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稀土球化劑的質(zhì)量和選用(1)
球墨鑄鐵現(xiàn)在幾乎在所有的鑄鐵廠都有生產(chǎn)，而作為生產(chǎn)球墨鑄鐵必不可少的球化劑亦越來越受到普遍關(guān)注。不同的生產(chǎn)條件選擇什么樣的球化劑，或者說什么樣的球化劑好，已成為球化劑生產(chǎn)廠和使用廠常年探討或爭論不休的問題。本文從球化劑的生產(chǎn)和使用兩個角度來探討說明什么樣的球化劑是好的，應(yīng)該在鑄造過程中如何選用球化劑，也就是球化值得的判定和選用問題。
1、球化劑及球化元素的作用
盡管國內(nèi)外球化劑的種類很多，但在我們國內(nèi)目前應(yīng)用多的還是稀土鎂類合金，現(xiàn)主要論述該類合金及其球化元素的作用。
1、1球化元素及反球化元素
1、1、1球化元素的作用
所謂球化元素是指那些能夠促進石墨球狀化、使石墨球生成或增加的元素。球化元素一般有以下共同性質(zhì)：(1)元素外電子層上有一個或兩個價電子，次內(nèi)層有8個電子。這種電子結(jié)構(gòu)使元素與硫、氧和碳有較強的親和力，反映產(chǎn)物穩(wěn)定，能顯著減少鐵水中的硫和氧。(2)元素在鐵水中溶解度低，凝固過程中有顯著偏析傾向。(3)雖然和碳有一定親和力，但在石墨晶格內(nèi)溶解度低。根據(jù)以上特點，Mg,Ce,Y,Ca屬于有效球化元素。
Mg：一是在鐵水中蒸氣壓力高，使鐵水佛騰。鎂的原子量和密度比鐵水小，熔點650度，沸點1108度，在鐵水的處理溫度下，鎂產(chǎn)生的蒸氣壓力很高(超過1Mpa).鎂的熔解熱為21J/g,蒸發(fā)潛熱為406J/g。因此，鎂加入鐵水時，要產(chǎn)生汽化，使鐵水翻騰。二是與硫、氧有很強的親和力。所生成的MgO和MgS熔點高，密度也遠小于鐵，容易與鐵水分離，因此鎂處理后的鐵水，硫和羊的含量都很低；三是在鐵水凝固過程中有偏析于石墨的傾向，當其在鐵水中的殘留量超過0.035%時，石墨就可以球化，但當鎂殘留量超過0.07%時，一部分鎂偏析于晶界，并于晶界中的碳、磷等發(fā)生放熱反應(yīng)，生成MgC2、Mg2C3、Mg3P2等。殘留鎂量更多時，晶間碳化物增多。
Re：稀土族元素對石墨球化有顯著作用的是輕稀土元素中的鈰和重稀土中的釔。
一是稀土元素的沸點均比鎂高，加入鐵水中時，不會引起鐵水的翻騰和噴濺；
二是鈰和釔基稀土元素有比鎂更強的脫硫脫氧能力，生成的硫化稀土、氧化稀土等化合物熔點高、穩(wěn)定性好；
三是，稀土元素與鐵水中的球化干擾元素也能形成穩(wěn)定的化合物，因此含稀土的球化劑比鎂球化劑的抗干擾能力強。
稀土元素殘留量對石墨球化有明顯的影響。輕稀土處理過共晶鐵水，當殘留鈰含量0.04%時，石墨就可以球化，而且很穩(wěn)定；處理亞共晶鐵水時，輕稀土加入量要增加。輕稀土處理得球鐵，石墨圓整度比鎂處理得球鐵要差，并出現(xiàn)碎塊狀石墨；另外輕稀土處理得球鐵白口傾向大，因此需要控制其加入量。重稀土釔本身熔點高，其脫氧除硫產(chǎn)生的氧化物、硫化物在高溫下比較穩(wěn)定，因此其抗球化衰退能力很強。1400度的鐵水保溫1小時，球化率降低不超過10%，含硫0.06%的鐵水，用釔基重稀土合金處理后，能得到完整的球狀石墨。鐵水中殘留釔0.10—0.15%，石墨球化良好；低于此限度，隨釔量減少一次出現(xiàn)不規(guī)則石墨和蠕蟲狀石墨；殘留釔超過0.15而低于0.30%時，白口傾向逐漸增大，石墨圓整度變差，并在更高殘留量時出現(xiàn)YTe4。
Ca：鈣在鐵水中的溶解度很低，它對金相組織的影響是通過與氧和硫的結(jié)合而間接實現(xiàn)的。與鎂相比，鈣與硫、氧的親和力更強，能夠有效的脫硫除氧。鈣殘留量很低時，石墨分枝傾向增加，殘留量較多時，可是使石墨尺寸減小，分枝傾向降低。鈣殘留量達到0.2%時，白口傾向明顯加大
1、1、2反球化元素(球化干擾元素)的作用
該類元素主要是指破壞和阻礙使石墨球化的元素，按其作用機理大概可以分三類：
一是消耗型反球化元素，如硫、氧、硒、碲等，它們與鎂、稀土元素生成化合物，通過消耗球化元素來阻止球狀石墨的形成。
二是境界偏析的球化干擾元素，包括錫、銻、砷、銅、硼、鈦、鋁等，這些元素富集到晶界，促使碳在共晶后期結(jié)晶時，形成畸形的枝晶狀石墨，如果這些元素含量較高，也可在共晶中期促成石墨畸變，形成團狀或厚片狀石墨。
三是一些中間球化干擾元素，如鋁、鉍，它們在含量較低時主演通過偏析作用促成石墨畸變，含量較高時也能消耗球化元素。另外，反球化元素對球鐵基體也有不同的影響。Te\B強烈促進白口的形成，As\Sn\Sb\Pb\Bi穩(wěn)定珠光體，Al\Zr促進鐵素體形成，Se無影響。
1、2球化元素的配置和球化劑的種類鎂、稀土和鈣，是目前公認的有促進石墨球化的能力，但如何結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實際來制備和使用，既球化劑的球化能力，又要在生產(chǎn)中容易制取，原料經(jīng)濟，使用方便，便成為配制和使用球化劑的的原則。稀土球化劑的質(zhì)量和選用(2)
