1． 球鐵的生產(chǎn)和研究現(xiàn)狀
1. 1常規(guī)球鐵
目前常規(guī)球鐵——即以鐵素體和珠光體為基體的球鐵仍占球鐵產(chǎn)量中的絕大部分比例，因此注意提高常規(guī)球鐵的性能和質(zhì)量，在保持球鐵的競(jìng)爭(zhēng)地位中起了重要的作用。
1．1． 1對(duì)影響球鐵質(zhì)量的因素加強(qiáng)控制
球鐵的組織與性能取決于鑄鐵的成份和結(jié)晶條件以及所用球化劑的質(zhì)量，研究認(rèn)為為了確保球鐵的機(jī)械性能，必須針對(duì)鑄件具體壁厚、澆注溫度、所用球化劑、球化處理工藝、冷卻參數(shù)的優(yōu)化以及有效的排渣措施進(jìn)行嚴(yán)格控制，而適當(dāng)?shù)慕档吞籍?dāng)量，合金化和熱處理是改善球鐵的有效措施。
1．1．2有效控制鐵素體球鐵和球光體球鐵的生產(chǎn)
控制球鐵基體的主要因素有鑄鐵的成份、所用球化劑、孕育劑的類型，加入方法以及冷卻條件等。
鑄態(tài)鐵素體球鐵的成份控制
微過(guò)共晶成份，其中碳稍高，但不出現(xiàn)石墨漂浮，含硅稍低，孕育劑硅量應(yīng)少于3%，錳越低越好，應(yīng)使Mn<0.04%，硫、磷應(yīng)低，使S≤0.02%、 P≤0.02％，這是因?yàn)楣杩筛纳魄蜩F組織和相應(yīng)的塑性，Si=3.0～3.5%可得到全部鐵素體組織。有研究指出，Si=2.6～2.8％時(shí)，鑄鐵具有高的延伸率和沖擊韌性，但硅在鐵中的顯微偏析隨著含磷量的增加，這種偏析越嚴(yán)重，并對(duì)機(jī)械性能有不良影響，特別是當(dāng)溫度低于零度時(shí)影響更大，而含硫低可以選用低鎂低稀土球化劑球化，并減少“黑斑”缺陷的產(chǎn)生，而“黑斑”主要是鎂、鈰硫化物和氧化物的聚集物，此外也要用低硅球化劑以保證可以進(jìn)行多次孕育。
對(duì)珠光體球鐵而言，在生產(chǎn)時(shí)鑄鐵成份中錳可提高至0.8～1.0％，有些鑄件如果是用作耐磨性曲軸時(shí)，錳可提高至1.2～1.35％，生產(chǎn)鑄態(tài)珠光體元素銅。加入量大于1.8%時(shí)，它阻礙石墨球化，但促進(jìn)基體完全珠光體化，一般球鐵中銅含量應(yīng)小于1.5%，錫是強(qiáng)烈的珠光體化元素，其對(duì)硬度的影響大于銅和錳，但Sn≥1.0%時(shí)使石墨畸變，因此其含量應(yīng)限制在0.08％以下。
1.1.3 稀土在球鐵中的作用
稀土能促進(jìn)鎂合金的球化效果（球化率和球的圓整度），它對(duì)壁厚球鐵件中防止球狀石墨畸變的效果受到了重視，這也是國(guó)內(nèi)外球化劑中都包含稀土的主要原因之一。
在鑄件中有些元素能破壞和阻礙石墨球化，這些元素即所謂的球化干擾元素，干擾元素分為兩類，一是消耗球化元素型干擾元素，它們與鎂、稀土生成MgS、MgO、MgSe、RE2O3、RE2S3、RE2Te3等，使球化元素降低從而破壞了球狀石墨形成；另一類是晶間偏析型干擾元素，包括錫、銻、砷、銅、鈦、鋁等在共晶結(jié)晶時(shí)，這些元素富集在晶界，促進(jìn)使碳在共晶后期形成畸形的枝晶狀石墨 ，球化干擾元素原子量越大，其干擾作用越強(qiáng)，現(xiàn)在許多研究都已找到了干擾元素在鑄鐵中的臨界含量，當(dāng)這些元素含量小于臨界含量時(shí)，并不能形成畸變石墨。
