我國高純生鐵的研制、生產(chǎn)與應(yīng)用

4/17我國高純生鐵的研制、生產(chǎn)與應(yīng)用劉武成1,白佳鑫1,馬敬仲2,曾藝成2（1、河北龍鳳山鑄業(yè)有限公司2、原北京第一機(jī)床廠3、中國機(jī)械科學(xué)研究院總院）我國研制與生產(chǎn)高純生鐵的背景2000～2002我國上海浦東建造高速磁懸浮列車,因未采用高純生鐵,在生產(chǎn)磁懸浮列車的球墨鑄鐵復(fù)合連接體時產(chǎn)生了眾多困擾。表1為球鐵復(fù)合連接體的技術(shù)要求。表1磁懸浮連接體技術(shù)要求性能技術(shù)要求抗拉強(qiáng)度（MPa）≥500伸長率（%）≥13低溫沖擊值（J）10J（-20℃）我國中標(biāo)企業(yè)因廢品率較高難以生產(chǎn)，二次要求降低標(biāo)準(zhǔn)，第一次將-20℃沖擊值由10J降至4J，第二次又將伸長率由13%降至11%，見表2表2修改后的磁懸浮連接體技術(shù)要求性能技術(shù)要求抗拉強(qiáng)度（MPa）500伸長率（%）11低溫沖擊值（J）4J（-20℃）經(jīng)多次攻關(guān)，其間曾用南非高純生鐵生產(chǎn)過2爐，伸長率、低溫沖擊值明顯提高，但因價格因素未能使用。在未用高純生鐵下，我國中標(biāo)的生產(chǎn)廠于2002年5月～7月批量投產(chǎn)，開始時5月低溫沖擊值不合格率44.1%，6月為14.8%，7月為10.1%后性能趨于平穩(wěn)，據(jù)悉德方要求連接件數(shù)量10萬～12萬套，但我國生產(chǎn)廠試制時卻付出了2萬套的代價。隨著我國高速列車、風(fēng)力發(fā)電、核電、汽車等行業(yè)的大發(fā)展，對低溫鐵素體球墨鑄鐵、等溫淬火球墨鑄鐵ADl、大斷面球鐵及高性能球鐵需求量日益增大。普通球鐵生鐵中Si、Mn、P、Ti及其微量元素含量無法滿足高端鑄件的要求。高純生鐵的供應(yīng)已成為高端球鐵件發(fā)展及進(jìn)一步提高性能與質(zhì)量的瓶頸。高純生鐵的研究與生產(chǎn)已刻不容緩。2007年中國鑄造活動周中，我國學(xué)者著文呼吁盡快研制與生產(chǎn)高純生鐵。從2007年至2010年，我國開始研制高純生鐵，到2010年開始批量生產(chǎn)高純生鐵。常州華德機(jī)械公司用高純生鐵生產(chǎn)-40℃～-50℃的高鐵上的轉(zhuǎn)向架軸箱，電機(jī)底座等低溫鐵素體球鐵，為中國長春客車集團(tuán)、龐厐巴迪、阿爾斯通、舍佛勒供應(yīng)低溫鐵素體軌道產(chǎn)品。至今生產(chǎn)各類產(chǎn)品2萬余套，無一廢品。該公司負(fù)責(zé)人總結(jié)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性問題時說：“采用高純生鐵是保證高性能低溫鐵素體球鐵質(zhì)量與質(zhì)量穩(wěn)定性的基礎(chǔ)”。一、我國生產(chǎn)高純生鐵的工藝特點(diǎn)國外生產(chǎn)高純生鐵的工藝主要是氧化法，以著名的“Sorelmetal”為例，其生產(chǎn)工藝是先將鐵礦石和無煙煤混合后置于電弧爐中，經(jīng)加熱，將不同的金屬氧化物還原，然后倒入另爐進(jìn)行氧化吹煉，通過氧化處理，大幅度地脫除了P、Si、Mn、Ti、V、Cr等元素，此法可使各種雜質(zhì)的含量降至很低，氧化處理的設(shè)備可用轉(zhuǎn)爐、反射爐或大型盛鐵包。國外用氧化法制造高純生鐵已有50多年的歷史了，雖然能使P、（a）外形元寶狀（b）斷面呈細(xì)灰口圖1龍鳳山高純生鐵龍鳳山高純生鐵成分與國外高純生鐵的對比。