我国是世界上最早研究和应用ADI的几个国家之一,基本与美国、欧洲一些国家同步。早在1954年,周仁、李林在中国科学院金属研究工作报告会会刊上就报道了针状组织球墨铸铁。1956年浙江大学对高速齿轮球墨铸铁件进行等温淬火处理(300℃×1h),试制成功液压泵齿轮及罗茨鼓风机齿轮,其抗拉强度达到1250MPa,伸长率达到2.3%,冲击功达到84J。随后清华大学等单位进行了球墨铸铁等温淬火的试验研究。1979年郑州机械研究所在第46届国际铸造年会上发表了关于球墨铸铁等温淬火的相关报告,引起了国际关注,美国、芬兰和中国彼此独立地宣布研制成功ADI。但当时对ADI的形成机理认识不足,对获得优质球墨铸铁毛坯及采用适当的等温淬火工艺控制不严,难以稳定产品质量,故在20世纪五六十年代,ADI仅处于研究试制阶段。从20世纪70年代开始,国内许多科研机构、高等院校和企业对ADI开展了大量的基础理论和应用研究。
2001年,清华大学魏秉庆、梁吉、吴德海在《贝氏体球墨铸铁》一书中,从热力学、动力学和晶体学等方面研究了球墨铸铁等温淬火过程中贝氏体(针状铁素体)的相变机制。通过对贝氏体形核驱动力与化学位的理论计算分析得出,贝氏体的形核及长大与过冷度、碳硅含量、石墨球大小、奥氏体晶粒边界等因素有关。石墨球越多、尺寸越小,越有利于贝氏体的形核与细化。贝氏体(针状铁素体)由亚单元组成,并存在微细浮凸台阶和巨型台阶,在长大过程中有分枝现象。
南京理工大学刘光华分析了贝氏体相变过程的特征及分类,通过试验研究了ADI的相变过程,指出相变过程中可能存在碳化物。
刘金城等研究了ADI的微观组织与力学性能,指出基体中的针状铁素体由厚度约为200nm的薄铁素体片组成,其内部存在厚度小于10nm的细小奥氏体,细小的铁素体片有大量晶界,促进了位错强化;铁素体内更小的奥氏体及碳化物颗粒有第二相强化作用,奥氏体中的过饱和间隙固溶碳造成奥氏体晶格畸变强化,从而赋予了ADI优良的力学性能。
针对国内原材料和产品的性能要求,我国开展了ADI的化学成分、熔炼、铁液的脱硫净化、球化孕育处理和等温淬火热处理工艺及其控制等研究,试制并批量投产了数十种高性能的ADI汽车底盘零件、曲轴、凸轮轴、风镐缸体、铁路机车斜锲和衬套,以及高铁制动双支臂与制动杆等。近年来又研发投产了高性能的ADI渣浆泵取代原高铬耐磨铸铁渣浆泵、ADI混凝土泵弯管取代原高锰钢与高铬铸铁型钢双层复合弯管、ADI太阳能装置顶板、CADI(含碳化物ADI)取代原铬系耐磨材料等。
1986年,在北京召开了奥-贝球墨铸铁专业学术会议,出版了论文集《奥氏体-贝氏体球墨铸铁》。1987年和1991年分别在北京、吉林召开了全国第一届、第二届ADI学术研讨会。2000年及2004年在武汉召开了两届ADI国际学术研讨会。2002年、2006年、2011年、2017年分别在大连、苏州、长春、郑州召开了第三届、第四届、第五届、第六届全国ADI学术研讨会。2008年在北京召开了首届全国等温淬火球墨铸铁(ADI)产业论坛及研讨会。每届学术会议都出版了相关论文集,每本论文集都收录了数十篇与ADI研究及应用技术相关的优秀论文,对促进我国ADI研发及生产应用起到了重要作用。
从20世纪80年代开始,我国对ADI开展了大量的试验研究及应用开发,但因各地的生产技术水平不平衡,难以及时制定ADI国家标准,直到2009年才制定与颁布了ADI国家标准。
