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&& &&& 等温淬火球墨铸铁生产技术与应用　权威解读
一、等温淬火球铁（ADI）的几个基本认识及性能特点　　1． 几个基本认识　　1）等温淬火球铁是把健全的球墨铸铁件进行等温热处理，以获得优异的综合力学性能，因此其前提是健全的球墨铸铁件。　　2）合金元素对球铁力学性能有重要影响，但对等温淬火球铁（ADI）没影响。等淬的目的是就是利用热处理技术改变铸铁的基体组织，提高力学性能，节省合金元素。加入合金元素的目的是提高淬透性。　　3）球铁原始基体组织对等淬球铁的力学性能没影响，但对变形有影响，因铁素体和珠光体变形量是不一样的，其线性增长量是铸态基体组织和等温温度的函数（见下图）。为了提高加工刀具寿命和控制变形，美国通用汽车公司在生产ADI后桥齿轮时，铸件经退火以获得100%的铁素体。试验表明，在试样热透后保温15分钟，已足以使基体完全奥氏体化。　　4）球化率、球数对ADI冲击、疲劳等动态力学性能影响很大，强度愈高，影响愈显著。因此，对球化率及石墨球数的要求比普通球铁高，球化率要求90%以上（见表1、表2）。 表1 石墨球化分级对稀土球墨铸铁疲劳极限和小能量多冲性能的影响球化分级力学性能1级(&95%)2级(&90%)3级(&80%)4级(&70%)5级(&60%)疲劳极限/MPa286274265251222不同冲击功的冲断次数×103冲击吸收功为2.453J8.06.053.892.511.02冲击吸收功为1.962J11.710.58.84.70.99冲击吸收功为1.472J17.716.015.89.83.5冲击吸收功为0.981J94.399.074.929.76.66表2 石墨球大小、球数对等温淬火球墨铸铁弯曲疲劳强度的影响炉号500个石墨球中大小分布（％）平均球径/×10-3 mm球数/mm2奥铁体显微硬度HV弯曲疲劳极限/Mpa&0.01mm0.01～0.02mm0.02～0.03mm0.03～0.04mm0.04～0.05mm0.05～0.06mm&0.06 mm63114.74822140.328.43170.69512250～260642.236.342.810.25.31.71.525.88172.015512806512.838.239.88.50.719.64262.08548350　　5）等温淬火球铁各牌号主要靠不同等温温度获得，与化学成分关系不大，即同一成分球铁用不同等温淬火温度可生产不同牌号ADI。化学成分主要决定于铸件大小，壁厚和结构。　　6）等温淬火球铁的某些组织也可通过加入合金元素、空气中强化冷却获得，但因需要加入大量的Ni、Mo、Cu等合金元素，成本太高且不稳定，因此不加以讨论，主要讨论经盐浴等温淬火处理的ADI。　　　　2. 性能特点　　等温淬火球墨铸铁具有以下性能特点：　　（1）强度高、塑性好。在同等伸长率情况下，ADI的抗拉强度是普通球铁的2倍,而在同等抗拉强度情况下,伸长率是普通球铁两倍以上,ADI抗拉强度也优于调质处理的碳钢,与低合金钢相当。　　（2）质量轻。表3是一些材料的单位抗拉强度所需零件重量（w/y）。表3 几种材质的w/y材料铝合金(普通)铝合金(高强度)ADI普通球铁20CrMnTi调质ZnAl合金普通锻钢密度/抗拉强度0.022～0.0950.00560.0044～0.00840.010～0.0180.00720.017～0.0110.014　　（3）弯曲疲劳强度和接触疲劳强度等动载性能高。旋转弯曲疲劳强度可达400～500MPa，与调质处理低合金钢相当；接触疲劳强度可达MPa，比低合金钢氮化处理的接触疲劳强度高。　　（4）吸振性好。ADI由于弹性模量低，加上基体中存在石墨球，能迅速吸收振动并增大噪声阻尼，使部件的运行更安静和平稳。　　（5）极好的耐磨、抗磨性。试验表明，硬度为45～48HRC的等温淬火球铁齿轮，其寿命比具有马氏体组织、硬度为58～62HRC的锻钢齿轮更长。CADI（含碳化物18％）的耐磨性能胜过许多高合金耐磨铸铁（AR），其无缺口冲击韧性则是耐磨铸铁的2～10倍，适宜用于要求优异耐磨性能和足够韧性的场合。　　