由中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)、山東省工業(yè)和信息化研究院、山東省鑄造協(xié)會(huì)聯(lián)合主辦，山東新丞華展覽有限公司承辦的“2023第五屆山東國(guó)際鑄造工業(yè)展覽會(huì)”(簡(jiǎn)稱：山東鑄造展)將于2023年8月18日-20日在青島世界博覽城（青島市西海岸新區(qū)三沙路）舉辦。本屆“山東鑄造展”將繼續(xù)以“鑄造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、高質(zhì)量發(fā)展”為主題，結(jié)合當(dāng)下 鑄造產(chǎn)業(yè)形式，展會(huì)與“山東鑄造轉(zhuǎn)型升級(jí)齊魯行”活動(dòng)相呼應(yīng)，舉全行業(yè)之力以區(qū)域 帶動(dòng)為基礎(chǔ)，技術(shù)、工藝裝備、材料引進(jìn)為方法，發(fā)揮山東裝備制造業(yè)強(qiáng)省優(yōu)勢(shì)，搭建 共創(chuàng)、共享、共贏新氛圍為平臺(tái)，力促鑄造企業(yè)創(chuàng)新與高質(zhì)量發(fā)展為目標(biāo)。展會(huì)期間將舉辦系列論壇活動(dòng)，通過(guò)主題演講、生態(tài)展示、高端對(duì)話等多種方式， 結(jié)合我省鑄造行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，引導(dǎo)企業(yè)少走彎路，實(shí)現(xiàn)鑄造行業(yè)可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展。，今天山東鑄造展組委會(huì)小編就帶大家來(lái)了解一下關(guān)于“山東鑄造展-超高純生鐵在優(yōu)質(zhì)鑄件生產(chǎn)中的應(yīng)用”方面的信息，希望能幫到您。
探討了超高純生鐵在優(yōu)質(zhì)鑄鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用，包括優(yōu)質(zhì)球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和等溫淬火球墨鑄鐵（ADI）鑄件生產(chǎn)。高質(zhì)量的球墨鑄鐵需要影響組織Cr、V、Mo、As其他化學(xué)成分非常低，以減少珠光體和不良碳化物的形成。超高純生鐵生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)球墨鑄鐵在普通顯微鏡下不能觀察到明顯的晶片石墨和珠光體組織，以確保材料在低溫下具有良好的機(jī)械性能。超高純生鐵生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)蠕墨鑄鐵可以大大提高蠕墨鑄鐵的疲勞強(qiáng)度和加工性能。超高純生鐵生產(chǎn)的高質(zhì)量ADI產(chǎn)品能保證材料疲勞強(qiáng)度高。

球墨鑄鐵的發(fā)明大大提高了鑄鐵的性能，開(kāi)啟了球墨鑄鐵的工業(yè)生產(chǎn)時(shí)代。在球墨鑄鐵的生產(chǎn)中，人們了解了原鐵液體的重要性，并進(jìn)行了大量的深入研究。稀土可以消除有害元素的干擾，提高球化率和球墨鑄鐵的性能。這些研究工作主要分為兩個(gè)方面，一是如何通過(guò)添加稀土和其他元素來(lái)消除微干擾元素的破壞，二是如何通過(guò)提高原鐵液體的純度將這些微干擾元素的含量降低到極低，以避免微干擾元素的破壞。本文討論了原鐵液體純度的重要性，指出超高純生鐵是生產(chǎn) 大截面高質(zhì)量球墨鑄鐵、蠕變鑄鐵和ADI重要前提。

高高純生鐵在生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)球墨鑄鐵中起著重要作用

1.對(duì)球墨鑄鐵性能的影響

球墨鑄鐵的生產(chǎn)包括原材料的選擇和化學(xué)成分的控制、球化處理、育種處理和澆注。在這些過(guò)程中，原材料的選擇和化學(xué)成分的控制至關(guān)重要。高質(zhì)量的球墨鑄鐵含有Fe、C、Si、Mn、P和S要求等主要元素P含量≤0.012%、S含量≤0.015%是影響其球化處理的元素Ti、As、Sn、Sb、Pb、Bi、Al對(duì)原料生鐵中促進(jìn)珠光體形成的元素提出了更低的要求Cr、V、Mo、As、Cu、Sn、Pb、Bi、Sb對(duì)微量元素的要求較低。Morrogh認(rèn)識(shí)到一些元素對(duì)球墨鑄鐵石墨的反球化作用，并提出稀土可以減少反球化元素的影響，提高球化率和球墨鑄鐵的性能，但當(dāng)影響球化作用時(shí)Ti、As、Sn、Sb、Pb、Bi、Al當(dāng)元素達(dá)到一定含量時(shí)，添加稀土元素不能消除反球化元素對(duì)球墨鑄鐵的球化影響，因此必須使用超高純生鐵生產(chǎn)高質(zhì)量的球墨鑄鐵零件。