在有干擾元素的鑄鐵中，加入稀土可消除其干擾作用，有研究報(bào)告指出在鑄鐵中干擾元素之和應(yīng)小于0.10％即z=Ti+Cr+Sb+V+As+Pb+Zn+…<0.10%
有研究指出，中和鐵水中的Al、Sb、TI、Pb、Bi、等只要分別加入0.005～0.04%Ce即可，例如，中和Ti、Pb、Sb、Al等只要分別加入0.005~0.007%、0.014%、0.15%和0.008%的Ce即可。
干擾元素在鑄件壁厚，冷卻速度慢的情況下破壞作用更大。
干擾元素對(duì)球鐵基體也有影響，Te、B強(qiáng)烈促進(jìn)白口形成，Cr、As、Sn、Sb、Pb、Bi穩(wěn)定珠光體，Al、Zr促進(jìn)鐵素體。
值得注意的是，目前正在發(fā)展一些球化元素與干擾元素復(fù)合球化劑，以改善大斷面球鐵的處理效果及石墨球的圓整度。
1.1. 4球鐵檢測(cè)加強(qiáng)
球鐵檢測(cè)是保證其質(zhì)量的重要措施，目前正在研究發(fā)展線分析，即產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行分析，以確定其質(zhì)量，已有不少單位在大批量生產(chǎn)條件下利用超聲波對(duì)鑄件質(zhì)量進(jìn)行分析。
在利用超聲波測(cè)定鑄鐵組織時(shí)，片狀石墨的聲速為4500m/s、蠕墨鑄鐵為5400m/s、球墨鑄鐵5600m/s，此外在鑄鐵中高頻衰減率的變化也可判斷鑄鐵類型，球鐵中心頻率為5MHz而片狀鑄鐵僅為1.5MHz。目前還有單位正在用超聲波作球化級(jí)別的測(cè)定，已可測(cè)定合格的球化級(jí)別和不合格的產(chǎn)品（3級(jí)和4級(jí)之間），但還不能進(jìn)行更細(xì)分級(jí)測(cè)定，此方法正在完善中。
1．2奧——貝球鐵
20世紀(jì)70年代，荷蘭、中國(guó)、美國(guó)彼此獨(dú)立地，幾乎是同時(shí)宣布各自研究成功了貝氏體球鐵，中國(guó)研究成功的是下貝氏體，美國(guó)為下貝氏體＋馬氏體，荷蘭為上貝氏體＋奧氏體，荷蘭成果具代表性，即現(xiàn)在所稱的奧——貝球鐵。1977年M.Jokason宣布荷蘭的Kgmi Kgmmene公司所屬的karkkila鑄造廠開(kāi)發(fā)了一種特性優(yōu)異的新型鑄鐵，即奧——貝球鐵，并在1978年召開(kāi)第45屆國(guó)際年會(huì)上宣讀了有關(guān)論文，此一發(fā)明在美、英、法、加等13個(gè)國(guó)家申請(qǐng)了專利（美國(guó)專利號(hào)：3860457，荷蘭專利1996/72，原西德專利2852870），引起了各國(guó)重視，被譽(yù)為近幾十年來(lái)鑄鐵冶金中的重大成就之一。
奧——貝球鐵兼?zhèn)涓邚?qiáng)度、高韌性和高耐磨性。如英國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)有NE-GJS-800-8，EN-GJS-1000-5，EN-GJS-1400-1。