（6）表面强化效果显著。试验和生产实践均证明，ADI具有很好的表面强化效果，能显著提高构件的疲劳强度。例如日修订的ASTM897M各牌号典型性能中，通过概率50%单齿弯曲疲劳强度喷丸的比不喷丸的提高50%左右（见表4）。表4 喷丸对单齿弯曲疲劳的影响球铁等级7509001050120014001600不喷丸（MPa）325350365350335320喷丸（MPa）650700770700665630曲轴经圆角滚压后弯曲疲劳强度也显著提高。据美国联合收割机的一项研究报告，型号为202重载货车V-8柴油机ADI曲轴，滚压前后弯曲疲劳强度分别为414MPa和986MPa，提高138%；而普通球铁曲轴滚压后的弯曲疲劳强度只提高50～60%左右。此外，ADI的力学性能根据等温淬火工艺的不同，可以在较大范围内变化，以满足零件在不同工作条件的要求。二、如何获得健全的球铁坯件优质球墨铸铁件是等温淬火球墨铸铁的基础，作为等温淬火球墨铸铁的毛坯件，其要求比一般球墨铸铁要严，主要表现在对金相组织和化学成分上，表5为对金相组织的要求。表5 等温淬火球墨铸铁坯的要求球化率（%）球数/（个/mm2）磷共晶＋碳化物＋缩松（%）珠光体/铁素体&90&100&0.5恒定1.化学成分的确定ADI碳当量的推荐范围见表6。表6 推荐用于ADI的碳当量截面尺寸/mmCE（%）0～134.4～4.613～514.3～4.6&514.3～4.5化学成分范围建议如下：CSiMnPSTiK13.6±0.22.5±0.2&0.3&0.02&0.015&0.03&1球化系数K1=4.4(%Ti)+ 2.0(%As)+ 2.4(%Sn)+ 5.0(%Sb)+ 290(%Pb)+ 370(%Bi)+1.6(%Al)一般壁厚大于19mm就需考虑加入合金元素，加入合金元素主要是提高淬透性，对等淬后球铁力学性能没什么影响。增加淬透性的常用合金元素是Cu、Ni和Mo。由于价格低，Cu是首选，当Cu量已加到最大值0.8％仍达不到所要求的淬透性，则加Ni，通常Ni在2％以下。Mo有很好的淬透性，但它极易偏析，又是强的碳化物形成元素。在晶界形成钼的碳化物，影响性能及加工。一般来说，在促进淬透性方面，质量分数为1%的钼大约是1.6倍的锰的作用，而镍与铜的作用分别只有锰作用的30%。合金元素对ADI临界尺寸的影响见下图。由图可见，不同热处理条件将导致最大断面的临界尺寸发生很大的变化。图中还表明，能否成功地进行奥氏体等温处理，要取决于合金元素（珠光体淬透性）和等温处理温度。但上图只表示了单一合金元素的影响。而下列公式则包括了合金元素相互间的作用，用它可以衡量加入与不加入合金元素的球墨铸铁淬透性：Jdp=2.9（Tr）1/2+18.2（Mn）+25.3（Mo）+6.0（Cu）+28.6（Mo·Cu）+38.6（Mo·Ni）+13.6（Mn·Ni）+50.9（Mo·Cu·Ni）-82.2式中，Jdp——临界淬透性距离（珠光体淬透性判据）（mm）； Tr——奥氏体化温度（℃）。 合金元素以质量百分数计。上式是通过试验得出的，它非常出色地表达出各因素之间的相互关系。公式还表明，在改善淬透性方面，少量多元合金元素比大量单元合金元素更加有效。根据试验、生产实际及公式计算不同壁厚需加入合金元素量，见表7。表7 不同壁厚淬透需加入的合金元素量壁厚mm&9&2537～50Φ75Φ84Φ120Φ150加入合金元素%不需要0.2Mo0.35Mo1.0Cu或0.5Mo0.41Ni0.38Mo0.81Cu或1.0Ni0.25Mo0.50Cu1.0Ni0.25Mo0.75Cu1.0Ni0.36Mo0.75Cu1.0Ni0.36Mo0.75Cu中心5%珠光体注: Φ150样块的性能试样部位RmA边部950MPa9.7%中心895MPa8.2%　　2.抓好球铁生产中几个主要工艺环节，保证获得高质量的球铁坯件1）采用好的原、辅材料，特别是优质铸造生铁和废钢等金属材料国外球墨铸铁生产中，一直十分重视研究原生铁质量对球墨铸铁性能的影响，选择稳定、合适成份范围的原生铁和废钢是稳定生产高质量球墨铸铁的首要条件。采用优质铸造生铁和高纯生铁或优质废钢增碳可以保证消除或减少大型球墨铸铁件中心部份的异形石墨，并可提高塑性和韧性。