马敬仲 优质的原材料与原铁液是生产优质球墨铸铁的前提与基础for百铸网

优质的原材料与原铁液是生产优质球墨铸铁的前题与基础马敬仲2013年我国铸铁件产量为3275万吨。其中灰铁2055万吨，球铁1160万吨。在灰铁、球铁、可锻铸铁、铸钢的同比增长中，球铁增长率是最大的。见表-1。表-1我国2013年铸件材质产量与同比增长项目球墨铸铁灰铸铁可锻铸铁铸钢产量（万吨）1160205560550同比增长（%）6.42.20.01.9值得提出的是2004~2013年的10年间，球铁与灰铸铁之间的比例由0.497升至0.56。见表-2。表-22004年至2013年我国球铁/灰铸铁比重的增长年份灰铸铁（万吨）球墨铸铁（万吨）球铁/灰铸铁200411265600.497200512305840.474200613926840.49200715467700.498200816408200.50200917008700.51201019009900.522011198010500.532012201010900.542013205511600.56对一些企业不完全的调查表明，球铁件的质量常存在两大类问题：一是废品率高，往往在5%-25%之间波动；二是质量不稳定，这种情况严重地影响球铁进一步发展；我国从事球铁工作60年的曾艺成研究员曾对生产优质球铁总结了四个关键，即“优质的原材料；优质的原铁液；稳定的球化工艺及孕育剂与孕育工艺的最佳选择”。我认为是很正确的。对一些企业的调查表明，在球铁的制作中，不少企业在原材料与原铁液这两个环节上未能严格控制，以致使后工序的球化与孕育、浇注等前功尽弃，使球化工艺失去了基础。现就生产优质球墨铸铁这两大基础作一分析。一、优质的原材料，尤其是优质的生铁是生产优质球墨铸铁的首要基础；资料指出：日本学者对铸铁件失效的原因进行了60年的追踪与分析研究，其结论是：铸件使用寿命的因素60%~70%是铸件内部存在夹杂物所致，其机械性能方面的因素仅占30%~40%。德国铸造工作者也说过：在铸造熔炼中放进去的是垃圾，出来的也是垃圾。在与国外铸件质量对比中，发现化学成分、金相组织相差并不大，但性能、寿命、使用质量却有相当差距，其重要原因之一是铸件内部纯净度高。众所周知，一般情况下，皆用普通球铁生铁作为铸造球墨铸铁的原材料。但是国外在球铁生产中采用高纯生铁的比例却占50%~60%以上。例如美国铁素体球铁中50%以上采用高纯生铁，英国60%球铁厂作大断面球铁及铸态球铁时采用高纯生铁。1997年日本高纯生铁在全国消费的铸造生铁中比重不超20%。2002年即增长到31%。日本神户制钢所生产高纯生铁的销售量占生铁的比率在2010年时已达到60%。随着我国高端球铁件的研制与生产，我国高纯生铁应用的价值不断地得到认可，应用范围也正在扩大。关于高纯生铁的组成、作用、意义不少文章已有论述。本文仅以常州华德机械生产的高速列车的转向架轴箱为例，论证高纯生铁与高端铸件性能之间的关系。华德机械生产了约4000炉，共18000套轴箱，出厂后无一废品。铁道部给出了“质量十分稳定”的评价。这一事实给了我们很多启示，其中一点就是质量要从原材料抓起。1、高端铸件与高纯生铁；华德机械生产的-40℃QT400-18AL转向架轴箱力学性能要求高，质量要求更高，其中质量的稳定性，一致性占重要地位。而这些要求皆与高纯生铁有着密切的关系，具体有以下五点。(1)、铸件的球化率要求在90%以上。因此要求对生铁中的S、Ti与反球化的微量元素的含量要进行严格的限制。(2)、力学性能中要求材质在-20℃、-40℃、-50℃时的冲击值皆要达到12J以上，并要求降低塑-脆性的转变温度。这要求生铁中的Mn、P的含量在一个很低的数值之下。(3)、低温韧性球铁的低温冲击值要大于12J以上，要求基体必须是100%的铁素体，这就要求对生铁中的微量元素中的促进球光体的元素含量及总和进行严格的限制。(4)、低温冲击值不仅100%的铁素体基体有关，还与晶界夹杂的净化有关。