奧——貝球鐵成份與常規(guī)球鐵成份相同，球化劑和處理工藝也相同，其差別是必須進(jìn)行等溫淬火處理，等溫淬火溫度不同時(shí)可分別獲得上貝氏體＋奧氏體，下貝氏＋奧氏體，下貝氏＋馬氏體等不同基體。這種鑄鐵成本高、生產(chǎn)難度較大，目前應(yīng)用面雖在不斷擴(kuò)大，但其總量并不大，被人們稱之為21世紀(jì)材料。
2．球化劑的現(xiàn)狀
球化劑是目前獲得球鐵的主要手段之一，在志包鋼稀土一廠共同完成國(guó)家攻關(guān)課題“稀土三劑系列化”時(shí)，我校課題組對(duì)世界上100多個(gè)球化劑生產(chǎn)廠，國(guó)內(nèi)主要合金生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)研，取得了英、美、法、德、日、前蘇聯(lián)、印度等十幾個(gè)國(guó)家50多家合金生產(chǎn)廠的產(chǎn)品樣本及國(guó)內(nèi)主要球化劑生產(chǎn)廠的產(chǎn)品樣本，為對(duì)比國(guó)內(nèi)外球化劑性能及今后球化劑生產(chǎn)改進(jìn)提供了依據(jù)。
2．1球化劑的類型
按生產(chǎn)方式分有下述幾種
(1)球化劑的類型
包括鎂硅系合金、稀土鎂硅系合金、鈣系合金(日本用的較多)，鎳鎂系合金、純鎂合金、稀土合金。
上述合金中目前世界上用的為廣泛的是稀土鎂硅鐵合金，但中國(guó)合金中RE/Mg的比值范圍大(0.5~2.2)，國(guó)外的合金RE/Mg的比值范圍小(0.1~0.3)。中國(guó)合金中稀土大于等于鎂含量的占多數(shù)，小于鎂含量的占少數(shù)，而國(guó)外(除前蘇聯(lián)一些合金外)球化劑合金中的稀土含量幾乎都小于鎂含量，因此稀土三劑系列化課題組建議除保留FeSlMg8E18外(此合金是效果優(yōu)良的蠕化劑)，其它全部球化劑中RE/Mg≤1，隨后修訂的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中采納了這個(gè)建議。
鈣鎂球化劑主要是日本生產(chǎn)和應(yīng)用，如日本信越(SHIN—ETSU)生產(chǎn)的鈣系合金NC5、NCl0、NCl5、NC20、NC25中鎂含量從4~28％變動(dòng)，但鈣含量變化較小，其變化范圍為20~31%；此類合金白口傾向小，但要求處理溫度高，處理后渣量大。
鎳鎂合金在美洲、歐洲均有應(yīng)用，美國(guó)國(guó)際鎳公司生產(chǎn)的鎳鎂合金高達(dá)82~85%，其中Mg、Ca分別為13~16，及20，鎳低的57~61%(其中Mg4.0~4.5％，Ca<2.5，F(xiàn)e32~36)。德國(guó)金屬化學(xué)公司生產(chǎn)的鎳鎂合金中Ni47~51％，Mgl5~17％，C1.0％Si28~32%,RE1.0%余Fe。這些合金的優(yōu)點(diǎn)是比重大，反映平穩(wěn)，鎳可起合金化作用，其特點(diǎn)是價(jià)格貴，這種合金在中國(guó)基本沒(méi)有應(yīng)用。
鎳硅系合金目前在中國(guó)基本上已不用。純鎂合金處理時(shí)要用專用的壓力加鎂包，鎂的吸收率高，但處理安全措施要極為嚴(yán)格，生產(chǎn)中應(yīng)用比例較小。
稀土是發(fā)明球鐵時(shí)使用的球化劑，它的發(fā)現(xiàn)推進(jìn)了球鐵工業(yè)應(yīng)用的進(jìn)程。但價(jià)格高，白口傾向大，過(guò)量會(huì)使石墨變態(tài)，現(xiàn)在己不作為球化劑單獨(dú)使用，僅作為輔助球化元素。
