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球墨鑄鐵件是繼鑄鋼件之后另一技術(shù)創(chuàng)新

返回列表 來源:無錫市鑄造廠 瀏覽:- 發(fā)布日期:2019-03-07 08:53:51【
鑄鋼件使人類文明進(jìn)進(jìn)了鐵器時代。球墨鑄鐵件的誕生,是繼人類發(fā)明煉鋼技術(shù)之后,在玄色金屬應(yīng)用技術(shù)方面又一次大的技術(shù)創(chuàng)新,是20世紀(jì)材料科學(xué)最重大的技術(shù)進(jìn)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(dú)特技藝沒有流傳至今?,F(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產(chǎn)業(yè)應(yīng)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)青年科研職員麥里斯(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(biāo)準(zhǔn)鎳硬鑄鐵明顯進(jìn)步了韌性,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(xué)性能十分優(yōu)異,這次試驗標(biāo)志著球鐵的正式研究成功。此后INCO在保密狀態(tài)下進(jìn)行了五年系統(tǒng)的中間試驗。

2莫勒論文的發(fā)表推進(jìn)現(xiàn)代球鐵技術(shù)的公布及應(yīng)用

經(jīng)過五年深進(jìn)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(HentoMorrgh)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(jìn)行實質(zhì)性審查,并于1949年10月25日批準(zhǔn)授予加鎂球鐵專利權(quán)。接著又于當(dāng)年11月15日批準(zhǔn)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(jìn)了現(xiàn)代球鐵技術(shù)的公然及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的進(jìn)程。1948年6月14日在紐約Jamestown可鍛鑄鐵公司首次采用INCO技術(shù),澆注了1300lb66in門路試塊和一批鑄件,為福特汽車公司可否用于制造曲軸提供技術(shù)評價,從此拉開了球墨鑄鐵產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的序幕。

3INCO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(shù)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進(jìn)2.4%,處理鐵液3500lb,用75%Si-Fe孕育,轉(zhuǎn)包沖進(jìn),澆注柴油機(jī)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(biāo)準(zhǔn)并由麻省理工學(xué)院泰勒教授主持召開了球墨鑄鐵學(xué)術(shù)會議,促進(jìn)了推廣應(yīng)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)??偖a(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(shù),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(shè)立麥里斯獎學(xué)金以鼓勵創(chuàng)造性的冶金學(xué)新秀。




 

二、現(xiàn)代球鐵在我國的早期研究和應(yīng)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(xué)院上海冶金陶瓷所和清華大學(xué)王遵明教授分別在上海、撫順兩地進(jìn)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進(jìn)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,采用鐘罩壓進(jìn)法處理球鐵;1953年我國又把握了補(bǔ)加鐵水的方法,以彌補(bǔ)鐘罩壓進(jìn)法鐵水溫降大的缺點(diǎn)。大部分工廠采用鐘罩壓進(jìn)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(xué)與一機(jī)部機(jī)械院等有關(guān)單位組成的合作研究機(jī)構(gòu))、大連造船廠、天津拖拉機(jī)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(yīng)用,基本成熟和完善了。

2以曲軸為代表的球鐵零件的應(yīng)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(jī)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(jī)廠、南京汽車廠、天津動力機(jī)廠、天津拖拉機(jī)廠相繼開展了試驗研究工作,并陸續(xù)鑒定投產(chǎn)。一機(jī)部汽車局于1957年11月在天津動力機(jī)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(shù)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(yīng)用,標(biāo)志著我國的球鐵作為一種工程材料登上了機(jī)械產(chǎn)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(xué)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(dāng)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(jī)轉(zhuǎn)子和水輪機(jī)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(dāng)于現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度一般在70kgf/mm2以下,鐵素體球鐵的延伸率均勻不超過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(diǎn)是C、Si、Mn低,S、P高,由于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(yīng)我國當(dāng)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(jī)部機(jī)械院與南京汽車廠、無錫柴油機(jī)廠等單位,采用稀土合金和鎂作復(fù)合球化劑,研究成功具有我國資源特點(diǎn)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(jī)廠正式投進(jìn)生產(chǎn)。由于復(fù)合球化劑反應(yīng)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進(jìn)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(jī)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(jī)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(shù),以后又召開多屆年會,交流球鐵新成果。