据介绍，英国60％的球墨铸铁厂采用高纯生铁制造大断面铸件或铸态铁素体和铸态珠光体球墨铸铁。美国有一半以上的铁素体球墨铸铁采用高纯生铁作金属原材料。表8为国外ADI球墨铸铁坯件和优质铁素体球墨铸铁中干扰元素允许的极限含量。 表8 国外等温淬火球墨铸铁（ADI）坯件允许硫、磷及微量元素最大含量（％）PSSnSbTiAlAsBiBPbSeTeΣA0.020.020.020.0020.0400.0500.020.0020.0020.0020.0300.020&0.1铸态铁素体球墨铸铁、大断面球墨铸铁、有低温冲击韧度要求的球墨铸铁及高牌号ADI球墨铸铁坯件的干扰元素含量要求更高。目前我国已有许多铸造生产厂能够稳定供应P&0.04%，Ti&0.04%、Mn&0.3%,杂质元素总量Σ&0.1%的球墨铸铁用优质生铁，见表9。表9优质生铁及高纯生铁的化学成份P S Mn Sn Sb Ti Al As Bi Pb Cu Cr K1 Px 承德保通&0.022 0.005 &0.021 &0.00005 &0.0005 0.01 0.00745 0.001 0.00001 &0.0005 0.00285 0.020 0.22 0.53河北龙凤山0.018- 0.035 0.014- 0.017 0.052- 0.046 ﹤0.0005 ﹤0.0005 0.010- 0.015 0.007- 0.0058 ﹤0.0006 ﹤0.00005 ﹤0.0005 0.9 0.0094 0.23 0.56济南庚辰0.024-0.035 ～0.02 ≤0.1 ﹤0.0011 ﹤0.0003 0.027 ≤0.0011 0.2 ≤0.0002 0.007 0.003 0.38 0.763山西建邦0.018-0.035 0.014 0.06 ﹤0.0005 0.001 0.019 ﹤0.005 ﹤0.0005 ﹤0.00005 ﹤0.0005 0.0110.0052 0.26 0.638辽宁本溪0.028- 0.038 0.012- 0.017 0.06- 0.09 0.0006 0.0001 0.027- 0.045 ﹤0.004 0.011 ﹤0.002 0.004 0.0050.0121.13 0.717 辽宁罕王0.025-0.038 0.08- 0.018 0.07- 0.08 ﹤0.0005 0.0005 0.015- 0.021 0.005 0.0006 0.002 ﹤0.0005 0.005 0.0071 0.98 0.683河南林钢≤0.038 ≤0.02 ≤0.1 0.0005 ≤0.005 0.02- 0.06 ﹤0.005 ﹤0.005 0.00005 0.0002 0.0050.0070.30 1.0河北春风0.031- 0.038 0.015- 0.020 0.09- 0.13 ﹤0.001 0.001 0.02- 0.043 0.002 ﹤0.001 ﹤0.0005 0.001- 0.004 0.0010.0021.57 2.134河北友利0.025-0.04 0.02- 0.03 0.01- 0.015 ≤0.0017 ≤0.001 0.02- 0.03 ﹤0.005 ﹤0.002 0.0012 ﹤0.001 0.00330.0290.98 1.37河北金丰0.025- 0.028 0.017- 0.022 0.05- 0.06 ﹤0.0005 ﹤0.0005 0.019- 0.032 ﹤0.005 ﹤0.0005 ﹤0.00005 ﹤0.0005 0.0055 0.014 0.32 0.64山西东诚0.032-≤0.04 0.028 0.12- 0.3 0.0005 0.001 0.047 0.002 0.0005 ﹤0.001 ﹤0.0005 0.0110.0030.73 1.35河南合鑫0.04- 0.41 0.014- 0.21 0.08- 0.092 0.0005 0.0005 0.038- 0.040 ﹤0.005 ﹤0.005 ﹤0.001 ﹤0.0005 0.0110.00940.78 1.14注:1反球化系数k=4.4Ti+2.0As+2.3Sn+5.0Sb+290Pb+370Bi+1.6Al,2 珠光体系Px=3.0Mn-2.65(Si-2.0)+7.75Cu+90Sn+357Pb+333Bi+20.1As+9.6Cr+71.1Sb. 