20世纪90年代,为了满足生产供货的需要,有些企业先行制定了ADI企业标准。1996年湖北省机电研究设计院与安陆粮食机械厂合作,建立了ADI产品研发及生产基地,研制成功ADI榨油机榨螺、汽车齿轮等产品;随后与河南淇县机械厂合作,开发了造纸磨浆机磨片、汽车底盘ADI零件及风镐缸体、机头等多种高性能ADI零件。以此为基础,湖北省机电研究设计院与安陆粮食机械厂于1998年制定了ADI企业标准Q/AL-J600-083—1998《奥-贝球铁件》,其中共4个牌号,即AbQT800-8、AbQT900-6、AbQT1000-4、AbQT1200-2。1998年中国第一汽车集团有限公司针对ADI后钢板弹簧支架制定了ADI企业标准Q/CAYJS-25—1998《奥氏体-贝氏体球墨铸铁铸件技术标准》,其中共3个牌号,即A-BQT900-7、A-BQT1000-4、A-BQT1200-1。这些企业标准的性能指标相当于同期欧洲标准EN1564-1997的技术指标。
2002年,在大连召开的第三届全国ADI技术研讨会上决定,由全国ADI技术委员会向国家标准化管理委员会申请立项制定ADI国家标准,得到全国有关生产企业及专家的积极支持和参与。经过多年的努力,国家标准GB/T 24733—2009《等温淬火球墨铸铁件》于2009年11月30日正式发布,2010年9月1日开始实施。我国的ADI国家标准技术指标等效于国际标准,与欧美等国家标准的性能指标相当。ADI国家标准的制定和实施,有力地促进了我国ADI的产业化及推广应用,为企业生产ADI提供了统一规范。
我国是铸件生产大国,2000年以来我国的铸件总产量超过美国,稳居世界首位。2004年以后我国的球墨铸铁产量超过美国,也稳居世界首位,2018年我国球墨铸铁产量达1415万t,约占世界总产量的50%。随着球墨铸铁产量和质量的提高,ADI得到了不断发展,其品种及应用范围不断扩大。当前,ADI已应用于汽车、拖拉机、农业机械、化工、粮油、交通运输、矿山、建筑等行业。我国涌现出一批研制及批量生产应用ADI的企业,如中国第一汽车集团、东风汽车集团、河南欧迪艾铸造有限公司、苏州艾普零件制造有限公司、清河县恒基机械铸造有限公司、焦作固德联合机械制造有限公司、大连三明机械制造有限公司、中国一拖集团、无锡柴油机厂、戚墅堰机车车辆厂、湖北亚川汽车齿轮集团、迁西奥帝爱机械铸造有限公司、天润曲轴股份有限公司、江苏万力机械股份有限公司等。国内还有不少生产ADI产品的企业,均取得了良好的经济及社会效益。
(1)ADI齿轮
齿轮是国内外最先试制成功并应用的ADI零件之一。齿轮的主要失效原因是齿根疲劳断裂、齿面剥落及磨损,而ADI的接触疲劳强度高达1400~1600MPa,明显高于铸钢、锻钢及调质合金钢,经过喷丸或圆角滚压强化后还可增大表面压应力,从而提高齿根的弯曲疲劳强度,具有优良的断裂韧性和耐磨性,可以有效延长齿轮的使用寿命。与传统的渗碳钢齿轮相比,ADI齿轮的机械加工效率高、制造成本低。ADI微观组织中的球状石墨能吸收振动,降低设备运行时的振动及噪声,增强设备运行的平稳性。ADI的密度比钢低约10%,代替钢齿轮可减轻重量。从材料的内涵能耗(即材料从矿石冶炼、成材、热处理到加工成零件所消耗的能量,图1-11)来分析,ADI平均为30MJ/kg,而普通钢和低合金钢平均为51MJ/kg,可见ADI是一种节能材料。
图1-11 材料的内涵能耗与制造成本
东风汽车集团将所引进的美国康明斯6B柴油发动机的传动齿轮(凸轮轴正时齿轮、曲轴正时齿轮、燃油泵齿轮等)改为ADI材料,1998年开始批量装车,2005年产量达30余万套;随后玉林柴油机厂、无锡柴油机厂、大同齿轮厂等都试制并批量投产了ADI齿轮。中国一拖集团生产拖拉机ADI被动圆柱齿轮,取代原20CrMnTi渗碳钢齿轮。SEW-传动设备(天津)有限公司生产大型造纸机械的ADI齿轮、多种行星齿轮箱的ADI内齿圈、煤炭机械及榨糖机械的大型ADI内齿圈,铸件尺寸最大达2.9m,单件最重达1850kg,年产量超过1000t。
