书城教材教辅中学化学课程资源丛书-化学新动向
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第12章 无机金属材料(3)

与原镁球铁相比,稀土镁球铁不仅铸造性能好,机械性能高,而且生产简便安全,在原铁水质量较差的情况下能制造出合格的球铁,因而在我国得到很快的发展。1976年10月以“稀土镁球墨铸铁的冶金及工艺特性”为主题首次在国际铸造年会上公布这一成果,引起国际铸造界的重视。

1977年5月,机城工业部在长沙市召开了第三次全国球铁会议,交流了随流孕育、摇包脱硫、快速测定球化率等九项球铁新技术,以后又召开多届年会,交流球铁新成果。

进入20世纪80年代以来,我国球铁产量逐年大幅度增长,生产厂遍及全国各省市区;研究成功等温淬火球铁及多种特种球铁,球铁牌号增至10多个品种,并相继制订了“稀土镁球铁金相”、“球墨铸铁件”、“球铁用生铁”、“稀土硅铁镁合金”等技术标准;研究开发了适应球铁大量流水生产的先进工艺,如摇包、气动脱硫;型内、型上球化;多种瞬时孕育;音频、超声、热分析等多种球化率快速检测方法等。以汽车零件为代表的大量流水生产逐步达到国际水平,离心铸管产量也逐年增长,使我国逐步迈进球铁生产大国的行列。

4.球铁基础理论及基础技术的研究

在球化理论方面,哈工大、中科院物理所、华中工学院、镇江农机学院等单位分别采用液淬、热分析、扫描电镜观察、电子探针等先进手段进行试验,并系统地提出了自己的观点:球状石墨是从液相中直接析出长大的;在液态就可能发生石墨畸变;石墨生成的结构机理是以螺旋位错方式长大;石墨畸变的原因是氧、硫等表面活性原子堵塞螺旋位错台阶而阻碍了石墨的球状生长;镁、稀土等球化元素的作用在于其脱氧、脱硫的“清扫剂”作用等等。这些观点丰富了原有的球化理论,并对原铁水质量控制、合理选择球化剂、加强孕育、防止球化不良和衰退产生等生产实际问题都有非常重要的指导意义。

在石墨形貌方面,清华大学采用扫描电镜等手段,用深腐蚀和热腐蚀方法,研究了各种铸铁的石墨形貌和内部结构,建立了一套铸铁石墨形貌的扫描电镜图谱,并据此提出了“铸铁石墨分类、命名”的文件,深化了对铸铁石墨形貌的认识。

在球铁基本性能方面,郑州机械所、北京钢铁学院、北京市机电院等单位系统测定了各种不同基体、不同牌号稀土镁球铁的动静态力学、使用、加工等性能,为合理选用球铁材质制造服役条件恶劣零件(如齿轮等)提供了科学数据。

(三)球铁生产技术的最新进展及发展方向

综观国内外球铁生产及其技术近一二十年的发展,有八个方面的进展及动向分别介绍如下。

主要工业国家球铁产量的比例均已达到30%左右,中国约比工业发达国家低1倍,但增幅最快,产量增长7倍,比例增长3倍。

同期的灰铸铁件的比例逐年下降,可锻铸件的产量及比例均大幅度下降。

1.采用成套先进技术,稳定提高球铁大量流水生产质量。

汽车工业是球铁的最主要用户,反映了球铁生产规模和生产技术的最高水平。以汽车铸件为代表的球铁大量流水生产,推荐采用如下三方面成套先进技术:高温低硫低氧的优质原铁水,是稳定内部质量的基础。

采用铸造焦、热风水冷冲天炉、电炉熔化或双联过热、摇包或气动脱硫、直读光谱仪快速分析成分等先进技术。

专用球化剂、孕育剂及合理的球化、孕育工艺(随流或型内)是确保球化良好和基体稳定的必要手段。

高刚度铸型及先进的型砂是提高铸件内、外质量的有效措施。

采用静压、高压、气冲加压、挤压等高紧实率铸型和树脂砂可有效减少缩松,提高铸件尺寸精度和降低粗糙度。

另外,为了适应多品种变批量的生产方式,还需应用快换模板、快调浇口、通气针和型砂定量等技术。

综合采用上述成套技术,我国主要汽车铸造厂的工艺及装备已达到国际水平,生产规模也接近国际水平(如二汽铸造二厂年产量达7万吨),静态性能可稳定达到QT450-10、QT400-15、QT500-7、QT600-3,其中脱硫效果稳定的南汽铸态性能达到QT600-10,正火后可达到QT880-5的高性能水平。

