鋼鐵的應用使人類文明進入了鐵器時代。球墨鑄鐵的誕生，是繼人類發(fā)明煉鋼技術之后，在黑色金屬應用技術方面又一次大的技術創(chuàng)新，是20世紀材料科學最重大的技術進展之一。
我國古代工匠早在2000年前就已制造出具有球狀石墨的鑄鐵，分析表明上述鑄鐵件不含鎂或稀土元素，是采用高純木炭生鐵熔劑，在金屬型中澆注，經(jīng)熱處理后制成。但由于這種工藝難于大量生產(chǎn)，因而這種古代球鐵的獨特技藝沒有流傳至今。現(xiàn)代球墨鑄鐵采用向鐵液中添加球化劑的方法使其在鑄態(tài)下析出球狀石墨，使得球墨鑄鐵真正登上了工業(yè)應用的舞臺。
一、現(xiàn)代球墨鑄鐵的誕生
1. 青年麥里斯的創(chuàng)新促成現(xiàn)代球鐵的誕生
最新公布的資料表明，現(xiàn)代球鐵是美國國際鎳公司（INCO）青年科研人員麥里斯（K.D.Millis）首先研究成功的。 1942年2月13日麥里斯等熔化了幾組鎳硬鑄鐵，意外地發(fā)現(xiàn)加鎂的鎳硬鑄鐵比加鉻的標準鎳硬鑄鐵明顯提高了韌性，含硫量明顯下降。1943年4月12日麥里斯等在含C3.6%，Si2%,Mn0.75%,S0.06%,Ni2%的鐵液中添加含Mg20%的鎳鎂合金，添加量0.05%，0.3%，0.4%，0.5%。然后添加硅鐵孕育劑。澆注試塊切取抗拉試樣和金相試樣，發(fā)現(xiàn)析出完整的球墨，力學性能十分優(yōu)異，這次試驗標志著球鐵的正式研究成功。此后INCO在保密狀態(tài)下進行了五年系統(tǒng)的中間試驗。
2. 莫勒論文的發(fā)表推進現(xiàn)代球鐵技術的公布及應用
經(jīng)過五年深入系統(tǒng)的試驗后，INCO公司分別于1947年3月22日在英國，1947年11月21日在美國申請了加鎂球鐵專利。但是直到1949年1月25日英國鑄鐵研究所的莫勒（Hento Morrgh）在美國申請加鈰球鐵專利以后，美國專利局才對INCO公司的專利進行實質(zhì)性審查，并于1949年10月25日批準授予加鎂球鐵專利權(quán)。接著又于當年11月15日批準授予莫勒的加鈰球鐵專利權(quán)，INCO公司立即購買了后一項專利。
莫勒的研究工作與論文的及時發(fā)表推進了現(xiàn)代球鐵技術的公開及工業(yè)應用的進程。1948年6月14日在紐約Jamestown可鍛鑄鐵公司首次采用INCO技術，澆注了1300lb 66in階梯試塊和一批鑄件，為福特汽車公司可否用于制造曲軸提供技術評價，從此拉開了球墨鑄鐵工業(yè)生產(chǎn)的序幕。
3. INCO早期的球墨鑄鐵推廣工作
1948年12月20日INCO與Cooper-Bessemer公司簽訂了第一個技術轉(zhuǎn)讓合同。采用含Mg16.9%,Ni80.5%,其余為Fe的球化劑用漏斗隨流加入2.4%，處理鐵液3500lb，用75%Si-Fe孕育，轉(zhuǎn)包沖入，澆注柴油機缸體缸套。第二家是Hynchburg鑄造廠用于制造球墨鑄鐵管。1949年美國制訂了ASTM球墨鑄鐵標準并由麻省理工學院泰勒教授主持召開了球墨鑄鐵學術會議，促進了推廣應用。不久，福特汽車曲軸全部用球墨鑄鐵，通用汽車公司也大量投產(chǎn)。總產(chǎn)量逐年增長，到1966年專利失效為止，INCO共向全世界31個國家的651家企業(yè)轉(zhuǎn)讓此項技術，共生產(chǎn)2，074，868t鑄件。麥里斯全身心貫注于此項事業(yè)，他于1992年逝世后，美國球墨鑄鐵協(xié)會設立麥里斯獎學金以鼓勵創(chuàng)造性的冶金學新秀。
二、現(xiàn)代球鐵在我國的早期研究和應用
1. 我國球鐵的早期研究工作——鎂系球化劑及其處理工藝
我國球鐵的研究工作始于1950年，最先是由中國科學院上海冶金陶瓷所和清華大學王遵明教授分別在上海、撫順兩地進行。由于我國缺鎳，未采用INCO的鎳鎂球化劑，而是采用銅鎂合金沖入法研制成功球鐵。