1、五個常規(guī)元素含量的對比，見表5表5龍鳳山高純生鐵與Sorelmetal常規(guī)元素的對比化學(xué)成分%項目SiMnPSTiSorelmetal規(guī)格＜0.40＜0.05＜0.04＜0.0250.010實測0.150.0220.0280.0130.006～0.010龍鳳山鐵業(yè)公司未增Si前＜0.20增Si后0.40～0.70特級≤0.05≤0.020≤0.015≤0.0100.70～0.90一級0.05～0.100.020～0.0300.015～0.0200.010～0.0302、微量元素含量的對比，見表6表6龍鳳山高純生鐵與Sorelmetal微量含量的對比（實測值）元素AlSbAsBiCuPbSnCrCuSorelmetal0.007450.000060.00100.000000.002850.000000.00167／／龍鳳山鐵業(yè)公司0.0070～0.00580.0005＜0.0006＜0.000050.0096～0.0089＜0.00050.00050.00940.0096～0.00893、龍鳳山高純生鐵的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)龍鳳山高純生鐵的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中有三個指標(biāo)：（1）六個常規(guī)元素（C、Si、Mn、P、S、Ti）指標(biāo)；（2）12個微量元素（Cr、V、Mo、Sn、Sb、Pb、Bi、Te、As、B、Al）最大含量指標(biāo)；（3）12個微量總和∑T限制企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)表7、表8表7=1\*GB3①龍鳳山高純生鐵企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（六個常規(guī)元素）牌號C05C08LC10LC12L化學(xué)成分（%）Si0.4～0.7＞0.70～0.90＞0.90～1.10＞1.10～1.30C≥3.8Ti特級≤0.0101級＞0.010～0.0202級＞0.020～0.030Mn特級≤0.051級＞0.05～0.10P特級≤0.0201級＞0.020～0.030S特級≤0.0151級＞0.015～0.020表8=2\*GB3②龍鳳山高純生鐵企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（12個微量元素最大含量限制）微量元素CrVMoSnSbPbBiTeAsBAl最大含量（%）0.0150.0150.0080.0030.00080.0010.00050.00050.00180.0010.01=3\*GB3③12個微量元素總和∑T＜0.06。二、龍鳳山高純生鐵在低溫鐵素體球墨鑄鐵上的應(yīng)用我國鐵道系統(tǒng)為了實現(xiàn)引進(jìn)高鐵技術(shù)的消化吸收與創(chuàng)新，組織了九大技術(shù)關(guān)鍵攻關(guān)，其中高速轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)是其中之一，見圖2、圖3。圖2轉(zhuǎn)向架軸箱組裝圖2轉(zhuǎn)向架軸箱組裝圖圖3CRH380高速列車轉(zhuǎn)向架軸箱（-40℃QT400-18AL,80kg/件）該鑄件的材質(zhì)性能要求很高，其原牌號為EN-GJS-400-18U-LD，僅有-20℃沖擊功的要求，但隨著高鐵向高寒地域拓展，則對-40℃、-50℃甚至-60℃的沖擊值提出了要求，其沖擊值要與-20℃等值，達(dá)到12J沖擊吸收功，抗拉強(qiáng)度還要在400MPa以上，重要的是該鑄件對列車的安全性、穩(wěn)定性影響極大。上有承載人的列車、下有飛速的車輪，其重要性不言而喻。常州華德機(jī)械公司開發(fā)并生產(chǎn)了該類產(chǎn)品2萬多套，無一不合格品。其質(zhì)量的高穩(wěn)定性受到國內(nèi)外用戶的肯定與贊揚(yáng)。其穩(wěn)定性的因素之一就是采用了高純生鐵。