马敬仲 优质的原材料及原铁液是生产优质球墨铸铁的前提及基础for百铸网

1、 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20042013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-2 2004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200411265600.497

2、200512305840.474200613926840.49200715467700.498200816408200.50200917008700.51201019009900.522011198010500.532012201010900.542013205511600.56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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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：

8、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（S0.015%、Ti0.025%），也可采用一类（S为0.015%0.025%、Ti为0.025%0.035%）。2.用球化系数K10.6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0.0220.0050.0210.000050.00050.010.007450.0010.000010.00050.002850.0200.

9、22河北龙凤山0.018-0.0350.014-0.0170.052-0.0460.00050.00050.010-0.0150.007-0.00580.00060.000050.00050.0096-0.00890.00940.23584济南庚辰0.024-0.035-0.020.10.00110.00030.0270.00110.0001-0.00020.00020.0070.0030.38山西建邦0.018-0.0350.0140.060.00050.0010.0190.0050.00050.000050.00050.0110.00520.26辽宁本溪0.028-0.0380.012-0

10、.0170.06-0.090.00060.00010.027-0.0450.0040.0110.0020.0040.0050.0121.13辽宁罕王0.025-0.0380.08-0.0180.07-0.080.00050.00050.015-0.0210.0050.00060.0020.00050.0050.00710.98河南林州0.0380.020.10.00050.0050.02-0.060.0050.0050.000050.00020.0050.0070.30冀州春风0.031-0.0380.015-0.0200.09-0.130.0010.0010.02-0.0430.0020.0

11、010.00050.001-0.0040.0010.0021.57河北友利0.025-0.040.02-0.030.01-0.0150.00170.0010.02-0.030.0050.0020.00120.0010.00330.0290.98河北金丰0.025-0.0280.017-0.0220.05-0.060.00050.00050.019-0.0320.0050.00050.00050.00050.00550.0140.32山西东城0.032-0.040.0280.12-0.30.00050.0010.0470.0020.00050.0010.00050.0110.0030.73河南合

12、鑫0.04-0.410.014-0.210.08-0.0920.00050.00050.038-0.0400.0050.0050.0010.00050.0110.00940.78K1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 QT400-18A

13、L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S

14、i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）=2224。（2）、Mn含量每提高0.1%，塑-脆性转变温度升高1112，将Mn含量由0.2%降至0.05%时，脆性转变温度下降1.5×（11-12）=16.518。（3）、P含量每提高0.01%，塑-脆性转变温度提高45，将P含量由0.04%降至0.02%时，脆性转变温度下降2×（4-5）=810。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%

15、Mn的成分相比，脆性转变温度的变化=（2224）-（16.518）-（810）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P0.025%、Mn0.10%的高纯生铁。（见表7、表8）其低温韧性球铁中P、Mn控制在极低的范围表-7表-84、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

16、用珠光体系数Px0.6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0.0220.0050.0210.000050.00050.010.007450.0010.000010.00050.002850.0200.53河北龙凤山0.018-0.0350.014-0.0170.05

17、2-0.0460.00050.00050.010-0.0150.007-0.00580.00060.000050.00050.0096-0.00890.00940.6056济南庚辰0.024-0.035-0.020.10.00110.00030.0270.00110.0001-0.00020.00020.0070.0030.763山西建邦0.018-0.0350.0140.060.00050.0010.0190.0050.00050.000050.00050.0110.00520.638辽宁本溪0.028-0.0380.012-0.0170.06-0.090.00060.00010.027-0

18、.0450.0040.0110.0020.0040.0050.0120.717辽宁罕王0.025-0.0380.08-0.0180.07-0.080.00050.00050.015-0.0210.0050.00060.0020.00050.0050.00710.683河南林州0.0380.020.10.00050.0050.02-0.060.0050.0050.000050.00020.0050.0071.0冀州春风0.031-0.0380.015-0.0200.09-0.130.0010.0010.02-0.0430.0020.0010.00050.001-0.0040.0010.0022.