1952年，更多的單位開始研究用純鎂代替銅鎂合金，采用鐘罩壓入法處理球鐵；1953年我國又掌握了補加鐵水的方法，以彌補鐘罩壓入法鐵水溫降大的缺點。大部分工廠采用鐘罩壓入法一直到1957年左右，這種方法耗鎂量高（一般占鐵水量的0.5%～1.0%），同時球化不夠穩(wěn)定，勞動條件差。1957～1958年間，鑄鐵研究室（1957年由清華大學與一機部機械院等有關單位組成的合作研究機構(gòu)）、大連造船廠、天津拖拉機廠、上海區(qū)球鐵曲軸研究小組（由上海交大等單位組成）等單位先后試驗成功壓力加鎂和滅容加鎂的方法，并在生產(chǎn)中正式采用。至此，鎂系球化劑及其處理工藝經(jīng)過八年的不斷研究和應用，基本成熟和完善了。
2. 以曲軸為代表的球鐵零件的應用和第一次球鐵生產(chǎn)大普及
球鐵生產(chǎn)初期，由于工藝尚不成熟，質(zhì)量尚不穩(wěn)定，因而球鐵多是來制作受力不大的小零件和機修配件。1956年9月和10月分別在北京和上海召開了球鐵曲軸研討會，并肯定了球鐵曲軸使用的可靠性。會后，無錫柴油機廠、南京汽車廠、天津動力機廠、天津拖拉機廠相繼開展了試驗研究工作，并陸續(xù)鑒定投產(chǎn)。一機部汽車局于1957年11月在天津動力機廠召開了鑄鐵曲軸經(jīng)驗交流會議，制訂了球鐵曲軸的技術條件、檢驗方法，提出了曲軸用球鐵可采用50-1.5、60-2兩個牌號。球鐵曲軸的成功應用，標志著我國的球鐵作為一種工程材料登上了機械工業(yè)舞臺。后來用于生產(chǎn)的重要零件有：鞍鋼于1955年試制成功球鐵軋輥，鐵道科學研究院于1957年試制成功鐵路車輛球鐵軸瓦，本鋼于1957年試制成功鋼錠模，此外，還有凸輪軸、正時齒輪、閥門、減速器齒輪等零件。1958年11月召開第一次全國球鐵會議時，全國已有近四百個單位研究、生產(chǎn)球鐵，并試制了一些當時國外尚未報道的球鐵零件，如鐵軌、無縫管、熱軋齒輪、液體軋制薄板、汽輪機轉(zhuǎn)子和水輪機主軸等。
本時期的球鐵品種比較少，真正用于生產(chǎn)只有相當于現(xiàn)標準的QT60-2、QT42-10和QT50-5三種牌號，性能水平也不高，珠光體球鐵抗拉強度一般在70kgf/mm2以下，鐵素體球鐵的延伸率平均不超過15%。
3. 稀土鎂球鐵的研制
1958年以來，各地大量生產(chǎn)土鐵，土鐵的特點是C、Si、Mn低，S、P高，因為高硫球鐵的性能不高且不穩(wěn)定，還需要長時間退火，鎂系球化劑不適應我國當時的鑄造生產(chǎn)條件。1961年包鋼又成功地從爐渣中提取出廉價的稀土，為稀土球化劑提供了充足的原料。1964年，一機部機械院與南京汽車廠、無錫柴油機廠等單位，采用稀土合金和鎂作復合球化劑，研究成功具有我國資源特點的稀土鎂球鐵，解決了鎂球鐵生產(chǎn)中長期存在的夾渣、縮松、球化不良等缺陷，并分別于1964年底和1965年初在南京汽車廠、無錫柴油機廠正式投入生產(chǎn)。由于復合球化劑反應平穩(wěn)，上海工藝研究所等單位于1965年又研究成功非常簡便的沖入法代替壓力加鎂法，簡化了球鐵的生產(chǎn)工藝。
與原鎂球鐵相比，稀土鎂球鐵的鑄造性能好，機械性能高，生產(chǎn)簡便安全，在原鐵水質(zhì)量較差的情況下能制造出合格的球鐵，因而在我國得到很快的發(fā)展。1976年10月以“稀土鎂球墨鑄鐵的冶金及工藝特性”為主題首次在國際鑄造年會上公布這一成果，引起國際鑄造界的重視。
1977年5月，一機部在沙市召開了第三次全國球鐵會議，交流了隨流孕育、搖包脫硫、快速測定球化率等九項球鐵新技術，以后又召開多屆年會，交流球鐵新成果。進入80年代以來，我國球鐵產(chǎn)量逐年大幅度增長，生產(chǎn)廠遍及全國各省市區(qū)；研究成功等溫淬火球鐵及多種特種球鐵，球鐵牌號增至十多個品種，并相繼制訂了“稀土鎂球鐵金相”、“球墨鑄鐵件”、“球鐵用生鐵”、“稀土硅鐵鎂合金”等技術標準；研究開發(fā)了適應球鐵大量流水生產(chǎn)的先進工藝，如搖包、氣動脫硫；型內(nèi)、型上球化；多種瞬時孕育；音頻、超聲、熱分析等多種球化率快速檢測方法等。以汽車零件為代表的大量流水生產(chǎn)逐步達到國際水平，離心鑄管產(chǎn)量也逐年增長，使我國逐步邁進球鐵生產(chǎn)大國的行列。