1、2、1球化元素的配置
——成分配制原則和特點:要有強烈的球化能力，著顯然要以鎂為主，鎂的沸點低，加入鐵水中可以使鐵水劇烈翻騰，反應(yīng)上下均勻；配成合金后增加比重，使其在鐵水中不易上浮，可以減少鎂的氧化和燒損。
——消化中和反球化元素能力，稀土元素有有很強的脫硫除氣、凈化鐵水和消除反球化元素的能力，而且我國稀土資源豐富，獲取原料成本較低。
——球化劑反應(yīng)平穩(wěn)，易于操作。鈣雖然不能作為秋化劑單獨使用，但用它和和鎂、稀土配成復(fù)合球化劑，就既可以減少球化劑中MgO的含量，使球化處理平穩(wěn)，還可以減少因稀土造成的較大白口傾向。因此，配制球化劑成分的原則和特點，就是要發(fā)揮各種球化元素的長處，來提高球化效果，并通過調(diào)整球化元素的含量來滿足不同生產(chǎn)條件、不同結(jié)構(gòu)鑄件的需求。
1、2、2球化劑的種類
按照球化和反球化元素配置的原則，國內(nèi)外曾先后開發(fā)了多種球化劑，大體上有以下幾種：
——純鎂：這是國外常用的球化劑，國內(nèi)應(yīng)用比較少。壓力加鎂制取球鐵，優(yōu)點和缺點同樣明顯。
——銅鎂、鎳鎂：我國早期使用的該合金，但成本高，回爐料中銅和鎳積累難以控制，造成韌性下降。
——硅鎂鐵合金：一般鎂含量低3.5—4.5%，高10—15%，常用的合金是鎂5—10%、硅42—47%，其余為貼。含鎂量越低，球化反應(yīng)越平穩(wěn)，鎂回收率越高(含鎂4%的能比9%個合金鎂回收率提高10%)，但是低鎂球化劑是鐵水的增硅量加大。該球化劑是用于處理硫和反球化元素含量較低的鐵水，澆注中等斷面厚度的鑄件。目前在國內(nèi)要大批量用于制造球墨鑄鐵將會與我國鑄造企業(yè)的生產(chǎn)條件和原材料采購產(chǎn)生一定的矛盾。
——稀土鎂類合金：包括稀土硅鎂、稀土鈣鎂、稀土銅鎂等合金，是我國工程技術(shù)人員立足我國實際，在六十年代初研制開發(fā)的稀土鎂類系列合金球化劑，它們綜合了各種球化元素的優(yōu)缺點，尤其是稀土鎂鈣合金，是目前國內(nèi)應(yīng)用量大面廣的主要球化劑，從而走出了一條適合我國國情的球墨鑄鐵制造技術(shù)道路。
2、球化劑質(zhì)量的生產(chǎn)控制要點
目前，國內(nèi)使用的稀土球化劑按照加工制造方法主要有火法冶煉、包芯線法、壓塊法、機械混合法等，而火法冶煉是后面幾種方法的基礎(chǔ)，也是生產(chǎn)稀土球化劑的主要方法。利用該方法生產(chǎn)球化劑，質(zhì)量控制要點主要有以下幾方面：
2、1原材料準備
——稀土硅鐵合金：這是球化劑中稀土元素的來源，要求不潮濕、不粉化、成份均勻、無夾雜物。以含稀土23-30%的稀土硅鐵為常用。有資料介紹高硅稀土硅鐵(俗稱一步法生產(chǎn)的稀土硅鐵，含硅55%)和常用的低硅稀土硅鐵(俗稱兩步法生產(chǎn)的稀土硅鐵，含硅36-44%)用來生產(chǎn)球化劑，實驗室條件下，所制取的球鐵組織、性能基本相當，都能滿足生產(chǎn)要求。只是前者抗拉強度稍高，后者鐵素體量較多，在使用時要加以注意。當然，這還需要工業(yè)化批量生產(chǎn)的進一步驗證。
——金屬鎂：鎂在合金中主要以Mg-Si合金相狀態(tài)存在，這有利于減少鎂的氧化燒損。合金中的鎂還可以分為有效鎂和無效鎂，無效鎂主要就是指氧化鎂，因此，要求原材料金屬鎂必須純度高(一級鎂，含鎂99.7%以上)，雜質(zhì)少，不能氧化。
——硅鐵：要求低鋁，組織致密，無粉化、無夾雜物，國標75以下牌號的硅鐵難熔且雜質(zhì)多，不宜使用。
——硅鈣、硅鋇：主要是要確定控制住合金中Ca、Ba的含量，其加入量少了會增加無效氧化鎂的含量，造成球化劑使用時燃燒劇烈、白口傾向加大、衰退也快。
——廢鋼：一般使用碳素鋼，硅鋼也可以，禁止使用其他合金鋼，因為其中的合金元素可能是反球化元素，生產(chǎn)是不好控制。另外，要求廢鋼無油無銹無污責(zé)，尤其是鐵銹容易被鎂還原為氧化鎂。
稀土球化劑的質(zhì)量和選用(3)
2、2熔煉過程控制
一是加料順序要正確。要注意不讓鎂和廢鋼鐵料直接接觸。要讓熔點低的鎂熔化后首先與硅作用生成Mg-Si相，以減少鎂的燒損。
二是熔制的成分要均勻。除利用中頻爐的自身感應(yīng)攪拌外，還要人工適時適力的攪拌，以使合金成分在冶煉過程中均勻化。冶煉過程中要防止“跑鎂”、“棚料”和“碰爐”現(xiàn)象發(fā)生。
三是合金錠厚要適當。合金液體澆注冷卻后的錠厚如果太薄，其表面積大，合金冷卻過程中容易造成更多的鎂燃燒氧化，如果太厚，則因為合金元素的比重不一樣，容易造成凝固過程中成分偏析。適宜的厚度一般在10—15MM。
四是篩分粒度要分級。凝固后的合金錠在破碎篩分前要進行表面清理氧化物、以及挑出夾雜物。并根據(jù)用戶的鐵水包大小，把粒度分級包裝，但不能有合金粉子存在。
2、3化學(xué)成分檢驗
一個合格的球化劑，除了外觀致密、沒有夾雜物等之外，更重要的還是其化學(xué)成分的含量及均勻性。