本文就高端的低溫鐵素體球鐵采用高純生鐵的必要性，高純生鐵與其性能、組織之間的關(guān)系進(jìn)行探討。探討從2方面進(jìn)行，一是低溫鐵素體球鐵性能與高純生鐵之間的關(guān)系；二是其金相組織與高純生鐵的關(guān)系。低溫鐵素體球鐵的性能見表9、表10表9超低溫鐵素體球墨鑄鐵附鑄試樣的力學(xué)性能材料牌號力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度Rm、MPa（min）屈服強(qiáng)度Rp0.2、MPa（min）斷后伸長率A%（min）硬度HBW（-20℃）QT400-18AL40024018130-150（-40℃）QT400-18AL40024018130-150（-50℃）QT400-18AL40024018130-150（-60℃）QT400-18AL40024018130-150注：用25mmY型附鑄試樣作檢驗試樣。表10低溫鐵素體球墨鑄鐵附鑄試樣V型缺口的沖擊性能材料牌號最小沖擊吸收功（J）-20℃-40℃-50℃-60℃三個實驗平均值單個試樣（min）三個實驗平均值單個試樣（min）三個實驗平均值單個試樣（min）三個實驗平均值單個試樣（min）QT400-18AL（-20℃）129QT400-18AL（-40℃）--129QT400-18AL（-50℃）129--QT400-18AL（-60℃）129注：用25mmY型附鑄試樣。鑄鐵的性能是由組織決定的，低溫鐵素體球鐵的金相組織見表11。表11低溫鐵素體球墨鑄鐵的金相組織金相組織要求球化率90%以上基體100%鐵素體石墨大小5～6級石墨球數(shù)90～200個/mm2磷共晶+碳化物100倍下≈0%低溫鐵素體球鐵在400MPa抗拉強(qiáng)度下，-20℃～-60℃皆要達(dá)到?jīng)_擊功，在技術(shù)攻關(guān)上有2個難點(diǎn)：一是抗拉強(qiáng)度與低溫沖擊值是相互制約的，例如與EN-GJS-400-18U-LD相比，抗拉強(qiáng)度400MPa，但僅有-20℃沖擊值12J要求，與EN-GJS-350-22U-LD相比，雖有-40℃沖擊值12J的要求，但抗拉強(qiáng)度僅為350MPa，要在-40℃、-50℃、-60℃沖擊值達(dá)12J的同時要達(dá)到400MPa抗拉強(qiáng)度，當(dāng)時國內(nèi)外尚無此標(biāo)準(zhǔn)。二是球墨鑄鐵的性能特性是低溫沖擊值隨溫度降低，要求在比-20℃更低的-40℃、-50℃、-60℃皆達(dá)到12J，技術(shù)難度很大。在華德機(jī)械公司攻克上述難關(guān)時，發(fā)現(xiàn)采用高純生鐵是滿足其性能與組織的基礎(chǔ)。這個基礎(chǔ)支撐低溫鐵素體球鐵達(dá)到高性能的因素有五點(diǎn)：一是高球化率；二是全鐵素體；三是性能中強(qiáng)度與低溫沖擊值的平衡；四是晶界的凈化；五是低的塑—脆性轉(zhuǎn)變溫度。1、高球化率與高純生鐵高端的低溫鐵素體球鐵對球化有兩個要求，一是球化率要在90%以上，二是Mg殘的含量保證在較低的范圍內(nèi)，即0.03～0.045%。前者是保證性能，后者是減少收縮，夾渣及白口傾向。為此，要求高純生鐵對S、Ti含量及反球化的微量元素控制起來：（1）控制S、Ti含量，可采用龍鳳山鑄業(yè)公司產(chǎn)的特級高純生鐵（S≤0.15%、Ti≤0.010%），也可采用1級高純生鐵（S0.015～0.020%、Ti0.01～0.030%）；（2）控制反球化微量元素，并用球化指數(shù)K1＜0.6加以限制。表12為生鐵中反球化微量元素對球化的負(fù)面影響。表12生鐵中反球化微量元素對球化的負(fù)面影響類別元素對球化的影響耗鎂型Se、Te消耗球化劑，影響球化率。