1.1 球墨铸铁的发展

1.1.1 铸铁的发展

人类生产和使用铸铁经历了数千年漫长的发展历程。最早使用的铁是陨石铁，相传在距今5000年前，古埃及前王朝时期曾用陨石铁做成铁珠。最早的制铁技术大约出现在公元前2000多年，赫梯人将红热的铁矿石制成金属铁，这实际上是一种固态技术，其中包含了大量的锻造工艺。这种制铁技术当时被严格保密，随着赫梯王国的衰亡才逐渐传入西亚、南亚和欧洲。

我国目前发现的最古老的冶炼铁器是2009年在甘肃临潭县磨沟寺洼文化墓葬出土的两块铁条。后经清华大学及牛津仪器公司检测，这两块铁条由“块炼渗碳钢”锻打而成，是冶炼金属，检测确认其年代为公元前1510—公元前1310年。世界公认首先将矿石冶炼成铁液并浇注成铸铁件的国家是中国。据文字记载，我国早在公元前6世纪就进行了液态炼铁，并铸造了农具、兵器和其他器物。《左传》记载，昭公二十九年（公元前513年）晋国铸造的铸铁刑鼎重达270kg，鼎上铸有刑律全文，这是我国铸造大件的最早记载。铸铁冶铸技术传入欧洲的具体时间还不确定，有说是在公元1200—1450年间由东方传入欧洲，也有认为是公元13世纪前后由我国元朝大军随军工匠传播到欧洲的，同时也带去了熔炼铸铁的竖炉。

我国的铸铁冶铸技术比西方早约千余年，在当时取得了辉煌的成就。我国古代大多数铸铁件是白口铸铁或者麻口铸铁，还有灰铸铁，在河南巩义市铁生沟出土的一件汉代铁 和其他出土铁器中发现了球状石墨。从现有研究资料看，这种球状石墨应是白口铸铁退火时得到的，与现代的球墨铸铁生产方法完全不同。

像古代多数手工艺技术一样，铸铁冶铸技术发展非常缓慢，只在师徒间或家族中相传，并且在发展过程中时而丢失，时而又被再发现、再发展。工业革命后，对机器设备的需求以及技术装备的发展为铸铁冶铸技术的发展提供了难得的机遇，铸铁冶铸技术发展非常迅速。1709年英国人A.D.Coal brookdale采用焦炭熔炼铸铁，1765年詹姆斯·瓦特（James Watt）发明了蒸汽机。当时，铸铁主要是由熔融铁液形成片状石墨的灰铸铁，石墨片不能很好地控制，薄壁处常常是白口组织，没有石墨，对冷却速度极为敏感，微观组织和性能很不稳定。1722年法国物理学家Rene Antoine Ferchault de Réaumur发明了具有较高强度和韧性的白心可锻铸铁，用来生产薄壁铸件。1794年英国人John Wilkinson发明了获得英国专利的冲天炉，极大地促进了灰铸铁和白口铸铁的发展，可以根据试样断口性质可控地生产铸铁，获得可控的组织和性能，使得铸铁在工程结构件上获得了大量应用。19世纪20年代美国人Seth Boyden发明了黑心可锻铸铁。1855年亨利·贝塞麦（H.Bessemer）发明了贝塞麦转炉炼钢法，炼钢技术迅速发展，使得可锻铸铁和铸钢得以大批量成功生产。20世纪20年代，A. Diefenthler和K. Sipp在德国曼海姆的Heinrich Lanz铸造车间发明了珠光体铸件生产方法（Lanz法），制备出高强度气缸体铸件，获得了德国专利和其他国家的专利。这种高强度气缸体铸件具有特别高的强度和很低的壁厚敏感性，其配料和普通气缸体铸件相似，但是砂铸型和砂芯要预热到500℃。铸件的化学成分要根据其壁厚严格控制C和Si的质量分数之和在3.5%～4.6%之间：对于小型薄壁铸件，采用较高的预热温度和较高的C+Si质量分数；对于厚壁铸件，则采用较低的浇注温度和较低的C+Si质量分数。因此，可在铸件的各部位得到100%珠光体+A型石墨，并且铸造应力极小。显然，这种严格控制化学成分和冷却速度的工艺可确保铸件具有所期望的组织和性能，但该工艺十分复杂，生产成本很高，现代生产中已不再采用。

通过降低C+Si的质量分数得到钢铸铁以提高灰铸铁强度的方法，在高强度灰铸铁的发展中曾发挥过重要作用。所谓钢铸铁就是加入大量废钢（40%～80%）熔炼后得到的铸铁。钢铸铁的成分范围： w （C）=2.8%～3.0%， w （Si）=1.5%～1.7%， w （Mn）=0.8%～1.0%， w （P） ≤ 0.3%， w （S） ≤ 0.12%，C+Si的质量分数低，具有珠光体组织和很好的力学性能，抗拉强度可达200MPa以上，断口均匀性很好。但增加废钢加入量和提高铁液过热温度等会形成过冷石墨，在用钢铸铁制作壁厚相差悬殊的铸件时，很难避免薄壁处不出现白口组织，只有在条件达到要求时，铸件才能具有较高的抗拉强度。1922年，美国人Meehan（密烘）在C+Si含量较低的铁液中，用Si-Ca合金进行孕育处理，使灰铸铁的强度显著提高（300～500MPa），消除了过冷石墨，改善了断面均匀性。1913—1915年，钢铸铁被苏联用来制作各种炮弹和各种机器上的重要零件。