球化劑中，除了常規(guī)的Re,Mg,Si,Ca等元素的分析之外，生產(chǎn)廠和使用廠常常忽略了對合金中MgO的分析。這也與沒有統(tǒng)一的MgO分析標準有關(guān)，同一種合金在不同的廠家用不同的分析方法，得出的成分結(jié)論不一樣。這就要求合金生產(chǎn)廠和鑄造廠用戶要達成一個統(tǒng)一的驗收分析標準來共同遵守。
3、球化劑質(zhì)量的評價
什么樣的球化劑是好的？這往往會成為諸多鑄造廠的常年話題。其實，可以說，球化劑沒有好的，只有適合的，適合自己的就是好的。那么，到底該如何評價球化劑的質(zhì)量哪？
有資料從球化元素在鐵液中的反應(yīng)熱力學(xué)、反應(yīng)動力學(xué)和球化劑生產(chǎn)過程質(zhì)量影響因素、鑄造廠使用過程工藝影響因素，提出了判定球化劑質(zhì)量的標準如下：
(1) 球化元素與鐵水中硫、氧等元素的親和力。親和力強，并與之形成化合物，作為鐵液凝固過程中的外來核心，如稀土、鎂、鈣等球化元素。
(2) 球化元素改變石墨形態(tài)由片狀變?yōu)榍驙畹哪芰Α?/p>
(3) 球化劑的密度、沸點均低于鐵液。密度小能夠在鐵液中自動上浮，沸點低于鐵液處理溫度，鎂能在該處理溫度下轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，有自攪拌作用，從而改善球化效果。
(4) 球化劑中氧化鎂含量等于鎂含量的10%左右。
(5) 球化劑致密、無偏析、無縮孔縮松、不粉化。
(6) 球化劑粒度分布均勻，無粉狀合金，鈍角多變形顆粒為好。
(7) 上述條件基本涵蓋了球化劑生產(chǎn)和使用過程中的質(zhì)量要求，因此可以作為供需雙方判定質(zhì)量的統(tǒng)一標準。
4、球化劑的選用
以上球化劑的質(zhì)量評價標準，也可以說就是我們選用球化劑的依據(jù)，但那是按照普遍原理、普遍現(xiàn)象來說明，具體到球化劑的選用問題，現(xiàn)按照我們鑄造廠的習(xí)慣來進行分析。
鑄造廠在球化劑使用中遇到多的普遍問題主要有：
(1) 球化劑成分不準，并且波動。
(2) 球化劑粉化合金粒度不合要求。
(3) 球化劑不致密、上浮快，燒損嚴重。
(4) MgO含量過高，反應(yīng)過于激烈，球化處理不良，球化劑加入量過大。
(5) 球化處理后衰退快。
(6) 球化后白口傾向大。
那么，究竟選用什么樣的球化劑才可以避免以上問題哪？
這當然要根據(jù)本廠的熔煉條件、鑄件結(jié)構(gòu)、組織和性能要求等條件，具體問題具體分析。為了敘述方便，本文按以下類型劃分。
4、1熔煉條件
沖天爐熔制球鐵，在我國約有80%比例的企業(yè)采用，因為沖天爐鐵水溫度低、含硫及其他雜質(zhì)高，需要球化劑較強的脫硫和去渣能力，因此宜選用高牌號的球化劑，如FeSiMg10Re7,FeSiMg8Re7,FeSiMg8Re5；而對于電爐或者“雙聯(lián)”鐵水熔制球鐵，較常用低稀土低鎂含量的球化劑，如含Mg1-6、Re4-8的球化劑。
4、2鑄件厚薄大小
不同壁厚、不同重量的鑄件因為其凝固冷卻條件不一致，那么對球化劑的選擇也不能一樣。對于薄壁小件，凝固快、過冷度大，適宜球狀石墨生長，同時也很容易出現(xiàn)碳化物，增加白口傾向，當殘余鎂超過0.07%時，更易產(chǎn)生碳化物，因此宜選用低稀土、低鎂球化劑；而對于厚大斷面球鐵件(壁厚在100mm以上)，由于中心部位凝固速率小，存在球化衰退現(xiàn)象，易選用高牌號球化劑或者提高球化劑加入量(比一般球鐵的殘余鎂含量高0.01—0.02%)。但是殘留稀土過高也會引起爆裂裝石墨和反白口現(xiàn)象，因此又有研究在鐵水中加入少量反球化元素(如0.005%的銻，或者鉍、錫)來中和過量的稀土元素。還有就是選擇釔基重稀土球化劑，它比鈰系球化劑抗衰退能力強，白口傾向也小。
4、3珠光體和鐵素體鑄件
影響球鐵組織中珠光體含量的主要因素有凝固組織特點、通過共析區(qū)冷卻速率、碳硅含量、合金元素種類和含量等。凝固組織中石墨球少、尺寸大，不利于碳的充分擴散，有利于增加珠光體，減少鐵素體；奧氏體含炭量高、鑄件冷卻速率大都有增加珠光體的傾向。選用含有銅、銻或鎳的球化劑或在鐵水中加入銅、銻、鎳、錫等元素，都可以穩(wěn)定珠光體組織。而對于鐵素體球鐵一定要控制這些元素的含量，另外，由于稀土元素增加鐵水的過冷傾向，生產(chǎn)鐵素體鑄件時，適宜選用稀土含量低的球化劑(Re含量不宜高于5%)。稀土球化劑的質(zhì)量和選用(4)
5、球化劑應(yīng)用不當造成的常見缺陷 鑄件缺陷諸如夾雜、孔洞、裂紋(指氣孔、鎖孔、裂紋、冷隔等)常常影響著鑄件的力學(xué)性能、物理和化學(xué)性能、加工性能，決定了鑄件的質(zhì)量高低。球鐵件幾乎可能產(chǎn)生所有的鑄造缺陷，但由于其生產(chǎn)方式、結(jié)晶規(guī)律、鑄造性能和其他鑄造合金不同，導(dǎo)致球鐵常出現(xiàn)一些特有的缺陷。
那么與球化劑有關(guān)的球鐵件缺陷，或者說由于球化劑的因素引起球鐵件缺陷有哪些?