此外，德國(guó)Thielemann反球化指數(shù)結(jié)合大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)K經(jīng)驗(yàn)公式[1]：

K1=4.4（%Ti） 2.0（%As） 2.3（%Sn） 5.0（%Sb） 290（%Pb） 370（%Bi） 1.6（%Al） （1）

當(dāng)反球化指數(shù)K1≤1.0可生產(chǎn)80%以上的球化率，無(wú)明顯片狀石墨，達(dá)到歐洲和ASTM球化標(biāo)準(zhǔn)要求的球墨鑄鐵。但當(dāng)反球化指數(shù)K1＞1.如果反球化指數(shù)為0，就會(huì)出現(xiàn)球化不良現(xiàn)象，需要添加稀土來(lái)增強(qiáng)球化效果K1＞2.在0點(diǎn)，添加稀土元素不能消除不良的球化現(xiàn)象，并產(chǎn)生片狀石墨。

同時(shí)，為了保證鑄件的組織性能，有必要減少珠光體組織的產(chǎn)生，特別是珠光體元素的形成Sn、Pb和Bi風(fēng)電、核電、高鐵球墨鑄鐵等元素的含量必須降低Cr、V、Mo、Ti和B等易和C形成碳化物的元素可以減少碳化物組織對(duì)鑄件低溫沖擊和抗疲勞的影響。

為了保證球墨鑄鐵的含量，減少珠光體組織的出現(xiàn)，有必要嚴(yán)格限制生鐵中的促進(jìn)珠光體元素。促進(jìn)珠光體元素是Mn、Cu、Cr、V、Mo、As、Sn、Pb、Bi、Sb等，可用Thielemann珠光系數(shù)提出PX表示[2]：PX=3.0（%Mn）-2.65（%Si-2.0） 7.75（%Cu） 90（%Sn） 357（%Pb） 333（%Bi） 20.1（%As） 9.60（%Cr） 71.7（%Sb） （2）

因此，為了消除晶片石墨、珠光體和碳化物對(duì)高質(zhì)量球墨鑄鐵的不利影響，原料生鐵需要Ti、Cr、V、Mo、As、Sn、Sb、Pb、B、Al等元素盡可能低。

1.高質(zhì)量球墨鑄鐵生產(chǎn)中純鐵液的實(shí)踐

隨著溫度的降低，球墨鑄鐵韌性也明顯降低，在超低溫（-60～-40℃）在環(huán)境中，不僅機(jī)械性能應(yīng)保持抗拉強(qiáng)度≥400MPa，伸長(zhǎng)率≥更重要的是，18%的低溫沖擊功率≥12J，以高純生鐵、超高純生鐵為主要原料，嚴(yán)格限制P、S、Mn其他有害元素和反球微量元素的含量[3]，嚴(yán)格控制促進(jìn)珠光體和碳化物的微量元素，消除晶體混合和異常石墨，滿足純化零混合球墨鑄鐵的生產(chǎn)要求，滿足鑄件對(duì)沖擊性能的影響。

2007年開(kāi)始開(kāi)發(fā)少量高純生鐵，2010年河北龍鳳山鑄造有限公司采用三精高爐直接恢復(fù)大規(guī)模生產(chǎn)高純生鐵，通過(guò)鐵罐精煉深凈化工藝成功開(kāi)發(fā)生產(chǎn)鑄造超高純生鐵，滿足優(yōu)質(zhì)純零混合球墨鑄鐵對(duì)原材料的需求。

常州華德采用龍鳳山高純生鐵生產(chǎn)球墨鑄鐵，球墨鑄鐵反球化指數(shù)K1＜0.珠光系數(shù)PX＜0.球墨鑄鐵鑄件中12個(gè)微量元素之和ΣT≤0.如圖1所示，09%的鑄件完全消除了共晶團(tuán)邊界的片狀石墨和珠光體。球墨鑄鐵的力學(xué)性能如表1所示。試驗(yàn)表明，這些球墨鑄鐵的性能符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1　QT400-18AL力學(xué)性能和