1.1.2 球墨铸铁的发明

球墨铸铁的发明是铸铁发展史上最重要的突破，大大地提高了铸铁的性能。

早在1900年代初期，铸铁工作者，特别是英、美、德等国的科技人员就试图用合金元素处理铁液，改变石墨的形态，以提高铸铁的性能。

1900年，F. Wust将Mg、Al、Na作为化学活性较强的净化处理元素加入铸铁液，其中Mg排在首位。

1902年，A. Ledebur在液态可锻铸铁中加入少量Mg，得到可轧制的金属，证明Mg是可以加到铁液中的。

1908年，希腊某化工厂用Fe-Mg和Mg-Fe-Si合金对铸铁进行脱氧处理，明显改善了铸件的质量，提高了强度和断口均匀性。

1918—1920年，德国人Pistor、Beiel Stein和Beck发明了 w （Si）=10%～40%， w （Mn）=0%～20%， w （Fe）=0%～10%，其余为Mg的中间合金，其对铸铁的脱氧净化效果明显，并于1918年、1920年先后两次获美国专利。证明Mg可使铸铁的质量更均匀、抗拉强度更高，用Mg、Al、Fe或Ni配制成中间合金，只要加入质量分数为0.05%～0.1%的Mg就足以改善铸铁质量。

1922—1931年间，美国人Meehan曾以向铁液中添加Ca、Mg、Ba、Li、Te（单独添加或与Cr、Ni、Ti一起以化合物方式添加）对铁液进行处理，获得了制取球状石墨的四项美国专利，但均未能成功获得球状石墨。1941年，Meehan用Te作为激冷元素，用Si-Ca对铁液进行孕育处理，得到了球状石墨，但此项工作没有继续进行。

1925年，德国人E. Piwowarsky在研究高过热温度对灰铸铁液石墨形态的影响时观察到了球状石墨，但当时的显微镜放大倍率低（50～100倍），球状石墨常被忽略。直到1934年，Niez和Ahmad用尼科尔偏光镜第一次清晰观察到球状石墨，其内部结构是由众多的石墨单晶从核心出发按径向辐射方向有规则地排列，最后组成一个球体，而可锻铸铁中的退火石墨是无规则堆积的状态。根据石墨内部结构不同，确定了球状石墨是从液态下结晶析出的，退火石墨则是经固态转化形成的。

1930年，美国国际镍公司（International Nickle Company，INCO）开始研究镍对灰铸铁/白口铸铁石墨化与碳化物形成、组织和性能的影响，期间开发了 w （Ni）≈4.5%和 w （Cr）≈1.5%的镍硬铸铁。

1933年，E. Piwowarsky的高温（300～700℃）热风冲天炉获得专利。高温热风冲天炉熔炼出的铁液出炉温度高，硫含量低，有利于球化处理。

1933年，E. Piwowarsky提出了“可提高自身强度的过共晶合金”概念，即用Pb与Ca、Sr、Ba、Li、Mg分别组合添加到铁液中，降低铁液的共晶温度，加大过热，从而增加凝固时的过冷度，促使石墨向球状转变，改善铸铁质量；并开展了包内冶金技术，如包内脱氧去硫、包内合金化、包内孕育处理等的研究与应用，以便提高包内加镁球化处理的操作技能，改进处理方法。

1935—1936年，德国亚琛工业大学铸造研究所在用低碳（质量分数约为1.5%）、高硅（质量分数约为3.5%）铸铁液生产铸管时，观察到了很好的石墨球，并将试验照片提交给1936年在德国杜塞尔多夫举办的第六届国际铸造博览会展出并通报。亚琛铸造所至今还存有相关档案资料与当时使用的熔化设备。

1938年，亚琛铸造所博士生C. Adey完成了用镁制取铸态球墨铸铁的工作，并申请了专利。但这些在德国进行的研究工作并未实现工业化生产，因而影响力较小，在国际上并未引起工业界的重视。

1940年代初，英国铸铁研究学会（British Cast Iron Research Association，BCIRA）的H. Morrogh发现，在铸铁件反白口区附近有球状石墨析出，偶尔在个别铸铁件的组织中还观察到了为数不多的致密石墨（又称蠕墨），这些试块都没有经过任何处理。这一现象引起了Morrogh的兴趣与重视，他于1946年5月和BCIRA的同事W. J. William合作研究铸铁中石墨形成的问题，以寻找球墨铸铁的制取条件。他们首先用较纯的Ni-C、Co-C二元合金观察球状石墨形成的条件，发现在Ni-C、Co-C二元合金中，只要硫含量低于某个数值（冷却速度较快，如薄壁铸件或金属型浇注），则不必添加任何球化元素，即可在铸态下形成球状石墨；若硫含量较高，则需要添加碱土金属元素Ca或Mg（或许还有Ba、Sr）做球化剂才能析出球状石墨。其中，Ni-C合金比Co-C合金更容易形成球状石墨。最难形成球状石墨的是Fe-C-Si三元合金，因为它们与碳作用，生成Ni ₃ C、Co ₃ C以及Fe ₃ C三种碳化物，它们的稳定次序为Fe ₃ C>Co ₃ C>Ni ₃ C，共晶碳化物Fe ₃ C最稳定，不易分解出球状石墨，而Ni ₃ C最不稳定，最容易分解出球状石墨。1947年，Morrogh与William在论文《铸铁、Ni-C和Co-C合金中的石墨结构》中论述了铸态铸铁中有球状石墨存在。1948年在论文《铸铁中球状石墨的制取》中指出用Ce及稀土合金处理过共晶成分铁液并在随后进行孕育处理，实现了球墨铸铁的工业化生产，同时宣布球墨铸铁诞生。