除生铁外，也可采用优质碳素钢作金属炉料，表10为一汽铸造公司用高纯生铁和废钢增碳工艺获得的铁液化学成分，可见两种金属炉料均能获得合乎要求的成分。表10 一汽铸造公司奔腾1.8T曲轴原铁液化学成分CSiMnPSCuMoCrTi高纯生铁3.671.840.120.0170.0080.700.220.051&0.008废钢增碳3.901.900.240.0210.0030.670.180.023 2）获得高温低硫的原铁液质量不稳定，是妨碍球墨铸铁应用于工作条件更苛刻的零件上的症结所在。球墨铸铁的生产过程较复杂，影响其质量的因素很多，因此要保证球铁质量稳定，首先必须保证主要工艺环节各参数的稳定，重点之一是高温低硫的原铁液质量，例如：要保证球化率及残余镁量稳定，首先要采取预脱硫或其它措施保证原铁液的硫量低及稳定（&0.015%）。临界残留镁量与原铁液硫量关系见表11。表11 原铁液硫量球化对临界残留镁量影响原铁液硫量％处理后硫量％临界残留镁量％球化类别0.0040.0040.022～0.0241～2级0.03～0.0420.017～0.020.038～0.0431～2级0.064～0.0730.016～0.0180.051～0.0541～2级加入微量稀土元素，可以降低获得1～2级球化所需临界残留镁量，只要0.004～0.010％的稀土残留量，表11中球化临界残留量可相应降到0.013％、0.028％和0.041％。要获得低且稳定的残留镁量，就必须要求原铁水含硫量低且稳定，而要获得稳定的低硫铁水，除采用低硫生铁、废钢，电炉熔炼外，也可采用炉外脱硫方法。表12为几种主要脱硫方法所用脱硫剂、温降及脱硫效果对比。表12 主要炉外脱硫方法的温降及脱硫率脱硫方法脱硫原理及脱硫剂温降（℃）处理后硫量（％）脱硫率（％）备注摇动包包子放在摇动的框架上，一边做圆周运动，一边形成偏心运动，定时改变运动方向。使铁液出现双回转运动，增加脱硫剂与铁水接触面积。用CaC2、CaO作脱硫剂。40～700.01～0.0360～80适于大、中、件处理机械搅拌将脱硫剂加入铁水中“T”型搅拌器在铁水中以一定转速旋转，加剧脱硫剂与铁水接触，脱硫剂为CaO、CaC2或 苏打20～400.02以下60～80适于中小件多孔塞气动去硫脱硫剂加入铁液中，通过包子底部的多孔塞吹入N2，使铁液翻动，增加脱硫剂与铁液接触面积。25～700.02以下50～70适于中小件出铁槽旋流器一面出铁一面在出铁槽加入脱硫剂20～300.02～0.0440～60适宜大批量流水作业除了低硫外，还要保证铁液温度在1500℃以上，这是铁液冶金质量好的重要标志。只有在此温度下，铁液的夹渣、夹杂物才得以清除、净化，这也是我国球墨铸铁韧性指标低于国外先进水平的重要原因之一。采用热风水冷无炉衬冲天炉、冲天炉-电炉双联或中频炉熔炼，是获得高温铁液可靠的办法。3）获得球化良好的铁液（1）球化剂镁是很好的球化元素，球化剂应以镁为主，但有一合适的范围，镁量高，易形成氧化夹杂，残留镁量越高，夹杂越严重。因此，在保证球化良好的前提下，残留镁量越低越好。下图为原铁液硫量为0.004%时不同镁、稀土含量的石墨形态组织分布图。试验表明，纯镁处理时，Mg残≥0.022%时，可以保证球化；加入极少量稀土，可降低保证球化所需的Mg残量。在选择球化剂时，要考虑以下因素：a.对于采用冲天炉熔制球墨铸铁的厂家，由于铁水含硫量较高，不管用哪种球化剂，球化质量都很不稳定，应采取脱硫措施，使原铁水含硫量&0.015％。采用低稀土球化剂,此时球化剂加入量较少，球铁质量稳定。b.对于电炉熔化，由于温度高、硫量低，也采用低稀土低镁球化剂，残余稀土量控制在0.01％以下。c.铸态铁素体球墨铸铁，可选用低稀土球化剂，铸态珠光体球铁可选用含铜镍的球化剂，大型珠光体球墨铸铁可选用含微量Sb或Cu的复合球化剂。（2）球化处理球化处理方法很多，可结合生产球铁件的特点及本厂的具体条件选用。目前，国内大部分球墨铸铁生产厂均采用冲入法处理，劳动条件差。镁吸收率低且不稳定，被列为限制使用的球化处理方法，需要改变。