19、134河北友利0.025-0.040.02-0.030.01-0.0150.00170.0010.02-0.030.0050.0020.00120.0010.00330.0291.37河北金丰0.025-0.0280.017-0.0220.05-0.060.00050.00050.019-0.0320.0050.00050.00050.00050.00550.0140.64山西东城0.032-0.040.0280.12-0.30.00050.0010.0470.0020.00050.0010.00050.0110.0031.35河南合鑫0.04-0.410.014-0.210.08-0.092

20、0.00050.00050.038-0.0400.0050.0050.0010.00050.0110.00941.145、高纯生铁与低温韧性组织中的晶界净化；要使QT400-18Al在-20、-40、-50下皆能达到大于12J冲击值的要求，不仅与球化率、100%铁素体基体、石墨球数有关，还与晶界的净化关系十分密切。生铁中的微量元素在晶界上的偏析严重地影响材质的塑性与低温冲击值（见表-10）。表-10 生铁微量元素产生的偏析对铸铁性的影响序号类别元素对性能的影响1正偏析Mn.Cr.V.Ti.Mo.B.As常形成碳化物，分布于晶界处，造成晶粒外偏西，降低材质的韧性与塑性2反偏析Si.Ni.Cu固溶

21、强化基体，分布在晶粒内部，造成晶粒内偏析3低熔点元素偏析P.S.Sn.Pb.Zn.As熔点低，常分布在最后凝固的晶界上，造成夹杂，裂纹缺陷由于微量元素有叠加的作用，因此要对微量元素的总量进行限制，要求微量元素的总量T0.06%，表-11为国内部分高纯生铁微量元素的T值。表-11 国内部分高出生铁微量元素的T值PSMnSnSbTiAIAsBiPbCuCrT承德宝通0.0220.0050.0210.000050.00050.010.007450.0010.000010.00050.002850.0200.09036河北龙凤山0.018-0.0350.014-0.0170.052-0.0460.00

22、050.00050.010-0.0150.007-0.00580.00060.000050.00050.0096-0.00890.00940.13245济南庚辰0.024-0.035-0.020.10.00110.00030.0270.00110.0001-0.00020.00020.0070.0030.14985山西建邦0.018-0.0350.0140.060.00050.0010.0190.0050.00050.000050.00050.0110.00520.14275辽宁本溪0.028-0.0380.012-0.0170.06-0.090.00060.00010.027-0.0450.

23、0040.0110.0020.0040.0050.0120.1967辽宁罕王0.025-0.0380.08-0.0180.07-0.080.00050.00050.015-0.0210.0050.00060.0020.00050.0050.00710.1957河南林州0.0380.020.10.00050.0050.02-0.060.0050.0050.000050.00020.0050.0070.22575冀州春风0.031-0.0380.015-0.0200.09-0.130.0010.0010.02-0.0430.0020.0010.00050.001-0.0040.0010.0020.

24、2045河北友利0.025-0.040.02-0.030.01-0.0150.00170.0010.02-0.030.0050.0020.00120.0010.00330.0290.1382河北金丰0.025-0.0280.017-0.0220.05-0.060.00050.00050.019-0.0320.0050.00050.00050.00050.00550.0140.152山西东城0.032-0.040.0280.12-0.30.00050.0010.0470.0020.00050.0010.00050.0110.0030.3405河南合鑫0.04-0.410.014-0.210.08

25、-0.0920.00050.00050.038-0.0400.0050.0050.0010.00050.0110.00940.4949华德机械生产的-40 QT400-18AL材质的金相组织中的磷共晶与碳化物的总和，经4000炉次的测定其值皆为零（100倍下），说明了高纯生铁在晶界净化方面的重要作用。6、高纯生铁质量的稳定性与高端铸件的质量稳定性；华德机械生产-40 QT400-18AL材质的转向架轴箱。质量稳定性（见表-12）。表-12 QT400-18AL（-40）转向架轴箱的性能与成分的波动范围性能波动范围组织波动范围成分波动范围性能波动范围组织波动范围成分波动范围抗拉强度（MPa）40