20世纪40年代，由于合金元素短缺，需要寻找能替代Cr同时具有促进碳化物形成、资源丰富、容易获得、加入量少等优势的元素。

1943年初，INCO公司的N. B. Pilling和K. D. Millis采用Mg和质量分数为0.5%的FeSi85孕育合金处理了几包白口铸铁，使其抗弯试验断裂载荷从4500lbf（1lbf=4.448N）提高到6500lbf，断面有细小的片状石墨。1943年3月17日，A. P. Gangnebin和K. D. Millis开始了“镁元素对灰口铸铁的作用”课题的研究；4月12日做了两炉试验，一炉为低碳当量，另一炉则是高碳当量，高碳当量的成分为 w （C）=3.64%， w （Si）=2.26%， w （Mn）=0.74%， w （S）=0.094%， w （Ni）=2.0%（估计值）；把Mg以Ni-Mg、Cu-Mg中间合金（Ni80-Mg20或Cu80-Mg20）的方式加入包内，加入量分别为0.05%、0.3%、0.4%、0.5%。另外，在 w （C）=3.5%、 w （Si）=2.25%、 w （Ni）=2.0%的灰铸铁液中加入0.5%的Mg，其抗拉强度远远超过预期，高达765MPa。令人吃惊的是，断口的反光亮度随Mg含量的增加逐渐变得灰白，金相分析发现试棒中存在石墨球。1947年9月21日，INCO公司向美国和英国专利局同时申请了专利，1949年10月25日美国专利局授权批准。

1948年，美国INCO公司和英国BCIRA公司同时公开宣布发明了球墨铸铁，开启了球墨铸铁工业化生产时代。INCO和BCIRA公司都在1949年获得了专利权。INCO公司因为这种铸铁有韧性而称其为“Ductile Iron”，欧洲因为其石墨形状为球形而称其为“Spheroidal Graphite Iron”，我国则根据其石墨形状称其为球墨铸铁。

球墨铸铁在发明后的前15年内发展缓慢。这一方面是由于BCIRA和INCO公司的专利保护在一定程度上限制了球墨铸铁的发展，另一方面是因为铸造厂有待于开发能稳定生产高质量球墨铸铁的生产技术，加之设计和工程界尚未充分认识和接受球墨铸铁这一新材料。当该专利失效后，北美的球墨铸铁迅速发展起来，球墨铸铁在全世界开始了真正意义上的大规模工业化生产。1958年美国球墨铸铁学会成立，以帮助和确保高质量球墨铸铁的扩大应用和持续增长。

1.1.3 球墨铸铁的发展

1.1.3.1 世界球墨铸铁的发展

球墨铸铁作为新型工程材料，其发展速度惊人。据统计，1949年世界球墨铸铁产量只有5万t，1960年达到53.5万t。20世纪60年代自球墨铸铁的专利失效后，其产量大幅增长。1966年起美国《现代铸造》（ Modern Casting ）杂志开始统计世界铸件产量，是现有最接近实际情况的统计数据。图1-1所示为1966—2018年，世界灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、铸钢和铝合金产量的变化。

由图1-1可知，1966年世界铸件总产量中，占第一位的是灰铸铁，第二是铸钢，第三是可锻铸铁，第四是球墨铸铁，第五是铝合金。1969年球墨铸铁产量达到345万t，超过可锻铸铁（275万t）。1986年起球墨铸铁产量超过了铸钢。1997年之后，世界铸件总产量中，占第一位的是灰铸铁，第二是球墨铸铁，第三是铝合金，第四是铸钢，第五是可锻铸铁。1966年以来世界经济的波动影响了铸件产量，但是球墨铸铁产量却因其优越的性能而持续增长，1970年为380万t，1980年为760万t，1990年达到915万t，1995年是1290万t，2000年达到1310万t，2002年达到1405万t，2004年达到1870万t，2010年达到2345万t，2018年达到2813万t，我国球墨铸铁产量则达到1415万t，占世界球墨铸铁总产量的50%。

工业发达国家的球墨铸铁发展速度更为迅猛。图1-2所示为1950—2018年美国球墨铸铁产量。可以看出，虽然球墨铸铁的产量随着美国和世界经济的波动而有所波动，特别是受2008年世界经济危机的影响较大，但是总体呈上升趋势，2012年达到了创纪录的478万t。

根据美国《现代铸造》杂志统计，2018年世界铸件总产量达到11274万t，我国铸件总产量为4935万t，位列世界第一。印度（13388682t）、美国（10756492t）、日本（5575417t）、德国（5432999t）、俄罗斯（4200000t）位列2～6位。铸件产量为200万～300万t的国家有5个：墨西哥（2909461t）、韩国（2516800t）、巴西（2283379t）、意大利（2261196t）及土耳其（2255287t）；产量为100万～200万t的国家有4个：法国（1781212t）、乌克兰（1560000t）、西班牙（1288895t）及波兰（1036500t）。2018年世界铸件产量前10名及发达国家和金砖五国灰铸铁与球墨铸铁的产量及比例见表1-1。

2018年铸件总产量排名前10位国家的铸件产量总计98674426t，占世界总产量的87.5%，其中中国铸件总产量占世界铸件总产量的44%，超过位列2～10位的九个国家的总和。从表1-1可知，2018年世界球墨铸铁产量与灰墨铸铁产量之比为0.57，我国为0.68，超过世界平均水平，但低于发达国家整体水平。发达国家中西班牙为1.99、英国为1.51、法国为1.14、美国为0.82、日本为0.82、德国为0.67、意大利为0.56，这从另一方面反映出发达国家对新材料的重视程度。