此外,装载机驱动桥边内行星齿轮、变速器传动齿轮、大型拖车升降齿轮、机车车辆牵引齿轮、机床及风力发电机齿轮等都试制应用了ADI齿轮。随着ADI国家标准的颁布与实施、优质铸造生铁和高纯生铁质量的不断提高、先进铸造工艺的采用、先进热处理设备的开发或引进,必将进一步促进ADI齿轮的应用与发展。
(2)ADI汽车底盘零件
汽车底盘零件是汽车上的重要结构件,其服役条件恶劣,需要在高温或低温下承受变化较大的动载荷,要求具有较高的强度(抗拉、屈服和疲劳强度)、良好的塑性和韧性,失效方式必须是韧性断裂,不允许发生脆性断裂,使用应安全可靠,如上下控制臂、钢板弹簧支架及相关的固定支架等都是保安件。传统的汽车底盘零件材料多选用高韧性球墨铸铁、碳钢或低合金钢,而综合性能优异的ADI材料强度高,耐磨性、耐疲劳性、减振性及断裂韧性好,密度比钢小,运动副噪声低,制造能耗低,成本低,是中、重型汽车底盘零件的理想材料。
中国第一汽车集团生产的CA141货车后拖钩上的ADI支承座衬套已装车数百万件,16t重型货车的ADI后钢板弹簧支架已装车近百万件,另外还生产60t自卸车ADI前桥、转向节及轮毂等。
东风汽车集团研发生产的高机动性能越野车底盘悬架类零件(共17个)在改用ADI材料时进行了结构优化设计,其中14个零件的总重量由630.62kg减少到380.66kg,共减轻249.96kg,减重率为39.6%。
河南欧迪艾铸造有限公司是专业ADI零件生产企业,为主机厂生产重型货车ADI钢板弹簧支架系列产品以及大巴车ADI控制臂等底盘产品,年生产能力达上万吨。
国内还有其他厂家生产汽车底盘ADI零件,不但性能大幅提高、使用寿命延长,而且零件重量大为减轻,为汽车节能、减排、降耗带来了可观的社会效益和直接经济效益。
(3)ADI铁道车辆零件
戚墅堰机车车辆厂研制成功ADI斜锲,取代原铸钢斜锲,每件重量由10kg减为7.5kg,性能大幅提高,使用寿命延长,年产约100万件,重约7500t。同时研制的ADI衬套和货车心盘垫等具有良好的性能,已批量生产并应用。
清河县恒基机械铸造有限公司研制生产的高铁机车制动系统ADI制动双支臂及制动杆,已应用于高铁机车的制动系统。
(4)ADI曲轴和凸轮轴
发动机的曲轴要求安全系数高,国外已广泛应用ADI曲轴取代原碳钢及珠光体球墨铸铁曲轴。我国很重视ADI曲轴的研发,江苏万力机械股份有限公司从20世纪80年代以来,成功研发并批量生产了S195、ZS1110、ZS1115等型号的农用车单缸柴油机ADI曲轴,年产数十万支;并与苏州艾普零件制造有限公司合作开发了ADI多缸曲轴。南京理工大学、大连柴油机厂、滨州海得曲轴有限责任公司、东风朝阳柴油机有限责任公司、淮海机器厂、中国第一汽车集团等对多缸发动机ADI曲轴进行了大量的研发工作,已完成性能试验、台架试验,性能指标达到或超过设计要求,远优于珠光体球墨铸铁曲轴。
无锡柴油机厂用等温淬火球墨铸铁凸轮轴取代原正火态球墨铸铁和锻钢凸轮轴,大幅度提高了凸轮轴的抗拉强度、硬度和耐磨性。
(5)其他ADI工程结构件
近年来,不少企业加大了ADI产品的研制开发力度,研发的ADI渣浆泵壳体、混凝土泵弯管、太阳能装置顶板等已批量生产应用,效果良好。
(6)ADI耐磨件
ADI由于具有良好的耐磨性能,被广泛应用于冶金、矿山、煤炭、电力、建材、建筑、石化、交通及农机等行业的耐磨件。ADI耐磨件比原淬火碳钢件、低铬或高铬铸铁件的磨耗少、寿命长、成本低,其产量较大,目前,我国50%以上的ADI铸件是耐磨件。
