陳國棟，龔文邦，向綱玉

（武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，武漢 430073）

我國ADI的發(fā)展思路探討

陳國棟，龔文邦，向綱玉

（武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，武漢 430073）

綜述了等溫淬火球墨鑄鐵（Austempered Ductile Iron，簡稱ADI）的基本性能優(yōu)點(diǎn)及國內(nèi)外的現(xiàn)狀；分析了我國ADI與工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距；提出了我國ADI在發(fā)展過程中存在的主要問題和建議；闡述了大力發(fā)展我國ADI產(chǎn)業(yè)的迫切性，并探討了發(fā)展我國ADI產(chǎn)業(yè)的思路與對策。

等溫淬火球墨鑄鐵；ADI；綜述

1977年，芬蘭的M.Johansson宣布開發(fā)了一種性能優(yōu)異的等溫淬火球墨鑄鐵（Austempered Ductile Iron，簡稱ADI），因其具有比普通球鐵更優(yōu)良的綜合性能，引起了廣泛重視。隨后，ADI作為一種新型的工程材料，在我國和歐美等發(fā)達(dá)國家不斷深入研究與發(fā)展，被譽(yù)為近幾十年來鑄冶方面最重大的成就之一。

1 ADI的優(yōu)點(diǎn)及國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 ADI的性能優(yōu)點(diǎn)

ADI之所以受到世界各國的廣泛關(guān)注和重視，與其優(yōu)良的特性密不可分，與普通的鑄鐵和鍛鋼相比，ADI具有如下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)[1-2]：

①良好的綜合性能，同等伸長率情況下，ADI的抗拉強(qiáng)度是普通球鐵的2倍，同等抗拉強(qiáng)度下，ADI的伸長率是普通的球鐵的2倍以上。

②較低的成本：由于具有良好的鑄造性和生產(chǎn)的靈活性，ADI雖然經(jīng)過等溫?zé)崽幚?，其價(jià)格仍比鋼件低20%左右，如果以屈服強(qiáng)度的成本計(jì)算，ADI是最便宜的材料之一，具有很強(qiáng)的競爭力。

③質(zhì)量輕：ADI組織中有近10%的石墨，故同體積的零件要比鋼件輕10%。

④良好的耐磨性和耐疲勞性：如經(jīng)過噴丸處理，ADI的疲勞強(qiáng)度相當(dāng)于淬火鋼或表面滲碳淬火鋼。

⑤優(yōu)良的減音性和吸震性：ADI中的石墨具有良好的吸音效果，故ADI零件工作時(shí)噪聲小，組織中的石墨球能快速吸收震動，使機(jī)件運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

⑥相對簡單的制造工藝：將球墨鑄鐵毛坯進(jìn)行等溫淬火處理就可獲得ADI，比制造同樣強(qiáng)度性能的鋼件節(jié)材節(jié)能、環(huán)保并提高生產(chǎn)效率。

1.2 國外ADI的發(fā)展應(yīng)用概況

國際上對ADI的研究始于上世紀(jì)60年代末，70年代芬蘭、美國和中國幾乎同時(shí)宣布ADI的研制成功。國外ADI的研發(fā)工作著重于有關(guān)ADI的化學(xué)成分、熱處理工藝、組織轉(zhuǎn)變、力學(xué)性能和使用性能等方面，使ADI的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。一些著名的鑄造公司紛紛制定了各自的ADI件標(biāo)準(zhǔn)，緊接著各國也開始制定ADI標(biāo)準(zhǔn)，美國、日本、歐洲和ISO分別制定了國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)。在這種背景下，ADI在美國、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)迅速發(fā)展，產(chǎn)量以每年超過15%的速度增長，其主要應(yīng)用行業(yè)為汽車、鐵路設(shè)備、農(nóng)業(yè)設(shè)備、通用機(jī)械、建筑機(jī)械以及礦山機(jī)械（如表1）。

