我国高纯生铁的研制、生产与应用

4/17我国高纯生铁的研制、生产与应用刘武成1,白佳鑫1,马敬仲2,曾艺成2（1、河北龙凤山铸业有限公司2、原北京第一机床厂3、中国机械科学研究院总院）我国研制与生产高纯生铁的背景2000～2002我国上海浦东建造高速磁悬浮列车,因未采用高纯生铁,在生产磁悬浮列车的球墨铸铁复合连接体时产生了众多困扰。表1为球铁复合连接体的技术要求。表1磁悬浮连接体技术要求性能技术要求抗拉强度（MPa）≥500伸长率（%）≥13低温冲击值（J）10J（-20℃）我国中标企业因废品率较高难以生产，二次要求降低标准，第一次将-20℃冲击值由10J降至4J，第二次又将伸长率由13%降至11%，见表2表2修改后的磁悬浮连接体技术要求性能技术要求抗拉强度（MPa）500伸长率（%）11低温冲击值（J）4J（-20℃）经多次攻关，其间曾用南非高纯生铁生产过2炉，伸长率、低温冲击值明显提高，但因价格因素未能使用。在未用高纯生铁下，我国中标的生产厂于2002年5月～7月批量投产，开始时5月低温冲击值不合格率44.1%，6月为14.8%，7月为10.1%后性能趋于平稳，据悉德方要求连接件数量10万～12万套，但我国生产厂试制时却付出了2万套的代价。随着我国高速列车、风力发电、核电、汽车等行业的大发展，对低温铁素体球墨铸铁、等温淬火球墨铸铁ADl、大断面球铁及高性能球铁需求量日益增大。普通球铁生铁中Si、Mn、P、Ti及其微量元素含量无法满足高端铸件的要求。高纯生铁的供应已成为高端球铁件发展及进一步提高性能与质量的瓶颈。高纯生铁的研究与生产已刻不容缓。2007年中国铸造活动周中，我国学者著文呼吁尽快研制与生产高纯生铁。从2007年至2010年，我国开始研制高纯生铁，到2010年开始批量生产高纯生铁。常州华德机械公司用高纯生铁生产-40℃～-50℃的高铁上的转向架轴箱，电机底座等低温铁素体球铁，为中国长春客车集团、庞厐巴迪、阿尔斯通、舍佛勒供应低温铁素体轨道产品。至今生产各类产品2万余套，无一废品。该公司负责人总结产品质量稳定性问题时说：“采用高纯生铁是保证高性能低温铁素体球铁质量与质量稳定性的基础”。一、我国生产高纯生铁的工艺特点国外生产高纯生铁的工艺主要是氧化法，以著名的“Sorelmetal”为例，其生产工艺是先将铁矿石和无烟煤混合后置于电弧炉中，经加热，将不同的金属氧化物还原，然后倒入另炉进行氧化吹炼，通过氧化处理，大幅度地脱除了P、Si、Mn、Ti、V、Cr等元素，此法可使各种杂质的含量降至很低，氧化处理的设备可用转炉、反射炉或大型盛铁包。国外用氧化法制造高纯生铁已有50多年的历史了，虽然能使P、（a）外形元宝状（b）断面呈细灰口图1龙凤山高纯生铁龙凤山高纯生铁成分与国外高纯生铁的对比。1、五个常规元素含量的对比，见表5表5龙凤山高纯生铁与Sorelmetal常规元素的对比化学成分%项目SiMnPSTiSorelmetal规格＜0.40＜0.05＜0.04＜0.0250.010实测0.150.0220.0280.0130.006～0.010龙凤山铁业公司未增Si前＜0.20增Si后0.40～0.70特级≤0.05≤0.020≤0.015≤0.0100.70～0.90一级0.05～0.100.020～0.0300.015～0.0200.010～0.0302、微量元素含量的对比，见表6表6龙凤山高纯生铁与Sorelmetal微量含量的对比（实测值）元素AlSbAsBiCuPbSnCrCuSorelmetal0.007450.000060.00100.000000.002850.000000.00167／／龙凤山铁业公司0.0070～0.00580.0005＜0.0006＜0.000050.0096～0.0089＜0.00050.00050.00940.0096～0.00893、龙凤山高纯生铁的企业标准龙凤山高纯生铁的企业标准中有三个指标：（1）六个常规元素（C、Si、Mn、P、S、