建议采用喷吹法、转包法、喂丝法和盖包法，这几种方法镁吸收率较高，劳动条件得到改善、球化效果稳定。（3）孕育处理①孕育剂目前国内外应用量最多，应用范围最普遍的孕育剂是FeSi75合金，在FeSi75合金基础上，附加一些特种元素如Ba、Bi、Sb、Sn、Y、Sr等所制得的复合孕育剂，具有显著的孕育效果，且加入量可减少。②孕育方法孕育效果的好坏，孕育方法比孕育剂的作用更大。在生产中常用工艺如下；a. 倒包孕育：浇注前从运转包倒入浇注包时，添加孕育剂。添加时间越接近浇注时，效果越好，添加孕育剂质量分数一般为0.1％，粒度一般小于5mm。b．浇口杯孕育：将粒度为0.2～2mm的孕育剂放入带拔塞的定量浇口杯内，当铁液在浇口杯中有一定量后拔塞充型，孕育剂添加的质量分数为0.1～0.2％，适用于大型铸件，见示意图。c. 随流孕育：在茶壶式浇包或气压浇注包，侧面装有可控制孕育剂流量的漏斗，通过机械或光电管控制，使漏斗内的孕育剂在浇注期内均匀地随流进入铸型（见示意图）。孕育剂添加的质量分数为0.1～0.15％，粒度20～40目，此法适用于中小铸件在流水线生产或批量生产。　　d. 型内孕育块孕育：见示意图。孕育剂的主要成分是硅铁，也可附加少量其他元素，如稀土、锰等。把孕育剂破碎成100筛号以下，用黏结剂结成固定的形状，也可用铸造方法浇注成孕育块，放在直浇道底部，加入量为铸件质量分数的0.02％～0.05％。它适用于批量和流水线生产铸态铁素体铁件。 浇口杯孕育
孕育块孕育4）采用具有紧实、精确的铸型及合理的铸造工艺球墨铸铁凝固时有石墨析出，膨胀量和铸铁液态收缩量大致相近。生产上可以利用这种特点，采用刚性铸型，避免铸型胀大，获得无缩孔、缩松的铸件。静压、高压、挤压、气冲等高紧实度潮模造型、树脂砂造型、金属型覆砂、壳型填铁丸、水冷金属型等都是比较适合球墨铸铁生产的造型方法，获得广泛应用。此外在铸造工艺的考虑上，因球墨铸件具有糊状凝固的特点，凝固期间液体金属流动困难，冒口的有效补缩距离短，只能起补充液态收缩铁液作用，共晶团间的缩松只能靠石墨化膨胀来填补。因此对于大型复杂、壁厚不均的铸件，为使温度常均匀，大量使用冷铁和内浇口分散进入的工艺。球墨铸铁处理后，有很多粘渣，容易随铁水流入型腔。应在浇注系统上采用挡渣、撇渣装置。球墨铸铁易氧化，浇注时如出现紊流、飞溅，将生产二次渣，为防止这类铸造缺陷，除控制较低残余镁量外，也在铸造工艺上采取措施，例如，加大浇注系统尺寸，改变各部份尺寸的比例等，使铁水快速、平稳无冲击地充满型腔，达到减少铁水和空气接触时间及接触面的目的。球墨铸铁容易出现皮下气孔，生产上也应从造型材料上采取措施，防止这类缺陷。例如，增加型砂透气性，降低水份，使用煤粉砂等。球墨铸铁收缩与造型方法、零件复杂程度有很大关系，变化很大，甚至出现胀大现象。因此，制造模型时，应结合零件的具体结构来选择缩尺比例。　　三、等温淬火工艺的确定　　1. 等温淬火工艺要使等温淬火球墨铸铁具有优异的力学性能，就必须对其等温转变的全过程进行严格控制。等温淬火球墨铸铁的强度和硬度取决于奥氏体化温度和等温温度，合金元素和微区成分偏析则决定了奥氏体等温转变的动力学。为此，要严格控制的热处理工艺参数有：奥氏体化温度和时间及奥氏体等温转变温度和时间。（1）奥氏体化温度和时间，奥氏体化温度一般选择在完全奥氏体化温度以上30～50℃，多在850～930℃之间，温度与含硅量关系如表13所示。表13 等温淬火球墨铸铁最低奥氏体化温度与含硅量的关系Si(%)温度（℃）Si(%)温度（℃）2.28102.88472.38152.98542.48213.08612.58273.18662.68333.28752.7840其它合金元素也会影响奥氏体化的最低温度，但是它们并不像硅的影响那样大。奥氏体化温度变化范围应控制在±5℃～10℃。为了降低等温淬火球墨铸铁的硬度，改善其加工性能、近来发展一种双相ADI。它的奥氏体化温度较低（750℃～850℃），等温淬火前处于铁素体+奥氏体+石墨三相共存区，等温淬火后基体组织为针状铁素体、富碳奥氏体、分散状的先共析铁素体和石墨，ASTM－879M中牌号750－500－11就是这种组织的铸铁，这种牌号的铸铁生产时要求加入较多的合金元素，才能保证其抗拉强度和屈服强度。