表1 2001年ADI在英美各工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用情況（%）

1.3 我國ADI的發(fā)展應(yīng)用概況

我國是世界上最早研究ADI的幾個(gè)國家之一。開始是用一般稀土鎂球鐵進(jìn)行280℃左右下貝氏體溫度轉(zhuǎn)變區(qū)等溫淬火,得到下貝氏體和奧氏體基體組織[3]。上世紀(jì)60年代初期，由于對ADI機(jī)理的認(rèn)識不足、原材料及其生產(chǎn)過程控制不嚴(yán)等因素的影響，沒有形成批量生產(chǎn)，研究及生產(chǎn)一直停滯不前。80年代，由于受到國際ADI發(fā)展的影響，ADI的研究又在我國興起。目前，我國對ADI的成分、熱處理工藝、組織轉(zhuǎn)變、力學(xué)性能和使用性能等方面進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究工作。我國現(xiàn)階段ADI應(yīng)用主要集中在一般性抗磨件和機(jī)械承載構(gòu)件上，高強(qiáng)度、高韌性的ADI因技術(shù)難度較高，其應(yīng)用還較少。

2 我國ADI與工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距及存在的主要問題

盡管我國和美國、芬蘭一樣，對ADI的研究起步較早，近十多年來，在擴(kuò)大應(yīng)用和工業(yè)化生產(chǎn)方面也取得了很大進(jìn)步，但與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，仍存在很大差距。據(jù)統(tǒng)計(jì)[4]，2004年以來，美國ADI產(chǎn)量年均增長率為18.1%，現(xiàn)已占球鐵總量的8%。目前我國球鐵產(chǎn)量約450萬t（不含球鐵鑄管），而ADI的產(chǎn)量僅6～8萬t，只占球鐵總量的1.8%，主要表現(xiàn)在產(chǎn)量低，質(zhì)量不穩(wěn)定。國外經(jīng)驗(yàn)表明，汽車工業(yè)采用ADI比重占整個(gè)ADI應(yīng)用的51%[5]。我國汽車工業(yè)高速發(fā)展為ADI的應(yīng)用提供了廣闊的潛在市場。目前，我國ADI生產(chǎn)中存在的主要問題是：

（1）批量生產(chǎn)的ADI毛坯質(zhì)量不穩(wěn)定。原材料中的P和S是有害元素，應(yīng)該越少越好，在芬蘭，P和S含量嚴(yán)格控制，生鐵中P＜0.035%，S＜0.015%（而我國特級生鐵 P＜0.05%，S＜0.035%）；鋼材（廢鋼） 中 P＜0.015%，S＜0.015%（而我國優(yōu)質(zhì)碳素鋼 P＜0.035%，S＜0.025%）[6],我國生鐵和廢鋼中較高的P、S含量導(dǎo)致ADI中P、S偏高，從而影響了ADI的性能。由于沒有修改原生鐵與鋼材的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn),我國目前雖已可生產(chǎn)少量低P、S的球鐵生鐵,但化學(xué)成分依然波動較大，增加了生產(chǎn)高牌號ADI產(chǎn)品難度，應(yīng)堅(jiān)持選用低P、S生鐵及研究高效的脫硫技術(shù)[7]。鑄造工藝落后，我國的鑄造企業(yè)中很少采用CAD設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬，不能有效地預(yù)測鑄造缺陷的產(chǎn)生，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)中鑄件產(chǎn)生疏松等缺陷。鑄造檢控手段欠缺，過程檢控不嚴(yán)，應(yīng)嚴(yán)格控制原料成分及精確計(jì)算配料，嚴(yán)格控制熔煉過程的溫度以及原鐵液成分的爐前快速檢測，嚴(yán)格控制調(diào)整原鐵液的C、Si量，并對鐵液凈化處理，準(zhǔn)確控制殘留Mg和RE含量。