進(jìn)進(jìn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn);研究開發(fā)了適應(yīng)球鐵大量流水生產(chǎn)的先進(jìn)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(dá)到國際水平,離心鑄管產(chǎn)量也逐年增長,使我國逐步邁進(jìn)球鐵生產(chǎn)大國的行列。

4球鐵基礎(chǔ)理論及基礎(chǔ)技術(shù)的研究

在球化理論方面,哈工大、中科院物理所、華中工學(xué)院、鎮(zhèn)江農(nóng)機(jī)學(xué)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(jìn)手段進(jìn)行試驗,并系統(tǒng)地提出了自己的觀點(diǎn):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;石墨天生的結(jié)構(gòu)機(jī)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(diǎn)豐富了原有的球化理論,并對原鐵水質(zhì)量控制、公道選擇球化劑、加強(qiáng)孕育、防止球化不良和衰退產(chǎn)生等生產(chǎn)實際題目都有非常重要的指導(dǎo)意義。

在石墨形貌方面,清華大學(xué)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熟悉。

在球鐵基本性能方面,鄭州機(jī)械所、北京鋼鐵學(xué)院、北京市機(jī)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消息態(tài)力學(xué)、使用、加工等性能,為公道選用球鐵材質(zhì)制造服役條件惡劣零件(如齒輪等)提供了科學(xué)數(shù)據(jù)。

三、球鐵生產(chǎn)技術(shù)的最新進(jìn)展及發(fā)展方向

綜觀國內(nèi)外球鐵生產(chǎn)及其技術(shù)近一、二十年的發(fā)展,有八個方面的進(jìn)展及動向分別先容如下。

1球鐵產(chǎn)量和比例逐年增長,是增幅最大的鑄件品種

主要產(chǎn)業(yè)國家球鐵產(chǎn)量的比例均已達(dá)到30%左右;中國約比產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國家低1倍,但增幅最快,產(chǎn)量增長7倍,比例增長3倍。

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(jìn)技術(shù),穩(wěn)定進(jìn)步球鐵大量流水生產(chǎn)質(zhì)量

汽車產(chǎn)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(shù)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(jìn)技術(shù):

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(chǔ)。采用鑄造焦、熱風(fēng)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(jìn)技術(shù)。

b專用球化劑、孕育劑及公道的球化、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(jìn)的型砂是進(jìn)步鑄件內(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,進(jìn)步鑄件尺寸精度和降低粗糙度。

另外,為了適應(yīng)多品種變批量的生產(chǎn)方式,還需應(yīng)用快換模板、快調(diào)澆口、通氣針和型砂定量等技術(shù)。

綜合采用上述成套技術(shù),我國主要汽車鑄造廠的工藝及裝備已達(dá)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(dá)7萬噸),靜態(tài)性能可穩(wěn)定達(dá)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(dá)到QT600-10,正火后可達(dá)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(qiáng)度高、塑性好、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn),故在供水、輸氣管道中大量應(yīng)用。產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)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(dá)DN2000mm×8000mm和DN2600mm×4000mm的鑄管。

我國近十多年來引進(jìn)和研制了一批離心球鐵管生產(chǎn)線,生產(chǎn)能力已達(dá)70萬噸,年銷售量約30萬噸,已占球鐵總量的20%以上。其中新興鑄管團(tuán)體公司產(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。

4等溫淬火球鐵成為球鐵系列的最新成員

70年代初,美國、中國、芬蘭幾乎同時發(fā)表了等溫淬火球鐵的科研成果,研究內(nèi)容涉及成分及原始組織控制、鑄態(tài)獲得貝氏體組織的方法、等溫淬火工藝選擇、等溫淬火設(shè)備及自動檢測,使用性能系統(tǒng)測試及優(yōu)選,在典型零件(齒輪、閘瓦、車輪、磨球、磨盤等)上的應(yīng)用等。

等溫淬火球鐵是力學(xué)性能等級最高的球鐵品種,也是一類球鐵的總稱。其強(qiáng)韌性、硬度可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)變化,其金相組織亦相應(yīng)沿上貝氏體+奧氏體→下貝氏體+奧氏體→下貝氏體→下貝氏體+馬氏體→馬氏體+下貝氏體方向變化……

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