本文研究表明，幾乎所有的球鐵件缺陷都與球化劑有關(guān)。這主要有以下幾方面：
(1)石墨球異化：石墨球異化出現(xiàn)不規(guī)則石墨，如團塊狀、蝌蚪狀、蠕蟲狀、角狀或其他非圓球狀。這是由于球狀石墨沿輻射方向生長時，局部晶體生長模式和生長速率偏離正常生長規(guī)律所致。鑄件中殘余球化元素量超出應(yīng)有范圍時，如殘余鎂太高，超過了保持石墨球化所需的低量時，也會影響石墨結(jié)晶條件，就容易產(chǎn)生蝌蚪壯石墨。而殘余稀土較多時，高碳當量鐵水易產(chǎn)生碎塊石墨，碎塊石墨的集中區(qū)域一般稱做“灰斑”。而蠕蟲狀石墨的出現(xiàn)則是由于球化元素殘余量不足或者含有超限的鈦和鋁。
(2)石墨漂?。哼^共晶成分的厚壁球鐵件中，在澆注位置頂部，常常出現(xiàn)一個石墨密集區(qū)域，即“始末漂浮”現(xiàn)象，這是由于石墨與鐵水密度不同，過共晶鐵水直接析出的石墨受到浮力作用向上所致。石墨漂浮程度與碳當量、球化元素的種類及殘留量、鑄件凝固時間、澆注溫度等因素有關(guān)系。鎂能使球鐵的共晶含碳量提高，碳當量相同的鐵水，提高其殘余鎂量就能減少石墨漂浮，殘留稀土量過高，有助于爆裂狀石墨的升成。
(3)反白口：一般鑄鐵件的白口組織容易出現(xiàn)在冷卻較快的表層、尖角、披縫等處，反白口缺陷則相反，碳化物相出現(xiàn)在鑄件中等斷面心部、熱節(jié)等部位。球化元素殘余量過多時，有促進反白口缺陷產(chǎn)生的作用，稀土元素強于鎂，它們一般都能增加球鐵組織形成時的過冷度。
(4)皮下針孔：皮下針孔內(nèi)主要含有氫，也有少量一氧化碳和氮。殘余鎂量過高時，也同時加強了從濕型中吸收氫的傾向，因而產(chǎn)生皮下針孔的幾率增加。另外，球化鐵水停留時間長也能增加針孔的數(shù)量。
(5)縮孔縮松：縮孔常出現(xiàn)在鑄件后凝固部位(熱節(jié)處、冒口頸與鑄件連接處、內(nèi)角或內(nèi)澆口與鑄件連接處)，是隱蔽于鑄件內(nèi)部或與外表連通的孔洞?？s松，宏觀的出現(xiàn)在熱節(jié)處，細微的收縮孔洞，大多是孔洞內(nèi)部互相連通。與球化元素有關(guān)的是，要控制殘余鎂和稀土不能過高，這對減少宏觀和微觀縮松都有明顯效果，縮松傾向幾乎與球化元素成正比。
(6)黑渣：它一般發(fā)生在鑄件的上部(澆注位置)，主要分為塊狀、繩索狀和細碎黑渣。黑渣的主要成分硅酸鎂，是由鐵水中MgO和SiO2反應(yīng)生成的，并受其相對含量的影響。因此，作為控制黑渣的措施之一就是減少鎂的殘余量(加鎂0.15%時，渣總量約占鐵水重量的0.1%)，而殘余稀土因與氧有很強的親和力，在減少黑渣方面有明顯的效果。
(7)球化衰退：這是由于球化鐵水停留時間較長，殘留鎂逐漸減少，熔渣沒有及時扒除，硫還會回到鐵水中，使凝固組織中的石墨減少甚至消失，衰變?yōu)椴灰?guī)則狀、蠕蟲狀或片狀石墨。這種球化衰退與球化劑中稀土含量較低、或者球化劑加入量偏低有一定的關(guān)系，但緊靠增加其加入量也很不可取，因為鎂殘余量高了，熔渣量和滲碳體都會增加，在厚大斷面中還會使石墨球蛻變?yōu)轵蝌綘钍Ｉa(chǎn)實踐表明：原鐵水含硫量低對防止球化衰退才是有效的。包括還有的球鐵件缺陷，幾乎都與球化劑的成分和加入量有關(guān)系，但我們不能指望球化劑解決很多問題，更不能解決所有問題，因為球化元素的作用以及球化劑的加入量都是利弊共存的，球化劑只是球墨鑄鐵穩(wěn)定生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的一個很重要的因素，只有和其他配套措施結(jié)合在一起，才能夠穩(wěn)定的進行球化處理。
稀土球化劑的質(zhì)量和選用(5)
6、穩(wěn)定球鐵生產(chǎn)的配套措施
要穩(wěn)定生產(chǎn)球鐵件，選用一種適宜的球化劑是至關(guān)重要的，但不是的因素。一般來說，什么球化劑都可以成功的生產(chǎn)出球鐵。但要穩(wěn)定的生產(chǎn)出球鐵件，其實就是個系統(tǒng)工程，本文稱作球鐵穩(wěn)定生產(chǎn)控制系統(tǒng)，出正確選用球化劑外，還需要以下配套措施：
(1)正確的球化處理工藝。其中包括選用處理方法、設(shè)計處理包、球化劑的放置、鐵水沖入處理包的方式等。球化處理方法現(xiàn)在有沖入法、包蓋法、喂絲法、壓力加鎂法、型內(nèi)球化等10多種，但作為稀土鎂類球化劑常用沖入法進行球化處理，但鐵水不能直接沖向合金。處理包的高度一般為其直徑的1.5—2倍，不能采用粗矮狀包，包的底部應(yīng)設(shè)有堤壩，堤壩一邊空間能夠放置所有緊實后的球化劑和覆蓋材料，
(2)確立適宜的球化劑加入量和球化元素殘余量。球化劑加多少為宜，反應(yīng)后到底該殘余的球化元素含量多少為好，也常常成為求鐵件生產(chǎn)時的一個老大難。現(xiàn)在的企業(yè)對車間生產(chǎn)成本都進行控制和考核，總是希望球化劑加入量越小越好，否則就埋怨球化劑不好使用。事實上，球化劑的加入量要依照預(yù)期設(shè)計的殘余球化元素的含量來控制，而殘余球化元素則要根據(jù)具體的鑄件結(jié)構(gòu)、球化等級和性能要求等來確立，一般球化元素殘余量在Mg0.04—0.06%、Re0.02—0.03%時，可以獲得無碳化物、球化良好的鑄件，中等厚度(50—100mm)鑄件比薄壁的殘余Mg可增加0.01%，厚壁鑄件可以提高到0.050—0.08%。厚斷面鑄件鈰基輕稀土超過0.006%，其心部出現(xiàn)碎塊狀始末，應(yīng)限制其加入量而好代之以釔基稀土球化劑，殘余釔含量應(yīng)小于0.018%。
(3)選擇合理的原鐵水化學(xué)成分。球鐵件化學(xué)成分選擇的出發(fā)點是應(yīng)充分考慮鑄件的基體組織、性能要求、壁厚結(jié)構(gòu)以及是否鑄態(tài)使用等。推薦成分如下：
鐵素體球鐵推薦成分
