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簡介

鑄鐵是含碳量大于2.14%的鐵碳合金，由工業生鐵、廢鋼等鋼鐵及

球墨鑄件

其合金材料經過高溫熔融和鑄造成型而得到，除Fe外，還含C、Si、Mn、S、P等五大元素及其它合金元素。

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白口鑄鐵或碼鐵、而呈球狀時的鑄鐵就叫球墨鑄件。

球狀石墨對金屬基體的割裂作用比其它形狀石墨小，能使鑄鐵的強度達到基體組織強度的70～90%，抗拉強度可達120kgf/mm2，并且具有良好的韌性。

球墨鑄件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。

成分表

性能

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

球墨鑄件

重的熱和機械沖擊、耐高溫或低溫、耐腐蝕以及尺寸穩定性等。為了滿足使用條件的這些變化、球墨鑄鐵現有許多牌號，提供了機械性能和物理性能的一個很寬的范圍。

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，這個范圍包括抗拉強度大于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，其延伸率大于17%，而相應的強度較低(最低為370牛頓/平方毫米）。強度和延伸率并不是設計者選擇材料的唯一根據，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、硬度和沖擊性能等。另外，耐蝕性和抗氧化以及電磁性能對于設計者也許是關鍵的。為了滿足這些特殊使用，研制了一組奧氏體球鐵，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，并且列入國際標準。

2歷史

國內

在河南鞏縣鐵生溝西漢中、晚

球墨鑄件

期的冶鐵遺址中出土的鐵?，而現代的球墨鑄鐵則是遲至1947年才在國外研制成功的。我國古代的鑄鐵，在一個相當長的時期里含硅量都偏低，也就是說，在約2000年前的西漢時期，我國鐵器中的球狀石墨，就已由低硅的生鐵鑄件經柔化退火的方法得到。這是我國古代鑄鐵技術的重大成就，也是世界冶金史上的奇跡。

國外

球墨鑄件

1947年英國H.Morrogh發現，在過共晶灰口鑄鐵中附加鈰，使其含量在0.02wt%以上時，石墨呈球狀。1948年美國A.P.Ganganebin等人研究指出，在鑄鐵中添加鎂，隨后用硅鐵孕育，當殘余鎂量大于0.04wt%時，得到球狀石墨。從此以后，球墨鑄鐵開始了大規模工業生產。

球狀石墨周圍的“牛眼狀”鐵素體

球墨鑄鐵管和水平連續鑄造球墨鑄鐵型材。中國已相繼建成幾個球墨鑄鐵管廠，且近幾年還將有幾個球墨鑄鐵管廠建成。2000年，中國年產離心鑄造球墨鑄鐵管達90萬噸。此外，中國自行研制的水平連續鑄造球墨鑄鐵型材生產線已通過國家鑒定，并已有多家企業投產。再加上中國引進的一條生產線，至2002年，中國年產球墨鑄鐵型材的能力達數萬噸。

　　系統地測定了稀土鎂球墨鑄鐵的力學性能及其他性能，為設計人員提

供了有關數據。測定了稀土鎂球墨鑄鐵的比重、導熱性、電磁性等物理性能，結合金相標準研究了石墨和基體組織對球墨鑄鐵性能的影響規律。系統地測定了鐵素體球墨鑄鐵在常溫、低溫、靜態和動態條件下的各種性能。此外，還研究了稀土鎂球墨鑄鐵的應力應變性能、小能量多沖抗力和斷裂韌性，并開始用于指導生產。結合球墨鑄鐵齒輪的應用，還系統地研究了球墨鑄鐵的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度，以及球墨鑄鐵齒輪的點蝕、剝落機理等。

3發展前途

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

球墨鑄件

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，并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?；谶@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，隨著代替灰鑄鐵、可鍛鑄鐵和鑄銀件，能親眼看到球鐵生產噸位的持續增加。出版的刊物對于幫助造廠在這面的力是有利的，雖然計值會變提高而改善。但鐵水溫度低于1450“C后孕育效果很差，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煉的比用冶金焦熔煉的高18%，值得注意的是相對硬度反而降低3%。[1]

4特性范圍

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。主要用于各種動力機械曲軸、凸輪軸、連接軸、連桿、齒輪、離合器片、液壓缸體等零部件。

5應用

1947年英國H. Morrogh發現，在過共晶灰口鑄鐵中附加鈰，使其含量在0.02wt%以上時，石墨呈球狀。1948年美國A. P. Ganganebin等人研究指出，在鑄鐵中添加鎂，隨后用硅鐵孕育，當殘余鎂量大于0.04wt%時，得到球狀石墨。從此以后，球墨鑄鐵開始了大規模工業生產。