下图出Cu-Ni合金化球墨铸铁奥氏体化温度与等温淬火温度及冲击韧度的关系。奥氏体化与不同等温转变温度对冲击韧度的影响 至于奥氏体化时间，主要目的是使基体完全转变为奥氏体和使奥氏体达到碳饱和。试验表明，在试样热透后保温15分钟，已足以使基体完全奥氏体化。保温时间主要决定于壁厚，一般是每25mm，保温1小时。（2）等温温度和时间奥氏体等温转变温度和时间直接影响等温淬火球墨铸铁的力学性能。对于每种不同成分的球墨铸铁来说，其奥氏体等温转变过程是不相同的。应具体选择相应的奥氏体等温转变的条件。在等温转变过程中要求只有针状铁素体析出与生长，没有碳化物析出。这是制定等温处理工艺的关键。由于合金元素在共晶团边界可呈正偏析或负偏析，从而影响针状铁素体转变的快慢。如促进石墨化元素Si、Ni、Cu等富集在共晶团内部，降低了奥氏体中的含碳量，有助于针状铁素体的形成。因此，针状铁素体是在奥氏体晶界和石墨球界面上形核并长大的。另外，在平衡条件下，高温转变的针状铁素体碳的固溶量很低，随着转变温度降低，铁素体碳的固溶量逐渐增加。因此，在没有析出碳化物的条件下，更容易得到稳定的奥氏体。下图是在不同等温转变温度下，碳在针状铁素体中的溶解量。不同等温转变温度下碳在针状铁素体中的溶解量 奥氏体等温淬火后其组织转变如下图所示。奥氏体等温转变（E－G）使含碳量增至1.8％～2.2％，这种奥氏体在室温时热力学和力学上都是稳定的。这种高碳奥氏体加上碳过饱和的针状铁素体的混合组织是等温淬火球墨铸铁所期望的组织。如果保温时间不够（E—F），此时的奥氏体中含碳量仅1.2％～1.6％，这种奥氏体在室温时是稳定的，但受力或机械加工时会转变为马氏体。如果铸件在等温盐浴中保温时间现延长（J－K），即产生第二阶段的反应。此时高碳奥氏体将分解为更加稳定的铁素体和碳化物，产生类似于钢中的贝氏体。碳化物的出现会降低伸长率和韧度。化学成分、合金元素和球化率、石墨球数等因素对这两个阶段反应有影响。因此，等温转变的时间要取决于工艺条件、铸件壁厚及冶金质量等因素。球墨铸铁奥氏体等温淬火工艺过程示意图（3）原始组织的影响生产实践表明，保温15分钟后不同基体组织的球墨铸铁其奥氏体化程度和固溶碳量已趋于一致。因此，只要奥氏体化的时间足够，不同的基体组织并不会引起等温淬火后组织及性能的明显差别，但会影响ADI零件的尺寸稳定性。此外，铸态组织中球状石墨的大小和分布，对奥氏体的等温转变和力学性能却有一定的影响，细小、球数多且分布均匀的石墨球会加速针状铁素体转变，使淬火组织变细，疲劳强度和冲击韧度也较好。　　　　2. 各牌号等温淬火球墨铸铁的等淬温度、时间及金相组织表14为美国ASTM各牌号的等温淬火温度与时间的大致关系表表14 ASTM各牌号与等淬温度和时间的关系（参考）牌号750-500-11900-650-09等淬温度（℃）380370±10340±10320±10290±10250±10等淬时间（分）45609090120240富碳奥氏体量%～22～35～25～15～10～5下图为ASTM各牌号典型金相组织。AD750级（典型的显微组织）
AD900级（典型的显微组织） AD1050级（典型的显微组织）
AD1200级（典型的显微组织） AD1400级（典型的显微组织）
AD1600级（典型的显微组织）由于黑白金相存在一定的局限性，很难区分针状铁素体和马氏体、游离铁素体和残余奥氏体以及碳化物。彩色金相能使各种相显示出不同的颜色，肉眼容易分辨，它在ADI金相检验中有很大的优越性。下图为AD750级用化学薄膜法的彩色金相图。图中游离铁素体-黄褐色，奥氏体-白色，针状铁素体-蓝色，石墨-灰色。 ×1200AD750级用化学薄膜法的彩色金相图　　四、等温淬火球铁的应用国外ADI应用市场中，汽车占了主要位置，约为ADI总产量的45%以上，特别是重型卡车的底盘零件，应用很多。据介绍，美国每辆重型卡车中至少有500公斤以上的ADI零件。北美市场分配为中重型卡车25%，轻型汽车20%，建筑矿山11%，农机17%，铁路12%。经过几十年的生产、应用，积累了丰富的生产经验和数据。ADI的应用已由一般代用发展到按ADI的性能特点及服役条件利用有限元分析等现代设计技术优化产品结构，达到减小零件壁厚、减轻重量、节能节材的目的。据美国AP公司介绍，他们公司处理的ADI件95%是经改进设计的，以下是经改进设计后用ADI生产代替铝合金和钢板冲压件的典型例子。