球鐵件類型CSiMn≤P≤S≤其他 鐵素體鑄態(tài) 3.5-3.9 2.5-3.0 0.250.070.02 退火 3.5-3.9 2.0-2.7 0.400.070.02
珠光體球鐵推薦成分球鐵件類型
球鐵件類型CSiMn≤P≤S≤其他 珠光體鑄態(tài)3.6-3.8 2.1-2.5 0.40-0.55 0.070.02Cu0.5-1.0 Mo0.3-0.7正火3.5-3.7 2.0-2.4 0.40-0.80 0.070.02
上述成分是爐前球化處理后符合鑄件要求的成分，原鐵水的成分與這些含量會有變化，具體是：C要高些，一般情況是球化處理后的減碳量為原鐵水的5-8%，殘余鎂越高，則減碳量越多，這是由于球化處理過程中，鐵水溫度快速降低，部分初生石墨漂浮并與鐵水中的硫化鎂、硅酸鎂等結(jié)合而轉(zhuǎn)入熔渣；Si在原鐵水中的含量一般遠低于球鐵件終硅量，這是由于球化劑、孕育劑帶進Si(處理過程中損失轉(zhuǎn)入熔渣一部分后，帶進它們總含量的70-80%)，原鐵水中的Si實際含量與預(yù)期值一般波動0.10-0.15%；Mn在處理后的減少量約為原鐵水中含量的3-8%；P含量在處理前后基本不變化；S屬于有害元素，原鐵水中應(yīng)該是越低越好。
稀土球化劑的質(zhì)量和選用(6)
原鐵水中反球化元素的允許含量如下：銻0.002%,鉍0.002%,鉛0.002%,硒0.03%,鈦0.07%,碲0.02%。
Al容易使鑄件產(chǎn)生氣孔；生產(chǎn)高韌性球鐵時，促進珠光體和碳化物形成的元素應(yīng)盡量少，如銅、銻、鎳、錫等。
(4)保持適宜的鐵水處理溫度和澆注溫度。球化處理過程中，熔化合金、鎂氣化、二次孕育、銻水翻騰輻射傳導(dǎo)、鎂在鐵水表面燃燒、脫硫反應(yīng)和硅氧化反應(yīng)等，約將地鐵水溫度85-95度，因此鐵水爐前處理溫度要高于澆注溫度110-130度，處理溫度過高會加劇鎂的燒損，回收率不穩(wěn)定，造成球化不良。澆注溫度要根據(jù)鑄件壁、復(fù)雜程度、補縮要求、同一包鐵水要澆注的砂型數(shù)量、鑄件重量、是否需要二次孕育等因素來定，厚大件不宜超過1320度，薄壁件在1320-1350度就可以，低溫澆注可能使鑄件產(chǎn)生諸如夾渣、冷隔、鎖孔等缺陷。出爐溫度壁爐前處理高出20-30度就可以。溫度過高時，可以在包中稍作停留。
(5)脫硫。球化處理雖然能使硫脫到預(yù)期含量，但高硫貼水處理后易產(chǎn)生較多的硅酸鎂夾渣、“黑渣”缺陷、“回硫”現(xiàn)象等，降低球鐵的球化率。含硫超過0.1%的原鐵水雖然也能生產(chǎn)出合格的球鐵件，但代價是球化劑、去渣劑加入量高，球化等級低，因此，用脫硫劑對沖天爐高硫鐵水進行脫硫預(yù)處理是穩(wěn)定生產(chǎn)球鐵的有效措施之一，至于是否采用預(yù)脫硫，每個廠要結(jié)合實際從經(jīng)濟上、技術(shù)上進行全面地衡量比較。
(6)孕育不衰退。球化后的鐵水在較高過冷度下轄凝固時，易產(chǎn)生白口組織，因此需要進行孕育處理。 ——孕育劑，常用孕育劑主要是硅鐵，但要Si的含量在70%以上，通常國標75就可以，因為低牌號硅鐵雜質(zhì)和Al等有害元素多。目前，又出現(xiàn)一些含Ca,Ba,Sr,Bi和Re等元素的復(fù)合孕育劑。山東華晨有限公司生產(chǎn)的鑄態(tài)鐵素體和鑄態(tài)珠光體專用孕育劑就是一種強墨化、反白口、抗衰退、脫硫脫氧能力強的復(fù)合長效孕育劑。(見下標)——孕育工藝，孕育劑好，更需要準確地加入量、正確的處理工藝。孕育劑加入量與鐵水成分、出爐和澆注溫度、處理后停留時間、鑄件厚薄、澆注時間等有關(guān)；孕育方法常用的就是覆蓋在球化劑上面，另外還有二次孕育、浮硅孕育、型內(nèi)孕育和喂絲孕育等?！杏ネ?，這是孕育處理中相伴相生的問題。為了避免這個問題，措施有：孕育劑成分并且沒有夾雜，粒度適宜，選擇長效孕育劑，處理方法得當?shù)取?/p>
(7)爐前快速分析。比如購置光譜分析儀，能夠及時快捷的指導(dǎo)鐵水成分調(diào)整、爐前處理以及組織性能的跟蹤監(jiān)控。
(8)計算機集成技術(shù)應(yīng)用。鑄造生產(chǎn)是一種材料通過“固態(tài)-液態(tài)-固態(tài)”的轉(zhuǎn)變，一次性成型來完成產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝過程。利用計算機模擬球鐵鑄造工藝過程，即鑄造工藝CAD，來模擬凝固過程、充型過程和鑄件熱應(yīng)力、微觀組織數(shù)值，實現(xiàn)鑄造工藝的優(yōu)化設(shè)計，提高設(shè)計的質(zhì)量和科學(xué)性、縮短設(shè)計的周期、鑄件質(zhì)量和提高經(jīng)濟效益。同時，推行計算機集成制造系統(tǒng)(CMIS),綜合運用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子商務(wù)、系統(tǒng)工程技術(shù)，將球鐵生產(chǎn)過程中的采購、設(shè)備、技術(shù)、質(zhì)量、人員和其他生產(chǎn)經(jīng)營管理要素編入數(shù)據(jù)庫，使物流、人流、信息流有機集成，達到鑄件生產(chǎn)整體優(yōu)化，從而實現(xiàn)鑄造行業(yè)的優(yōu)質(zhì)、低耗運行。
球墨鑄鐵與球化劑的現(xiàn)狀和發(fā)展 球墨鑄鐵問世至今已有52年，其發(fā)展迅速之快令人驚訝，即使在經(jīng)濟不景氣的情況下，球鐵仍然有所發(fā)展，有人稱球墨鑄鐵為不適當退卻中的勝利者，指出：球墨鑄鐵由于其高強度、高韌性和低價格，所以在材料市場上仍占有重要的地位，盡管幾年來鋼鐵鑄造總產(chǎn)量有所下降，但球鐵產(chǎn)量并未下降，奧——貝球鐵的出現(xiàn)增強了球鐵的競爭地位。
