我國ADI的發展思路探討

陳國棟，龔文邦，向綱玉

（武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，武漢 430073）

我國ADI的發展思路探討

陳國棟，龔文邦，向綱玉

（武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，武漢 430073）

綜述了等溫淬火球墨鑄鐵（Austempered Ductile Iron，簡稱ADI）的基本性能優點及國內外的現狀；分析了我國ADI與工業發達國家的差距；提出了我國ADI在發展過程中存在的主要問題和建議；闡述了大力發展我國ADI產業的迫切性，并探討了發展我國ADI產業的思路與對策。

等溫淬火球墨鑄鐵；ADI；綜述

1977年，芬蘭的M.Johansson宣布開發了一種性能優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，在我國和歐美等發達國家不斷深入研究與發展，被譽為近幾十年來鑄冶方面最重大的成就之一。

1 ADI的優點及國內外的發展現狀

1.1 ADI的性能優點

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

①良好的綜合性能，同等伸長率情況下，ADI的抗拉強度是普通球鐵的2倍，同等抗拉強度下，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的靈活性，ADI雖然經過等溫熱處理，其價格仍比鋼件低20%左右，如果以屈服強度的成本計算，ADI是最便宜的材料之一，具有很強的競爭力。

③質量輕：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：如經過噴丸處理，ADI的疲勞強度相當于淬火鋼或表面滲碳淬火鋼。

⑤優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零件工作時噪聲小，組織中的石墨球能快速吸收震動，使機件運轉平穩。

⑥相對簡單的制造工藝：將球墨鑄鐵毛坯進行等溫淬火處理就可獲得ADI，比制造同樣強度性能的鋼件節材節能、環保并提高生產效率。

1.2 國外ADI的發展應用概況

國際上對ADI的研究始于上世紀60年代末，70年代芬蘭、美國和中國幾乎同時宣布ADI的研制成功。國外ADI的研發工作著重于有關ADI的化學成分、熱處理工藝、組織轉變、力學性能和使用性能等方面，使ADI的應用范圍不斷擴大。一些著名的鑄造公司紛紛制定了各自的ADI件標準，緊接著各國也開始制定ADI標準，美國、日本、歐洲和ISO分別制定了國家標準和國際標準。在這種背景下，ADI在美國、歐洲和日本等發達國家和地區迅速發展，產量以每年超過15%的速度增長，其主要應用行業為汽車、鐵路設備、農業設備、通用機械、建筑機械以及礦山機械（如表1）。

表1 2001年ADI在英美各工業領域的應用情況（%）

1.3 我國ADI的發展應用概況

我國是世界上最早研究ADI的幾個國家之一。開始是用一般稀土鎂球鐵進行280℃左右下貝氏體溫度轉變區等溫淬火,得到下貝氏體和奧氏體基體組織[3]。上世紀60年代初期，由于對ADI機理的認識不足、原材料及其生產過程控制不嚴等因素的影響，沒有形成批量生產，研究及生產一直停滯不前。80年代，由于受到國際ADI發展的影響，ADI的研究又在我國興起。目前，我國對ADI的成分、熱處理工藝、組織轉變、力學性能和使用性能等方面進行了大量試驗研究工作。我國現階段ADI應用主要集中在一般性抗磨件和機械承載構件上，高強度、高韌性的ADI因技術難度較高，其應用還較少。

2 我國ADI與工業發達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，在擴大應用和工業化生產方面也取得了很大進步，但與工業發達國家相比，仍存在很大差距。據統計[4]，2004年以來，美國ADI產量年均增長率為18.1%，現已占球鐵總量的8%。目前我國球鐵產量約450萬t（不含球鐵鑄管），而ADI的產量僅6～8萬t，只占球鐵總量的1.8%，主要表現在產量低，質量不穩定。國外經驗表明，汽車工業采用ADI比重占整個ADI應用的51%[5]。我國汽車工業高速發展為ADI的應用提供了廣闊的潛在市場。目前，我國ADI生產中存在的主要問題是：

（1）批量生產的ADI毛坯質量不穩定。原材料中的P和S是有害元素，應該越少越好，在芬蘭，P和S含量嚴格控制，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%（而我國優質碳素鋼 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成分標準,我國目前雖已可生產少量低P、S的球鐵生鐵,但化學成分依然波動較大，增加了生產高牌號ADI產品難度，應堅持選用低P、S生鐵及研究高效的脫硫技術[7]。鑄造工藝落后，我國的鑄造企業中很少采用CAD設計和數值模擬，不能有效地預測鑄造缺陷的產生，導致實際生產中鑄件產生疏松等缺陷。鑄造檢控手段欠缺，過程檢控不嚴，應嚴格控制原料成分及精確計算配料，嚴格控制熔煉過程的溫度以及原鐵液成分的爐前快速檢測，嚴格控制調整原鐵液的C、Si量，并對鐵液凈化處理，準確控制殘留Mg和RE含量。

