1． 球鐵的生產(chǎn)和研究現(xiàn)狀
1. 1常規(guī)球鐵
目前常規(guī)球鐵——即以鐵素體和珠光體為基體的球鐵仍占球鐵產(chǎn)量中的絕大部分比例，因此注意提高常規(guī)球鐵的性能和質(zhì)量，在保持球鐵的競爭地位中起了重要的作用。
1．1． 1對影響球鐵質(zhì)量的因素加強控制
球鐵的組織與性能取決于鑄鐵的成份和結晶條件以及所用球化劑的質(zhì)量，研究認為為了確保球鐵的機械性能，必須針對鑄件具體壁厚、澆注溫度、所用球化劑、球化處理工藝、冷卻參數(shù)的優(yōu)化以及有效的排渣措施進行嚴格控制，而適當?shù)慕档吞籍斄?，合金化和熱處理是改善球鐵的有效措施。
1．1．2有效控制鐵素體球鐵和球光體球鐵的生產(chǎn)
控制球鐵基體的主要因素有鑄鐵的成份、所用球化劑、孕育劑的類型，加入方法以及冷卻條件等。
鑄態(tài)鐵素體球鐵的成份控制
微過共晶成份，其中碳稍高，但不出現(xiàn)石墨漂浮，含硅稍低，孕育劑硅量應少于3%，錳越低越好，應使Mn<0.04%，硫、磷應低，使S≤0.02%、 P≤0.02％，這是因為硅可改善球鐵組織和相應的塑性，Si=3.0～3.5%可得到全部鐵素體組織。有研究指出，Si=2.6～2.8％時，鑄鐵具有高的延伸率和沖擊韌性，但硅在鐵中的顯微偏析隨著含磷量的增加，這種偏析越嚴重，并對機械性能有不良影響，特別是當溫度低于零度時影響更大，而含硫低可以選用低鎂低稀土球化劑球化，并減少“黑斑”缺陷的產(chǎn)生，而“黑斑”主要是鎂、鈰硫化物和氧化物的聚集物，此外也要用低硅球化劑以保證可以進行多次孕育。
對珠光體球鐵而言，在生產(chǎn)時鑄鐵成份中錳可提高至0.8～1.0％，有些鑄件如果是用作耐磨性曲軸時，錳可提高至1.2～1.35％，生產(chǎn)鑄態(tài)珠光體元素銅。加入量大于1.8%時，它阻礙石墨球化，但促進基體完全珠光體化，一般球鐵中銅含量應小于1.5%，錫是強烈的珠光體化元素，其對硬度的影響大于銅和錳，但Sn≥1.0%時使石墨畸變，因此其含量應限制在0.08％以下。
1.1.3 稀土在球鐵中的作用
稀土能促進鎂合金的球化效果（球化率和球的圓整度），它對壁厚球鐵件中防止球狀石墨畸變的效果受到了重視，這也是國內(nèi)外球化劑中都包含稀土的主要原因之一。
在鑄件中有些元素能破壞和阻礙石墨球化，這些元素即所謂的球化干擾元素，干擾元素分為兩類，一是消耗球化元素型干擾元素，它們與鎂、稀土生成MgS、MgO、MgSe、RE2O3、RE2S3、RE2Te3等，使球化元素降低從而破壞了球狀石墨形成；另一類是晶間偏析型干擾元素，包括錫、銻、砷、銅、鈦、鋁等在共晶結晶時，這些元素富集在晶界，促進使碳在共晶后期形成畸形的枝晶狀石墨 ，球化干擾元素原子量越大，其干擾作用越強，現(xiàn)在許多研究都已找到了干擾元素在鑄鐵中的臨界含量，當這些元素含量小于臨界含量時，并不能形成畸變石墨。
在有干擾元素的鑄鐵中，加入稀土可消除其干擾作用，有研究報告指出在鑄鐵中干擾元素之和應小于0.10％即z=Ti+Cr+Sb+V+As+Pb+Zn+…<0.10%
有研究指出，中和鐵水中的Al、Sb、TI、Pb、Bi、等只要分別加入0.005～0.04%Ce即可，例如，中和Ti、Pb、Sb、Al等只要分別加入0.005~0.007%、0.014%、0.15%和0.008%的Ce即可。
干擾元素在鑄件壁厚，冷卻速度慢的情況下破壞作用更大。
干擾元素對球鐵基體也有影響，Te、B強烈促進白口形成，Cr、As、Sn、Sb、Pb、Bi穩(wěn)定珠光體，Al、Zr促進鐵素體。
值得注意的是，目前正在發(fā)展一些球化元素與干擾元素復合球化劑，以改善大斷面球鐵的處理效果及石墨球的圓整度。