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，在保持球鐵的競爭地位中起了重要的作用。
1.1. 1對影響球鐵質(zhì)量的因素加強控制??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，研究認為為了確保球鐵的機械性能，必須針對鑄件具體壁厚、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行嚴格控制，而適當?shù)慕档吞籍斄浚辖鸹蜔崽幚硎歉纳魄蜩F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%，這是因為硅可改善球鐵組織和相應(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，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，這種偏析越嚴重，并對機械性能有不良影響，特別是當溫度低于零度時影響更大，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可以進行多次孕育。
對珠光體球鐵而言，在生產(chǎn)時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，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，它阻礙石墨球化，但促進基體完全珠光體化，一般球鐵中銅含量應(yīng)小于1.5%，錫是強烈的珠光體化元素，其對硬度的影響大于銅和錳，但Sn≥1.0%時使石墨畸變，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
稀土能促進鎂合金的球化效果(球化率和球的圓整度)，它對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，這些元素富集在晶界，促進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，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，當這些元素含量小于臨界含量時，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。??干擾元素對球鐵基體也有影響，Te、B強烈促進白口形成，Cr、As、Sn、Sb、Pb、Bi穩(wěn)定珠光體，Al、Zr促進鐵素體。??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球鐵檢測加強??球鐵檢測是其質(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)過程中進行分析，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鑄件質(zhì)量進行分析。??在利用超聲波測定鑄鐵組織時，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別的測定，已可測定合格的球化級別和不合格的產(chǎn)品(3級和4級之間)，但還不能進行更細分級測定，此方法正在完善中。
1.2奧——貝球鐵
20世紀70年代，荷蘭、中國、美國彼此獨立地，幾乎是同時宣布各自研究成功了貝氏體球鐵，中國研究成功的是下貝氏體，美國為下貝氏體＋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年召開第45屆國際年會上宣讀了有關(guān)論文，引起了各國重視，被譽為近幾十年來鑄鐵冶金中的重大成就之一。
奧——貝球鐵兼?zhèn)涓邚姸?、高韌性和高耐磨性。如英國的標準有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，其差別是必須進行等溫淬火處理，等溫淬火溫度不同時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)用面雖在不斷擴大，但其總量并不大，被人們稱之為21世紀材料。
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攻關(guān)課題“稀土三劑系列化”時，我校課題組對世界上100多個球化劑生產(chǎn)廠，國內(nèi)主要合金生產(chǎn)進行調(diào)研，取得了英、美、法、德、日、前蘇聯(lián)、印度等十幾個50多家合金生產(chǎn)廠的產(chǎn)品樣本及國內(nèi)主要球化劑生產(chǎn)廠的產(chǎn)品樣本，為對比國內(nèi)外球化劑性能及今后球化劑生產(chǎn)改進提供了依據(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，但中國合金中RE/Mg的比值范圍大(0.5~2.2)，國外的合金RE/Mg的比值范圍小(0.1~0.3)。中國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，隨后修訂的標準中采納了這個建議。
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，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，美國國際鎳公司生產(chǎn)的鎳鎂合金高達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)點是比重大，反映平穩(wěn)，鎳可起合金化作用，其特點是價格貴，這種合金在中國基本沒有應(yīng)用。
鎳硅系合金目前在中國基本上已不用。純鎂合金處理時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格，生產(chǎn)中應(yīng)用比例較小。
