稀土在鑄鐵中的應(yīng)用

鑄鐵是稀土應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一，是稀土使用量最大的用戶。從20世紀(jì)70年代開始，稀土就在球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和灰鑄鐵中得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過30多年的開發(fā)研究，稀土在鑄鐵領(lǐng)域中的應(yīng)用工藝技術(shù)日臻成熟，其使用量一直在國內(nèi)占第一位，并取得了巨大的技術(shù)進(jìn)步。

　　稀土元素在鑄造合金中的應(yīng)用始于球墨鑄鐵（1948年）。它雖然開始于蒙昧?xí)r代，但在工業(yè)中大量應(yīng)用于鑄造合金的各個領(lǐng)域則是在20世紀(jì)50～60年代，即在啟蒙時代。進(jìn)入70年代以后，稀土在鑄造合金中的應(yīng)用，在數(shù)量和質(zhì)量方面均達(dá)到了空前的水平，也就是說70年代，在稀土鑄造合金領(lǐng)域的應(yīng)用與其他領(lǐng)域一樣進(jìn)入了黃金時代。

一、稀土在各類鑄鐵中的研究與應(yīng)用

1 球墨鑄鐵

　　1947年英國H. Morrogh發(fā)現(xiàn)，在過共晶灰口鑄鐵中附加鈰，使其含量在0.02wt%以上時，石墨呈球狀。1948年美國A. P. Ganganebin等人研究指出，在鑄鐵中添加鎂，隨后用硅鐵孕育，當(dāng)殘余鎂量大于0.04wt%時，得到球狀石墨。從此以后，球墨鑄鐵開始了大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

　　球墨鑄鐵作為新型工程材料的發(fā)展速度是令人驚異的。1949年世界球墨鑄鐵產(chǎn)量只有5萬噸，1960年為53.5萬噸，1970年增長到500萬噸，1980年為760萬噸，1990年達(dá)到915萬噸。2000年達(dá)到1500萬噸。球墨鑄鐵的生產(chǎn)發(fā)展速度在工業(yè)發(fā)達(dá)國家特別快。世界球墨鑄鐵產(chǎn)量的75%是由美國、日本、德國、意大利、英國、法國六國生產(chǎn)的。

　　我國球墨鑄鐵生產(chǎn)起步很早，1950年就研制成功并投入生產(chǎn)，至今我國球墨鑄鐵年產(chǎn)量達(dá)230萬噸，位于美國、日本之后，居世界第三位。適合我國國情的稀土鎂球化劑的研制成功，鑄態(tài)球墨鑄鐵以及奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵等各個領(lǐng)域的生產(chǎn)技術(shù)和研究工作均達(dá)到了很高的技術(shù)水平。

　　（1）鑄態(tài)珠光體球墨鑄鐵曲軸和鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵汽車底盤零件分別在我國第二汽車廠、南京汽車廠和第一汽車廠相繼投產(chǎn)。這標(biāo)志著我國鑄態(tài)球墨鑄鐵生產(chǎn)達(dá)到了較高水平。與之相適應(yīng)的包外脫硫、雙聯(lián)法熔煉、瞬時孕育、孕育塊技術(shù)以及音頻檢測和熱分析快速分析等技術(shù)的采用，則標(biāo)志著我國大量流水生產(chǎn)汽車鑄件的技術(shù)水平與國際先進(jìn)水平的差距正在縮小。

　　（2）試驗研究了大斷面（壁厚大于120mm）球墨鑄鐵的冶金因素以及相應(yīng)的生產(chǎn)工藝措施。采用適量的釔基重稀土復(fù)合球化劑、強(qiáng)制冷卻、順序凝固、延后孕育，必要時添加微量銻、鉍等可防止球墨鑄鐵件中心部位的石墨畸變和組織疏松等，現(xiàn)已成功地制作了38噸重的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，17.5噸重的柴油機(jī)體、截面為805mm的球墨鑄鐵軋輥等。

　　（3）奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵的研究與應(yīng)用。20世紀(jì)70年代初，幾乎同時中國、美國、芬蘭3個國家宣布研究成功了具有高強(qiáng)度、高韌性的奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵（國際上統(tǒng)稱ADI），這種材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度達(dá)1000MPa，因此它廣泛應(yīng)用于齒輪以及各種結(jié)構(gòu)件，與合金鋼相比，奧-貝球墨鑄鐵具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