1.1. 4球鐵檢測加強
球鐵檢測是保證其質(zhì)量的重要措施，目前正在研究發(fā)展線分析，即產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中進行分析，以確定其質(zhì)量，已有不少單位在大批量生產(chǎn)條件下利用超聲波對鑄件質(zhì)量進行分析。
在利用超聲波測定鑄鐵組織時，片狀石墨的聲速為4500m/s、蠕墨鑄鐵為5400m/s、球墨鑄鐵5600m/s，此外在鑄鐵中高頻衰減率的變化也可判斷鑄鐵類型，球鐵中心頻率為5MHz而片狀鑄鐵僅為1.5MHz。目前還有單位正在用超聲波作球化級別的測定，已可測定合格的球化級別和不合格的產(chǎn)品（3級和4級之間），但還不能進行更細分級測定，此方法正在完善中。
1．2奧——貝球鐵
20世紀70年代，荷蘭、中國、美國彼此獨立地，幾乎是同時宣布各自研究成功了貝氏體球鐵，中國研究成功的是下貝氏體，美國為下貝氏體＋馬氏體，荷蘭為上貝氏體＋奧氏體，荷蘭成果具代表性，即現(xiàn)在所稱的奧——貝球鐵。1977年M.Jokason宣布荷蘭的Kgmi Kgmmene公司所屬的karkkila鑄造廠開發(fā)了一種特性優(yōu)異的新型鑄鐵，即奧——貝球鐵，并在1978年召開第45屆國際年會上宣讀了有關論文，此一發(fā)明在美、英、法、加等13個國家申請了專利（美國專利號：3860457，荷蘭專利1996/72，原西德專利2852870），引起了各國重視，被譽為近幾十年來鑄鐵冶金中的重大成就之一。
奧——貝球鐵兼?zhèn)涓邚姸?、高韌性和高耐磨性。如英國的標準有NE-GJS-800-8，EN-GJS-1000-5，EN-GJS-1400-1。
奧——貝球鐵成份與常規(guī)球鐵成份相同，球化劑和處理工藝也相同，其差別是必須進行等溫淬火處理，等溫淬火溫度不同時可分別獲得上貝氏體＋奧氏體，下貝氏＋奧氏體，下貝氏＋馬氏體等不同基體。這種鑄鐵成本高、生產(chǎn)難度較大，目前應用面雖在不斷擴大，但其總量并不大，被人們稱之為21世紀材料。
2．球化劑的現(xiàn)狀
球化劑是目前獲得球鐵的主要手段之一，在志包鋼稀土一廠共同完成國家攻關課題“稀土三劑系列化”時，我校課題組對世界上100多個球化劑生產(chǎn)廠，國內(nèi)主要合金生產(chǎn)進行調(diào)研，取得了英、美、法、德、日、前蘇聯(lián)、印度等十幾個國家50多家合金生產(chǎn)廠的產(chǎn)品樣本及國內(nèi)主要球化劑生產(chǎn)廠的產(chǎn)品樣本，為對比國內(nèi)外球化劑性能及今后球化劑生產(chǎn)改進提供了依據(jù)。
2．1球化劑的類型
按生產(chǎn)方式分有下述幾種
(1)球化劑的類型
包括鎂硅系合金、稀土鎂硅系合金、鈣系合金(日本用的較多)，鎳鎂系合金、純鎂合金、稀土合金。
上述合金中目前世界上用的為廣泛的是稀土鎂硅鐵合金，但中國合金中RE/Mg的比值范圍大(0.5~2.2)，國外的合金RE/Mg的比值范圍小(0.1~0.3)。中國合金中稀土大于等于鎂含量的占多數(shù)，小于鎂含量的占少數(shù)，而國外(除前蘇聯(lián)一些合金外)球化劑合金中的稀土含量幾乎都小于鎂含量，因此稀土三劑系列化課題組建議除保留FeSlMg8E18外(此合金是效果優(yōu)良的蠕化劑)，其它全部球化劑中RE/Mg≤1，隨后修訂的國家標準中采納了這個建議。
鈣鎂球化劑主要是日本生產(chǎn)和應用，如日本信越(SHIN—ETSU)生產(chǎn)的鈣系合金NC5、NCl0、NCl5、NC20、NC25中鎂含量從4~28％變動，但鈣含量變化較小，其變化范圍為20~31%；此類合金白口傾向小，但要求處理溫度高，處理后渣量大。