2.离心铸管产量急剧增长,成为球铁的最大用户。

离心球铁管由于强度高、塑性好、耐腐蚀性好等优点,故在供水、输气管道中大量应用。工业发达国家的离心球铁管产量已占铸管总产量的95%~98%,球铁总产量的40%~50%,成为球铁的最大用户。中小口径(<1000mm)铸管采用水冷金属型工艺(即冷模法);大口径采用热模法(喷涂料和衬树脂砂)。国外已能生产最大尺寸达DN2000mm×8000mm和DN2600mm×4000mm的铸管。

我国近十多年来引进和研制了一批离心球铁管生产线,生产能力已达70万吨,年销售量约30万吨,已占球铁总量的20%以上。其中新兴铸管集团公司产量最大,且已能用热模法大批量生产DN(1200~1600)mm×5000mm的大管径铸管。

3.等温淬火球铁成为球铁系列的最新成员。

科技的脚步跨入20世纪70年代初,美国、中国、芬兰几乎同时发表了等温淬火球铁的科研成果,研究内容涉及成分及原始组织控制、铸态获得贝氏体组织的方法、等温淬火工艺选择、等温淬火设备及自动检测,使用性能系统测试及优选,在典型零件(齿轮、闸瓦、车轮、磨球、磨盘等)上的应用等。

等温淬火球铁是力学性能等级最高的球铁品种,也是一类球铁的总称。其强韧性、硬度可以在相当宽的范围内变化,其金相组织亦相应沿上贝氏体+奥氏体→下贝氏体+奥氏体→下贝氏体→下贝氏体+马氏体→马氏体+下贝氏体方向变化……

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司母戊鼎

司母戊鼎是我国现存最大的青铜器,出土于河南安阳,是我国材料发展历史上的象征和代表。司母戊鼎结构复杂,是用合范法铸成的,即耳、身、足分别铸成后,再合铸成一个整体。鼎四周有盘龙纹和饕餮纹,腹内刻有“司母戊”三字。大鼎带耳高133厘米,长110厘米,宽78厘米,重达875公斤。根据考古专家分析,这种大鼎需要两三百人用七八十斤重的将军盔,协同合作才能制成。这种大规模的生产和复杂的工艺过程,说明我国青铜冶铸业早在商代就已达到了相当高的水平。

人类早在新石器时代晚期就已经开始加工和使用金属,最先使用的金属是红铜,即未经有意加入其他金属的“纯铜”。

在当时红铜主要来源于天然铜,当我们的祖先在拣取石器材料时,偶然遇到天然铜,发现它的性质与石料完全不同,而且在某些方面的特性要优于石器。它不像石料那样极易劈裂剥落,而且可锤延,能发出灿烂的光泽。人们将它加工成装饰品和小器皿。这可能是早期取得和使用红铜的状况。仅采用锤敲打击的加工方法,叫做冷锻法,这还不是冶炼,但是当人们有了长期用火,特别是制陶的丰富经验后,为铜的冶铸准备了必要的条件,例如冶铸所需的高温技术、耐火材料、造型材料等。有了这些条件,人们不难将红铜重新熔化,再倒入特制的容器,冷凝后就得到各种所需形状的器物。熔铸技术被掌握后,人们便更有效地利用红铜了。红铜可延可展,锤打不破,任意成形,使用久后还可重新改铸,这些优点——金属的基本性能,石器是无法相比的。

与石头相比红铜的硬度要低,产地有限,产量少。所以红铜虽具有上述的种种优点,却不能取代石器作为主要的生产工具,对社会的经济面貌和生产能力的影响不大。这一时期也是通称的金石并用时代。

在公元前5000年左右西南亚地区、埃及和我国都已经进入这一时代。在当时,西南亚和埃及地区的民族已使用红铜。在一段长时间里,铜只有做装饰品和简单的工具,说明这些民族已掌握了铜的熔铸技术。拉丁美洲的古代印第安人虽发展较晚,却是独立地发明了自己的冶金技术。

我国在古代就已经掌握了先进的冶金技术,所以使用铜的历史年代久远。1973年陕西临潼姜寨遗址曾出土一件半圆形残铜片,经鉴定为黄铜。1975年甘肃东乡林家马家窑文化遗址(约公元前3000年左右)出土一件青铜刀,这是目前在中国发现的最早的青铜器,是中国进入青铜时代的证明。相对西亚、南亚及北非于距今约6500年前先后进入青铜时代而言,中国青铜时代的到来较晚,但却不能否认它是独立起源的,因为中国存在一个铜器与石器并用时代,年代距今约为4500~5500年。中国在此基础上发明青铜合金,与世界青铜器发展模式相同,因而可以排除中国青铜器是由境外传播而来之说。