（2）熱處理質量不穩定。熱處理沒有完善的理論設計，不能按照產品的牌號、重量、壁厚等特點制定出科學的熱處理工藝，實際熱處理過程中往往憑經驗操作。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，溫升與回降時間較長，專業化熱處理與自動控制不夠，應努力促進批量生產的專業化及自動控制線，實現科學控制，排除人為因素。

（3）高性能產品的品種少、產量低。由于ADI機理方面的研究不夠成熟、生產工藝技術條件和相應的熱處理設備落后等原因，我國的ADI產品中多為一般性抗磨件，高性能產品開發少，產量較低。

（4）國家ADI標準制定較晚。2009年才頒布實施GB24733—2009 ADI標準。此前的ADI生產是借鑒國外有關標準和憑操作經驗,制約了ADI的開發和生產。

（5）社會上對ADI的宣傳力度不夠，有關部門、企業對ADI的科研、開發、生產的支持不夠，一定程度上影響了ADI的推廣與應用。

3 大力發展我國ADI產業的迫切性

隨著世界ADI產量的迅速增長，我國在尚未制定ADI國家標準之前，已有幾十家企業生產ADI產品，年產量達6～8萬t，有較成熟的生產ADI球鐵毛坯及熱處理技術；優質的低磷、硫生鐵生產已在河南、河北等地投產并不斷擴大產量；先后召開了4屆全國ADI技術研討會及2008年首屆ADI產業論壇及研討會；2009年又制定頒布了ADI國家標準，表明發展我國ADI產業已具備基本條件。從發展我國機械制造業和國內外市場需求考慮，迫切需要大力發展我國的ADI產業。

（1）現代先進的機械制造業遵循高速、高效、精密、長壽、節材節能、減重降耗的可持續發展原則，要求基礎零部件的強韌性、耐磨性好，且節材節能、減重降噪。ADI具有優良的強韌性和耐磨性，其組織有球狀石墨，可吸震降噪，降低摩擦系數，比鍛鋼及表面處理（滲碳、氮化等）簡化生產工藝及節省能耗，應是制造零件的理想材質。在汽車、鐵路、農機、建筑、礦山及通用機械等行業采用ADI材質，將有力促進有關技術質量的提高，創造巨大的社會經濟效益。

（2）汽車制造反映一個國家的工業化和制造水平。現代汽車發動機正不斷發展增壓技術，要求提高曲軸的爆發壓力和彎曲應力，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，且生產工序簡化、節材節能、降低噪音、成本低廉。載重汽車的彈簧支架、控制臂等件在國內外都已有使用ADI的實例。江蘇理工大學和一汽無錫柴油機廠研制用高性能ADI代替40Cr調質鋼生產齒輪裝機試驗，不僅力學性能滿足了使用要求，柴油機整體噪聲下降了1.92dB，齒側平均噪音下降了1.5dB[8]。東風汽車公司軍用越野車底盤結構上的彈簧支架等6個零件，由45鑄鋼改用ADI，進行結構優化,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的主要特點之一，我國冶金礦山行業的采掘、破碎、研磨和選取每年消耗金屬耐磨材料300萬t以上，據不完全統計，僅破碎設備、挖掘機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ADI磨球襯板、斗齒、錘頭產量僅3萬t，遠不能滿足市場需要，若擴大應用，不僅減少金屬材料的損耗，節約能源，且提高整機生產效率，減少機器維修費用，將產生巨大的社會經濟效益。

（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品，如載重汽車的底盤結構件等要求大批量提供ADI件，目前我國尚未大批量生產，如加強工裝和檢控手段的投入，設計專業化生產線，實施科學管理，應可大批量生產ADI件，滿足國際市場需求。

4 我國ADI產業化的思路

經過30多年的發展，我國ADI的生產應用有了很大的進展。ADI作為一種具有許多獨特優點的新型材料，其性能特點已逐漸被人們所認識并加以利用，其生產工藝技術條件和相應的熱處理設備也在不斷進步。但要使ADI產業快速發展并在工業生產中應用更加廣泛，在我國經濟建設中發揮更大作用，應重點解決以下幾個問題：