（2）熱處理質(zhì)量不穩(wěn)定。熱處理沒有完善的理論設(shè)計(jì)，不能按照產(chǎn)品的牌號、重量、壁厚等特點(diǎn)制定出科學(xué)的熱處理工藝，實(shí)際熱處理過程中往往憑經(jīng)驗(yàn)操作。奧氏體化加熱的防氧化性及溫度均勻性控制不好，等溫鹽浴的攪拌與水冷降溫不夠，工件淬入后的溫升較高，溫升與回降時(shí)間較長，專業(yè)化熱處理與自動控制不夠，應(yīng)努力促進(jìn)批量生產(chǎn)的專業(yè)化及自動控制線，實(shí)現(xiàn)科學(xué)控制，排除人為因素。

（3）高性能產(chǎn)品的品種少、產(chǎn)量低。由于ADI機(jī)理方面的研究不夠成熟、生產(chǎn)工藝技術(shù)條件和相應(yīng)的熱處理設(shè)備落后等原因，我國的ADI產(chǎn)品中多為一般性抗磨件，高性能產(chǎn)品開發(fā)少，產(chǎn)量較低。

（4）國家ADI標(biāo)準(zhǔn)制定較晚。2009年才頒布實(shí)施GB24733—2009 ADI標(biāo)準(zhǔn)。此前的ADI生產(chǎn)是借鑒國外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和憑操作經(jīng)驗(yàn),制約了ADI的開發(fā)和生產(chǎn)。

（5）社會上對ADI的宣傳力度不夠，有關(guān)部門、企業(yè)對ADI的科研、開發(fā)、生產(chǎn)的支持不夠，一定程度上影響了ADI的推廣與應(yīng)用。

3 大力發(fā)展我國ADI產(chǎn)業(yè)的迫切性

隨著世界ADI產(chǎn)量的迅速增長，我國在尚未制定ADI國家標(biāo)準(zhǔn)之前，已有幾十家企業(yè)生產(chǎn)ADI產(chǎn)品，年產(chǎn)量達(dá)6～8萬t，有較成熟的生產(chǎn)ADI球鐵毛坯及熱處理技術(shù)；優(yōu)質(zhì)的低磷、硫生鐵生產(chǎn)已在河南、河北等地投產(chǎn)并不斷擴(kuò)大產(chǎn)量；先后召開了4屆全國ADI技術(shù)研討會及2008年首屆ADI產(chǎn)業(yè)論壇及研討會；2009年又制定頒布了ADI國家標(biāo)準(zhǔn)，表明發(fā)展我國ADI產(chǎn)業(yè)已具備基本條件。從發(fā)展我國機(jī)械制造業(yè)和國內(nèi)外市場需求考慮，迫切需要大力發(fā)展我國的ADI產(chǎn)業(yè)。

（1）現(xiàn)代先進(jìn)的機(jī)械制造業(yè)遵循高速、高效、精密、長壽、節(jié)材節(jié)能、減重降耗的可持續(xù)發(fā)展原則，要求基礎(chǔ)零部件的強(qiáng)韌性、耐磨性好，且節(jié)材節(jié)能、減重降噪。ADI具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性和耐磨性，其組織有球狀石墨，可吸震降噪，降低摩擦系數(shù)，比鍛鋼及表面處理（滲碳、氮化等）簡化生產(chǎn)工藝及節(jié)省能耗，應(yīng)是制造零件的理想材質(zhì)。在汽車、鐵路、農(nóng)機(jī)、建筑、礦山及通用機(jī)械等行業(yè)采用ADI材質(zhì)，將有力促進(jìn)有關(guān)技術(shù)質(zhì)量的提高，創(chuàng)造巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益。