“国之大事,在祀及戎”。对于中国先秦中原各国而言,最大的事情莫过于祭祀和对外战争。作为代表当时最先进的金属冶炼、铸造技术的青铜,也主要用在祭祀礼仪和战争上。夏、商、周三代所发现的青铜器,其功能(用)均为礼仪用具和武器以及围绕二者的附属用具,这一点与世界各国青铜器有区别,形成了具有中国传统特色的青铜器文化体系。

根据青铜发展的各个时期的特征不同,可以把中国青铜器文化的发展划分为三大阶段,即形成期、鼎盛时期和转变期。形成期是指龙山时代,距今4000~4500年;鼎盛期即中国青铜器时代,时代包括夏、商、西周、春秋及战国早期,延续时间约1600余年,也就是中国传统体系的青铜器文化时代;转变时期指战国末期——秦汉时期,青铜器已逐步被铁器取代,不仅数量上大减,而且也由原来礼乐兵器及使用在礼仪祭祀,战争活动等等重要场合变成日常用具,其相应的器别种类、构造特征、装饰艺术也发生了转折性的变化。

一、形成期

相当于尧舜禹传说时代,大约距今4000~4500年龙山时代是我国青铜的形成时期。古文献上记载当时人们已开始冶铸青铜器。黄河、长江中下游地区的龙山时代遗址里,经考古发掘,在几十处遗址里发现了青铜器制品。从现有的材料来看,形成期的铜器有以下特点:1.红铜与青铜器并存,同时出现黄铜。甘肃省东乡林家遗址,出土一件范铸的青铜刀;河北省唐山大城山遗址发现两件带孔红铜牌饰;河南省登封王城岗龙山城内出土一件含锡7%的青铜容器残片;山西省襄汾陶寺墓地内出土一件完整铜铃,系红铜;山东胶县三里河遗址出土两件黄铜锥;山东省栖霞杨家圈出土黄铜残片。发现铜质制品数量最多的是甘肃、青海、宁夏一带的齐家文化,有好几处墓地出土刀、锥、钻、环和铜镜,有些是青铜,有些是红铜。制作技术方面,有的是锻打的,有的是用范铸造的,比较先进。

2.青铜器品种较少,多属于日常工具和生活类,如刀、锥、钻、环、铜镜、装饰品等;但是应当承认当时人们已能够制造容器。此外,在龙山文化中常见红色或黄色陶鬶,且流口,腹裆部常有模仿的金属铆钉,如果认为这时的铜鬶容器与夏商铜鬶、爵、斝容器功能一样的话,当时的青铜器已经在或开始转向礼器了。

3.一般小遗址也出土铜制品,一般居民也拥有青铜制品。此外,这个时期的青铜制品多朴实无饰,就是有纹饰的铜镜也仅为星条纹、三角纹等等的几何文饰,绝无三代青铜器纹饰的神秘感。

二、鼎盛期

鼎盛期即中国青铜器时代,包括夏、商、西周、春秋及战国早期,延续时间约1600余年。这个时期的青铜器主要分为礼乐器、兵器及杂器。乐器也主要用在宗庙祭祀活动中。礼器是古代繁文缛节的礼仪中使用的,或陈于庙堂,或用于宴饮、盥洗,还有一些是专门做殉葬的明器。青铜礼器带有一定的神圣性,是不能在一般生活场合使用的。所有青铜器中,礼器数量最多,制作也最精美。礼乐器可以代表中国青铜器制作工艺的最高水平。礼器种类包括烹炊器、食器、酒器、水器和神像类。这一时期的青铜器装饰最为精美,文饰种类也较多。

三、转变时期

转变时期一般指战国末年至秦汉末年这一时期。经过几百年的兼并战争及以富国和强兵为目的的政治、经济、文化改革,以郡县制取代分封制,具有中央集权性质的封建社会最终建立,传统的礼仪制度已彻底瓦解,铁制品已广泛使用。社会各领域均发生了翻天覆地的变化。

青铜器在社会生活中的地位逐渐下降,器物大多日用化,但是具体到某些青铜器,精美的作品还是不少的。如在陕西临潼秦始皇陵掘获的两乘铜车马。第一乘驾四马,车上有棚,御者为坐状。这辆乘车马均为青铜器铸件构成,大小与实际合乎比例,极其精巧。车马上还有不少金银饰件,通体施以彩绘。第二乘马,长317米、高106米,可以说是迄今发掘到的形制巨大、结构又最复杂的青铜器。

到了东汉末年,随着炼制技术的不断发展,陶瓷器也得到了较大的发展,在社会生活中的作用日益重要,从而把日用青铜器皿进一步从生活中排挤出去。至于兵器、工具等方面,这时铁器早已占了主导地位。隋唐时期的铜器主要是各类精美的铜镜,一般均有各种铭文。自此以后,青铜器除了铜镜外,可以说不再有什么发展了。