球墨鑄件

世界球墨鑄鐵產量的75%是由美國、日本、德國、意大利、英國、法國六國生產的。

我國球墨鑄鐵生產起步很早，1950年就研制成功并投入生產，2009年我國球墨鑄鐵年產量達870萬噸，居世界第一位。適合我國國情的稀土鎂球化劑的研制成功，鑄態球墨鑄鐵以及奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵等各個領域的生產技術和研究工作均達到了很高的技術水平。

球墨鑄鐵具有高強度的塑韌性，其在國內外發展非?？?，產量已經超過鑄鋼和可鍛鑄鐵，成為僅次于灰鑄鐵的鑄造合金材料。球墨鑄鐵中的石墨之所以成為球狀，主要是在鐵水中加入了能使石墨呈球狀的球化劑。用球墨鑄鐵鑄造技術生產出的產品具有高強度、高韌性和低價格等優點，非常符合汽車生產的要求，因此，球墨鑄鐵鑄造技術在汽車生產中得到了廣泛的應用，鑄態珠光體球墨鑄鐵曲軸和鑄態鐵素體球墨鑄鐵汽車底盤零件已分別在我國第二汽車廠、南京汽車廠和第一汽車廠投入使用，這也標志著我國球墨鑄鐵生產達到了較高水平。球墨鑄鐵通過在汽車行業的應用已突顯出其優越性，通過技術水平的不斷提高，相信在未來，球墨鑄鐵將會應用于各大領域。

汽車方面

（1）鑄態珠光體球墨鑄鐵曲軸和鑄態鐵素體球墨鑄鐵汽車底盤

球墨鑄件曲軸模板

零件分別在我國第二汽車廠、南京汽車廠和第一汽車廠相繼投產。這標志著我國鑄態球墨鑄鐵生產達到了較高水平。與之相適應的包外脫硫、雙聯法熔煉、瞬時孕育、孕育塊技術以及音頻檢測和熱分析快速分析等技術的采用，則標志著我國大量流水生產汽車鑄件的技術水平與國際先進水平的差距正在縮小。

冶金因素

（2）試驗研究了大斷面（壁厚大于120mm）球墨鑄鐵的冶金因

素以及相應的生產工藝措施。采用適量的釔基重稀土復合球化劑、強制冷卻、順序凝固、延后孕育，必要時添加微量銻、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，現已成功地制作了38噸重的大型復雜結構件，17.5噸重的柴油機體、截面為805mm的球墨鑄鐵軋輥等。

奧氏體-貝氏體

20世紀70年代初，幾乎同時中國、美國、芬蘭3個國家宣布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，因此它廣泛應用于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。

型材

我國已相繼建成幾個球墨鑄鐵管廠，且近幾年還將有幾個球墨鑄鐵管廠建成。2000年，我國年產離心鑄造球墨鑄鐵管達90萬噸。此外，我國自行研制的水平連續鑄造球墨鑄鐵型材生產線已通過國家鑒定，并已有多家企業投產。再加上我國引進的一條生產線，至2002年，我國年產球墨鑄鐵型材的能力達數萬噸。

稀土鎂

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。在利用天然釩鈦生鐵制作釩鈦合金球墨鑄鐵方面，國內一些單位進行了大量、系統的工作。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。我國研制的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。

高鎳奧氏體球墨鑄鐵方面也取得了進展，它在石油開采機械、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，我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、致密，由此，抗蝕性能提高了10%～90%，并且其機械強度也有顯著改善。

稀土作用

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，先后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。

結合國情，我國對稀土的球化作用進行了大量研制工作，發現稀土元素對常用的球墨鑄鐵成分（C3.6～3.8wt%，Si2.0～2.5wt%）來說，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。

根據我國鐵質差、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%（殘余量）的稀土，可以完全中和干擾，并可抑制變態石墨的產生。我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%，但稀土鎂球化劑由于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；若隨后加入0.01～0.05wt%Ce，則又恢復原來的球化狀態，這是由于Bi和Ce形成了穩定的化合物。

稀土的形核作用。20世紀60年代以后的研究表明，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并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（存在于鐵液中的）不活化的晶核得以長大，結果使鐵液中總的晶核數量增多。

制造步驟

（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）鐵液出爐溫度比灰鑄鐵更高，以補償球化，孕育處理時鐵液溫度的損失

（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溫度及較大的澆注系統尺寸，合理應用冒口，冷鐵，采用順序凝固原則

（六）進行熱處理

表示方法

各種鑄鐵代號，由表示該鑄鐵特征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，排列在后面。

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

奧氏體鑄鐵................AT.........................----

...牌號中代號后面的一組數字，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，含量大于或等于1%時，用整數表示：小于1 %時一般不標注。常規元素（C、Si、Mn、S、p）一般不標注，有特殊作用時，才標注其元素符號及含量。

