球墨鑄鐵件以其優(yōu)良的性能，在使用中有時(shí)可以代替昂貴的鑄鋼和鍛鋼，在機(jī)械制造工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。
冶金行業(yè)過去一直認(rèn)為球墨鑄鐵是英國人于1947年發(fā)現(xiàn)的。而在1981年，我國球鐵專家采用現(xiàn)代科學(xué)手段，對出土的513件古漢魏鐵器進(jìn)行研究，通過大量的數(shù)據(jù)斷定漢代我國就出現(xiàn)了球狀石墨鑄鐵。這對世界冶金史作重新分期劃代具有重要意義。
球墨鑄鐵的力學(xué)性能優(yōu)于灰鑄鐵，與鋼相近，可用其代替鑄鋼和鍛鋼制造各種荷較大、受力較復(fù)雜和耐磨損的零件。球墨鑄鐵已迅速發(fā)展為僅次于灰鑄鐵的、應(yīng)用十分廣泛的鑄鐵材料。所謂“以鐵代鋼”，主要指球墨鑄鐵。球墨鑄鐵是通過球化和孕育處理得到球狀石墨，有效地提高了鑄鐵的機(jī)械性能，特別是提高了塑性和韌性，從而得到比碳鋼還高的強(qiáng)度。
球墨鑄鐵具有更高的屈服強(qiáng)度，其屈服強(qiáng)度最低為40kpsi，而鑄鋼的屈服強(qiáng)度只有36kpsi。在大部分市政應(yīng)用領(lǐng)域，如：水、鹽水、蒸汽等，球墨鑄鐵的耐腐蝕性和抗氧化性都超過鑄鋼。
材料簡介
發(fā)展歷史
根據(jù)現(xiàn)代考古研究，新鄭鄭韓故城后端灣鑄鐵遺址發(fā)現(xiàn)大量鑄鐵相關(guān)遺跡和遺物，后端灣鑄鐵遺址位于新鄭市鄭韓故城東城區(qū)西南部，面積近10萬平方米。該遺址是戰(zhàn)國中晚期韓國都城一處鑄造工具和農(nóng)具的官營手工業(yè)作坊，河南后端灣鑄鐵遺址首次發(fā)現(xiàn)脫碳窯，將中國球墨鑄鐵史提前至少200年。比西方要早至少2000多年。
法國的雷奧姆爾（Reaumur）于1722年制成了白心可鍛鑄鐵。后來、美國的塞斯·包伊登（Seth·Boyden）于1826年發(fā)明了黑心可鍛鑄鐵。
到了二十世紀(jì)二十年代。由于對鑄鐵中碳、硅等主要成分及加入其他合金元素的影響、熔化方法、孕育效果等方面的研究并有了進(jìn)展，出現(xiàn)了所謂高級鑄鐵。因此，材質(zhì)有了相當(dāng)可觀的改善，并在一定程度上擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。但是，由于存在著韌性低這樣的根本缺點(diǎn)，未能迅速擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。
1947年，英國人莫羅(Morrogh)發(fā)現(xiàn)了鑄態(tài)下存在球狀石墨的鑄鐵。
1948年，通過在高碳，低硫、低磷的灰鑄鐵中加入Ce，并使其殘留量保持在0．02%以上，制得了球墨鑄鐵。幾乎與此同時(shí)，美國國際鎳公司（INCO）加格奈賓（Gagnebin）等通過在鑄鐵中加Mg，并使其殘留量保持在0．04%以上，獲得了相同的球墨鑄鐵。
在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于生產(chǎn)耐磨馬氏體白口鑄鐵所必需的鉻資源缺乏，研究Cr的代用元素就成了當(dāng)務(wù)之急。于是，對于與碳發(fā)生化學(xué)結(jié)合的各種金屬及過渡金屬，均就其能否形成碳化物進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)查研究，其中也就包括鎂。為了減緩在加鎂時(shí)的激烈噴濺，曾使用Cu80一Mg20合金和Ni80-M920合金。結(jié)果表明，鎂不但作為鉻的代用元素有良好的效果，而且還發(fā)現(xiàn)當(dāng)鎂在鐵水中有某種程度的殘留量時(shí)，有顯著的脫硫作用。以這些新的發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)，繼白口鑄鐵之后，對于在灰口鑄鐵中加鎂的作用也進(jìn)行了研究。在含C 3.5%、Si2.25%和Ni 2%的灰鑄鐵中加入了0.5%的Mg，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原來的預(yù)期(普通灰鑄鐵約為13kgf/mm)，高達(dá)78kgf/mm。
組成成分
鑄鐵是含碳量大于2.11%的鐵碳合金，由工業(yè)生鐵、廢鋼等鋼鐵及其合金材料經(jīng)過高溫熔融和鑄造成型而得到，除Fe外，還含及其它鑄鐵中的碳以石墨形態(tài)析出，若析出的石墨呈條片狀時(shí)的鑄鐵叫灰口鑄鐵或灰鑄鐵、呈蠕蟲狀時(shí)的鑄鐵叫蠕墨鑄鐵、呈團(tuán)絮狀時(shí)的鑄鐵叫可鍛鑄鐵或碼鐵、而呈球狀時(shí)的鑄鐵就叫球墨鑄鐵。
球墨鑄鐵除鐵外的化學(xué)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。
市面上球墨鑄鐵光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品成分如下：