1969年世界铸件产量达到了7600万t，1972年降至6900万t。美国《现代铸造》杂志分析，这主要是由于发达国家的技术进步和设计水平的提高使得铸件重量减轻，且功能提高，因此，预言发达国家铸件产量可能下降，但铸件数量则可能持续增加。的确如此，由于铸造技术的进步、铸造合金性能的提高和设计水平的提高，形状更复杂、壁厚更薄、重量更轻、功能更强、更环保的铸件不断出现，从而使得现代的设备和机械重量更轻、功能更强、更环保。

据相关文献报道，世界先进的发动机缸体生产厂家，2012年生产的发动机缸体平均重量较2005年减轻1/3，铸件重量从65kg下降到大约44kg，同时壁厚从［（4.0～5.0）±1］mm降至（3.0±0.5）mm。重量下降主要是由于采用了先进的组芯工艺，同时采用了性能更好的材料，使得铸件壁更薄。德国Eisenwerk Brühl、Fritz Winter公司和巴西Tupy公司都生产3.0mm的薄壁乘用车缸体。最小壁厚3.0mm已经成为发达国家乘用车缸体的新标准。

1.1.3.2 我国球墨铸铁的发展

我国球墨铸铁的发展经历了四个阶段。1950—1958年为第一阶段，即镁球墨铸铁阶段。1959—1965年为第二阶段，为稀土镁球化剂以及稀土镁球墨铸铁的研究与开发阶段。1966—1999年为第三阶段，为稀土镁球墨铸铁在全国推广普及阶段，球墨铸铁产量逐年增长，质量逐步提高。从2000年开始至今为第四阶段，为球墨铸铁从生产方法到质量全面提高，赶超国际先进水平阶段。

（1）第一阶段（1950—1958年）：镁球墨铸铁阶段

此阶段，我国球墨铸铁的研究与生产从无到有，从应用于普通零件到曲轴等重要结构件稳步向前发展，但球墨铸铁产量只占世界总产量的很小一部分。1949年王遵明先生在清华大学实验室进行了Cu-Mg、Ni-Mg、Al-Si、Sb-Si、Zn-Si和Pb-Si等合金作为球化剂的试验，发现多种有效的球化元素以及铁液处理工艺可获得球状石墨铸铁。结合国情，用“八二”和“七三”Cu-Mg合金作为球化剂可有效获得球墨铸铁。但当时对球墨铸铁研究成功的消息未公开报道，也未向外界透露，一年多无外人知晓。

我国球墨铸铁的生产性试验工作始于1950年，最早是由中国科学院上海冶金研究所和清华大学王遵明教授分别在上海、抚顺两地进行。由于我国缺Ni，未采用INCO的镍镁球化剂，而是采用Cu-Mg合金冲入法研制成功球墨铸铁。1951年7月，抚顺矿务局请王遵明先生到抚顺机电厂（现抚顺挖掘机制造有限公司）指导生产球墨铸铁，在一周内的四次生产性试验成功之后，成立了球墨铸铁研制小组。工人们经过短期训练后，进行了批量生产，两个月生产了超过20t球墨铸铁铸件，包括机车的气缸套、活塞环，机床零件和钢锭模等，最大铸件重量达1200kg。试棒的抗拉强度大于70kgf/mm ² ，伸长率大于5%。

1952年，更多的单位开始研究用纯镁代替Cu-Mg合金，采用钟罩压入法处理球墨铸铁；1953年我国又掌握了补加铁液的方法，以弥补钟罩压入法铁液温降大的缺点。大部分工厂采用钟罩压入法一直到1957年左右，这种方法耗镁量高，同时球化不够稳定，劳动条件差。

1957—1958年，铸铁研究室（1957年由清华大学与第一机械工业部机械院等有关单位组成的合作研究机构）、大连造船厂、天津拖拉机厂、上海区球铁曲轴研究小组（由上海交通大学等单位组成）等单位先后试验成功压力加镁和灭容加镁等方法，并在生产中正式采用。至此，镁系球化剂及其处理工艺经过八年的不断研究和应用，基本成熟和完善了。球墨铸铁生产初期，由于工艺尚不成熟，质量尚不稳定，因而多用于制作受力不大的小零件和机修配件。1956年9月和10月分别在北京和上海召开了球墨铸铁曲轴研讨会，并肯定了球墨铸铁曲轴使用的可靠性。会后，无锡柴油机厂、南京汽车厂、天津动力机厂、天津拖拉机厂相继开展了试验研究工作，并陆续投产。第一机械工业部汽车局于1957年11月在天津动力机厂召开了铸铁曲轴经验交流会议，制订了球墨铸铁曲轴的技术条件、检验方法，提出了曲轴用球墨铸铁可采用50-5、60-2两个牌号。球墨铸铁曲轴的成功应用，标志着我国的球墨铸铁作为一种工程材料登上了机械工业舞台。后来用球墨铸铁生产的重要零件有：鞍钢于1955年试制成功球墨铸铁轧辊，铁道科学研究院于1957年试制成功铁路车辆球墨铸铁轴瓦，本钢于1957年试制成功钢锭模，此外，还有凸轮轴、正时齿轮、阀门、减速器齿轮等零件。

1958年11月召开第一次全国球墨铸铁会议时，全国已有近400个单位研究和生产球墨铸铁，并试制了一些当时国外尚未报道的球墨铸铁零件，如铁轨、无缝管、热轧齿轮、汽轮机转子和水轮机主轴等。这个时期的球墨铸铁品种比较少，真正用于生产的只有相当于标准的QT60-2、QT42-10和QT50-5三种牌号，性能水平也不高，珠光体球墨铸铁的抗拉强度一般在70kgf/mm ² 以下，铁素体球墨铸铁的伸长率一般不超过15%。