图1 用ADI支架（右）替代了铝合金支架（左） 解决了一款车的舒适性（噪音小）问题
图2 左边的ADI 轮毂替代了右侧的金属型铸铝轮毂降低了50%内涵能源，重量减轻了4% 图3 ADI控制臂（右）替代冲压钢件（左） 减重6%，性能测试超预期 图4 一款牧场播种器通过钢板切割、冲压、冲孔和焊接而成 图5 ADI牧场播种器为砂型的球墨铸铁毛坯、机加工后热处理制成我国ADI应用中，还是以抗磨、耐磨件为主，特别是磨球，CADI磨球和奥贝磨球仍占我国ADI产量的很大部分。粗略统计，我国ADI（包括CADI）年产量约13万吨，其中磨球约7万吨，占50%以上；工程结构件（包括齿板、衬板）约占50%以下。工程结构件中，重型卡车悬挂件、支架占50%，抗磨、耐磨件占25～30%，齿轮、曲轴占5～10%，其它占10%。　　1. ADI（CADI）在抗磨耐磨零件上应用取得突破　　据统计，2012年我国耐磨件总消耗量为300多万吨，占铸件总产量8%，其中抗磨件占70%，即每年要消耗100多万吨磨球，几十万吨衬板、齿板，市场是很大的。ADI不但强度高，韧性好，且具有很好的耐磨性。一些资料报导，HB300的ADI零件其耐磨性能比HB500的钢件都好，但所指的耐磨性能一般是有润滑条件下的耐磨性，如曲轴、齿轮等。最近的研究结果还表明，ADI也具有很好的抗磨性，是高锰钢、合金钢很好的代用材料。迁西奥帝爱机械铸造有限公司四年前就开始用ADI齿板和衬板代替高锰钢齿板、衬板工作（见图5、图6）。几年使用结果表明，ADI衬板在?4米以下球磨机上应用，其使用寿命比高锰钢高1～3倍，?1200×900mm以下破碎机ADI齿板，也比高锰钢寿命高2倍以上，目前已大量使用，去年产量在2000吨以上。至于?6米以上大型球磨机ADI衬板，使用效果也不错，但稍逊于贝氏体钢衬板。因此推荐?4米以下球磨机采用ADI衬板，?4米以上球磨机衬板采用贝氏体钢。除衬板、齿板外，像渣浆泵壳体（图7），水泥输送管、弯头、篦子板（图8）等零件采用CADI、ADI都取得很好效果，已小批量生产。 图5 ADI齿板 图6 ADI衬板 图7 CADI渣浆泵 图8 CADI篦子板CADI磨球从研发至今已有6～7年的历史，由河北工业大学和迁西奥帝爱机械铸造有限公司共同开发，已分别于2011年7月和2012年2月由河北省科技厅主持在天津和北京召开科研成果技术鉴定会和磨球产品鉴定会，得到较高评价。多年使用结果证明，CADI磨球与高铬球、低铬球相比，具有磨耗低、破碎率低和节电、噪音低等优点（见表1）。表1 CADI、高铬、低铬磨球性能对比[1]CADI球高铬球低铬球表面硬度/HRC使用前56～58，使用后&6256～6045～50冲击韧度/J/cm2&10≥2.5≥1.6磨耗（铁矿）/g/t250～300400600～800破碎率 /%&0.2&0.81.0～5.5节电率/ %10～20不节电不节电目前迁西奥帝爱公司有4条铁模和铁模覆砂磨球线，四条热处理生产线（其中一条为磨球专用连续热处理生产线），可生产?40、?50、?60、?80、?100、?120、?130和?150mm甚至?180mm等CADI磨球，具有年产CADI磨球5万吨的生产能力，是目前我国最大的CADI磨球生产厂。河北承德求业钒钛抗磨科技材料有限公司利用钒、钛与C、N化合物等硬质点生产的CADI磨球，在使用中也取得很好的效果。由于CADI磨球使用效果明显，许多磨球厂都争先生产。但由于生产工艺、装备不规范，技术要领未掌握，一些“CADI磨球”出现质量波动大，使用效果不理想的问题，必须加以重视，如不对他们进行引导、改进、提高质量，业内人士担心会严重损害CADI磨球的声誉。　　2.重型卡车底盘零件应用逐步扩大，产量逐年提高　　一汽铸造有限公司、东风汽车公司、河南欧迪艾铸造有限公司、河北清河恒基机械铸造有限公司、大连三明重型车制造有限公司等都是国内目前ADI卡车底盘零件生产或使用厂，以往多为板簧支座、支架、拖钩等几种零件，现已发展为几十种零件，产品也大幅上升。如河南欧迪艾公司，目前支座类产品只有30万件/年，现要扩大到100万件/年，生产能力也从目前的7000～8000吨/年扩大到15000吨/年。产品种类也增加，如一汽军车左右羊角、越野车左右前控制臂、左右后控制臂，二汽的钢板弹簧导向座、越野车悬挂系统零件八种零件等。目前正在研发、小批试用的产品有60吨自卸车前轴（图1），60吨载重车后桥总成的前轴（图2），重型车托架（图3），转向节（图4）及重型矿用车后桥等。据统计，一汽、东风汽车重卡每年ADI底盘零件约为5000吨左右，随着开发力度加大，产量会有较大的增长。
