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球墨铸铁诞生与发展的历史真相
发布时间:2016-10-17 17:12 来源:tommy 阅读:
       球墨铸铁诞生于上世纪中叶,从当年有记载的历史资料可确定:从发现到制取,再到工业化生产,基本上集中在英国铸铁研究协会、美国国际镍公司和德国亚深工业大学铸造研究所三个单位进行。人们对英国人莫罗} H Morrogh)发明铸态球墨铸铁或许有印象,但对其他两个单位在此领域所做的工作恐怕就知之甚少,甚至毫无所知了。
    Piwowarsky是德国钢铁冶金学、金属学与铸铁学领域二十世纪上半叶(19201960)名满世界的专家,是德国亚深工业大学铸造研究所所长,是全球铸造业第一代先驱人物。1922-1952年期间,他以及他的博士生在铸铁物理冶金、铸铁品种开发和制备工艺以及熔炼设备方面做了大量开创性的工作,对世界铸铁材料的发展与进步起着奠基的作用。他的一生都献给了铸铁事业,所有成果也都汇集于《优质灰铸铁件》X1929年出版,共336页)、《优质铸铁》X1942年出版,共1100页)和《优质铸铁》X1951年出版,共1 070页)三本铸铁专著之中。
    1900年,F Wiist将A1,Na,Mg用于对铸铁铁液作净化处理用的化学活性较强的元素,其中Mg排在首位。
    1902年,A ledbeur在液态铁中加人少量Mg,使铁成为可轧制的金属材料。
    1908年,希腊某化工厂用Fe-Mg以及Mg-Fe-Si合金对铸铁进行脱氧处理,可明显改进铸件质量,提高性能的均一性。
    1920年,德国人Pistor,Beiel stein和Beck发明了成分为为:w(Si)10%-40%,w(Mn) 0一20%,w(Fe) 0一10%、其余为Mg的中间合金,对钢铁的脱氧净化效果明显,获得了美国专利(专利号:1461643 )。Mg使铸铁的质量更均匀,抗拉强度提高,他们建议中小铸造车间可用Mg,AI ,Fe或Ni自行配制中间合金,只要加人w(Mg) 0.05%-0.01%就足以得到较好的效果。专利的附件中列出了实例,向流态SiFe。中加人Mg或Mg-Al ,Mg-Ni即可(美国专利号:1376113)。
    1922-1931年,密烘公司的创始人E Meehan先生在此期间曾获得四项制取球状石墨的美国专利,建议向铁液添加Ca,Mg,Ba,Li,Te(单独添加或者与Cr,Ni,Ti以化合物方式添加),但均未获成功。后来改为自己公司1941年创造的专利,用碲(Te)作激冷元素,加Si-Ca进行孕育处理,得到了球状石墨[6]。但此工作没有继续进行。
    1933年,德国亚口工业大学铸造研究所所长Piwowarsk提出用铅(Pb)与Ca,Sr,Ba,Li,Mg元素之一分别组合添加,降低铁液共晶温度(等同于加大过热),从而增加凝固时的过冷度,促使石墨向球状转变。由于没有解决处理包的结构问题,危险性大,没能坚持试验而中断。
    1930-1934年,Piwowarsk积极开展了包内冶金技术的研究与应用,例如:包内脱氧去硫、包内合金化、包内处理等,以便提高包内加Mg球化处理的操作技能,改进处理方法。
    1933年,Piwowarsky的高风温(300-700℃)冲天炉获专利权。高风温热风冲天炉熔炼出的铁液出炉温度高、原始w(S)量低,利于球化处理。
    1939年,C Adey用Mg成功生产了球墨铸铁,在德国获专利授权。
    由此可见,这一时期主要工作集中在:(1)对钢铁的脱氧净化;(2)对铸铁作球化处理(3)借助Mg的低沸点特性,在液体金属中气化产生的搅拌,提高熔液均匀性,减少夹杂,改善质量。
    可见,Mg涉足铸造工业从1900年就开始了,而且用它去处理铁液企图获得球墨的设想与尝试在上世纪40年代前也有人做过。
3英国铸铁研究协会的贡献
  英国铸铁研究协会(British Cast Iron Research Association,缩写为BCIRA)成立于上世纪30年代,是一个以改进和提高铸铁件质量为主要任务的科技组织,拥有自己的研究所与实验室,现改名为英国铸造发展中心,在英国乃至世界范围都极富盛名。除各种铸铁材料外,BCIRA还开展其他相关的课题研究,如铸铁熔炼、造型材料以及铸造过程测试等。曾任协会主席多年的H Morrogh是国际铸造界颇具声望的专家,1947年因发明Ce球墨铸铁,他的名声比之前更为显赫。
3.1  1965年前BCIRA在铸铁领域的研究工作
    (1)白口铸铁、普通灰铸铁、合金铸铁的基础成份设计网络图的研究与制定。
    (2)合金元素对可锻铸铁退火时间、退火碳的形状与性能的影响。
    (3)亚共晶和过共晶灰铸铁的凝固过程研究
    (4)稀土元素以及稀土合金对铸铁凝固过程中石墨结构和形状的影响 ,
    (5)Ce球墨铸铁的发明.
    (6)Mg球墨铸铁中微量残存元素的不利作用与对策研究
    (7)直接从铁液中析出的三种石墨(片状、半纤维状、球状)的生长过程与形态特点、形成原因的研究
    (8)分隔供风(我国称两排大间距风口)冲天炉的发明。
3.2  Ce球墨铸铁的研究起源
    在球铁诞生之前,BCIRA主要在可锻铸铁及灰口铸铁领域进行过多项基础研究,例如:铸铁内的基础元素(C,Si,Mn,P,S)与其他元素Ni,Co,Mg,Ce,Ti对白口组织中碳化物种类、形态的影响;热处理对退火碳形状变化的影响;等。他们从这些实验中积累了很多关于单质元素(包括Mg,Ce)在高温铁液中的行为与对结晶组织的影响经验与知识,将它们用于球铁研究是十分有利的。
3.3  Ce作球化剂的优点
    上世纪中叶,一些工业发达国家(如美国、德国、奥地利等)的铸造业纷纷开展了对球墨铸铁的实验和探索工作,当时比较领先的国家基本都是选Mg做球化元素,但是H Morrogh经过对Mg,Ce二者的比较后,对Ce情有独钟,决定以"Ce球墨铸铁”为研究重点。他认为Ce与Mg相比有如下优点:
    (1)脱硫能力和除氧效果比Mg强。
    当Ce加人铁液后,首先与铁液里的FeS按3FeS+2Ce=3Fe+Ce2S。反应,形成的Ce2S3快速上浮。接着依Ce2S3+502=2Ce02+3502反应,被空气中的O2氧化生成Ce02o C。的脱S深度比Mg,Ca都大,易促使球墨生成。
    (2)增强铁液激冷倾向,提高铁液自身过冷能力。
    由于Ce生成的这些硫化物、氧化物以及复合化合物的上浮排出,核心严重缺失,使铁液按介稳定方式凝固与结晶。过共晶石墨在孕育条件下以球状析出;接着共晶成分的铁液在Ce的作用下,激冷成共晶渗碳体,此刻,如对铁液进行二次孕育,共晶渗碳体会分解,析出共晶球状石墨。

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