（2）第二阶段（1959—1965年）：稀土镁球化剂以及稀土镁球墨铸铁的研究与开发阶段

早在1927年，我国地质学家丁道衡就在西北考察途中首次发现了白云鄂博这座富饶的矿山，1934年，地质学家何作霖从白云鄂博矿石中发现了稀土，但直到新中国成立前，这座富饶的矿山一直沉寂着，没有得到开采利用。20世纪50年代末，中国科学院上海冶金研究所采用硅热法，在有铁参加反应的情况下，还原包钢的高炉渣成功制备了RE-Si-Fe合金，1959年底，包钢试炼出第一炉RE-Si-Fe合金，从此，我国丰富的稀土资源开始得到有效利用。

自1958年开始，各地大量生产土铁，土铁的特点是C、Si、Mn的含量低，S、P的含量高，因为高硫球墨铸铁的性能不高且不稳定，还需要长时间退火，镁系球化剂不适应我国当时的铸造生产条件。1961年包钢成功地从炉渣中提取出廉价的稀土，为稀土球化剂的生产提供了充足的原料。20世纪60年代初，第一机械工业部机械院、无锡柴油机厂、上海内燃机所、包头冶金研究所等单位先后开展了稀土球墨铸铁的试验研究工作，并生产出稀土球墨铸铁曲轴，但因单独用RE-Si-Fe做球化剂存在对原铁液质量要求高、合金加入量大、易产生白口组织及大断面心部球化不良等问题而难以在生产中应用。

1964年，第一机械工业部机械院与南京汽车厂、无锡柴油机厂等单位，采用稀土合金和镁做复合球化剂，研究成功符合我国资源特点的稀土镁球墨铸铁，消除了镁球墨铸铁生产中长期存在的夹渣、缩松、球化不良等缺陷，并分别于1964年底和1965年初在南京汽车厂、无锡柴油机厂正式投入生产。1965年上海工艺研究所等单位试制成功冲入法，用于代替压力加镁法，冲入法操作非常简便，简化了球墨铸铁的生产工艺。与镁球墨铸铁相比，稀土镁球墨铸铁的铸造性能好、力学性能好、生产简便安全，在原铁液质量较差的情况下，也能制造出合格的球墨铸铁产品。1976年10月，我国在第43届国际铸造会议上宣读了名为“Metallurgical and Technological Features of Rare Earth-Magnesium Nodular Cast Iron and Its Applications in China”的论文，引起了国际铸造界的关注。

（3）第三阶段（1966—1999年）：稀土镁球墨铸铁在全国推广普及阶段

自1964年底第一机械工业部在南京推广应用稀土镁球墨铸铁以来，稀土镁球墨铸铁开始在全国推广普及，球墨铸铁产量逐年增加，质量逐步提高。尤其是改革开放以来，我国经济迅速发展，工业生产快速增长，铸件生产得到快速发展。1978年，我国的铸件产量开始进入美国《现代铸造》杂志的世界铸件产量统计（图1-3）。世界铸件产量也因此由1977年的8000万t猛增到1978年的9000万t，我国1977年铸件产量是918万t。如果不考虑我国铸件产量，世界铸件产量自20世纪90年代起是基本保持不变的，而且在2008年世界经济危机时明显下降。如果考虑到其他发展中及新兴市场国家铸件产量的增长，工业发达国家的铸件产量实际上是下降的。

据美国《现代铸造》杂志统计，1991—1993年，我国铸件产量连续三年超过美国，居世界第一。之后，由于美国经济复苏，其铸件产量超过我国。2000年，我国铸件产量再次超过美国，之后一直居世界第一位。2018年我国铸件产量达4935万t，其中灰铸铁2065万t，球墨铸铁1415万t，铸钢575万t，可锻铸铁60万t。我国球墨铸铁具有强劲的发展潜力（图1-4），1990年其产量超过可锻铸铁，1996年其产量超过铸钢。2004年我国球墨铸铁产量达到560万t，远超美国的400万t，成为球墨铸铁世界第一生产大国。2018年世界球墨铸铁与灰铸铁产量之比为0.57，我国为0.68，超过了世界平均水平。2018年世界球墨铸铁产量达到2813万t，我国球墨铸铁产量占世界总产量的50%。

在这一阶段，我国铸态球墨铸铁的生产技术和研究工作均达到了较高的水平，主要体现在以下几个方面：

1）铸态珠光体球墨铸铁曲轴和铸态铁素体球墨铸铁汽车底盘零件分别在我国第二汽车制造厂、南京汽车集团有限公司和第一汽车厂（现名中国第一汽车集团有限公司）相继投产。这标志着我国铸态球墨铸铁生产达到了较高水平。与之相应的包外脱硫、双联熔炼、瞬时孕育、孕育块技术以及音频检测和热分析快速检测等技术的采用，则标志着我国大批量流水线生产汽车球墨铸铁铸件的技术水平与国际先进水平的差距正在缩小。

2）研究了大断面（壁厚大于120mm）球墨铸铁的冶金因素以及相应的生产工艺措施。采用添加适量的钇基重稀土复合球化剂、强制冷却、顺序凝固、延后孕育等手段，必要时添加微量的Sb、Bi等元素，可防止球墨铸铁铸件中心部位的石墨畸变和组织缩松等，用球墨铸铁成功制作了38t重的大型复杂结构件、17.5t重的柴油机缸体、直径为805mm的轧辊等。

