第一節　中錳球墨鑄鐵

最早的球墨鑄鐵出現在1949年，由英國皇家學院用金屬鈰處理鐵水使石墨球狀化，隨后前蘇聯機械科學研究院用鎂處理鐵水制成球墨鑄鐵。此后，各國相繼采用沖入法和壓力包加鎂法以純鎂作球化劑投入生產。隨著進一步研究，人們采用鎂銅合金和鎂硅合金作球化劑，以減緩鎂氣沸騰。這種價格便宜而性能可與鋼相媲美的材料的出現受到全世界的關注，我國也開始球墨鑄鐵的研發。筆者參與了我國球墨鑄鐵的探索試制。通過研究發現即便加鎂過量或孕育不佳而鑄成全白口鑄鐵，經900℃以上退火2h，也能變成完好無損的球狀石墨。所獲得的球墨鑄鐵的顯微組織以珠光體+鐵素體包圍石墨球，被稱為牛眼狀組織。其力學性能近似45號鑄鋼，因而在機械工業中廣泛應用，可取代中碳鑄鋼件。

為了適應冶金、礦山、動力機械、石化機械等行業的多樣需求，在普通球墨鑄鐵的基礎上研究發展具有特殊性能的新型球墨鑄鐵材質和工藝方法。筆者在鉬鎢合金球鐵研究基礎之上，開展了中錳球墨鑄鐵的研究。該鑄鐵可以在工業上很多領域替代鋼材，如采礦業中大型球磨機用磨球每年消耗大量鍛鋼球，用中錳球鐵替代鍛鋼將節約大量資金。此外球磨機襯板、破碎機錘頭以及大型斧頭（鍛鋼斧頭不易淬透淬硬）等方面也有廣泛應用。但實踐中發現中錳球鐵的質量與生產工藝密切相關，如某鑄造廠生產的中錳球鐵磨球硬度僅為HRC38，這主要是由于材質的化學成分和生產工藝不當所引起的。實質上這種硬度較低的中錳球鐵的含錳量大于6％～9％，形成80％以上的奧氏體+碳化物，沒有馬氏體和貝氏體，或者含錳量小于4.5％，形成大量索氏體基體而性脆，從而導致極易斷裂。另一種引起其質量參數較低的原因則可能是其在砂型鑄造中未控制磨球的冷卻過程所造成的，總之是屬于低硬度、不抗磨，在使用過程中易破碎的不合格的中錳球鐵產品。

根據在科研和生產實踐中的總結所掌握的中錳球鐵材料的產品生產技術核心有二。其一，除特大型襯板外，化學成分中含錳量必須限定在4.8％～5.8％范圍內，不可達到或超過6％，也不可小于4.5％，并配合以適宜的碳硅當量。其二，既然要鑄態應用，不對鑄件做熱處理，則仍須遵循其相變規律去控制鑄件的冷卻工藝。

控制鑄件冷卻工藝的原則是使紅熱鑄件從1000℃（最低700℃）在空氣中冷卻，當鑄件變黑（400～450℃）時，使鑄件緩慢冷卻（可堆在一起，也可放入砂坑中）。這種冷卻制度最適于鐵型澆鑄磨球、錘頭、小襯板。如果是砂型則顯然勞動強度大了。澆鑄大襯板時應采用半面（工作面）鐵型，半面潮砂型，可以不熱開箱。若用砂型生產錘頭和襯板，可不須控制鑄件冷卻，做一次正火處理，也是可以獲得良好顯微組織和性能的（900℃、1～2h空冷，不回火）。通過多年的開展中錳球墨鑄鐵研究與生產的經驗，對從科研與生產實踐中取得的認識和經驗工藝技術概括如下。

一、化學成分與顯微組織

化學成分（其中括號內為最佳成分）：碳3.2％～3.5％（3.3％），硅3.4％～3.8％（3.6％），錳4.8％～5.6％（5.2％），鎂0.022％～0.025％（0.024％），磷<0.08％，硫<0.02％，稀土0.02％～0.04％。

按照上述成分制備出的鑄鐵的顯微組織如圖3-1所示，由占基體70％以上的馬氏體和上、下貝氏體包圍球狀石墨+15％的高韌性的奧氏體包圍著10％以下的碳化物，這種組合結構使材質硬而不脆，硬韌和諧，適應沖擊磨損條件。

二、鑄件生產工藝

鐵水的熔煉可以用沖天爐、感應爐、電弧爐或沖天爐與感應爐雙連等；金屬爐料可以用生鐵+廢鋼或生鐵+回爐鐵+廢鋼為基本爐料，配以適量的錳鐵和硅鐵熔成原鐵水，若含錳3％～7％的生鐵為原料則更有利，但所采用金屬原料的化學成分必須明確；待鐵水全熔后，取樣分析碳、錳、硅的含量，不符合要求的成分，應予調整。分析期間應用小電流保溫鐵水。

球化處理是制備球墨鑄鐵的最重要步驟：原鐵水成分合格后，迅速加大電流升溫到1400～1450℃，扒渣出鐵。設鐵水包每包盛鐵水200kg，則球化劑（稀土鎂合金）按0.7％（無須1.2％或1.4％）。一般球鐵計算為1.4kg，事先將該合金打成ф5～10mm小粒，放入紅熱的包底，上面覆蓋100mm厚的干燥的稻草或草袋片，沖入鐵水總量的2/3，然后用鐵鍬向出鐵槽的1/3鐵水流中沖入ф5mm的干熱硅鐵粒，按200kg鐵水的1.4％計算（約為2.8kg），進行孕育石墨化處理。用鋼棒攪拌0.5～1.0min，用鐵勺取樣澆鑄三角試片檢查斷口。