　　（4）球墨鑄鐵管和水平連續(xù)鑄造球墨鑄鐵型材。我國已相繼建成幾個球墨鑄鐵管廠，且近幾年還將有幾個球墨鑄鐵管廠建成。2000年，我國年產(chǎn)離心鑄造球墨鑄鐵管達(dá)90萬噸。此外，我國自行研制的水平連續(xù)鑄造球墨鑄鐵型材生產(chǎn)線已通過國家鑒定，并已有多家企業(yè)投產(chǎn)。再加上我國引進(jìn)的一條生產(chǎn)線，至2002年，我國年產(chǎn)球墨鑄鐵型材的能力達(dá)數(shù)萬噸。

　　（5）系統(tǒng)地測定了稀土鎂球墨鑄鐵的力學(xué)性能及其他性能，為設(shè)計人員提供了有關(guān)數(shù)據(jù)。測定了稀土鎂球墨鑄鐵的比重、導(dǎo)熱性、電磁性等物理性能，結(jié)合金相標(biāo)準(zhǔn)研究了石墨和基體組織對球墨鑄鐵性能的影響規(guī)律。系統(tǒng)地測定了鐵素體球墨鑄鐵在常溫、低溫、靜態(tài)和動態(tài)條件下的各種性能。此外，還研究了稀土鎂球墨鑄鐵的應(yīng)力應(yīng)變性能、小能量多沖抗力和斷裂韌性，并開始用于指導(dǎo)生產(chǎn)。結(jié)合球墨鑄鐵齒輪的應(yīng)用，還系統(tǒng)地研究了球墨鑄鐵的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度，以及球墨鑄鐵齒輪的點蝕、剝落機(jī)理等。

　　（6）稀土鎂球墨鑄鐵。在高強(qiáng)度低合金球墨鑄鐵方面，除了對銅、鉬研究較多外，還對鎳、鈮等進(jìn)行了研究。在利用天然釩鈦生鐵制作釩鈦合金球墨鑄鐵方面，國內(nèi)一些單位進(jìn)行了大量、系統(tǒng)的工作。中錳球墨鑄鐵雖然在性能上不夠穩(wěn)定，但多年來的系統(tǒng)研究與生產(chǎn)應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

　　在耐熱球墨鑄鐵方面，除了中硅球墨鑄鐵以外，系統(tǒng)研究了Si+Al總量對稀土鎂球墨鑄鐵抗生長能力的影響。我國研制的RQTAL5Si5耐熱鑄鐵用作耐熱爐條的使用壽命是灰鑄鐵的3倍，是普通耐熱鑄鐵的2倍，并與日本Cr25Ni13Si2耐熱鋼的使用壽命相當(dāng)。

　　高鎳奧氏體球墨鑄鐵方面也取得了進(jìn)展，它在石油開采機(jī)械、化工設(shè)備、工業(yè)用爐器件上均取得了成功的應(yīng)用。

　　在耐酸球墨鑄鐵方面，我國生產(chǎn)的稀土高硅球墨鑄鐵比普通高硅鑄鐵的組織細(xì)小、均勻、致密，由此，抗蝕性能提高了10%～90%，并且其機(jī)械強(qiáng)度也有顯著改善。

　　（7）稀土在球墨鑄鐵中的作用。稀土能使石墨球化。自從H. Morrogh最先使用鈰得到球墨鑄鐵以來，先后許多人研究了各種稀土元素的球化行為，發(fā)現(xiàn)鈰是最有效的球化元素，其他元素也均具有程度不等的球化能力。

　　結(jié)合國情，我國對稀土的球化作用進(jìn)行了大量研制工作，發(fā)現(xiàn)稀土元素對常用的球墨鑄鐵成分（C3.6～3.8wt%，Si2.0～2.5wt%）來說，很難獲得同鎂球墨鑄鐵那樣完整均勻的球狀石墨；而且，當(dāng)稀土量過高時，還會出現(xiàn)各種變態(tài)形的石墨，白口傾向也增大，但是，如果是高碳過共晶成分（C＞4.0wt%），稀土殘留量為0.12～0.15wt%時，可獲得良好的球狀石墨。

　　根據(jù)我國鐵質(zhì)差、含硫量高（沖天爐熔煉）和出鐵溫度低的情況，加入稀土是必要的。球化劑中鎂是主導(dǎo)元素，稀土一方面可促進(jìn)石墨球化；另一方面克服硫以及雜質(zhì)元素的影響以保證球化也是必須的。