(2)壓塊狀球化劑
用鎂粉和鐵粉及所設(shè)計(jì)的硅含量直接加壓成型，這種球化劑中含硅很低，通常稱為低硅壓塊狀球化劑，因而為后續(xù)的孕育提供了大的余地，有利于生產(chǎn)鑄態(tài)球鐵，但這種合金易漂浮，處理效果波動(dòng)大，處理時(shí)好跟塊狀球化劑混合使用。
(3)包芯線型球化劑
將鎂粉、鐵粉包覆在薄鋼板或鋼板中，將其快速送入鐵水中達(dá)到球化目的，這種球化劑較貴，且設(shè)備投資大，但處理時(shí)合金吸收率高，因此處理球鐵的總成本幾乎沒(méi)有提高。
(4)粉狀球化劑
這種球化劑是俄羅斯的一個(gè)專利，使用時(shí)將鎂粉與抑制劑混合放入包內(nèi)，并使鐵水從合金表面上流過(guò)，逐層與合金反映達(dá)到球化效果，這種專門工藝稱之為MC。
2．2球化劑的應(yīng)用
目前國(guó)內(nèi)外在球鐵生產(chǎn)中主要應(yīng)用火法冶煉的合金，壓塊球化劑、包芯線球化劑、粉狀球化劑應(yīng)用的很少，火法冶煉的球化劑在生產(chǎn)中應(yīng)用占90％以上，目前這類合金中增加Ba、Ca、Cu、Ni等以達(dá)到控制基體目的，對(duì)合金中的氧化鎂含量已有限量指標(biāo)?，F(xiàn)對(duì)中國(guó)33個(gè)典型工廠和美國(guó)77個(gè)工廠生產(chǎn)球鐵工廠進(jìn)行對(duì)比分析。
中國(guó)33個(gè)工廠的基本情況是：33個(gè)工廠總計(jì)有36個(gè)熔爐，其中電爐(中頻、工頻、電弧爐)9個(gè)占25％，沖天爐22個(gè)占61％，沖天爐一電爐雙聯(lián)熔煉廠4個(gè)占11％，高爐1個(gè)占3％，球鐵處理溫度大于1500℃，4個(gè)占11％，1450~1500℃，20個(gè)占56％，1350~1400℃，6個(gè)占16．7％，1300~1350℃，2個(gè)占5.6%；大于1270℃1個(gè)占2.7％；鐵水含硫量小于等于0．03％占20％；處理方法中沖入法占94％，噴吹法占3％，壓力加鎂法3％，用量大的6#合金Mg8RE8占46％，其次為Mg8RE5占37％，Mg9RE5占11％。美國(guó)77個(gè)工廠的基本情況是：
熔化設(shè)備沖天爐占30%，感應(yīng)電爐占63％，球化處理溫度1482~1538℃占75%；原鐵水在球化處理前有50％工廠采用預(yù)脫硫工藝，有90％的工廠S小于0．025%，球化處理方法中在美國(guó)大工廠中沖入法占36％，而小廠(小于200噸/周)沖入法僅占22％，壓入法、多孔塞法、型內(nèi)處理法、Tundish蓋包法、壓力加鎂法則占絕大部分比重，使用的球化劑中含鎂大于％的占8．2％Mg4~6％占63．3，含鎂小于4％占16．4％純鎂占5％，其它的鎂合金占8．2％。
資料表明中國(guó)生產(chǎn)球鐵方面還有不小的差距，美國(guó)生產(chǎn)的電爐可保證球化處理所需要的高溫，一般經(jīng)預(yù)脫硫，含硫量低，質(zhì)量要優(yōu)于我國(guó)處理球鐵的質(zhì)量，因此處理球鐵可用低鎂、低稀土球化劑，而且質(zhì)量控制也嚴(yán)格，包括使用衰退時(shí)間控制器。