（2）汽車制造反映一個(gè)國家的工業(yè)化和制造水平?，F(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)正不斷發(fā)展增壓技術(shù)，要求提高曲軸的爆發(fā)壓力和彎曲應(yīng)力，原球鐵和普通鍛鋼曲軸已不能勝任，而采用40Cr、42CrMo鋼曲軸的成本太高，ADI曲軸配合圓角滾壓工藝即能滿足要求，且生產(chǎn)工序簡化、節(jié)材節(jié)能、降低噪音、成本低廉。載重汽車的彈簧支架、控制臂等件在國內(nèi)外都已有使用ADI的實(shí)例。江蘇理工大學(xué)和一汽無錫柴油機(jī)廠研制用高性能ADI代替40Cr調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)齒輪裝機(jī)試驗(yàn)，不僅力學(xué)性能滿足了使用要求，柴油機(jī)整體噪聲下降了1.92dB，齒側(cè)平均噪音下降了1.5dB[8]。東風(fēng)汽車公司軍用越野車底盤結(jié)構(gòu)上的彈簧支架等6個(gè)零件，由45鑄鋼改用ADI，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,不僅提高性能，且重量由原630.62kg減少至 380.66kg，共減輕 249.96kg，減輕率 39.6%[9]。

（3）高耐磨性是ADI的主要特點(diǎn)之一，我國冶金礦山行業(yè)的采掘、破碎、研磨和選取每年消耗金屬耐磨材料300萬t以上，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅破碎設(shè)備、挖掘機(jī)斗齒和渣漿泵等磨損件損失，每年高于70億元，目前我國已生產(chǎn)ADI磨球襯板、斗齒、錘頭產(chǎn)量僅3萬t，遠(yuǎn)不能滿足市場需要，若擴(kuò)大應(yīng)用，不僅減少金屬材料的損耗，節(jié)約能源，且提高整機(jī)生產(chǎn)效率，減少機(jī)器維修費(fèi)用，將產(chǎn)生巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益。

（4）國際市場對ADI的需求量很大。我國的鑄件和球鐵生產(chǎn)居世界之首，國際上向中國求購鑄件量不斷增加，特別希望提供中高檔鑄件產(chǎn)品，如載重汽車的底盤結(jié)構(gòu)件等要求大批量提供ADI件，目前我國尚未大批量生產(chǎn)，如加強(qiáng)工裝和檢控手段的投入，設(shè)計(jì)專業(yè)化生產(chǎn)線，實(shí)施科學(xué)管理，應(yīng)可大批量生產(chǎn)ADI件，滿足國際市場需求。

4 我國ADI產(chǎn)業(yè)化的思路

經(jīng)過30多年的發(fā)展，我國ADI的生產(chǎn)應(yīng)用有了很大的進(jìn)展。ADI作為一種具有許多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的新型材料，其性能特點(diǎn)已逐漸被人們所認(rèn)識并加以利用，其生產(chǎn)工藝技術(shù)條件和相應(yīng)的熱處理設(shè)備也在不斷進(jìn)步。但要使ADI產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展并在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用更加廣泛，在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮更大作用，應(yīng)重點(diǎn)解決以下幾個(gè)問題：

（1）我國已頒布ADI國家標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)加強(qiáng)宣傳。產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門要從提高性能、性價(jià)比，節(jié)材節(jié)能，減重降噪的可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)考慮，盡量選用ADI材質(zhì)；生產(chǎn)部門要重視選取原材料及工裝，確保產(chǎn)品質(zhì)量按國家標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定生產(chǎn)。

（2）我國球鐵鑄件的生產(chǎn)技術(shù)已較成熟，應(yīng)根據(jù)ADI的特性要求盡快制定ADI鑄件生產(chǎn)技術(shù)條件，穩(wěn)定ADI毛坯質(zhì)量。生產(chǎn)技術(shù)條件包括采用優(yōu)質(zhì)原輔材料（如低P、S生鐵、廢鋼及球化劑、孕育劑等）；合理的熔煉工藝及球化孕育處理；爐前快速檢控及調(diào)整成分；鑄造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)；鑄件澆注及冷卻條件；過程檢測控制；產(chǎn)品檢驗(yàn)規(guī)則等。