3）ADI的研究与应用。20世纪70年代初，中国、美国、芬兰三个国家几乎同时宣布研制成功高强度、高韧性ADI，其抗拉强度达1000MPa以上，可广泛应用于齿轮及各种结构件，与合金钢相比，ADI（早期称为奥-贝球墨铸铁）具有显著的经济效益和社会效益。

4）球墨铸铁管和水平连续铸造球墨铸铁型材的研究与应用。我国已相继建成多个球墨铸铁管厂。2000年，我国年产离心铸造球墨铸铁管达90万t。此外，我国自行研制的水平连续铸造球墨铸铁型材生产线已通过国家鉴定，并已有多家企业投产，再加上我国引进的一条生产线，至2002年，我国年产球墨铸铁型材的能力已达数万吨。

5）系统测定了稀土镁球墨铸铁的力学性能及其他性能，为设计人员提供了相关数据。测定了稀土镁球墨铸铁的密度、导热性、电磁性等物理性能，结合金相标准研究了石墨和基体组织对球墨铸铁性能的影响规律，系统测定了铁素体球墨铸铁在常温、低温、静态和动态条件下的各种性能。此外，还研究了稀土镁球墨铸铁的应力应变性能、小能量多次冲击韧度，并开始用于指导生产。结合球墨铸铁齿轮的应用，还系统研究了球墨铸铁的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，以及球墨铸铁齿轮的点蚀、剥落机理等。

6）稀土镁合金球墨铸铁的研究与应用。在高强度低合金球墨铸铁方面，除了对Cu、Mo研究得较多外，还对Ni、Nb等进行了研究。在利用天然V-Ti生铁制作V-Ti合金球墨铸铁方面，进行了大量的系统研究工作。中锰球墨铸铁虽然在性能上不够稳定，但多年来的系统研究与生产应用，积累了不少研究成果与生产经验，取得了显著的经济效益。在耐热球墨铸铁方面，除中硅球墨铸铁外，系统研究了Si+Al总量对稀土镁球墨铸铁抗生长能力的影响。我国研制的RQTAl5Si5耐热球墨铸铁的使用寿命是灰铸铁的3倍，是普通耐热铸铁的2倍，与日本Cr25Ni13Si2耐热钢的使用寿命相当。高镍奥氏体球墨铸铁在石油开采机械、化工设备、工业炉器件上均有成功应用。在耐酸球墨铸铁方面，我国生产的稀土高硅球墨铸铁比普通高硅铸铁的组织细小、均匀、致密，耐蚀性提高了10%～90%，力学性能也有显著改善。

7）关于稀土在球墨铸铁中作用的研究。自H. Morrogh最先使用Ce得到球墨铸铁以来，研究人员先后对各种稀土元素的球化行为进行了研究，发现Ce是最有效的球化元素。针对我国铁质差、硫含量高（冲天炉熔炼）和出铁温度低的情况，加入稀土元素是有必要的。稀土元素一方面可促进石墨球化；另一方面可以克服硫及杂质元素的影响，保证球化效果。结合国情，我国对稀土元素的球化作用进行了大量研究，发现对常用的球墨铸铁［ w （C）=3.6%～3.8%， w （Si）=2.0%～2.5%］来说，很难获得像镁球墨铸铁那样完整均匀的球状石墨，而且当稀土元素含量过高时，还会出现各种变态石墨，白口倾向也会增大，但是，如果是高碳过共晶成分［ w （C）＞4.0%］，则当稀土元素残留量为0.12%～0.15%时，可获得良好的球状石墨。

另外，稀土元素还可防止干扰元素破坏球化。研究表明，当干扰元素Pb、Bi、Sb、Te、Ti等的总质量分数为0.05%时，加入0.01%（残留量）的稀土元素，可以完全中和干扰，并可抑制变态石墨的产生。我国绝大部分生铁中含有Ti，有的生铁中Ti的质量分数高达0.2%～0.3%，稀土镁球化剂由于能使铁中的稀土元素残留量达0.02%～0.03%，故可保证石墨球化良好。如果球墨铸铁中 w （Bi）=0.02%～0.03%，则球状石墨会被完全破坏；若加入0.01%～0.05%的Ce，则又恢复到原来的球化状态，这是由于Bi和Ce形成了稳定的化合物。

稀土元素具有形核作用。20世纪60年代以后的研究表明，含Ce的孕育剂可使铁液在整个保持期内的石墨球数增加，使最终的组织中含有更多的石墨球，具有更小的白口倾向。含稀土元素的孕育剂可改善球墨铸铁的孕育效果并显著提高抗衰退能力。加入稀土元素可使石墨球数增多的原因可归结为：稀土元素可提供更多的晶核，但晶核成分与FeSi75孕育相比有所不同；稀土元素可使原来（存在于铁液中的）不活化的晶核长大，从而增加铁液中总的晶核数。

（4）第四阶段（2000年至今）：球墨铸铁从生产方法到质量全面提高阶段

2000年，我国铸件产量超过美国；2004年以后，我国球墨铸铁产量位居世界第一。2009年，我国修订了新的球墨铸铁标准，指标达到国际先进水平。同时，我国开始优化球化剂，球化剂中的稀土元素含量逐步降低。2010年，我国采用“三精法”生产工艺，以大高炉直接冶炼，成功研制生产出高质量的高纯生铁；同年，河北龙凤山铸业有限公司发布实施了我国第一个高纯生铁企业标准Q/HLFS 01—2010《铸造用高纯生铁》。2011年，中国铸造协会根据当前高端铸铁件的市场需要和生铁生产企业的实际条件，制定了协会标准ZXB/T 0001—2011《铸造用高纯生铁》。2014年，我国工业和信息化部发布实施机械行业标准JB/T 11994—2014《铸造用高纯生铁》。一系列标准的诞生促进了我国铸造用高纯生铁生产技术水平的不断提升，成功研制并生产出了超高纯生铁，将生铁中有害元素的含量降至更低，获得了纯度更高的铸造用新材料。我国球墨铸铁生产从原材料、球化剂、孕育剂到处理方法都有了很大改进，球墨铸铁质量向高要求、高性能、高质量、高附加值的方向持续发展。