促使石墨形成蠕蟲狀石墨、過冷石墨到片狀石墨晶界偏析型Sb、Sn、As、Ti偏析于晶界，促使石墨畸變，使石墨呈各類不規(guī)則形狀混合型Pb、Bi含量少時，形成畸變石墨，含量多時則呈過冷石墨到片狀石墨對微量元素干擾球化的研究表明，元素中Ti、As、Sn、Sb、Pb、Bi、Al反球化最為顯著，經(jīng)回歸分析計算，可用球化指數(shù)K1表征。K1=4.4Ti+2.0As+2.3Sn+5.0Sb+290Pb+370Bi+1.6Al資料表明：為球化中不出現(xiàn)異形石墨，K1應(yīng)＜1.0，但龍鳳山高純生鐵的K1僅為0.22，見表13。表13龍鳳山高純生鐵的球化指數(shù)成分STiMnSnSbAlAsBiPbCuCr含量（%）0.014～0.0170.010～0.0150.052～0.046＜0.0005＜0.00050.007～0.0058＜0.0006＜0.00005＜0.000050.0096～0.00890.0094球化指數(shù)（K1）K1=4.4Ti+2.0As+2.3Sn+5.0Sb+290Pb+370Bi+1.6Al=0.22由于嚴(yán)格的限制了影響球化的S、Ti及球化干擾微量元素，華德機(jī)械公司采用了龍鳳山高純生鐵后經(jīng)3608爐次的統(tǒng)計獲得了下列結(jié)果：（1）球化率達(dá)到90以上；（2）耗Mg量減少，在1500℃球化溫度，低鎂低稀土的球化劑（Mg5.5%、Re0.5～1.0%）及沖入法工藝下，球化劑加入量僅為1.1%；（3）球化后Mg殘低，（0.031～0.049%），Re殘低（0.011～0.018%），球化后的S低（0.003～0.016%），使低溫鐵素體球鐵達(dá)到了即球化良好，Mg殘又低的要求。值得提出的是球化后鐵液的低含S量，有效地延緩了球化衰退。圖4為球化率，圖5為球化后的鐵液含S量，圖6、圖7為球化后的Mg殘與Re殘。以上4圖皆是華德機(jī)械3608爐次的統(tǒng)計。圖4（-40℃）QT400-18AL的球化率圖5（-40℃）QT400-18AL的S含量的（100X）3608爐次統(tǒng)計圖6（-40℃）QT400-18AL的Mg殘含量的圖7（-40℃）QT400-18AL的Re殘含量的3608爐次統(tǒng)計3608爐次統(tǒng)計2、100%鐵素體基體與高純生鐵100%鐵素體基體是保證低溫沖擊值的必要條件。為保證100%鐵素體，則要求對高純生鐵中的促進(jìn)珠光體元素嚴(yán)格限制。促進(jìn)珠光體的元素為Mn、Cu、Sn、Pb、Bi、As、Cr、Sb，可用珠光體系數(shù)Px＜1.0來表征。Px的計算式為：Px=3.0Mn-2.65（Si-2.0）+7.75Cu+90Sn+357Pb+333Bi+20.1As+9.6Cr+71.7Sb龍鳳山高純生鐵的珠光體系數(shù)Px=0.6，見表14。表14龍鳳山高純生鐵的珠光體系數(shù)Px化學(xué)成分%MnSnSbTiAlAsBiPbCuCr珠光體系數(shù)Px0.052～0.046＜0.0005＜0.00050.010～0.0150.007～0.0058＜0.0006＜0.00005＜0.00050.0096～0.00890.0094珠光體系數(shù)（Px）Px=3.0Mn+2.65（Si-2.0）+7.75Cu+90Sn+357Pb+333Bi+20.1As+71.7Sb=0.6圖8為（-40℃）QT400-18AL的全鐵素體基體圖8（-40℃）QT400-18AL的基體（100X）3、低溫鐵素體球鐵的高性能與高純生鐵。如何保證抗拉強(qiáng)度400MPa下-40℃～-50℃的沖擊值仍達(dá)到12J是技術(shù)攻關(guān)中的重點(diǎn)。它與高純生鐵中的Si、Mn、P的控制關(guān)系密切。（1）利用高爐的低Si冶煉，使Mn、P含量大幅度降低，此時Si為0.2～0.3%，后增Si至0.4～0.7%或0.7～0.9%是為形成細(xì)灰口高純生鐵。（2）生產(chǎn)低溫鐵素體球鐵時，生產(chǎn)廠將Si提至2.2～2.4%，強(qiáng)化鐵素體以保證400MPa抗拉強(qiáng)度。