....白口鑄鐵：白口鑄鐵中的碳全部以滲透碳體（Fe3c）形式存在，因斷口呈亮白色。故稱白口鑄鐵，由于有大量硬而脆的Fe3c，白口鑄鐵硬度高、脆性大、很難加工。因此，在工業應用方面很少直接使用，只用于少數要求耐磨而不受沖擊的制件，如拔絲模、球磨機鐵球等。大多用作煉鋼和可鍛鑄鐵的坯料。

....灰口鑄鐵；鑄鐵中的碳大部或全部以自由狀態片狀石墨存在。斷口呈灰色。它具有良好鑄造性能、切削加工性好，減磨性，耐磨性好、加上它熔化配料簡單，成本低、廣泛用于制造結構復雜鑄件和耐磨件。

灰口鑄鐵按基體組織不同，分為鐵素體基灰口鑄鐵、珠光體--鐵素體基灰口鑄鐵和珠光體基灰口鑄鐵三類。

由于灰口鑄鐵內存在片狀石墨，而石墨是一種密度小，強度低、硬度低、塑性和韌性趨于零的組分。它的存在如同在鋼的基體上存在大量小缺口，即減少承載面積，又增加裂紋源，所以灰口鑄鐵強度低、韌性差，不能進行壓力加工。為改善其性能，在澆注前在鐵水中加入一下量的硅鐵，硅鈣等孕育劑，使珠光體基體細化，

....可鍛鑄鐵：可鍛鑄鐵是用碳、硅含量較低的鐵碳合金鑄成白口鑄鐵坯件，再經過長時間高溫退火處理，使滲碳體分解出團絮狀石墨而成，即可鍛鐵是一種經過石墨化處理的白口鑄鐵。

可鍛鑄鐵按熱處理后顯微組織不同分兩類；一類是黑心可鍛鑄鐵和珠光可鍛鑄鐵。黑心可鍛鑄鐵組織主要是鐵素體（F）基本+團絮狀石墨；珠光體可鍛鑄鐵組織主要是珠光體（P）基體+團絮狀石墨。另一類是白心可鍛鑄鐵，白心可鍛鑄鐵組織決定于斷面尺寸，小斷面的以鐵素體為基體，大斷面的表面區域為鐵素體、心部為珠光體和退火碳。

石墨變細小而均勻分布，經過這種孕育處理的鑄鐵。稱為孕育鑄鐵。

....球墨鑄鐵：在鐵水（球墨生鐵）澆注前加一定量的球化劑（常用的有硅鐵、鎂等）使鑄鐵中石墨球化。由于碳（石墨）以球狀存在于鑄鐵基體中，改善其對基體的割裂作用，球墨鑄鐵的抗拉強度、屈服強度、塑性、沖擊韌性大大提高。并具有耐磨、減震、工藝性能好、成本低等優點，現已廣泛替代可鍛鑄鐵及部分鑄鋼、鍛鋼件、如曲軸、連桿、軋輥、汽車后橋等。

6生產應用

球墨鑄件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第一個采用電子計算機類比鑄件的凝固過程，此后美國、英國、德國、日本、法蘭西等相繼開展了這方面的研究。我國于70年代末開始，大連理工大學、沈陽鑄造研究所率先在我國開展了這一技術的研究，并分別于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；沈陽鑄造研究所，鑄件凝固熱場電子計算機類比，鑄造，1980（1）14─22，此后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商品化學的軟體并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、中間計算和后處理三部分組成，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，目前有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。目前有確定性模型，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。

7歷史爭論

在河南鞏縣鐵生溝西漢中、晚期的冶鐵遺址中出土的鐵?，水平。而現代的球墨鑄鐵則是遲至1947年才研制成功的。中國古代的鑄鐵，在一個相當長的時期里含硅量都偏低，在約2000年前的西漢時期，中國鐵器中的球狀石墨，就已由低硅的生鐵鑄件經柔化退火的方法得到。這是中國古代鑄鐵技術的重大成就，也是世界冶金史上的奇跡。

球墨鑄鐵以其優良的性能，在使用中有時可以代替昂貴的鑄鋼和鍛鋼，在機械制造工業中得到廣泛應用。國際冶金行業過去一直認為球墨鑄鐵是英國人于1947年發明的。西方某些學者甚至聲稱，沒有現代科技手段，發明球墨鑄鐵是不可想象的。1981年，中國球鐵專家采用現代科學手段，對出土的513件古漢魏鐵器進行研究，通過大量的數據斷定漢代中國就出現了球狀石墨鑄鐵。有關論文在第18屆世界科技史大會上宣讀，轟動了國際鑄造界和科技史界。國際冶金史專家于1987年對此進行驗證后認為：古代中國已經摸索到了用鑄鐵柔化術制造球墨鑄鐵的規律，這對世界冶金史作重新分期劃代具有重要意義。

8氣孔缺陷

球墨鑄鐵件的生產過程中，在熱處理、拋丸清理后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分布，這就是所謂的皮下氣孔。

皮下氣孔的形成是由于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，這些氣體滯留于皮下就會形成氣孔。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。