当前，球墨铸铁的主要发展方向为大断面球墨铸铁、低温高冲击韧性球墨铸铁和薄壁球墨铸铁。面对能源紧张的挑战和环境保护的需要，世界各国对可再生能源和可持续发展的需求越来越紧迫。风能被认为是能满足节能减排、可再生、促进经济可持续发展等要求的能源。风力发电机获得了迅速发展，输出功率大和效率高的大型风力发电机是必然的发展趋势。大型风力发电机中有多种要求具有低温高冲击韧性的铁素体球墨铸铁铸件，因此，大型风力发电机的迅速发展必然会给低温高冲击韧性铁素体球墨铸铁带来巨大的发展机会。此外，在严寒地区运行的大型机械设备也需要使用低温高冲击韧性球墨铸铁。常州华德机械有限公司为我国高铁批量生产了低温高冲击韧性球墨铸铁QT400-18（-60～-40℃），其质量稳定，可以满足使用要求。

为了提高输出功率和效率，许多机械设备有大型化的趋势，这就为大断面球墨铸铁的发展带来了机遇和挑战。核电站的核废料罐是大断面球墨铸铁的一个应用实例。由于能源紧张，发展核电是一个方向，核废料罐的需求会增加。获得大断面球墨铸铁的关键是消除碎块状石墨，采用超高纯生铁生产的超大断面球墨铸铁可以消除碎块状石墨。

薄壁球墨铸铁主要应用于形状复杂的薄壁铸件，采用优质原材料、控制化学成分、采用瞬时孕育技术和应用热导率低的造型材料等是生产薄壁球墨铸铁的关键。目前，许多结构非常复杂的大型薄壁铸件可以成功地使用球墨铸铁铸造，从而达到提高性能、减轻重量、节约能源的目的。宁夏维尔铸造有限公司生产的薄壁球墨铸铁叶轮，最薄处仅0.3mm，36个叶片中的10个叶片有穿孔，是目前我国叶片最薄、附加值较高的铸件。

1.1.4 球墨铸铁技术标准

技术标准对于新材料开发、应用和推广是一种非常重要的技术文件。在当今的知识经济时代，世界范围内的技术标准竞争越来越激烈，谁制定的标准为世界所认同，谁就会成为行业的引领者，并从中获得巨大的市场和效益。一个时期以来，发达国家的政府和企业都争先恐后地加大力度进行标准化战略研究，试图在技术标准竞争中掌握主动权。目前，世界大多数的技术标准都为发达国家所拥有。制定技术标准的前提是技术实力雄厚，没有坚实强大的开发实力和技术创新实力，是难以参与标准制定的。

多年以来，我国一直鼓励开发具有自主知识产权的核心技术并制定为国际所采纳的先进技术标准。2009年，我国修订实施了国家标准GB/T 1348—2009《球墨铸铁件》，其中的指标达到了球墨铸铁最新的美国材料与试验协会标准ASTM A536M—84（2014）、美国汽车工程师学会标准SAE J434（2004）、欧洲标准EN 1563:2011、国际标准ISO 1083:2004的水平。

随着汽车发动机性能的提高，对铸铁材料高温性能的要求也越来越高。我国于2009年制定颁布了国家标准GB/T 9437—2009《耐热铸铁件》，其中包括4个耐热灰铸铁和7个耐热球墨铸铁牌号。2011年颁布了国家标准GB/T 26648—2011《奥氏体铸铁件》和GB/T 26653—2011《排气歧管铸铁件》。《奥氏体铸铁件》标准中包括2个奥氏体灰铸铁和10个不同合金奥氏体球墨铸铁牌号；《排气歧管铸铁件》标准中包括灰铸铁、蠕墨铸铁、球墨铸铁、硅钼球墨铸铁、高镍奥氏体球墨铸铁等16个牌号。这些标准的技术指标都达到了国际主流标准的水平。

河海大学王泽华等联合中车戚墅堰机车有限公司、沈阳铸造研究所有限公司和江苏恒立液压股份有限公司制定的国际标准ISO 945-4：2019，于2019年4月正式颁布实施，这标志着我国球墨铸铁领域参与国际标准化工作取得突破性进展。

1.1.5 ADI的发明

国际上对ADI材料的称谓主要有两种：美国称其为Austempered Ductile Iron，即等温淬火球墨铸铁，是按照其处理工艺命名的；国际标准ISO和欧洲标准EN称其为Ausferritic Spheroidal Graphite Iron，即奥铁体球墨铸铁，是按照其主要微观组织命名的。我国现行国家标准GB/T 24733—2009称其为等温淬火球墨铸铁（ADI）。