国家标准GB/T 24733—2009的附录A规定了按硬度分级的两种抗磨等温淬火球墨铸铁牌号:QTD HBW400及QTD HBW450。QTD HBW400的布氏硬度大于400,适用于杂质泵体、挖掘机斗齿、犁铧、斧、锹、铣刀、施肥刀片等。QTD HBW450的布氏硬度大于450,适用于磨球、衬板、颚板、锤头、锤片等。
(7)CADI的开发
河北工业大学与迁西奥帝爱机械铸造有限公司研发了含碳化物的ADI(Carbide Austempered Ductile Iron,CADI)磨球,其硬度达到55~57HRC,冲击功为7~10J,使用效果良好。承德求业钒钛抗磨科技材料有限公司利用含钒、钛的原材料,在ADI磨球中生成碳、氮化合物,制备高硬质点的CADI磨球,磨耗明显减少,成本降低。
挖掘机CADI斗齿比铸钢斗齿的耐磨性提高约48%。CADI在农机犁铧上也得到了成功应用,CADI犁铧的硬度为53~58HRC,冲击功为11~28J,使用寿命是低合金犁铧的3倍,生产成本下降约20%。
欧美发达国家的经验证明,成立专业的等温淬火热处理中心是促进ADI产业化发展的有效措施,由于热处理中心装备有先进的等温淬火生产线,对ADI的化学成分、组织、铸件结构、热处理工艺等都有较深入的了解和严格要求,因此能保证产品的质量稳定,且环保、生产率高、费用低,便于许多中小球墨铸铁生产厂通过协作生产高性能ADI铸件。目前,美国ADI铸件的等温淬火热处理70%以上是由专业ADI热处理中心完成的。
近年来,我国也出现了能够进行专业等温淬火热处理的厂家。2006年苏州艾普零件制造有限公司引进AFC的可控气氛密封箱式多用炉生产线,于2007年上半年调试成功并投产,是我国首个专业化ADI热处理中心。吉林艾普等温热处理有限公司是东北地区第一家专业等温淬火热处理中心,该公司于2011年投产,引进了AFC的UBQA(1.5t、4.5t)可控气氛密封箱式多用炉等温淬火生产线。
目前,我国拥有可控气氛ADI专用热处理生产线的厂家有苏州艾普零件制造有限公司、SEW-传动设备(天津)有限公司、河北迁西奥帝爱机械铸造有限公司、河南欧迪艾铸造有限公司、吉林省艾普机电设备有限公司、江苏汤臣汽车零部件有限公司、十堰澳贝科技有限公司和浙江大易金属有限公司等。全国范围内多个等温淬火热处理中心正在逐步形成,必将积极促进我国ADI产业化发展。
自第三届全国ADI技术研讨会以来,随着球墨铸铁毛坯质量、热处理工艺及机械加工技术水平的提高,ADI的应用范围不断扩大。我国ADI的发展已经从小规模试用和实验室研究开始走向工业化批量生产,ADI新材料开始引起设计人员和厂家的广泛重视。专业化的ADI生产厂家及ADI热处理中心促进了ADI在重要应用领域使用范围的逐步扩大,ADI已开始替代一些成本相对较高的钢制材料及高合金铸铁材料。
我国是世界铸造大国,但与国外先进技术相比还有一定的差距。我国ADI的科研起步早,但目前其产业化与发达国家相比也还有一定的差距,主要问题在于缺乏ADI产业发展平台。
ADI被公认是一种综合性能优良、具有广阔发展前景的新型高科技工程材料,要实现其产业化,涉及技术标准、零件设计、原辅材料、铸造、熔炼、热处理、机械加工、质量检验及商贸等诸多环节的连接协调问题,忽视任一环节,都将影响ADI的质量与产业发展。目前,我国有关部门和企业尚未建立有效的ADI产业发展平台,需要协调解决生产中的各类问题。
国内以往对ADI的研究,侧重于其化学成分、热处理工艺、力学性能及影响因素等,而缺乏对ADI批量生产先进工艺装备的设计开发,产品质量不稳定,生产成本较高,ADI专业生产厂(公司)与热处理中心较少,影响了ADI产业化发展。