稀土是發(fā)明球鐵時使用的球化劑，它的發(fā)現(xiàn)推進了球鐵工業(yè)應(yīng)用的進程。但價格高，白口傾向大，過量會使石墨變態(tài)，現(xiàn)在己不作為球化劑單獨使用，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，處理效果波動大，處理時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到球化目的，這種球化劑較貴，且設(shè)備投資大，但處理時合金吸收率高，因此處理球鐵的總成本幾乎沒有提高。
(4)粉狀球化劑
這種球化劑使用時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，逐層與合金反映達到球化效果，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等以達到控制基體目的，對合金中的氧化鎂含量已有限量指標?，F(xiàn)對中國33個典型工廠和美國77個工廠生產(chǎn)球鐵工廠進行對比分析。
中國33個工廠的基本情況是：33個工廠總計有36個熔爐，其中電爐(中頻、工頻、電弧爐)9個占25%，沖天爐22個占61%，沖天爐一電爐雙聯(lián)熔煉廠4個占11%，高爐1個占3%，球鐵處理溫度大于1500℃，4個占11%，1450~1500℃，20個占56%，1350~1400℃，6個占16.7%，1300~1350℃，2個占5.6%；大于1270℃1個占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77個工廠的基本情況是：??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%。
資料表明中國生產(chǎn)球鐵方面還有不小的差距，美國生產(chǎn)的電爐可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)量控制也嚴格，包括使用衰退時間控制器。
我國從90年到現(xiàn)在球化劑生產(chǎn)已有了很大變化，稀土鎂合金標準經(jīng)過修訂，對合金中的RE作了重大調(diào)整，除保留Mg8RE18以外，其它合金中Mg/Re均大于1，工廠使用的合金中稀土量有所下降，Mg8RE5—7的合金應(yīng)用大量增加，電爐也增加了不少，但原鐵水中的含硫量變化不大，預(yù)脫硫工藝未有效地推廣，因此我國球化劑中Mg、BE仍處在較高的水平上，新的球化處理工藝在我國推廣不多，如在美國占有很大比例的Tundish蓋包法在我國幾乎還未得到應(yīng)用，這些都是我國球鐵生產(chǎn)廠待解決的問題。
2.3球化劑在使用中的問題及質(zhì)量因素控制指標
影響球化劑質(zhì)量的因素有：成分、粒度、形狀、密度、MgO含且等。
這里僅就火法冶煉生產(chǎn)的球化劑分析，例舉不少工廠使用中反映的問題：
(1) 球化劑成分不準。
(2) 球化劑粉化合金粒度不合要求。
(3) 球化劑密度波動大、有些球化劑上浮快，反應(yīng)過于激烈，安全無。
(4) MgO含量過高，球化處理不良，球化劑加入量過大。
(5) 球化處理后衰退快。
(6) 球化后白口傾向大。??要解決上述問題，應(yīng)從兩方面入手：
一是合金生產(chǎn)廠提供質(zhì)量合格的產(chǎn)品。首先要完善氧化鎂分析問題，其次嚴格控制原材料，控制促進合金粉化的元素和干擾元素，加強管理，第三要嚴格執(zhí)行準確的冶煉工藝，控制好影響球化劑質(zhì)量的主要指標，第四是提供用戶所要求的粒度。
另一方面對生產(chǎn)的工人進行培訓(xùn)，讓它們懂得合金特性及準確的使用方法。生產(chǎn)中的問題與生產(chǎn)工人素質(zhì)直接相關(guān)，有些工人只是教什么做什么，不能舉一反三，這是不行的。需要合金生產(chǎn)廠家和使用廠家的配合，普及提高對球鐵的認識和生產(chǎn)技術(shù)水平，這樣才能使我國球鐵生產(chǎn)保持良好的發(fā)展勢頭。
3.計算機在球鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用
球鐵由于其糊狀凝固的特征決定所生產(chǎn)的鑄鐵由于補縮不良經(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)值模擬.鑄造過程數(shù)值模擬是使用數(shù)值模擬技術(shù)，在計算機虛擬的環(huán)境下模擬實際鑄件形成過程，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因素的影響程度，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個采用電子計算機模擬鑄件的凝固過程，此后美國、英國、德國、日本、法國等相繼開展了這方面的研究。我國于70年代末開始，大連理工大學(xué)、沈陽鑄造研究所率先在我國開展了這一技術(shù)的研究，并分別于1980年發(fā)表了研究報告(郭可韌等，大型鑄件凝固過程的數(shù)字模擬，大連工學(xué)院學(xué)報，1980(2)1—16；沈陽鑄造研究所，鑄件凝固熱場電子計算機模擬，鑄造，1980(1)14—22，此后在我國高等院校投入大量人力開展了這項研究，在“六五”、“七五”期間攻關(guān)項目中部有計算機在鑄造中應(yīng)用的攻關(guān)項目，“六五”的項目為“大型鑄鋼件凝固控制”、“七五”項目為“大型鑄鋼件鑄造工藝CAD”，組織產(chǎn)、學(xué)、研聯(lián)合攻關(guān)，大大推動了此項技術(shù)在我國的發(fā)展，目前清華大學(xué)、華中理工大學(xué)已分別能提供FT—Star和華鑄CAE—Inte CAST4.0商品化學(xué)的軟件并在三明重型機器有限公司等單位應(yīng)用，獲得了良好的效果。