26、0-420基体100%铁素体球化前C%3.6-3.9伸长率（%）24-26球化率1-2级球化后Si%2.2-2.4-40冲击功（J）14-16球径大小6级球化后P%0.025屈服强度（MPa）260-290晶界夹杂物碳化物+磷共品=0球化后Mn%0.1硬度（HBW）140-180球化后Mg%0.03-0.045%球化后Re%0.01%这与高纯生铁的质量稳定性分不开的，见图-2、图-3、图-4、图-5为高纯生铁中Ti、Mn、P、S的波动值。图-6为华德机械的专用生铁库。图-2图-3图-4图-5图-6二、优质的原铁液是生产优质球铁的重要基础优质球铁原铁液的含义是：高温、洁净与低S。美国球铁协会的调

27、查表明，铁液温度在1528 时（另一组1483 ），铁液中的氧化杂渣物大幅度降低，铁液十分洁净。美国球铁协会将1510定为铁液的最低过热温度。 原铁液的净化来自于两个方面，一是炉料净化所导致各种合金元素及干扰微量元素减少所带来的净化；二是高温静置的自脱氧反应导致铁液，氧化夹渣物降低带来的净化。1高温与静置铁液净化由于高温熔炼，减少了铁液的氧化，减少了氧化夹杂，细化了石墨与基体，净化了铁液，从而提高铸铁的纯净度（见表-13）。表-13 铁液的高温静置与铁液净化铁液纯净度的组成高温对铁液的净化作用铁液的氧化程度铁液在平衡温度以上的“自脱氧”反应，使铁液氧化程度降低，降低了铁液的含氧量铁液中的Si、

28、Mn、Fe烧损“自脱氧”的反应导致Si、Mn、Fe的烧损减少铁液中的气体含量“自脱氧”反应中产生的CO气体逸出时可将H2、N2带出，从而O、H、N气体有所减少铁液中的氧化杂渣高温铁液中含氧的减少，使FeO、MnO、SiO2氧化夹渣物降低无论是冲天炉还是电炉，皆要达到15001550。冲天炉中炉渣的FeO应小于3%。这是冲天炉铁液质量的重要指标。电炉中铁液的氧含量也不能低于10PPM。一般在20PPM左右。使原铁液达到高温净化的优质标准。2、低S的原铁液减少夹渣、减少收缩；研究指出，要使石墨大部或全部形成球铁，则铁液中必须具备溶解的Mg量达到0.03%，见图7在生产中总是希望将球铁的Mg残控制在

29、0.030-0.045%的范围内。通常球铁检测的Mg残是溶解Mg与Mg的化合物（Mgs、Mgo）的总合。因此，高出0.03%的Mg就是Mg的化合物与过剩残余Mg。Mg的化合物Mgo、Mgs是球铁杂渣的根源，过剩的Mg是球化铁液造成过冷度与球铁白口倾向增大，孕育剂量加大与缩松的根源。一些企业中，球铁存在的最大的问题就是Mg残高（达0.055-0.08%），造成很多的夹渣废品与缩松废品。图-8表明，球铁中的Mg残超过0.045%，将急剧地使凝固区域增大，收缩增大，导致缩松缺陷的产生。图-8因此，将Mg残控制在0.030-0.045%十分重要，它是减少杂渣废品与缩松废品的重要措施。将Mg残控制在0.

30、030-0.045%的主要措施有3项：一是将原铁液S控制在0.02%以下减少球化剂加入量；二是采用蓋包或喂丝球化；三是在球化温度1500下采用含低Mg低Re的球化剂。三条中原铁液S0.02%是最重要的。美国铸造协会2008年对球铁厂中原铁液的S量进行调查，其结果如下：表-14 原铁液含S量分类比例企业类型200t/周的企业200t/周的企业原铁液S%0.01542380.016-0.02515230.026-0.035710.036269由表看出，原铁液S含量0.015%的企业占大多数。重视原铁液含S量，将其控制在0.02%以下，不仅是对球化控制的关键一环，对于低温韧性球铁、ADI球铁、大断面球铁，将原铁液的S量控制至0.015%，尤为重要：减少球化剂加入量；减少杂渣；减少缩松；使球化后的S量0.01%，减少球化衰退（尤其是在大断面球铁中），但也不要使S量0.006%，以免影响孕育效果。在优质球铁生铁及高温低氧、低硫的原铁液下，球化剂中的稀土含量可在0.5%-0.8%范围内。球化后的Re残控制在0