　　稀土防止干擾元素破壞球化。研究表明，當(dāng)干擾元素Pb、Bi、Sb、Te、Ti等總量為0.05wt%時，加入0.01wt%（殘余量）的稀土，可以完全中和干擾，并可抑制變態(tài)石墨的產(chǎn)生。我國絕大部分的生鐵中含有鈦，有的生鐵中含鈦高達(dá)0.2～0.3wt%，但稀土鎂球化劑由于能使鐵中的稀土殘留量達(dá)0.02～0.03wt%，故仍可保證石墨球化良好。如果在球墨鑄鐵中加入0.02～0.03wt%Bi，則幾乎把球狀石墨完全破壞；若隨后加入0.01～0.05wt%Ce，則又恢復(fù)原來的球化狀態(tài)，這是由于Bi和Ce形成了穩(wěn)定的化合物。

　　稀土的形核作用。20世紀(jì)60年代以后的研究表明，含鈰的孕育劑可使鐵液在整個保持期中增加球數(shù)，使最終的組織中含有更多的石墨球和更小的白口傾向。經(jīng)研究還表明，含稀土的孕育劑可改善球墨鑄鐵的孕育效果并顯著提高抗衰退的能力。加入稀土可使石墨球數(shù)增多的原因可歸結(jié)為：稀土可提供更多的晶核，但它與FeSi孕育相比所提供的晶核成分有所不同；稀土可使原來（存在于鐵液中的）不活化的晶核得以長大，結(jié)果使鐵液中總的晶核數(shù)量增多。

2 蠕墨鑄鐵

　　蠕墨鑄鐵作為一種新型鑄鐵材料出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代。我國是研究蠕墨鑄鐵最早的國家之一。1966年山東省機(jī)械設(shè)計研究院發(fā)表了稀土高強(qiáng)度灰鑄鐵論文，標(biāo)志了我國蠕墨鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)的研制成功。

　　迄今為止，國內(nèi)外研究結(jié)果一致認(rèn)為，稀土是制取蠕墨鑄鐵的主導(dǎo)元素。我國稀土資源富有，為發(fā)展我國蠕墨鑄鐵提供了極其有利的條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。

　　由于蠕墨鑄鐵兼有球墨鑄鐵和灰鑄鐵的性能，因此，它具有獨(dú)特的用途，在鋼錠模、汽車發(fā)動機(jī)、排氣管、玻璃模具、柴油機(jī)缸蓋、制動零件等方面的應(yīng)用均取得了良好的效果。特別是我國第二汽車廠蠕墨鑄鐵排氣管流水線的投產(chǎn)，標(biāo)志著我國蠕墨鑄鐵生產(chǎn)已達(dá)到高水平。
到目前為止，世界蠕墨鑄鐵的產(chǎn)量尚難以統(tǒng)計，這是因為蠕墨鑄鐵往往被統(tǒng)計在灰鑄鐵的產(chǎn)量之內(nèi)，而不是從單獨(dú)的項目統(tǒng)計。我國蠕墨鑄鐵的年產(chǎn)量不盡確切，大約有幾萬噸。

　　我國制作蠕墨鑄鐵所用的蠕化劑中均含有稀土元素，如稀土硅鐵鎂合金、稀土硅鐵合金、稀土硅鈣合金、稀土鋅鎂硅鐵合金等。由此，形成了適合國情的蠕化劑系列。

　　我國在蠕墨鑄鐵的形成機(jī)制的研究方面處于領(lǐng)先地位。另外在蠕墨鑄鐵的處理工藝、鐵液熔煉及爐前質(zhì)量控制、蠕墨鑄鐵常溫和高溫性能方面均進(jìn)行了廣泛、深入的研究。特別要指出的是，在我國沖天爐條件下，不少工廠能穩(wěn)定地生產(chǎn)蠕墨鑄鐵，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。可以預(yù)期，利用蠕墨鑄鐵具有的良好的綜合性能、力學(xué)性能較高，在高溫下有較高的強(qiáng)度，氧化生長較小、組織致密、熱導(dǎo)率高以及斷面敏感性小等特點，取代一部分高牌號灰鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵，由此，將取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

3 灰鑄鐵

　　進(jìn)入20世紀(jì)60年代，在灰鑄鐵中加入稀土，即采用稀土孕育劑，已在生產(chǎn)上日益推廣應(yīng)用。由于稀土孕育劑具有較強(qiáng)的抗衰退、降低白口、改善斷面均勻性、提高鑄件力學(xué)性能、耐磨性、致密性和耐壓性等多種功能，因此，有人把含稀土的硅鐵孕育劑叫作高效-長效孕育劑。