爐前檢驗石墨球化程度可采用兩種方法：一種是用朱氏肉眼觀球法；另一種可用三角試片，將木型的尖部向下壓入潮砂型，取出木型備用。當向砂型中澆入鐵水凝固后，用鉗子夾出三角試片，在空氣中晃動加快冷卻到紫黑色時，淬入水中冷卻到室溫，然后打斷，看斷口。若三角試片尖端有≤5mm白碴，整個斷口呈現出絲絨狀銀灰色，則顯微組織合格（球化良好），如有黑點則球化不良，應用事先準備好的鋼質鐘罩壓入鐵水中0.2％的稀土鎂合金，然后澆鑄。如果試片斷口上呈現出多個條形暗白點（為碳化物），說明硅量太少，應該用鐘罩壓入硅鐵粒（質量分數為0.4％）進行第二次石墨化，或者向手端包中放入硅鐵粉（每個手端包底上放入硅鐵粉200g），沖入鐵水后澆鑄［以每手端包鐵水質量20kg計，即加入硅鐵1/100（鐵水重）］。移開使空冷，全黑時集中緩冷，可大批生產磨球。

三、鑄件造型和冷卻工藝

通過研究中錳球鐵的奧氏體轉變曲線發現必須控制鑄件冷卻速率才能得到理想的顯微組織與性能。鐵水成分為C 3.5％、Mn 5.8％、Si 3.7％、S 0.02％、P 0.10％的中錳球鐵冷卻過程中，650～750℃最易析出珠光體，500～650℃逐次析出索氏體和屈氏體，在320℃左右轉變成上、下貝氏體，在150℃開始轉變成馬氏體，并有一部分殘留的奧氏體。一般450℃～1000鑄件應快速冷卻，如空冷或風冷，在450℃以下鑄件應緩慢冷卻（集中放入沙坑或堆放）。對于襯板、錘頭類產品可經900～940℃正火，全黑后（450℃）入爐緩冷到50℃出爐，或全黑后堆集冷卻。

為適應這種控制冷卻的要求，最好采用鐵型，凝固后即開箱，才便于控制冷卻。若必須使用砂型，據筆者經驗不宜用砂箱的潮砂型，也便于去砂控冷，待鑄件冷卻降至室溫時，打掉冒口清理。此外經驗表明使用成排鐵型，架高500mm，型腔刷石墨涂料，鐵水凝固后開箱，紅球落地后移開使其空冷，待其全黑后緩冷，即可大批量生產磨球。

通過上述工藝制備出的磨球硬度HBN>480～520（低鉻白口鑄鐵的HBN僅320～340）；試片的沖擊韌性α_k為18～22J/cm²（低鉻白口鑄鐵α_k為2～4J/cm²），珠光體球墨鑄鐵的HBN180～220，α_k為8～12J/cm²，可見含Mn 5.4％，按上述工藝生產的中錳球鐵鑄件材質，具有硬韌協同的獨特性質。

四、大襯板生產工藝

以幾何尺寸為730mm×390mm×150mm，單個重量>110kg的大襯板為例，根據體積大、壁厚、質量較重和使用條件的要求，來確定相應的力學性能（硬度和沖擊韌性）。按所要求的性能，選擇適宜的顯微結構。再按照顯微結構的要求，確定合理的化學成分和正確的熔鑄工藝。

1.化學成分

要求襯板的工作面之表層20～25mm處，具有較高的硬度，爭取達到HRC≥55，下箱宜采用鐵型，厚度同襯板的1/2。其后的部位具有HRC50～45的硬度和α_k≥15J/cm²的韌性。這樣，該襯板在使用過程中既不會斷裂又比原ZG42低合金鋼襯板有較長的使用壽命。這種分層的性能需要有分層不同的顯微組織。即表層（25mm內）具有碳化物（40％～50％）+針狀馬氏體+下貝氏體+極少的殘余奧氏體組織。從表層25mm以后的部位具有馬氏體+上、下貝氏體為主+10％～15％的奧氏體基體，<15％粒狀碳化物。石墨為球狀?；瘜W成分宜用C±3.3％，Si±3.5％，Mn6.0％～6.5％。

2.爐前處理

鐵水熔化溫度1500℃，出爐溫度1380℃，處理前鐵水含硅量控制在3％～3.3％。澆鑄溫度1260～1320℃，鐵水包預熱溫度>500℃。包底坑內放置稀土硅鎂合金（Mg 7％～9％）球化劑0.7％（占包內鐵水量），粒度10～20mm。球化劑上面壓蓋干燥的覆蓋物。在沖入包容量2/3的鐵水后，隨其余1/3量的鐵水流沖入孕育（墨化）劑（75 SiFe或SiFe+Si-Ca），質量按鐵水總量的1.4％計（孕育劑應預熱300℃，粒度5mm），采用適宜的覆蓋劑，立即作三角試片測試。若試片斷口尖部有小于5mm白口，余部呈銀灰色且絲絨狀茬口，說明球化良好，而且顯微結構合格，即進行擋渣澆鑄。壁厚小于50mm的小襯板，化學成分宜用C 3.3％～3.5％，Si 3.5％～3.8％，Mn 5.0～5.5％。采用潮砂型，無須半面鐵型?？箾_擊磨損球墨鑄鐵實際應用與有關材料對比結果如表3-1所示。可見中錳抗磨球鐵在實際使用中具有更長的壽命。