-60 ℃）







圖1　高速列車轉(zhuǎn)向架軸箱（-60 ℃）QT400-18AL典型的鐵素體球墨鑄鐵石墨和基體組織

1.大截面球墨鑄鐵純鐵液的實(shí)踐

碎石墨是厚截面球墨鑄鐵的嚴(yán)重缺陷，降低了抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，特別是材料在低溫下的機(jī)械性能，包括關(guān)鍵的低溫沖擊功率。因此，大量和持續(xù)的研究一直在進(jìn)行中。研究發(fā)現(xiàn)，加入Bi、Pb、Sb而稀土元素可以減少厚段球墨鑄鐵中的碎石墨，但Bi、Pb和Sb其他元素是強(qiáng)大的珠光體穩(wěn)定元素。添加這些元素可能會(huì)導(dǎo)致珠光體的形成，并考慮球墨鑄鐵中的球墨鑄鐵Bi、Pb和Sb等元素的積累。

2017年，河北龍鳳山鑄造有限公司開(kāi)發(fā)了超高純鑄造生鐵，為高品質(zhì)大截面球墨鑄鐵的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。超高純生鐵已用于實(shí)驗(yàn)研究。Bi、Pb和Sb當(dāng)強(qiáng)珠光體形成元素時(shí)，試驗(yàn)以龍鳳山生產(chǎn)的超高純生鐵為原料，含稀土元素的硅鎂合金經(jīng)過(guò)5次球化處理~6h凝固，澆注成Φ800mm×1000mm，重4.3 t球墨鑄鐵核累燃料儲(chǔ)運(yùn)容器試塊。

試驗(yàn)取樣及結(jié)果見(jiàn)圖2。試塊中心石墨球數(shù)為20~40個(gè)/mm2.石墨具有良好的球形石墨，機(jī)械性能好。見(jiàn)表2，滿足了核電行業(yè)的嚴(yán)格需求。目前，超高純生鐵已用于生產(chǎn)大型斷面核疲勞燃料儲(chǔ)罐。



典型的墨鑄鐵核燃料容器







石墨形狀



超高純生鐵在生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)蠕鑄鐵中的作用

蠕墨鑄鐵作為一種新型鑄鐵材料，與普通灰鑄鐵和鋁合金相比，具有至少75%的抗拉強(qiáng)度、45%的彈性模量和幾乎兩倍的疲勞強(qiáng)度。蠕墨鑄鐵已廣泛應(yīng)用于各工業(yè)部門(mén)，質(zhì)量為2kg到17t，包括排氣歧管和渦輪增壓器外殼、大型固定和工業(yè)動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、底座、支架和聯(lián)軸器、錠模、汽車缸體、底座、支架和聯(lián)軸器、卡車制動(dòng)鼓、泵殼和液壓元件。

蠕墨鑄鐵原鐵液像球墨鑄鐵一樣要求低硫含量(0.005%~0.含磷量(020%).04%)。然而，與球墨鑄鐵對(duì)微量元素的限制不同，蠕墨鑄鐵允許甚至添加有利于蠕蟲(chóng)石墨形成的元素，但需要限制鈦和鉻等碳化物形成的元素。

已證明，如圖3所示，鈦在鑄鐵中形成碳氮化鈦夾雜物有助于裂紋膨脹，降低15%的彎曲強(qiáng)度和[8]的疲勞性能。立方鈦碳氮化物夾雜物比碳化鎢更硬，顯著增加了工具的磨損，大大降低了工具的使用壽命。如圖4所示，鈦含量為0.01%到0.02%的小幅增加會(huì)使加工蠕墨鑄鐵（Compacted grahite iron，簡(jiǎn)稱CGI）刀具的使用壽命降低了約50%。對(duì)于氣缸體、氣缸蓋等需要大量加工的零件，鈦含量必須盡可能低，一般要求小于0.02%至少小于0.04%，否則會(huì)嚴(yán)重影響大規(guī)模生產(chǎn)的加工。




鈦氮化物掃描三




鐵液鈦含量與刀具切削長(zhǎng)度的關(guān)系



鉻能提高鑄鐵的高溫強(qiáng)度，穩(wěn)定珠光體，但能更強(qiáng)地促進(jìn)碳化物的形成。鉻可以形成（Fe，Cr）3C當(dāng)鉻含量超過(guò)0時(shí)，等非常穩(wěn)定的碳化物.10%時(shí)，碳化物在退火過(guò)程中甚至難以消除，嚴(yán)重影響加工性能。因此，鉻不需要作為蠕墨鑄鐵中的珠光體穩(wěn)定劑，鉻含量應(yīng)盡可能低，一般要求低于0.08%。