　　對稀土在灰鑄鐵中的行為研究表明，稀土對亞共晶、共晶和過共晶鑄鐵的組織和性能均有良好的影響，可使共晶團(tuán)數(shù)明顯增多；稀土加入量與抗拉強(qiáng)度之間存在著雙峰值效應(yīng)，微量稀土有很強(qiáng)的消除白口的能力，但加入量過大反而促進(jìn)白口的生成。此外，稀土還能改善斷面敏感性和夾雜物的形態(tài)。

　　稀土在暖氣片上的應(yīng)用取得了很大成功。因加入稀土可使暖氣片材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度提高20～50MPa，耐壓性能可提高1～2kg/cm2，并提高了鑄件成品率，由此取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

　　在我國1000萬噸鑄件中，就有大約80%是灰鑄鐵，因此，在灰鑄鐵中，特別是在低牌號的灰鑄鐵中加入稀土提高性能還具有很大的潛力。

二、稀土在鑄鐵中應(yīng)用的發(fā)展前景

　　稀土鎂球墨鑄鐵件的應(yīng)用比例和年產(chǎn)量將會繼續(xù)增加。其中最顯著的變化是離心球墨鑄鐵管的比例和產(chǎn)量會以較快的速度增加。為解決北方干旱地區(qū)的缺水問題，國家將啟動南水北調(diào)工程，各地區(qū)也將陸續(xù)興建遠(yuǎn)距離引水工程，各城鎮(zhèn)將加速對供水管網(wǎng)的改造，這些工程將需要大量的各種口徑的離心球墨鑄鐵管。在未來數(shù)年內(nèi)，我國離心球墨鑄鐵管的使用比例將會達(dá)到法國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家水平（95%～98%），我國球墨鑄鐵鑄件的年總產(chǎn)量將會超過300萬噸（包括球墨鑄鐵鑄管約180～200萬噸/年），年需稀土氧化物可超過1800噸。

　　奧-貝球墨鑄鐵作為一種新型材料，盡管在總的球墨鑄鐵中占的比例不大，但它仍以每年15%的速度遞增，并廣泛地應(yīng)用于曲軸、齒輪、凸輪軸、吊鉤、牽引架、磨球等重要的保安件和耐磨件中。球墨鑄鐵曲軸和汽車、內(nèi)燃機(jī)、拖拉機(jī)等機(jī)械的保安球墨鑄鐵鑄件也將隨主機(jī)產(chǎn)量的增加而增加。
稀土在灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵中的應(yīng)用也會穩(wěn)定增加，應(yīng)特別指出的是，隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋將會大量地采用蠕墨鑄鐵，取代目前普遍使用的灰鑄鐵。這將是稀土在鑄鐵中應(yīng)用的一個新領(lǐng)域。

　　按上述對應(yīng)用前景的分析，至2005年，我國在鑄鐵合金中稀土氧化物的使用量將達(dá)到1800～2000噸/年。

　　我國從20世紀(jì)60年代中期開始研究稀土與鐵的作用機(jī)理和處理工藝，先后解決了稀土球化劑、孕育劑的冶煉制備、稀土加入方法等問題。目前使用稀土處理的鑄鐵件主要有：球墨鑄鐵件、蠕墨鑄鐵件、高強(qiáng)度灰鑄鐵件及合金鑄鐵件。稀土對鑄鐵的作用十分明顯，稀土可使鑄鐵的宏觀組織和微觀組織細(xì)化和均勻化，使鐵中石墨形態(tài)由長片狀向球狀方向發(fā)展，從而改善了鑄鐵性能，提高其強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性，創(chuàng)造出了可觀的經(jīng)濟(jì)和社會效益。目前我國年產(chǎn)稀土鑄鐵150～200萬噸，需用稀土合金1萬噸，是國內(nèi)稀土應(yīng)用市場大戶。2003年鑄鐵的稀土用量為4000噸，占冶金機(jī)械行業(yè)總消費(fèi)量的73%，占國內(nèi)稀土總用量的1/4左右。1990～2003年稀土在鑄鐵中的消費(fèi)量見表1。

表1 1990～2003年我國稀土在鑄鐵中的消費(fèi)量（REO，噸）

年份 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003
消費(fèi)量 2800 2800 2920 3000 3480 3500 3850 3800 3800 3800 3850 4000 4000 4000