（3）優(yōu)化熱處理工藝，加強(qiáng)熱處理過程的檢測與控制，逐步實(shí)現(xiàn)專業(yè)化熱處理。積極推動專業(yè)ADI熱處理中心和ADI球鐵鑄件專業(yè)生產(chǎn)基地的建立。美國和芬蘭的經(jīng)驗(yàn)表明，建立專業(yè)ADI熱處理中心不僅能保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，還可以節(jié)省投資，在一定程度上促進(jìn)了ADI的生產(chǎn)發(fā)展。北美90%以上的ADI都是在專業(yè)熱處理廠進(jìn)行等溫處理[5]，如美國Applied Process公司、英國ADI處理有限公司、芬蘭的Componenta Karkkila公司等，這些公司還與鑄造企業(yè)和ADI用戶合作參與ADI件的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

（4）擴(kuò)大高性能（高韌性、高強(qiáng)度、高耐磨性）ADI產(chǎn)品的應(yīng)用品種和產(chǎn)量。通過試驗(yàn)研究和產(chǎn)品試制，確定高韌性、高強(qiáng)度、高耐磨性ADI的生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范，不斷擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域、產(chǎn)品品種和產(chǎn)量，逐步達(dá)到專業(yè)化大批量生產(chǎn)。

（5）加強(qiáng)ADI基礎(chǔ)理論的研究。近30多年來，國內(nèi)外對ADI的化學(xué)成分、熱處理工藝、力學(xué)性能和使用性能等基礎(chǔ)理論和技術(shù)進(jìn)行了大量研究工作，但對ADI的微觀組織轉(zhuǎn)變機(jī)理的理論研究還較欠缺，需要通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，探索ADI的組織轉(zhuǎn)變機(jī)理，為科學(xué)地制定熱處理工藝規(guī)范和控制產(chǎn)品質(zhì)量提供指導(dǎo)，促進(jìn)ADI大力發(fā)展。

（6）國家和政府相應(yīng)職能部門應(yīng)加大對ADI的重視和投入，促進(jìn)ADI生產(chǎn)設(shè)備和行業(yè)技術(shù)的完善，擴(kuò)寬ADI應(yīng)用領(lǐng)域。在進(jìn)行ADI應(yīng)用推廣時(shí)，應(yīng)根據(jù)其性能特點(diǎn)、應(yīng)用范圍及生產(chǎn)條件，選擇合適的ADI材質(zhì)，既要考慮充分利用ADI某一特點(diǎn)，又要以最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的工藝和設(shè)備來生產(chǎn)，這樣才能不斷降低成本，充分體現(xiàn)采用ADI的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

5 結(jié)語

我國ADI國家標(biāo)準(zhǔn)已頒布，應(yīng)加強(qiáng)ADI等溫轉(zhuǎn)變基礎(chǔ)理論和ADI的成分、熱處理工藝、力學(xué)性能和使用性能等方面的基礎(chǔ)技術(shù)研究，制定ADI鑄件生產(chǎn)技術(shù)條件，優(yōu)化熱處理工藝和熱處理設(shè)備，為快速發(fā)展我國ADI提供良好的技術(shù)條件。希望政府有關(guān)部門和相關(guān)企業(yè)加大對ADI的重視和投入，抓住機(jī)遇，加強(qiáng)ADI在機(jī)械工業(yè)中的推廣應(yīng)用，以促進(jìn)我國ADI產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

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Exploration to the Path of Development of ADI in China

CHEN GuoDong，GONG WenBang，XIANG GangYu
(School of Mechanical Engineering and Automation Wuhan Textile University,WuHan 430073,Hubei China）

The basic performance advantages and domestic and international situation of ADI have been summarized with analysis of distance between our country and industrially developed ones,puting forward the main problems and suggestions to the development of ADI.The urgency to strive to develop our ADI industry has been elaborated with discussion about the path and strategies to develop it.

Austempered ductile iron；ADI；Review

TG143.5;

A；

1006－9658（2011）06－4

中國紡織工業(yè)協(xié)會科技項(xiàng)目（2008085）,湖北省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目（D20101606）

2011－08－23

2011－121

陳國棟（1985-），男，在讀碩士，研究方向：新型材料及成型過程控制技術(shù)