（3）Si提高后保證了強(qiáng)度，但降低了球鐵的塑-脆性轉(zhuǎn)變溫度，表15為Si對塑-脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響。表15Si量對塑-脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響Si（%）1.281.982.583.053.503.994.254.674.855.25塑-脆性轉(zhuǎn)變溫度（℃）-50-45-25-105055657585100Si量每增加0.1%，塑-脆性轉(zhuǎn)變溫度提高，一般情況下，低溫鐵素體球鐵的Si在2.0%以下為宜。如將1.9%Si為了保證抗拉強(qiáng)度提至2.3%，則脆性轉(zhuǎn)變溫度提高了22℃～24℃，脆性轉(zhuǎn)變溫度提高后，難以保證低溫沖擊值，解決辦法是降低Mn、P含量，Mn每降0.1%或P降P0.01%，則塑-脆性轉(zhuǎn)變溫度分別將11℃～12℃或4℃～5℃，若Mn由0.3%降至＜0.1%，將P由0.04%降至≤0.025%，則總的脆性轉(zhuǎn)變溫度不僅未提高，反而降低。從而保證了低溫鐵素體球鐵既有400MPa抗拉強(qiáng)度又具有低的脆性轉(zhuǎn)變溫度，因此高純生鐵在Si冶煉中降低，Mn、P含量的工藝起著關(guān)鍵的作用。當(dāng)要求-50℃～60℃沖擊值時，可將Si降至1.8～1.9%，用Ni來強(qiáng)化鐵素體保證強(qiáng)度，但Mn、P含量必須在較低的范圍內(nèi)。華德機(jī)械采用龍鳳山的高純生鐵，其（-40℃）QT400-18AL材質(zhì)3608爐中Si、Mn、P的統(tǒng)計值見表16，圖9、圖10、圖11。表16（-40℃）QT400-18AL中的Si、Mn、P成分統(tǒng)計（3608爐次）Si（%）Mn（%）P（%）要求統(tǒng)計值平均值要求統(tǒng)計值平均值要求統(tǒng)計值平均值2.2～2.42.029～2.4422.208≤0.100.040～0.1380.076≤0.0250.012～0.0280.021圖9（-40℃）QT400-18AL的Si含量的圖10（-40℃）QT400-18AL的Mn含量的3608爐次統(tǒng)計3608爐次統(tǒng)計圖11（-40℃）QT400-18AL的P含量的3608爐次統(tǒng)計4、晶界凈化與高純鐵低溫鐵素體晶間夾雜的凈化是提高球鐵低溫沖擊值的重要措施。生鐵中的微量元素形成的晶間夾渣有三類：=1\*GB3①Cr、V、Ti、M、B、As等形成的碳化物分布在晶間處，形成正偏析；=2\*GB3②Si、Ni、Cu分布在晶粒內(nèi)部，形成反偏析；=3\*GB3③P、S、Pb、Sn、Zn等低熔點(diǎn)元素在晶界上最后凝固，造成晶界低熔點(diǎn)物質(zhì)夾雜。表17為生鐵中微量元素對晶界夾渣與偏析的影響。表17生鐵中微量元素鑄鐵晶間夾渣與偏析的影響序號類別元素對性能的影響1正偏析Mn.Cr.V.Ti.Mo.B.As形成碳化物，分布于晶界處，造成晶粒外偏析，降低材質(zhì)的韌性與塑性2反偏析Si.Ni.Cu固溶強(qiáng)化基體，分布在晶粒內(nèi)部，造成晶粒內(nèi)偏析3低熔點(diǎn)元素偏析P.S.Sn.Pb.Zn.As熔點(diǎn)低，常分布在最后凝固的晶界上，造成夾雜，裂紋缺陷為提高材質(zhì)的純凈度，需對高純生鐵中微量元素的總和∑T加以限制，龍鳳山高純生鐵的∑T＜0.06，經(jīng)3608爐次的統(tǒng)計，在100倍金相顯微鏡下（-40℃）QT400-18AL材質(zhì)的磷共晶+碳化物總和為零，在400倍下也未發(fā)現(xiàn)晶間雜渣，說明高純生鐵在凈化晶界方面是有成效的，這對低溫沖擊值的提高是十分有利的。5、塑-脆性轉(zhuǎn)變溫度及變化曲線與高純生鐵沖擊性能隨溫度降低而