Ti）指标；（2）12个微量元素（Cr、V、Mo、Sn、Sb、Pb、Bi、Te、As、B、Al）最大含量指标；（3）12个微量总和∑T限制企业标准表7、表8表7=1\*GB3①龙凤山高纯生铁企业标准（六个常规元素）牌号C05C08LC10LC12L化学成分（%）Si0.4～0.7＞0.70～0.90＞0.90～1.10＞1.10～1.30C≥3.8Ti特级≤0.0101级＞0.010～0.0202级＞0.020～0.030Mn特级≤0.051级＞0.05～0.10P特级≤0.0201级＞0.020～0.030S特级≤0.0151级＞0.015～0.020表8=2\*GB3②龙凤山高纯生铁企业标准（12个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个微量元素总和∑T＜0.06。二、龙凤山高纯生铁在低温铁素体球墨铸铁上的应用我国铁道系统为了实现引进高铁技术的消化吸收与创新，组织了九大技术关键攻关，其中高速转向架系统是其中之一，见图2、图3。图2转向架轴箱组装图2转向架轴箱组装图图3CRH380高速列车转向架轴箱（-40℃QT400-18AL,80kg/件）该铸件的材质性能要求很高，其原牌号为EN-GJS-400-18U-LD，仅有-20℃冲击功的要求，但随着高铁向高寒地域拓展，则对-40℃、-50℃甚至-60℃的冲击值提出了要求，其冲击值要与-20℃等值，达到12J冲击吸收功，抗拉强度还要在400MPa以上，重要的是该铸件对列车的安全性、稳定性影响极大。上有承载人的列车、下有飞速的车轮，其重要性不言而喻。常州华德机械公司开发并生产了该类产品2万多套，无一不合格品。其质量的高稳定性受到国内外用户的肯定与赞扬。其稳定性的因素之一就是采用了高纯生铁。本文就高端的低温铁素体球铁采用高纯生铁的必要性，高纯生铁与其性能、组织之间的关系进行探讨。探讨从2方面进行，一是低温铁素体球铁性能与高纯生铁之间的关系；二是其金相组织与高纯生铁的关系。低温铁素体球铁的性能见表9、表10表9超低温铁素体球墨铸铁附铸试样的力学性能材料牌号力学性能抗拉强度Rm、MPa（min）屈服强度Rp0.2、MPa（min）断后伸长率A%（min）硬度HBW（-20℃）QT400-18AL40024018130-150（-40℃）QT400-18AL40024018130-150（-50℃）QT400-18AL40024018130-150（-60℃）QT400-18AL40024018130-150注：用25mmY型附铸试样作检验试样。表10低温铁素体球墨铸铁附铸试样V型缺口的冲击性能材料牌号最小冲击吸收功（J）-20℃-40℃-50℃-60℃三个实验平均值单个试样（min）三个实验平均值单个试样（min）三个实验平均值单个试样（min）三个实验平均值单个试样（min）QT400-18AL（-20℃）129QT400-18AL（-40℃）--129QT400-18AL（-50℃）129--QT400-18AL（-60℃）129注：用25mmY型附铸试样。铸铁的性能是由组织决定的，低温铁素体球铁的金相组织见表11。表11低温铁素体球墨铸铁的金相组织金相组织要求球化率90%以上基体100%铁素体石墨大小5～6级石墨球数90～200个/mm2磷共晶+碳化物100倍下≈0%低温铁素体球铁在400MPa抗拉强度下，-20℃～-60℃皆要达到冲击功，在技术攻关上有2个难点：一是抗拉强度与低温冲击值是相互制约的，例如与EN-GJS-400-18U-LD相比，抗拉强度400MPa，但仅有-20℃冲击值12J要求，与EN-GJS-350-22U-LD相比，虽有-40℃冲击值12J的要求，但抗拉强度仅为350MPa，要在-40℃、-50℃、-60℃冲击值达12J的同时要达到400MPa抗拉强度，当时国内外尚无此标准。二是球墨铸铁的性能特性是低温冲击值随温度降低，要求在比-20℃更低的-40℃、-50℃、-60℃皆达到12J，技术难度很大。