因此要对生铁的P、S及11种微量元素的含量及总量进行严格限制。(5)、高端铸件具有两个必不可缺少的特性：一是高水平、高性能的要求；二是高度的一致性、稳定性，其原材、原料质量稳定性是十分重要的，尤其是生铁。因此高纯生铁的质量必须与高端铸件的要求一样，也必须是稳定的。2、高纯生铁与铸件的球化率；；生铁中有不少干扰球化的元素，这些反球化的微量元素分三类。见表-3。生铁中反球化微量元素对球化的负面影响类别元素对球化的影响耗镁型Se.Te.S消耗球化剂，影响球化率。促使石墨形成蠕虫状石墨、过冷石墨到片状石墨晶界偏析型Sb.Sn.As.Ti偏析于晶界，促使石墨畸变，使石墨呈各类不规则形状混合型Pb.Bi含量少时，形成畸变石墨，含量多时则呈过冷石墨到片状石墨高端的低温韧性球铁对球化有两个要求：一是90%以上的球化率；二是Mg残在0.030%~0.045%的范围内。前者是保证力学性能，后者是减小白口倾向，减少收缩，减少夹渣。即优质的球铁既要球化良好，又要Mg残较低。根据以上要求，高纯生铁要把与球化有关的元素严格控制起来，要控制两点：一是S、Ti含量；二是微量元素中的球化指数K1。1.严格控制生铁中的S、Ti含量：可采用特类高纯生铁（S≤0.015%、Ti≤0.025%），也可采用一类（S为0.015%~0.025%、Ti为0.025%~0.035%）。2.用球化系数K1＜0.6来表征对生铁中干扰球化的微量元素的限制。球化干扰元素为Ti.As.Sn.Sb.Pb.Bi.AI。表-3为国内部分高纯生铁的K1值。表-3国内部分高纯生铁的K1值PSMnSnSbTiAIAsBiPbCuCrK1承德宝通＜0.0220.005＜0.021＜0.00005＜0.00050.010.007450.0010.00001＜0.00050.002850.0200.22河北龙凤山0.018-0.0350.014-0.0170.052-0.046＜0.0005＜0.00050.010-0.0150.007-0.0058＜0.0006＜0.00005＜0.00050.0096-0.00890.00940.23584济南庚辰0.024-0.035-0.02≤0.1＜0.0011＜0.00030.027≤0.00110.0001-0.0002≤0.00020.0070.0030.38山西建邦0.018-0.0350.0140.06＜0.00050.0010.019＜0.005＜0.0005＜0.00005＜0.00050.0110.00520.26辽宁本溪0.028-0.0380.012-0.0170.06-0.090.00060.00010.027-0.045＜0.0040.011＜0.0020.0040.0050.0121.13辽宁罕王0.025-0.0380.08-0.0180.07-0.08＜0.00050.00050.015-0.0210.0050.00060.002＜0.00050.0050.00710.98河南林州≤0.038≤0.02≤0.10.0005≤0.0050.02-0.06＜0.005＜0.0050.000050.00020.0050.0070.30冀州春风0.031-0.0380.015-0.0200.09-0.13＜0.0010.0010.02-0.0430.002＜0.001＜0.00050.001-0.0040.0010.0021.57河北友利0.025-0.040.02-0.030.01-0.015≤0.0017≤0.0010.02-0.03＜0.005＜0.0020.0012＜0.0010.00330.0290.98河北金丰0.025-0.0280.017-0.0220.05-0.06＜0.0005＜0.00050.019-0.032＜0.005＜0.0005＜0.0005＜0.00050.00550.0140.32山西东城0.032-≤0.040.0280.12-0.30.00050.0010.0470.0020.0005＜0.001＜0.00050.0110.0030.73河南合鑫0.04-0.410.014-0.210.08-0.0920.00050.00050.038-0.040＜0.005＜0.005＜0.001＜0.00050.0110.00940.78K1值计算公式：K1=4.4Ti+2.0As+2.3Sn+5.0Sb+290Pb+370Bi+1.6Al实践证明：高纯生铁中的S.Ti.