4. 球鐵基礎理論及基礎技術的研究
在球化理論方面，哈工大、中科院物理所、華中工學院、鎮(zhèn)江農(nóng)機學院等單位分別采用液淬、熱分析、掃描電鏡觀察、電子探針等先進手段進行試驗，并系統(tǒng)地提出了自己的觀點：球狀石墨是從液相中直接析出長大的；在液態(tài)就可能發(fā)生石墨畸變；石墨生成的結(jié)構(gòu)機理是以螺旋位錯方式長大；石墨畸變的原因是氧、硫等表面活性原子堵塞螺旋位錯臺階而阻礙了石墨的球狀生長；鎂、稀土等球化元素的作用在于其脫氧、脫硫的“清掃劑”作用等等。這些觀點豐富了原有的球化理論，并對原鐵水質(zhì)量控制、合理選擇球化劑、加強孕育、防止球化不良和衰退產(chǎn)生等生產(chǎn)實際問題都有非常重要的指導意義。
在石墨形貌方面，清華大學采用掃描電鏡等手段，用深腐蝕和熱腐蝕方法，研究了各種鑄鐵的石墨形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建立了一套鑄鐵石墨形貌的掃描電鏡圖譜，并據(jù)此提出了“鑄鐵石墨分類、命名”的文件，深化了對鑄鐵石墨形貌的認識。
在球鐵基本性能方面，鄭州機械所、北京鋼鐵學院、北京市機電院等單位系統(tǒng)測定了各種不同基體、不同牌號稀土鎂球鐵的動靜態(tài)力學、使用、加工等性能，為合理選用球鐵材質(zhì)制造服役條件惡劣零件（如齒輪等）提供了科學數(shù)據(jù)。
三、球鐵生產(chǎn)技術的最新進展及發(fā)展方向
綜觀國內(nèi)外球鐵生產(chǎn)及其技術近一、二十年的發(fā)展，有八個方面的進展及動向分別介紹如下。
1. 球鐵產(chǎn)量和比例逐年增長，是增幅最大的鑄件品種（見下表）
1981、1990、1994、1997年度幾個國家鑄件產(chǎn)量統(tǒng)計表
|
國家
|
年度 |
鑄件總產(chǎn)量(t) |
鑄鐵件 |
灰鑄鐵件 |
球鐵件 |
可鍛鑄鐵件 |
| 產(chǎn)量(t) |
百分比(%) |
產(chǎn)量
(t) |
百分比
(%) |
產(chǎn)量
(t) |
百分比
(%) |
產(chǎn)量
(t) |
百分比
(%) |
| 中國 |
1981 |
5371000 |
4476000 |
83 |
3971000 |
74 |
242000 |
4.5 |
263000 |
4.9 |
| 1990 |
5589000 |
6854000 |
77 |
5433300 |
61 |
922400 |
10 |
498000 |
5.6 |
| 1994 |
1126000 |
9293000 |
77 |
7607330 |
65 |
1321230 |
11 |
364590 |
3.0 |
| 1997 |
11080442 |
8794256 |
79 |
6873736 |
62 |
1564066 |
14 |
354454 |
2 |
| 美國 |
1981 |
13889000 |
11205151 |
80 |
8826266 |
64 |
1996986 |
14 |
381899 |
2.7 |
| 1990 |
10210000 |
7727000 |
76 |
4608000 |
45 |
2871000 |
28 |
248400 |
2.4 |
| 1994 |
13267000 |
9756000 |
73.5 |
5831000 |
44 |
3691000 |
27.8 |
243000 |
1.8 |
| 1997 |
14333000 |
10488000 |
73 |
6153000 |
43 |
4128000 |
29 |
207000 |
1.4 |
| 日本 |
1981 |
6321221 |
5297000 |
83 |
3034302 |
48 |
1681742 |
27 |
280122 |
4 |
| 1990 |
6804601 |
4996166 |
73 |
3324739 |
48 |
1415301 |
21 |