1)在有资源优势的地区建立球墨铸铁生产专业厂,保证更多的优质球墨铸铁供应。由于ADI对球墨铸铁的质量要求更高,控制更严,需要采用先进的铸造工艺,并在原材料质量、化学成分、铁液质量、球化及孕育处理工艺、无损检测等方面采取更严格、有效的措施,才能满足ADI对优质球墨铸铁坯件的要求。积极扶植有资源优势的地区,建立一些ADI优质球墨铸铁毛坯专业生产厂,以提高球墨铸铁铸件的质量水平。只有提供大批量稳定优质的球墨铸铁毛坯件,等温淬火质量才有保障,生产成本也会进一步降低。
2)开展先进等温淬火设备的研发,加速建立ADI专业热处理中心。我国球墨铸铁生产企业众多,其中不少企业有潜在的ADI产品开发需求。根据国外ADI生产的成功经验,铸造厂与专业ADI热处理中心联合是保证ADI产品质量、控制制造成本最有效的途径。因此,发展ADI产业,需要加大先进等温淬火设备的研发力度,建立一定数量的ADI专业热处理中心,形成ADI产业链。目前,ADI产业链形成的基本条件已经具备,但真正形成成熟、完备的“设计→铸造→等温热处理→加工→用户”产业链还需要各方面的共同努力推动和市场的催化。
3)充分发挥全国性行业组织的作用,建立国家级的信息交流平台,调动产品设计研发人员的积极性。将ADI优异的力学性能及典型应用领域实例分析通过信息交流平台向行业及设计人员推广,并在《机械设计手册》、《金属材料手册》、《铸造手册》中逐步增添其内容,使工程设计人员和生产应用部门对ADI的性能特点、应用范围及生产条件等有全面、正确的认识。
4)加强与国外的先进ADI技术交流,扩展应用领域,对ADI的派生材料进行研究。各国对ADI研究的侧重点和试验方法不同,通过加大与国外的学术交流来促进国内的研究及产品研发。与欧美发达国家相比较,我国ADI在汽车、农业机械等领域的应用还远没有发挥潜能,因此,需要扩展ADI的应用领域,并通过对ADI派生材料(如CADI、AGI等)进行研究来发挥ADI的潜能。
5)重视ADI铸件的结构优化设计。ADI的比强度仅次于镁合金和钛合金,高于普通球墨铸铁和钢,其在力学性能上的优势需要通过结构优化设计进行利用,经过优化设计使得重量有效减轻。国外普遍认为ADI的成本低于钢,而长期以来国内和国外对于ADI的成本看法不一的原因之一就是国内在应用ADI时没有重视结构的优化设计,重量没有明显减轻,造成成本不能有效降低。合理设计应用ADI材料是汽车实现轻量化的一个有效技术途径。
6)研究开发大型厚断面ADI铸件。目前我国生产应用较成熟的ADI铸件的壁厚一般小于30mm,重量在500kg以下。ADI国家标准的力学性能虽列有壁厚在60~100mm之间的检测指标,但我国针对60~100mm及100mm以上厚大件的成分控制、热处理工艺的研究及生产应用很少。国外已开始重视开发大型厚断面ADI产品,如大型风力发电机中的行星齿轮和齿轮架,原用QT400-18球墨铸铁或42CrMo、34CrNiMo铸钢生产,英国ADI Treatments公司改用ADI材质(ADI 800-500-10,硬度为280~310HBW),加入合金元素Ni(质量分数大于2%)、Mo(质量分数大于0.3%),铸件重4t,直径为1260mm。针对大型厚断面ADI铸件,需要研究设计适当的化学成分以及铸造、熔炼、球化处理工艺,以确保厚断面球墨铸铁铸件球化良好,避免产生缩松及石墨漂浮等铸造缺陷,同时要研究开发适用于大型厚断面ADI铸件的热处理设备及热处理工艺参数,这样才能获得所期望的组织与力学性能。