主要性能
球鐵鑄件差不多已在所有主要工業(yè)部門中得到應(yīng)用，這些部門要求高的強(qiáng)度、塑性、韌性、耐磨性、耐嚴(yán)重的熱和機(jī)械沖擊、耐高溫或低溫、耐腐蝕以及尺寸穩(wěn)定性等。為了滿足使用條件的這些變化、球墨鑄鐵有許多牌號，提供了機(jī)械性能和物理性能的一個(gè)很寬的范圍。
如國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO1083所規(guī)定的大多數(shù)球墨鑄鐵鑄件，主要是以非合金態(tài)生產(chǎn)的。顯然，這個(gè)范圍包括抗拉強(qiáng)度大于800牛頓/平方毫米，延伸率為2%的高強(qiáng)度牌號。另一個(gè)極端是高塑性牌號，其延伸率大于17%，而相應(yīng)的強(qiáng)度較低(最低為370牛頓/平方毫米）。強(qiáng)度和延伸率并不是設(shè)計(jì)者選擇材料的根據(jù)，而其它決定性的重要性能還包括屈服強(qiáng)度、彈性模數(shù)、耐磨性和疲勞強(qiáng)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(shè)計(jì)者也許是關(guān)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(biāo)準(zhǔn)。
為珠光體型球墨鑄鐵，具有中高等強(qiáng)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(diǎn)。能通過各種熱處理改變其性能。主要用于各種動力機(jī)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。
品種牌號
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(gè)大寫正體字母組成。當(dāng)兩種鑄鐵名稱的代號字母相同時(shí)，可在該大寫正體字母后加小寫正體字母來區(qū)別。同一名稱鑄鐵，需要細(xì)分時(shí)，取其細(xì)分特點(diǎn)的漢語拼音第一個(gè)大寫正體字母，排列在后面。
牌號中代號后面的一組數(shù)字，表示抗拉強(qiáng)度值；有兩組數(shù)字時(shí)，第一組表示抗拉強(qiáng)度值，第二組表示延伸率值。兩組數(shù)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(shí)，用整數(shù)表示：小于1%時(shí)一般不標(biāo)注。常規(guī)元素（C、Si、Mn、S、p）一般不標(biāo)注，有特殊作用時(shí)，才標(biāo)注其元素符號及含量。
應(yīng)用領(lǐng)域
球墨鑄鐵常用于生產(chǎn)受力復(fù)雜，強(qiáng)度、韌性、耐磨性等要求較高的零件，如汽車、拖拉機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等的曲軸、凸輪軸，還有通用機(jī)械的中壓閥門等。也可用做高放射性物體儲藏運(yùn)輸容器。
代表產(chǎn)品
奧氏體-貝氏體
20世紀(jì)70年代初，幾乎同時(shí)中國、美國、芬蘭3個(gè)國家宣布研究成功了具有高強(qiáng)度、高韌性的奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵（國際上統(tǒng)稱ADI），這種材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度達(dá)1000MPa，因此它廣泛應(yīng)用于齒輪以及各種結(jié)構(gòu)件，與合金鋼相比，奧-貝球墨鑄鐵具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
未來方向
節(jié)能要求導(dǎo)致基本上重新設(shè)計(jì)零件，以達(dá)到重量輕、效率高，這就必然要提醒設(shè)計(jì)者集中注意材料。球鐵正日益被認(rèn)為能提供高的強(qiáng)度一重量特性，并且能以比較低的成本生產(chǎn)。當(dāng)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(dá)到了它的全部潛力。基于這一點(diǎn)，不生產(chǎn)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(yù)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(chǎn)噸位的持續(xù)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(jì)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(zhì)量指標(biāo)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%。