在华德机械公司攻克上述难关时，发现采用高纯生铁是满足其性能与组织的基础。这个基础支撑低温铁素体球铁达到高性能的因素有五点：一是高球化率；二是全铁素体；三是性能中强度与低温冲击值的平衡；四是晶界的净化；五是低的塑—脆性转变温度。1、高球化率与高纯生铁高端的低温铁素体球铁对球化有两个要求，一是球化率要在90%以上，二是Mg残的含量保证在较低的范围内，即0.03～0.045%。前者是保证性能，后者是减少收缩，夹渣及白口倾向。为此，要求高纯生铁对S、Ti含量及反球化的微量元素控制起来：（1）控制S、Ti含量，可采用龙凤山铸业公司产的特级高纯生铁（S≤0.15%、Ti≤0.010%），也可采用1级高纯生铁（S0.015～0.020%、Ti0.01～0.030%）；（2）控制反球化微量元素，并用球化指数K1＜0.6加以限制。表12为生铁中反球化微量元素对球化的负面影响。表12生铁中反球化微量元素对球化的负面影响类别元素对球化的影响耗镁型Se、Te消耗球化剂，影响球化率。促使石墨形成蠕虫状石墨、过冷石墨到片状石墨晶界偏析型Sb、Sn、As、Ti偏析于晶界，促使石墨畸变，使石墨呈各类不规则形状混合型Pb、Bi含量少时，形成畸变石墨，含量多时则呈过冷石墨到片状石墨对微量元素干扰球化的研究表明，元素中Ti、As、Sn、Sb、Pb、Bi、Al反球化最为显著，经回归分析计算，可用球化指数K1表征。K1=4.4Ti+2.0As+2.3Sn+5.0Sb+290Pb+370Bi+1.6Al资料表明：为球化中不出现异形石墨，K1应＜1.0，但龙凤山高纯生铁的K1仅为0.22，见表13。表13龙凤山高纯生铁的球化指数成分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球化指数（K1）K1=4.4Ti+2.0As+2.3Sn+5.0Sb+290Pb+370Bi+1.6Al=0.22由于严格的限制了影响球化的S、Ti及球化干扰微量元素，华德机械公司采用了龙凤山高纯生铁后经3608炉次的统计获得了下列结果：（1）球化率达到90以上；（2）耗Mg量减少，在1500℃球化温度，低镁低稀土的球化剂（Mg5.5%、Re0.5～1.0%）及冲入法工艺下，球化剂加入量仅为1.1%；（3）球化后Mg残低，（0.031～0.049%），Re残低（0.011～0.018%），球化后的S低（0.003～0.016%），使低温铁素体球铁达到了即球化良好，Mg残又低的要求。值得提出的是球化后铁液的低含S量，有效地延缓了球化衰退。图4为球化率，图5为球化后的铁液含S量，图6、图7为球化后的Mg残与Re残。以上4图皆是华德机械3608炉次的统计。图4（-40℃）QT400-18AL的球化率图5（-40℃）QT400-18AL的S含量的（100X）3608炉次统计图6（-40℃）QT400-18AL的Mg残含量的图7（-40℃）QT400-18AL的Re残含量的3608炉次统计3608炉次统计2、100%铁素体基体与高纯生铁100%铁素体基体是保证低温冲击值的必要条件。为保证100%铁素体，则要求对高纯生铁中的促进珠光体元素严格限制。促进珠光体的元素为Mn、Cu、Sn、Pb、Bi、As、Cr、Sb，可用珠光体系数Px＜1.0来表征。Px的计算式为：Px=3.0Mn-2.65（Si-2.0）+7.75Cu+90Sn+357Pb+333Bi+20.1As+9.6Cr+71.7Sb龙凤山高纯生铁的珠光体系数Px=0.6，见表14。表14龙凤山高纯生铁的珠光体系数Px化学成分%MnSnSbTiAlAsBiPbCuCr珠光体系数Px0.052～0.046＜0.0005＜0.00050.010～0.0150.007～0.0058＜0.0006＜0.00005＜0.00050.0096～0.00890.0094珠光体系数（Px）Px=3.0Mn+2.65（Si-2.0）+7.75Cu+90Sn+357Pb+333Bi+20.1As+71.7Sb=0.6图8为（-40℃）QT400-18AL的全铁素体基体图8（-40℃）QT400-18AL的基体（100X）3、低温铁素体球铁的高性能与高纯生铁。