及K1控制在一定的范围内，不仅使球化率达到90%以上，球化剂加入量也大幅度下降，Mg残也能达到0.03%-0.045%的范围内。统计表明，华德机械4000炉次的球化率皆达到1-2级（见图-1）。表-4表-5图-13、高纯生铁与低温韧性球铁的塑-脆性转变温度；-40℃QT400-18AL要求抗拉强度≥400MPa，伸长率要＞18%，-40℃冲击吸收功率≥12J。华德采用的技术是适当提高Si，固溶强化铁素体，在铁素体100%之下，促使抗拉强度达到400MPa，因此生产中将Si由2.0%提高到2.2%-2.4%，使抗拉强度达到了400MPa以上。但Si是提高脆性转变温度的，见表-6。表-6硅含量对球墨铸铁塑-脆转变温度的影响Si%1.281.982.583.053.503.994.251.674.885.25塑一脆转变温度℃-50-45-25-105055657585100因此必须将Si量提高的脆性转变温度降下来，否则难以达到-40℃的低温冲击值。其措施是进一步降低P与Mn含量，以抵消Si高的影响。其计算如下：（1）、Si含量每提高0.1%，塑-脆性转变温度提高5.5℃-6.0℃。Si含量由1.9%升至2.3%时，塑-脆转变温度升高4×（5.5℃-6.0℃）=22℃~24℃。（2）、Mn含量每提高0.1%，塑-脆性转变温度升高11℃~12℃，将Mn含量由0.2%降至＜0.05%时，脆性转变温度下降1.5×（11℃-12℃）=16.5℃~18℃。（3）、P含量每提高0.01%，塑-脆性转变温度提高4℃~5℃，将P含量由0.04%降至0.02%时，脆性转变温度下降2×（4℃-5℃）=8℃~10℃。综合的结果，在2.3%Si、0.02%P、＜0.05%Mn的成分，与1.9%Si、0.04%P、0.2%Mn的成分相比，脆性转变温度的变化=（22℃~24℃）-（16.5℃~18℃）-（8℃~10℃）≈23-17-9≈-3℃。计算表明，保证抗拉强度的高Si量因Mn、P的降低，脆性转变温度没有升高，甚至有所下降。而且＜0.05%的低Mn及＜0.02%的P，在减少碳化物与磷化物含量及减少晶界偏析方面，对提高低温冲击性能有着重要的影响。华德机械采用了P≤0.025%、Mn≤0.10%的高纯生铁。（见表7、表8）其低温韧性球铁中P、Mn控制在极低的范围4、高纯生铁中的珠光体微量元素与低温韧性中全铁素体基体球铁；-40℃QT400-18AL材质要求其基体为100%铁素体，这就要求对生铁中促进珠光体的微量元素含量进行限制，一般用珠光体系数Px＜0.6来表征对生铁中促进珠光体元素的限制。促进珠光体元素为Mn.Cu.Sn.Pb.Bi.As.Cr.SbPx的计算式为：Px=3.0Mn-2.65(Si-2.0)+7.7Cu+96Sn+3.57Pb+333Bi+20.1As+9.6Cr+71.7Sb表-9为我国部分高纯生铁的Px值。表-9我国部分高纯生铁的Px值PSMnSnSbTiAIAsBiPbCuCrPx承德宝通＜0.0220.005＜0.021＜0.00005＜0.00050.010.007450.0010.00001＜0.00050.002850.0200.53河北龙凤山0.018-0.0350.014-0.0170.052-0.046＜0.0005＜0.00050.010-0.0150.007-0.0058＜0.0006＜0.00005＜0.00050.0096-0.00890.00940.6056济南庚辰0.024-0.035-0.02≤0.1＜0