图1. 60吨自卸车前轴图2. 60吨载重车后桥总成的图3 重型车托架 图4 转向节　　3.球铁生产原辅材料质量的改善以及球铁坯件质量的提高，为齿轮、曲轴等零件重新采用ADI增强信心。齿轮是ADI最早用于工业化生产的产品，美国、芬兰、中国最早开发的都是ADI齿轮。ADI齿轮具有抗弯曲疲劳强度高、抗点蚀能力强、噪音小、重量比同尺寸钢齿轮减轻10％、热处理变形小、加工性能好、刀具寿命长和成本低等一系列优点。在我国汽车、拖拉机行业中有较多的开发应用，最早用于轻型、中型载重汽车的后桥伞齿轮的配件上，但批量均不大。批量生产用于正式产品上为大功率柴油发动机上的正时齿轮。东风汽车公司生产的康明斯发动机正时齿轮、一汽集团解放汽车有限公司锡柴分司生产的6DF1柴油机曲轴正时齿轮，齿轮弯曲疲劳强度安全系数可达3.56倍。实践证明，用ADI齿轮代替氮化正时齿轮和部分渗碳淬火齿轮在使用中是完全没有问题的，妨碍ADI正时齿轮应用的主要原因是价格问题。由于我国钢铁工业发展很快，大容量高炉+纯氧顶吹+连续轧制的钢材生产工艺大幅度地降低钢材的成本，上世纪90年代东风汽车公司用ADI代替ANST1022渗碳钢时，Φ80大截面低合金钢价格为8000元/吨，优质生铁价格为700元/吨，每套（六个齿轮）ADI齿轮较钢齿轮制造费降低17%，约124元。目前钢材价格降至4000元/吨左右，而优质铸造生铁则升至3000多元/吨，因此，如何降低ADI齿轮成本便成为扩大ADI齿轮应用的关键之一。ADI齿轮成本高除了生铁价格高外，铸件废品率高、质量不稳定也是一个重要原因。现在原辅材料质量有保证，球铁生产各工艺环节控制加强，因此球铁件质量稳定，废品率大幅度降低，这为降低球铁坯件成本创造了条件。近来一些单位试图通过提高球铁毛坯件质量降低废品率、控制热处理质量，降低机加工成本（如减小变形，取消昂贵的磨齿工序）等措施来降低ADI齿轮的成本。SEW公司收购了芬兰的KymiKymmene厂，在它的产品中，一直坚持采用ADI齿轮。自在中国天津建厂后一直积极参加中国ADI行业的各项活动，2013年ADI产量900吨，预计今年可超过1000吨。其产品主要为齿轮和轴，据他们介绍，用ADI制造带齿的结构件（图10）是最合适的，其它材料无法与它竞争[5]。 图10 带内齿圈的构件ADI曲轴的试验开发工作，很多单位都进行并取得较满意的结果，如南京理工大学与淮海机器厂联合试制的368Q三缸曲轴，大连柴油机厂、滨州海得曲轴有限责任公司、朝阳柴油机厂联合试验的4110和6110柴油发动机曲轴，安全系数分别在1.7、2.0和1.8以上，但都没有正式投产。江苏万力机械股份有限公司多年来也一直进行多缸柴油机ADI曲轴试验工作，也取得较好效果。一汽也进行了1.8T和2.0T奔腾轿车增压发动机ADI曲轴的开发，性能试验和疲劳试验均已完成，现正等待台架试验结果。上述试验情况说明，用ADI来制造增压发动机曲轴，是能满足爆发压力提高后对曲轴弯曲疲劳提出的性能要求的。目前的主要问题是没有经受大批量生产和使用的考验，没有突出ADI曲轴的特点，例如高强度高塑性球墨铸铁（QT800-6，QT900-6），同样具有高的弯曲疲劳强度。玉柴、天润等厂生产的曲轴均已用于大马力增压柴油机，ADI曲轴与其相比究竟有哪些优缺点，只有弄清楚这些情况，才能确定各自的适用范围。据苏州艾普公司介绍，江苏万力机械股份有限公司近来也在他们公司处理了2000多根ADI曲轴，供出口，说明国内ADI曲轴也在不断发展。 来源：铸造工业　
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