更好地发挥球化剂作用，铁水残留稀土含量一般为0.02%～0.04%;而Li，Th，Sr，Ba，Na，K只有在不含S的铁水中才具有球化能力。相对于球化元素，还存在反球化元素。

　　其只要少量存在于铁水中，就是部分破坏或全部破坏石墨球化效果的元素，主要有S和O。Mg作为球化元素，具有较强的球化能力，但其容易挥发和氧化，在铁水中的吸收率低。稀土元素的球化能力虽然比Mg弱，但有强烈的去S能力，还能细化组织，改善铸造性能。我国开发的稀土镁硅铁合金兼有Mg和稀土的优点，成为目前一种较为理想的球化剂[21]。球化处理只有在铁水中有石墨核心后才能促使石墨晶核生长成球状石墨。然而，几乎所使用的球化剂都是强烈阻碍石墨化的元素，经过球化处理后铁水的白口倾向明显增大，难以产生石墨核心。

　　因此，在球化处理的同时必须进行孕育处理，以促使大量的细小石墨晶核产生，然后通过球化剂的球化作用，使得石墨晶核长成球形石墨，从而改善球墨铸铁的机械性能。球化处理工艺有多种，如冲入法、钟罩法和喂丝法等。常用的是冲入法，即先将球化剂放入铁水包底部的堤坝内，上面覆以硅铁合金粉并稍加压实，然后上面再覆盖无锈铁屑等覆盖剂，处理时尽可能将铁水一次性冲入铁水包的另一侧[22]。球化处理后的铁水需立即浇铸，以免停留时间过长，造成孕育和球化衰退。

　　5球墨铸铁的性能与应用

　　球墨铸铁具有优良的力学性能，其强度、塑性、韧性等均高于其他铸铁，疲劳强度接近于中碳钢，多次冲击抗力高于中碳钢，屈强比几乎是碳钢的1倍多。这是因为球墨铸铁中的石墨呈球形，对金属基体的削弱作用小，引起的应力集中效应减弱，故金属基体比较连续，金属基体强度的利用率大大提高，可达70%～90%，所以在球墨铸铁中，金属基体组织是决定其力学性能的主要因素[23]。

　　球墨铸铁具有良好的可切削加工性能和铸造性能，但焊接性能差。因为金属基体是决定力学性能的主要因素，因此可以像钢那样进行热处理，以改善其性能。因有大量石墨存在，球墨铸铁具有良好的减振性。但是因为金属基体的连续性比灰铸铁好，所以其减振性比灰铸铁差。由于石墨的自润滑作用和石墨球脱落后留下的孔洞可储存润滑油及容纳磨屑，故球墨铸铁是优良的耐磨和减摩材料，其耐磨性优于同基体的灰铸铁、碳钢甚至低合金钢[24]。

　　目前，球墨铸铁已成功代替了许多碳钢、合金钢、可锻铸铁等，用来制造汽缸套、汽缸体、汽缸盖、活塞环、连杆、曲轴、机床床身等一些受力较复杂，对强度、韧性和耐磨性要求较高的零件。

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　　6结束语

　　球墨铸铁是强韧铸铁中的一种重要材料，已在工程机械、能源机械、国防军工等重型及大型承载结构件中充分应用。尤其是在对塑性、韧性和抗震耐磨性能要求较高的使用环境，使用球墨铸铁铸件制造的零部件既能满足受力较大的要求，又能够承受振动和冲击，且与铸钢件相比制造成本低很多。因此，在新材料创新发明和工艺控制提高的基础上，要大力研究球墨铸铁铸件的新孕育方法、新工艺方案、纯净铁液等前沿技术，以达到提高质量稳定性的目的。

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　　作者：王峰

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