施工工藝
中國工藝
加入稀土提高性能
在高強(qiáng)度低合金球墨鑄鐵方面，除了對銅、研究較多外，還對鎳、等進(jìn)行了研究。中錳球墨鑄鐵雖然在性能上不夠穩(wěn)定，但多年來的系統(tǒng)研究與生產(chǎn)應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
在耐熱球墨鑄鐵方面，除了中硅球墨鑄鐵以外，系統(tǒng)研究了Si+Al總量對稀土鎂球墨鑄鐵抗生長能力的影響。中國研制的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(dāng)。
高鎳奧氏體球墨鑄鐵方面也取得了進(jìn)展，它在石油開采機(jī)械、化工設(shè)備、工業(yè)用爐器件上均取得了成功的應(yīng)用。
在耐酸球墨鑄鐵方面，中國生產(chǎn)的稀土高硅球墨鑄鐵比普通高硅鑄鐵的組織細(xì)小、均勻、致密，由此，抗蝕性能提高了10%～90%，并且其機(jī)械強(qiáng)度也有顯著改善。
稀土能使石墨球化。自從H. Morrogh最先使用得到球墨鑄鐵以來，先后許多人研究了各種稀土元素的球化行為，發(fā)現(xiàn)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。
中國對稀土的球化作用進(jìn)行了大量研制工作，發(fā)現(xiàn)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(dāng)稀土量過高時(shí)，還會出現(xiàn)各種變態(tài)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(shí)，可獲得良好的球狀石墨。
根據(jù)中國鐵質(zhì)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(dǎo)元素，稀土一方面可促進(jìn)石墨球化；另一方面克服硫以及雜質(zhì)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(dāng)干擾元素Pb、Bi、Sb、Te、Ti等總量為0.05wt%時(shí)，加入0.01wt%（殘余量）的稀土，可以完全中和干擾，并可抑制變態(tài)石墨的產(chǎn)生。中國絕大部分的生鐵中含有鈦，有的生鐵中含鈦高達(dá)0.2～0.3wt%，但稀土鎂球化劑由于能使鐵中的稀土殘留量達(dá)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(fù)原來的球化狀態(tài)，這是由于Bi和Ce形成了穩(wěn)定的化合物。
稀土的形核作用。20世紀(jì)60年代以后的研究表明，含鈰的孕育劑可使鐵液在整個(gè)保持期中增加球數(shù)，使最終的組織中含有更多的石墨球和更小的白口傾向。經(jīng)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(shù)增多的原因可歸結(jié)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(jié)果使鐵液中總的晶核數(shù)量增多。
注意事項(xiàng)
（一）嚴(yán)格要求化學(xué)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(bǔ)償球化，孕育處理時(shí)鐵液溫度的損失。
（三）進(jìn)行球化處理，即往鐵液中添加球化劑。
（四）加入孕育劑進(jìn)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(tǒng)尺寸，合理應(yīng)用冒口，冷鐵，采用順序凝固原則。
（六）進(jìn)行熱處理。
①退火。得到鐵素體基體，提高塑性、韌性，消除應(yīng)力，改善切削性能。
②正火。得到珠光體基體，提高強(qiáng)度和耐磨性。
③調(diào)質(zhì)。獲得回火索氏體的基體組織，以及良好的綜合力學(xué)性能，如主軸、曲軸、連桿等。
④等溫淬火。使外形復(fù)雜且綜合性能要求高的零件獲得下貝氏體的基體組織，以及高強(qiáng)度、高硬度、高韌性等綜合力學(xué)性能，避免熱處理時(shí)產(chǎn)生開裂，如主軸、曲軸、齒輪等。
主要問題
縮孔縮松
球墨鑄鐵由於其糊狀凝固的特徵決定所生產(chǎn)的鑄鐵由於補(bǔ)縮不良經(jīng)常產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷，為了能在鑄件生產(chǎn)以前預(yù)測這些缺陷情況，早在印年代國內(nèi)外就開展了鑄造過程數(shù)值類比。鑄造過程數(shù)值類比是使用數(shù)值類比技術(shù)，在計(jì)算機(jī)虛擬的環(huán)境下類比實(shí)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(yīng)力形成過程、判斷成型過程中主要原素的影響程度，預(yù)測組織、性能和可能出現(xiàn)的缺陷，為優(yōu)化工藝減少廢品提供依據(jù)。
