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nodular cast iron
简介
灰口铸铁铁水经球化和孕育处理，在铸态下获得球状或近似球状石墨的一种用途广泛的高强铸铁(简称球铁)。球状石墨比片状在金属基体中所产生的割裂作用大大减弱，使金属基体能充分发挥作用，所以它比普通灰口铸铁的性能要好得多，有些性能近于或优于钢。其生产工艺简单，成本低廉，易于操作，常用其代替铸钢、锻钢、可锻铸铁或有色金属零件。它常用于机器制造、冶金、矿山、石油、化工、造船、国防等方面。其中前联邦德国用球墨铸铁铸成大型物理性能要求苛刻的核能废料罐。中国用球铁制成重达数十吨、壁厚达数百毫米的铸件，成批生产了离心球铁管，成功地铸造了3000kW以下的各种发动机曲轴以替代锻钢件。
1947年英国莫罗(H.Morrogh)用铈处理铁水获得球状石墨，1948年美国加内宾(A.P.Gangnebin)又以镁处理铁水获得了石墨更圆整的球铁。
1950年初，中国开始研制球铁，1951年在柴油机上应用并逐步推广至其他机械制造行业。球铁产量逐年增加。60年代初期，中国制成稀土镁球化剂，采用冲入法球化处理工艺，形成独具风格的稀土镁球铁系列，改善了铸造性能，消除了干扰元素的影响，放宽了生铁炉料的要求，改善了劳动条件。中国稀土资源丰富，有利于发展稀土镁球铁。
分类 球铁按基体可以分为铁素体球铁、珠光体球铁、贝氏体球铁、奥氏体-贝氏体球铁、马氏体-奥氏体球铁和奥氏体球铁。
铁素体(高韧性)球铁 其特点是塑性和韧性较高，用于受力较大而又能承受一定变形和冲击的零件，如汽车后桥外壳和球铁铸管等。球铁铸管能经受比灰口铸铁管高得多的管道压力，并能经受地基下沉等造成的变形。
珠光体(高强度)球铁 强度和硬度较高，并且有一定的韧性，适于制造承重载荷的耐磨零件如曲轴等。
贝氏体(耐磨)球铁 具有比珠光体球铁更高的强度和硬度，耐磨性好，适于制造传递大功率的动力零件，如汽车、拖拉机的伞齿轮。
奥氏体-贝氏体球铁 国外开发于1977年，各国对其生产技术进行了大量研究，具有高强度，高韧性和高耐磨性，其抗拉强度σb>1000MPa，伸长率δ≥10%。这种性能优异铸铁的研制成功，乃铸铁冶金学的一大突破。它适于制造大功率传输动力的零件，如汽车后桥差速器的大伞齿轮和曲轴等。
马氏体-奥氏体球铁 具有中等锰量的一种球铁，有一定抗磨料磨损性能，成本低廉，适于作矿石磨球。
奥氏体球铁 含20%～30%Ni，具有良好的耐热性和耐蚀性，适于制造加热配件。
力学性能 经适当热处理的球铁，其强度等性能比铸态有很大提高。此外，同一成分的球铁采用不同热处理工艺，其抗拉强度可在很宽的范围内变化，例如最低时为400MPa，最高时可达1500MPa，这是其他钢铁材料无法比拟的。铁素体、珠光体、贝氏体基体的球铁力学性能指标见表1。中国几种钢铁材料的力学性能见表2。
表1 球墨铸铁的力学性能
| 牌 号 |
抗拉强度(最小值) /MPa |
屈服强度(最小值) /MPa |
伸长率 /% |
布氏硬度 (HBS) |
金相组织 |
| QT400-18 | 400 | 250 | 18 | 130～180 | 铁素体 |
| QT400-15 | 400 | 250 | 15 | 130～180 | 铁素体 |
| QT450-10 | 450 | 310 | 10 | 160～210 | 铁素体 |
| QT500-7 | 500 | 320 | 7 | 170～230 | 铁素体+珠光体 |
| QT600-3 | 600 | 370 | 3 | 190～270 | 珠光体+铁素体 |
| QT700-2 | 700 | 420 | 2 | 225～305 | 珠光体 |
| QT800-2 | 800 | 480 | 2 | 240～335 | 珠光体或回火组织 |
| QT900-2 | 900 | 600 | 2 | 280～360 | 贝氏体或回火马氏体 |
表2 几种钢铁材料的力学性能
| 材 料 种 类 | 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 抗弯强度/MPa | 伸长率/% | 硬度(HBS) |
| 灰口铸铁 | 150～350 | 280～650 | 145～241 | ||
| 稀土灰口铸铁 | 350～450 | 600～1000 | 180～260 | ||
| 可锻铸铁 | 370～450 | 200～280 | 4～15 | 110～150 | |
| 铁素体球墨铸铁 | 450～600 | 400 | 10～28 | 140～190 | |
| 高强度球墨铸铁 | 600～1000 | 400～800 | 2～6 | 240～360 | |
| 铸 钢 | 450～600 | 210～250 | 20～25 | 140～180 |