256126 |
3.7 |
| 1994 |
6740690 |
5199022 |
77 |
3035179 |
45 |
2016488 |
29 |
147355 |
2.2 |
| 1997 |
7082427 |
5391349 |
76 |
3094535 |
44 |
2159115 |
30.5 |
137699 |
1.9 |
| 德國 |
1981 |
4134421 |
3402837 |
82 |
2509169 |
61 |
746478 |
18 |
147190 |
3.5 |
| 1990 |
4249117 |
3369000 |
79 |
2295000 |
54 |
955000 |
22 |
119000 |
2.8 |
| 1994 |
3815174 |
3050080 |
79.9 |
1992329 |
52 |
979231 |
25.6 |
78520 |
2.0 |
| 1997 |
4120048 |
3239000 |
78.6 |
2054000 |
50 |
1136000 |
27.6 |
49000 |
1.2 |
由上表可看出：
a. 主要工業(yè)國家球鐵產(chǎn)量的比例均已達到30%左右；中國約比工業(yè)發(fā)達國家低1倍，但增幅最快，產(chǎn)量增長7倍，比例增長3倍。
b. 同期的灰鑄鐵件的比例逐年下降，可鍛鑄件的產(chǎn)量及比例均大幅度下降。
2. 采用成套先進技術，穩(wěn)定提高球鐵大量流水生產(chǎn)質(zhì)量
汽車工業(yè)是球鐵的最主要用戶，反映了球鐵生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)技術的最高水平。以汽車鑄件為代表的球鐵大量流水生產(chǎn)，推薦采用如下三方面成套先進技術：
a. 高溫低硫低氧的優(yōu)質(zhì)原鐵水，是穩(wěn)定內(nèi)部質(zhì)量的基礎。
采用鑄造焦、熱風水冷沖天爐、電爐熔化或雙聯(lián)過熱、搖包或氣動脫硫、直讀光譜儀快速分析成分等先進技術。
b. 專用球化劑、孕育劑及合理的球化、孕育工藝（隨流或型內(nèi)）是確保球化良好和基體穩(wěn)定的必要手段。
c. 高剛度鑄型及先進的型砂是提高鑄件內(nèi)、外質(zhì)量的有效措施。
采用靜壓、高壓、氣沖加壓、擠壓等高緊實率鑄型和樹脂砂可有效減少縮松，提高鑄件尺寸精度和降低粗糙度。
另外，為了適應多品種變批量的生產(chǎn)方式，還需應用快換模板、快調(diào)澆口、通氣針和型砂定量等技術。
綜合采用上述成套技術，我國主要汽車鑄造廠的工藝及裝備已達到國際水平，生產(chǎn)規(guī)模也接近國際水平（如二汽鑄造二廠年產(chǎn)量達7萬噸），靜態(tài)性能可穩(wěn)定達到QT450-10、QT400-15、QT500-7、QT600-3，其中脫硫效果穩(wěn)定的南汽鑄態(tài)性能達到QT600-10，正火后可達到QT880-5的高性能水平。
3. 離心鑄管產(chǎn)量急劇增長，成為球鐵的最大用戶
離心球鐵管由于強度高、塑性好、耐腐蝕性好等優(yōu)點，故在供水、輸氣管道中大量應用。工業(yè)發(fā)達國家的離心球鐵管產(chǎn)量已占鑄管總產(chǎn)量的95%～98%，球鐵總產(chǎn)量的40%～50%，成為球鐵的最大用戶。中小口徑（＜1000mm）鑄管采用水冷金屬型工藝（即冷模法）；大口徑采用熱模法（噴涂料和襯樹脂砂）。國外已能生產(chǎn)最大尺寸達DN2000mm×8000mm和DN2600mm×4000mm的鑄管。
我國近十多年來引進和研制了一批離心球鐵管生產(chǎn)線，生產(chǎn)能力已達70萬噸，年銷售量約30萬噸，已占球鐵總量的20%以上。其中新興鑄管集團公司產(chǎn)量最大，且已能用熱模法大批量生產(chǎn)DN（1200～1600）mm×5000mm的大管徑鑄管。
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