鎳鎂合金在美洲、歐洲均有應用，美國國際鎳公司生產(chǎn)的鎳鎂合金高達82~85%，其中Mg、Ca分別為13~16，及20，鎳低的57~61%(其中Mg4.0~4.5％，Ca<2.5，F(xiàn)e32~36)。德國金屬化學公司生產(chǎn)的鎳鎂合金中Ni47~51％，Mgl5~17％，C1.0％Si28~32%,RE1.0%余Fe。這些合金的優(yōu)點是比重大，反映平穩(wěn)，鎳可起合金化作用，其特點是價格貴，這種合金在中國基本沒有應用。
鎳硅系合金目前在中國基本上已不用。純鎂合金處理時要用專用的壓力加鎂包，鎂的吸收率高，但處理安全措施要極為嚴格，生產(chǎn)中應用比例較小。
稀土是發(fā)明球鐵時使用的球化劑，它的發(fā)現(xiàn)推進了球鐵工業(yè)應用的進程。但價格高，白口傾向大，過量會使石墨變態(tài)，現(xiàn)在己不作為球化劑單獨使用，僅作為輔助球化元素。
(2)壓塊狀球化劑
用鎂粉和鐵粉及所設計的硅含量直接加壓成型，這種球化劑中含硅很低，通常稱為低硅壓塊狀球化劑，因而為后續(xù)的孕育提供了大的余地，有利于生產(chǎn)鑄態(tài)球鐵，但這種合金易漂浮，處理效果波動大，處理時好跟塊狀球化劑混合使用。
(3)包芯線型球化劑
將鎂粉、鐵粉包覆在薄鋼板或鋼板中，將其快速送入鐵水中達到球化目的，這種球化劑較貴，且設備投資大，但處理時合金吸收率高，因此處理球鐵的總成本幾乎沒有提高。
(4)粉狀球化劑
這種球化劑是俄羅斯的一個專利，使用時將鎂粉與抑制劑混合放入包內(nèi)，并使鐵水從合金表面上流過，逐層與合金反映達到球化效果，這種專門工藝稱之為MC。
2．2球化劑的應用
目前國內(nèi)外在球鐵生產(chǎn)中主要應用火法冶煉的合金，壓塊球化劑、包芯線球化劑、粉狀球化劑應用的很少，火法冶煉的球化劑在生產(chǎn)中應用占90％以上，目前這類合金中增加Ba、Ca、Cu、Ni等以達到控制基體目的，對合金中的氧化鎂含量已有限量指標?，F(xiàn)對中國33個典型工廠和美國77個工廠生產(chǎn)球鐵工廠進行對比分析。
中國33個工廠的基本情況是：33個工廠總計有36個熔爐，其中電爐(中頻、工頻、電弧爐)9個占25％，沖天爐22個占61％，沖天爐一電爐雙聯(lián)熔煉廠4個占11％，高爐1個占3％，球鐵處理溫度大于1500℃，4個占11％，1450~1500℃，20個占56％，1350~1400℃，6個占16．7％，1300~1350℃，2個占5.6%；大于1270℃1個占2.7％；鐵水含硫量小于等于0．03％占20％；處理方法中沖入法占94％，噴吹法占3％，壓力加鎂法3％，用量大的6#合金Mg8RE8占46％，其次為Mg8RE5占37％，Mg9RE5占11％。美國77個工廠的基本情況是：
熔化設備沖天爐占30%，感應電爐占63％，球化處理溫度1482~1538℃占75%；原鐵水在球化處理前有50％工廠采用預脫硫工藝，有90％的工廠S小于0．025%，球化處理方法中在美國大工廠中沖入法占36％，而小廠(小于200噸/周)沖入法僅占22％，壓入法、多孔塞法、型內(nèi)處理法、Tundish蓋包法、壓力加鎂法則占絕大部分比重，使用的球化劑中含鎂大于％的占8．2％Mg4~6％占63．3，含鎂小于4％占16．4％純鎂占5％，其它的鎂合金占8．2％。
資料表明中國生產(chǎn)球鐵方面還有不小的差距，美國生產(chǎn)的電爐可保證球化處理所需要的高溫，一般經(jīng)預脫硫，含硫量低，質(zhì)量要優(yōu)于我國處理球鐵的質(zhì)量，因此處理球鐵可用低鎂、低稀土球化劑，而且質(zhì)量控制也嚴格，包括使用衰退時間控制器。