屈服强度 屈服强度σ0.2标志着金属抵抗微量塑性变形的能力，σ0.2愈大表示材料的刚度愈好，该材料愈适于在高负荷下进行工作。σ0.2在结构设计时是材料的重要指标，在相同的抗拉强度下，球铁的σ0.2高于碳钢，σ0.2/σb的比值愈高，则材料的性能利用率愈高。σ0.2/σb又称为材料的强度利用率。几种铸铁和铸钢的σ0.2/σb值见表3。其中球铁最高，是一种良好的结构材料。
表3 几种钢铁材料的σ0.2/σb比值
| 材 料 |
铸钢 (退火) |
可锻 铸铁 |
球 铁 | |||
| 铁素体 | 珠光体 | 贝氏体 | 奥氏体 | |||
| σ0.2/σb |
0.35～ 0.5 |
0.5～ 0.6 |
0.65～ 0.75 |
0.7～ 0.85 |
≈0.9 | ≈0.60 |
伸长率 铁素体球铁的伸长率可达20%，虽其他铸铁不可比拟，但还不如钢。作为结构材料没必要过分追求伸长率，因提高伸长率势必使强度指标下降。机器零件工作时，只允许有微小的塑性变形，不能设想一个零件产生明显塑性变形之后仍能继续工作。因此，球铁伸长率低于铸钢，不应成为限制其代替铸钢的根据。
硬度 球铁的硬度比可锻铸铁、灰口铸铁和铸钢的都高，这是因为其含硅量较高，基体被强化的缘故。铁素体球铁的硬度为HBS140～190，珠光体球铁的硬度为HBS240～360，如经淬火硬度可达HRC58～60。
冲击韧性 球铁件大半是在动载荷下工作的，因此冲击性能十分重要。所谓冲击韧性是指在冲击载荷下，试样被撕裂冲断而消耗于断口的变形功，除以断口截面积所得的数据。故冲击韧性是一个能量的概念。球铁和其他材料的冲击韧性见表4。
表4 几种材料的冲击韧性
| 材 料 |
灰口 铸铁 |
可锻 铸铁 |
球 铁 | 铸 钢 | ||
| 珠光体 | 贝氏体 | 铁素体 | ||||
|
冲击韧性 /J·mm-2 |
3～7 | 25～50 | <40 | 30～70 | 50～150 |
150 (有缺口) |
球墨铸铁大能量一次冲击韧性虽不及铸钢，但小能量多次反复冲击韧性却比铸钢高。
金相组织 在化学成分相近的条件下，球铁的力学性能主要取决于其金相组织，同灰口铸铁一样，球铁的金相组织也包括石墨和金属基体两部分。
石墨 球铁中的石墨组织变化很大，可根据石墨的形态、球化级别和石墨的尺寸大小加以区分。(1)石墨形态。球铁中石墨形态通常分为6种：球状石墨，外形接近圆形;团状石墨，外形不像球状石墨那样规则，周界有凸凹;团片状石墨，外形比团状石墨还不规则，边缘显著向外伸张;厚片状石墨，外形近似蠕虫状;开花状石墨，开裂的球状石墨，裂口处嵌有金属基体;枝晶状石墨，由细小短片，点状石墨聚集呈枝晶分布。(2)球化级别。在球铁中，石墨通常不是以单一的形态存在，而是几种形态并存。按其分布和形态变化及其对力学性能的影响，将石墨的球化程度分为6级：1级：石墨大部分为球状，其余为团状分布，球化率≥95;2级：石墨大部分呈球状，余为团状和极少量团絮状;球化率90～<95。3级：石墨大部分呈团状和球状，余为团絮状，允许有极少量蠕虫状，球化率80～<90。4级：石墨大部分呈团絮状和球状，余为球状和少量蠕虫状;球化率70～<80。5级：石墨呈分散分布的蠕虫状、球状、团状、团絮状;球化率60～<70。6级：石墨呈聚集分布的蠕虫状、片状及球状、团状、团絮状。(3)尺寸大小。球铁石墨尺寸大小变化很大;对力学性能很有影响。按石墨球径大小可分为5级(100倍显微镜观察)：1级：球径≤3mm;2级：球径>3～5mm;3级：球径>5～8mm;4级：球径8～12mm;5级：球径>12mm。
金属基体 球铁的金属基体有珠光体、铁素体、渗碳体、磷共晶、贝氏体;特殊的还有马氏体和奥氏体。球铁组织的晶体结构与一般钢相同，只是球铁含硅量比钢高4～5倍，硅溶入一些基体中，使晶格发生畸变。
石墨在铸铁中好像基体上的空洞，削弱了金属基体，但球状石墨不同于灰口铸铁中的片状石墨，首先是其应力集中现象不像片状石墨那样显著，其次是其同体积的石墨对基体的有效截面积削减较少，此外，球状石墨没有破坏基体的连贯性。由于以上原因，球铁能够利用其基体强度的70%～80%;而灰口铸铁只能利用其基体强度30%左右。石墨形状对球铁力学性能的影响，原则上是石墨愈圆整愈好。生产实践认为，对静负荷下的力学性能，球状与团状石墨没有多大差别，团片状和厚片状石墨则性能将有大幅度下降。开花状石墨和分枝状石墨大都出现在石墨漂浮区，使力学性能急剧下降(见石墨漂浮)。石墨尺寸大小对力学性能亦有影响，石墨球径愈大则性能愈差，愈小则性能愈好，这在塑性和韧性上尤为明显。
黑斑 大断面球铁的一种缺陷。在显微镜下观察，可见稀疏而直径较大的石墨球，其四周均有很多短而厚、碎枝晶石墨。人们认为黑斑形成直接起因是凝固缓慢，液态停留时间长，导致石墨畸变。预防黑斑的方法有：(1)控制铁水的成分，降低碳当量，降低稀土的残留含量;(2)提高铸件的冷却速度;(3)采用强化孕育措施，如加强后孕育，采用长效孕育剂等(见铸铁碳当量)。