1962年丹麥的Forsund第一個(gè)采用電子計(jì)算機(jī)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。中國于70年代末開始，大連理工大學(xué)、沈陽鑄造研究所率先在國內(nèi)開展了這一技術(shù)的研究，并分別于1980年發(fā)表了研究報(bào)告（郭可韌等，大型鑄件凝固過程的數(shù)字類比，大連工學(xué)院學(xué)報(bào)，1980（2）1─16；沈陽鑄造研究所，鑄件凝固熱場電子計(jì)算機(jī)類比鑄造，1980（1）14─22，此后在國內(nèi)高等院校投入大量人力開展了這項(xiàng)研究。
在“六五”、“七五”期間國家攻關(guān)項(xiàng)目中部有計(jì)算機(jī)在鑄造中應(yīng)用的攻關(guān)項(xiàng)目，“六五”的項(xiàng)目為“大型鑄鋼件凝固控制”、“七五”項(xiàng)目為“大型鑄鋼件鑄造工藝CAD”，組織產(chǎn)、學(xué)、研聯(lián)合攻關(guān)，大大推展了此項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展，清華大學(xué)、華中理工大學(xué)已分別能提供FT─Star和華鑄CAE─Inte 4.0商品化學(xué)的軟體并在三明重型機(jī)器有限公司等單位應(yīng)用，獲得了良好的效果。
計(jì)算機(jī)數(shù)值類比由前處理、中間計(jì)算和后處理三部分組成，包括幾何模型的建立，格點(diǎn)劃分，求解條件（初始條件和邊界條件）的確定，數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果的處理及圖形顯示。其所用的數(shù)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(shù)值類比，主要進(jìn)行鑄造過程的傳熱分析。包括數(shù)值計(jì)算方法的選擇，潛熱處理、縮孔縮撿預(yù)測判別，鑄件、鑄型界面?zhèn)鳠釂栴}處理。
（2）流動場數(shù)值類比，涉及動量、能量與質(zhì)量傳遞，其難度較大。使用的數(shù)值求解技術(shù)有MAC 法、SAMC法，SOLA─AOF法以及SOLA一─MAC法。
（3）鑄造應(yīng)力類比，此項(xiàng)研究開展較晚，主要進(jìn)行彈塑性狀態(tài)應(yīng)力分祈，有Heyn模型，彈塑性模型，Perzyna模型，統(tǒng)一內(nèi)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(jì)算形核數(shù)，分析初晶類型，枝晶生長速度，類比組織轉(zhuǎn)變，預(yù)測機(jī)械性能。有確定性模型，Monte、Cellular、Automaton等統(tǒng)計(jì)法模型、相場模型等。
計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用是迅速發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域，鑄造作為重要的工業(yè)領(lǐng)域之一，理應(yīng)加強(qiáng)投入。研究開發(fā)計(jì)算機(jī)在鑄造研究及生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，徹底改變過去那種“睜眼型式，閉眼澆注”的狀態(tài)，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用也必將會促進(jìn)球墨鑄鐵的應(yīng)用和發(fā)展。
氣孔缺陷
球墨鑄鐵件的生產(chǎn)過程中，在熱處理、拋丸清理后或機(jī)加工時(shí)常會發(fā)現(xiàn)一些直徑大約為0.5-3mm，形狀為球形、橢圓狀或針孔狀內(nèi)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(diǎn)使氣體通道較早被堵塞，也會促進(jìn)皮下氣孔缺陷的形成。
參考資料 >
球墨鑄鐵件砂型鑄造工藝和常見缺陷.無錫德昶.2024-03-08
球墨鑄鐵件-.無錫鑄造 —— 求精新材料集團(tuán)鑄造板塊.2024-03-08
球墨鑄鐵件與高鉻鑄件性能對比.泊頭市河鑄重工科技有限公司.2024-03-08
河南后端灣鑄鐵遺址首次發(fā)現(xiàn)脫碳窯 將我國球墨鑄鐵史提前至少200年_河南要聞_河南省人民政府門戶網(wǎng)站.河南省人民政府.2022-10-24
我國成功制研制球墨鑄鐵類放射性廢物貯運(yùn)容器.國防科技工業(yè)局.2018-09-08