計算機數(shù)值模擬由前處理、中間計算和后處理三部分組成，包括幾何模型的建立，格點劃分，求解條件(初始條件和邊界條件)的確定，數(shù)值計算，計算結(jié)果的處理及圖形顯示。其所用的數(shù)值模擬的基本方法主要是有限差分法，有限元法和邊界元法。目前鑄造中應(yīng)用的較多的領(lǐng)域是：
1) 凝固過程數(shù)值模擬，主要進行鑄造過程的傳熱分析。包括數(shù)值計算方法的選擇，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)值模擬，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)力模擬，此項研究開展較晚，主要進行彈塑性狀態(tài)應(yīng)力分祈，目前有Heyn模型，彈塑性模型，Perzyna模型，統(tǒng)一內(nèi)變量模型等。
4) 組織模擬，目前尚處起步階段。分宏觀、中觀和微觀模擬。能計算形核數(shù)，分析初晶類型，枝晶生長速度，模擬組織轉(zhuǎn)變，預(yù)測機械性能。目前有確定性模型，Monte、Cellular、Automaton等統(tǒng)計法模型、相場模型等。
計算機及其應(yīng)用是目前迅速發(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)加強投入。研究開發(fā)計算機在鑄造研究及生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，徹底改變過去那種“睜眼造型，閉眼澆注”的狀態(tài)，計算機的應(yīng)用也必將會促進球墨鑄鐵的應(yīng)用和發(fā)展。
球墨鑄鐵與球化劑的現(xiàn)狀和發(fā)展的論文2007-3-18 來源：機電商情網(wǎng)編輯一部 收藏此信息 推薦給好友 球墨鑄鐵問世至今已有52年，其發(fā)展迅速之快令人驚訝，即使在經(jīng)濟不景氣的情況下，球鐵仍然有所發(fā)展，有人稱球墨鑄鐵為不適當退卻中的勝利者，指出：球墨鑄鐵由于其高強度、高韌性和低價格，所以在材料市場上仍占有重要的地位，盡管幾年來鋼鐵鑄造總產(chǎn)量有所下降，但球鐵產(chǎn)量并未下降，奧——貝球鐵的出現(xiàn)增強了球鐵的競爭地位。
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，在保持球鐵的競爭地位中起了重要的作用。
1．1． 1對影響球鐵質(zhì)量的因素加強控制
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，研究認為為了確保球鐵的機械性能，必須針對鑄件具體壁厚、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行嚴格控制，而適當?shù)慕档吞籍斄浚辖鸹蜔崽幚硎歉纳魄蜩F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)[2]
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％，這是因為硅可改善球鐵組織和相應(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，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，這種偏析越嚴重，并對機械性能有不良影響，特別是當溫度低于零度時影響更大，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可以進行多次孕育。
對珠光體球鐵而言，在生產(chǎn)時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，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，它阻礙石墨球化，但促進基體完全珠光體化，一般球鐵中銅含量應(yīng)小于1.5%，錫是強烈的珠光體化元素，其對硬度的影響大于銅和錳，但Sn≥1.0%時使石墨畸變，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
稀土能促進鎂合金的球化效果（球化率和球的圓整度），它對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，這些元素富集在晶界，促進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，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，當這些元素含量小于臨界含量時，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。
干擾元素對球鐵基體也有影響，Te、B強烈促進白口形成，Cr、As、Sn、Sb、Pb、Bi穩(wěn)定珠光體，Ａl、Zr促進鐵素體。
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球鐵檢測加強
球鐵檢測是其質(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)過程中進行分析，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鑄件質(zhì)量進行分析。
在利用超聲波測定鑄鐵組織時，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別的測定，已可測定合格的球化級別和不合格的產(chǎn)品（３級和４級之間），但還不能進行更細分級測定，此方法正在完善中。