等温淬火工艺于20世纪30年代由Edgar C. Bain和Edmund S. Davenport在美国钢铁公司（the United States Steel Corporation）首先采用。应该说，贝氏体在被发现和确认之前已经在钢中存在了很长时间，其未能被识别是因为受到当时显微镜技术的限制以及受热处理实践所形成混合组织的影响。Bain因为一个偶然的机会研究了等温相变，将钢加热到奥氏体化，然后冷却到中等温度并保温不同时间，结果发现了由“针状、暗色的聚集物”组成的新的微观组织，并发现这种组织的硬度与回火马氏体相当但更有韧性。当时的热处理实践是连续冷却，实际上是不能得到完全的贝氏体组织的，得到的可能是混合组织或者过多的马氏体。随着热处理技术的发展，1958年含硼和钼的低碳钢能够通过连续冷却生产出全贝氏体钢，使得贝氏体钢具有了商业开发价值。这种热处理称为等温转变处理，包括一个阶梯保温过程，使铸件在一个固定温度下保持足够长的时间以完成相变。1960年该工艺快速发展为一种经济可行的高性能热处理替代方法。特别是在轻型弹簧和冲压件的热处理方面，等温淬火工艺被广泛应用。随着新型设备的开发和对新工艺认识的不断深入，等温淬火热处理工艺的应用领域不断拓展。

1949年，W. W. Braidwood在其《什么是针状铸铁》的文章中谈到针状组织铸铁具有很好的力学性能，已有不少应用，研究了等温淬火工艺并提出了富碳奥氏体组织的概念，但所研究的是灰铸铁，当时球墨铸铁和等温淬火技术的工业应用尚不成熟。1960年，美国国际收割机公司用等温淬火处理的球墨铸铁代替铸钢（高锰钢）制造了军用车辆的履带板，这一突破性工作证明了球墨铸铁等温淬火技术的可行性。同年，美国通用汽车公司开展了渗碳钢、淬火钢准双曲面齿轮圈、差速器齿轮低成本替代的研发工作，其中包括等温淬火处理可锻铸铁的可行性和等温淬火处理球墨铸铁齿轮的开发等项目。

20世纪五六十年代，球墨铸铁科研人员主要关注的是如何可靠地获得所期望的微观组织，特别是获得期望的珠光体和铁素体的比例。起初是通过热处理，后来是通过控制化学成分、合金元素和冷却工艺来生产铸态珠光体、铸态铁素体以及不同珠光体和铁素体比例的铸态球墨铸铁。目前，大多数球墨铸铁零件都是铸态球墨铸铁，这大大提高了生产率，并节约了大量能源。等温淬火球墨铸铁在当时并未引起球墨铸铁业的重视，直至20世纪60年代末70年代初，才开始重新研究这种材料。

1972年，为了解决球墨铸铁压缩机曲轴疲劳强度低的问题，开始在全密封的AE型压缩机上安装经等温淬火处理的球墨铸铁曲轴（图1-5），这是商业上应用的第一个ADI零件。这些小曲轴在美国Wagner Castings Company（迪凯特，伊利诺伊州）铸造为铁素体球墨铸铁，在Tecumseh Products Company（特库姆塞，密歇根州）加工，在Controlled Atmosphere Processing（底特律，密歇根州）进行等温热处理，然后返回Tecumseh Products Company安装在压缩机上。

1977年，M. Johansson宣布，芬兰Kymi Kymmene公司所属的Karkkila铸造厂开发了一种性能优异的新型球墨铸铁，即ADI，并在1978年召开的第45届国际铸造年会上宣读了相关论文。当时芬兰研究的是高等温淬火温度的ADI。几乎同时，我国也宣布研究成功ADI，我国研究的是低等温淬火温度的ADI。1992年美国材料与试验协会在ASTM A644M—1992《铸铁件术语》标准中，正式将球墨铸铁经等温淬火热处理获得的针状铁素体+高碳奥氏体的混合组织命名为奥铁体。

1.1.6 ADI对力学性能的贡献

追求高的力学性能一直是世界铸铁工作者的使命。1860年有记录的铸铁抗拉强度仅为60～100MPa。第一次世界大战时期，通过在熔炼时加入废钢使铸铁的抗拉强度提高到120～140MPa；1922年发明了孕育铸铁，抗拉强度提高到300MPa；之后，合金化将孕育铸铁的抗拉强度提高至400MPa。1722年和1826年分别发明的白心和黑心可锻铸铁的抗拉强度虽有很大提高，但是只能生产小型薄壁件。1948年发明的球墨铸铁的抗拉强度则可达600MPa，并具有3%的伸长率，合金球墨铸铁的抗拉强度则可达800～900MPa。20世纪70年代开发的ADI抗拉强度可达1200～1400MPa，最高可达1600MPa（ASTM A897M—2015），有记录的ADI最高抗拉强度达到1700MPa，伸长率为3%。迄今为止，铸铁的抗拉强度提高了将近20倍，如图1-6所示。

铸铁工作者一直梦想将铸铁的抗拉强度提高到像钢一样，随着ADI的发展，这一梦想已经实现，铸铁的力学性能达到了前所未有的水平。图1-7比较了ADI与碳钢、合金钢、普通球墨铸铁的力学性能，可以看出，在相同伸长率的情况下，ADI的抗拉强度是普通球墨铸铁的2倍，与合金钢相当。ADI和普通球墨铸铁的伸长率比钢要低，原因是ADI和普通球墨铸铁在拉伸试验中出现第一个裂纹后就迅速断裂，而钢在出现第一个裂纹后，仍然可以局部变形，即“缩颈”。

ADI、普通铁素体球墨铸铁、普通珠光体球墨铸铁和钢在压力作用下也显示出不同的特点，如图1-8所示。可以看出，ADI和普通球墨铸铁在压缩试验中出现第一个裂纹后就迅速断裂，压力迅速下降；但是，钢在出现第一个裂纹后并未断裂，仍然可以继续变形，压力继续升高。另外，图中曲线斜率表示产生单位形变所需压力的增量，反映了材料的硬化性能，ADI曲线具有较大的斜率，表明ADI具有更好的应变强化性能。