（1）我國已頒布ADI國家標準，應加強宣傳。產品設計部門要從提高性能、性價比，節材節能，減重降噪的可持續發展的觀點考慮，盡量選用ADI材質；生產部門要重視選取原材料及工裝，確保產品質量按國家標準穩定生產。

（2）我國球鐵鑄件的生產技術已較成熟，應根據ADI的特性要求盡快制定ADI鑄件生產技術條件，穩定ADI毛坯質量。生產技術條件包括采用優質原輔材料（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；爐前快速檢控及調整成分；鑄造工藝優化設計；鑄件澆注及冷卻條件；過程檢測控制；產品檢驗規則等。

（3）優化熱處理工藝，加強熱處理過程的檢測與控制，逐步實現專業化熱處理。積極推動專業ADI熱處理中心和ADI球鐵鑄件專業生產基地的建立。美國和芬蘭的經驗表明，建立專業ADI熱處理中心不僅能保證產品質量，降低生產成本，還可以節省投資，在一定程度上促進了ADI的生產發展。北美90%以上的ADI都是在專業熱處理廠進行等溫處理[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和ADI用戶合作參與ADI件的設計與開發。

（4）擴大高性能（高韌性、高強度、高耐磨性）ADI產品的應用品種和產量。通過試驗研究和產品試制，確定高韌性、高強度、高耐磨性ADI的生產技術規范，不斷擴大應用領域、產品品種和產量，逐步達到專業化大批量生產。

（5）加強ADI基礎理論的研究。近30多年來，國內外對ADI的化學成分、熱處理工藝、力學性能和使用性能等基礎理論和技術進行了大量研究工作，但對ADI的微觀組織轉變機理的理論研究還較欠缺，需要通過系統的實驗研究，探索ADI的組織轉變機理，為科學地制定熱處理工藝規范和控制產品質量提供指導，促進ADI大力發展。

（6）國家和政府相應職能部門應加大對ADI的重視和投入，促進ADI生產設備和行業技術的完善，擴寬ADI應用領域。在進行ADI應用推廣時，應根據其性能特點、應用范圍及生產條件，選擇合適的ADI材質，既要考慮充分利用ADI某一特點，又要以最經濟實用的工藝和設備來生產，這樣才能不斷降低成本，充分體現采用ADI的技術經濟性,逐步擴大其應用范圍。

5 結語

我國ADI國家標準已頒布，應加強ADI等溫轉變基礎理論和ADI的成分、熱處理工藝、力學性能和使用性能等方面的基礎技術研究，制定ADI鑄件生產技術條件，優化熱處理工藝和熱處理設備，為快速發展我國ADI提供良好的技術條件。希望政府有關部門和相關企業加大對ADI的重視和投入，抓住機遇，加強ADI在機械工業中的推廣應用，以促進我國ADI產業的快速發展。

[1]張忠仇，李克銳，吳建基.我國等溫淬火球鐵的現狀及前景[J].鑄造，2004（2）:87-92.

[2]曾藝成，李克銳，張忠仇.我國等溫淬火球鐵（ADI）生產應用及發展前景[C].//第四屆全國等溫淬火球墨鑄鐵（ADI）技術研討會文集.鄭州：全國鑄造學會鑄鐵及熔煉技術委員會，2006:1-6.

[3]黃建洪.奧-貝球鐵研究與應用的進程[J].金屬熱處理,2010（11）:1-9.

[4]孫國雄，劉金城.ADI的研究與應用[J].現代鑄鐵，2004（1）:1-7.

[5]John R.Keough.ADI-Your Means to Enhanced Economic and Engineering Opportunities[C].//第七屆全國鑄鐵及熔煉學術會議論文集.鄭州：全國鑄造學會鑄鐵及熔煉技術委員會，2004:15-21.

[6]龔文邦，常恒毅，戚文棟.芬蘭的鑄造業現狀對中國奧貝球鐵（ADI）產業化的思考[J].鑄造技術，2003（6）:476-478.

[7]赴芬蘭考察組.芬蘭的鑄造業及ADI研發情況[C].//湖北省奧貝球鐵技術成果推廣會文集.2002:53-56.

[8]司乃潮，付明喜，孫少純，等.汽車發動機奧貝球鐵齒輪的應用研究[J].汽車工程，2002（3）:231-235.

[9]劉建偉.ADI在汽車發動機傳動齒輪和底盤結構件上的應用[C].//2008首屆等溫淬火球鐵（ADI）產業論壇及研討會論文集.鄭州：全國鑄造學會鑄鐵及熔煉技術委員會，2008:39-42.

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

中國紡織工業協會科技項目（2008085）,湖北省教育廳重點科研項目（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