如何保证抗拉强度400MPa下-40℃～-50℃的冲击值仍达到12J是技术攻关中的重点。它与高纯生铁中的Si、Mn、P的控制关系密切。（1）利用高炉的低Si冶炼，使Mn、P含量大幅度降低，此时Si为0.2～0.3%，后增Si至0.4～0.7%或0.7～0.9%是为形成细灰口高纯生铁。（2）生产低温铁素体球铁时，生产厂将Si提至2.2～2.4%，强化铁素体以保证400MPa抗拉强度。（3）Si提高后保证了强度，但降低了球铁的塑-脆性转变温度，表15为Si对塑-脆性转变温度的影响。表15Si量对塑-脆性转变温度的影响Si（%）1.281.982.583.053.503.994.254.674.855.25塑-脆性转变温度（℃）-50-45-25-105055657585100Si量每增加0.1%，塑-脆性转变温度提高，一般情况下，低温铁素体球铁的Si在2.0%以下为宜。如将1.9%Si为了保证抗拉强度提至2.3%，则脆性转变温度提高了22℃～24℃，脆性转变温度提高后，难以保证低温冲击值，解决办法是降低Mn、P含量，Mn每降0.1%或P降P0.01%，则塑-脆性转变温度分别将11℃～12℃或4℃～5℃，若Mn由0.3%降至＜0.1%，将P由0.04%降至≤0.025%，则总的脆性转变温度不仅未提高，反而降低。从而保证了低温铁素体球铁既有400MPa抗拉强度又具有低的脆性转变温度，因此高纯生铁在Si冶炼中降低，Mn、P含量的工艺起着关键的作用。当要求-50℃～60℃冲击值时，可将Si降至1.8～1.9%，用Ni来强化铁素体保证强度，但Mn、P含量必须在较低的范围内。华德机械采用龙凤山的高纯生铁，其（-40℃）QT400-18AL材质3608炉中Si、Mn、P的统计值见表16，图9、图10、图11。表16（-40℃）QT400-18AL中的Si、Mn、P成分统计（3608炉次）Si（%）Mn（%）P（%）要求统计值平均值要求统计值平均值要求统计值平均值2.2～2.42.029～2.4422.208≤0.100.040～0.1380.076≤0.0250.012～0.0280.021图9（-40℃）QT400-18AL的Si含量的图10（-40℃）QT400-18AL的Mn含量的3608炉次统计3608炉次统计图11（-40℃）QT400-18AL的P含量的3608炉次统计4、晶界净化与高纯铁低温铁素体晶间夹杂的净化是提高球铁低温冲击值的重要措施。生铁中的微量元素形成的晶间夹渣有三类：=1\*GB3①Cr、V、Ti、M、B、As等形成的碳化物分布在晶间处，形成正偏析；=2\*GB3②Si、Ni、Cu分布在晶粒内部，形成反偏析；=3\*GB3③P、S、Pb、Sn、Zn等低熔点元素在晶界上最后凝固，造成晶界低熔点物质夹杂。表17为生铁中微量元素对晶界夹渣与偏析的影响。表17生铁中微量元素铸铁晶间夹渣与偏析的影响序号类别元素对性能的影响1正偏析Mn.Cr.V.Ti.Mo.B.As形成碳化物，分布于晶界处，造成晶粒外偏析，降低材质的韧性与塑性2反偏析Si.Ni.Cu固溶强化基体，分布在晶粒内部，造成晶粒内偏析3低熔点元素偏析P.S.Sn.Pb.Zn.As熔点低，常分布在最后凝固的晶界上，造成夹杂，裂纹缺陷为提高材质的纯净度，需对高纯生铁中微量元素的总和∑T加以限制，龙凤山高纯生铁的∑T＜0.06，经3608炉次的统计，在100倍金相显微镜下（-40℃）QT400-18AL材质的磷共晶+碳化物总和为零，在400倍下也未发现晶间杂渣，说明高纯生铁在净化晶界方面是有成效的，这对低温冲击值的提高是十分有利的。5、塑-脆性转变温度及变化曲线与高纯生铁冲击性能随温度降低而