為了獲得蠕化率超過(guò)80%的蠕墨鑄鐵，國(guó)外通常采用優(yōu)質(zhì)原鐵液生產(chǎn)的生鐵，以保證所需的性能。中國(guó)重汽集團(tuán)濟(jì)南動(dòng)力有限公司、亞新科國(guó)際鑄造(山西)有限公司、四川共享鑄造有限公司、河南奧蘭船舶柴油機(jī)有限公司等一些生產(chǎn)蠕墨鑄鐵的企業(yè)，采用龍鳳山高純生鐵，生產(chǎn)國(guó)內(nèi)外汽車、船舶、動(dòng)力設(shè)備等優(yōu)質(zhì)蠕墨鑄件。

生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)超高純生鐵ADI生產(chǎn)中的作用

ADI它是一種新型的鑄造材料，由球墨鑄鐵通過(guò)等溫淬火獲得，具有高強(qiáng)度和良好的韌性。由于其獨(dú)特的微組織和性能，近年來(lái)發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于安全性能要求高的零件。特別是風(fēng)力渦輪機(jī)有許多部件ADI鑄件。鑄鐵件的幾何形狀相當(dāng)復(fù)雜，有些尺寸相當(dāng)大，服務(wù)條件惡劣，一旦安裝，直到風(fēng)力發(fā)電機(jī)完成服務(wù)。風(fēng)力渦輪機(jī)鑄件比其他行業(yè)更嚴(yán)格、更具挑戰(zhàn)性。在過(guò)去的十年里，風(fēng)力渦輪機(jī)齒輪箱的尺寸越來(lái)越小。隨著尺寸的減小，齒輪箱的扭矩密度增加，對(duì)材料提出了更高的要求。ADI由于其組織中石墨的比例約為10%，相同體積的零件比鍛鋼輕約10%。芬蘭是世界著名的風(fēng)電齒輪箱制造商Moventas公司，認(rèn)為在開(kāi)發(fā)下一代風(fēng)電齒輪箱時(shí)，最可行的解決方案是采用ADI鑄件[10]。事實(shí)上，歐洲多年前一直在開(kāi)發(fā)風(fēng)力 渦輪機(jī)ADI為此，專門(mén)開(kāi)發(fā)了行星齒輪ADI一些北歐國(guó)家正在考慮建造更大的熱處理爐。ADI處理更大的專用熱處理爐ADI為滿足風(fēng)力渦輪機(jī)的需要，零件。

一般來(lái)說(shuō)，材料強(qiáng)度越高，夾雜物和晶界碳化物對(duì)其性能的影響就越嚴(yán)重，尤其是疲勞強(qiáng)度。由于夾雜物和晶界碳化物本身相當(dāng)于裂紋，這是導(dǎo)致裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展和疲勞失效的主要原因。夾雜物尺寸越大，疲勞強(qiáng)度越低，極大地影響了材料在使用過(guò)程中的安全性和可靠性。因此，選擇高純?cè)F液是生產(chǎn)高質(zhì)量的原鐵液ADI鑄件的重要保證。由于對(duì)疲勞性能的嚴(yán)格要求，國(guó)內(nèi)外一些ADI除常規(guī)組織性能檢測(cè)設(shè)備外，鑄件開(kāi)發(fā)廠家還配備了疲勞試驗(yàn)機(jī)等檢測(cè)設(shè)備。

國(guó)外在生產(chǎn)ADI鑄件采用高純?cè)F液，以保證高質(zhì)量的球墨化。目前，一些國(guó)內(nèi)生產(chǎn)ADI鑄件企業(yè)采用龍鳳山定制的超高純生鐵生產(chǎn)ADI汽車安全，因?yàn)樵F液很純，K1值和11種微量元素的總和都很低(高純生鐵K1≤0.26，PX≤0.63.11種微量元素的總含量≤0.05%；超高純生鐵K1≤0.10，PX≤0.28，11種微量元素含量總和≤0.03%)生產(chǎn)的鑄件組織如圖5、6所示，均符合高質(zhì)量ADI鑄件的要求。




超純生鐵ADI石墨組織形組織形式




超純生鐵ADI鑄件的基體組織

4　結(jié)論

(1)高端鑄造件采用超高純生鐵作為鑄造原料，可防止碎石墨的出現(xiàn)，從而提高其機(jī)械性能，特別是低溫沖擊。

(2)純?cè)F液可大大提高蠕墨鑄鐵的疲勞強(qiáng)度和加工性能。

（3）采用純凈原鐵液在生產(chǎn)ADI鑄件，特別是需要高疲勞強(qiáng)度的鑄件ADI鑄件是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。近年來(lái)，對(duì)可再生能源的需求不斷增加，促進(jìn)了風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，特別是大功率渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的快速增長(zhǎng)，這是一種高要求的大截面球墨鑄鐵ADI鑄件帶來(lái)了發(fā)展


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