我国ADI的发展思路探讨

陈国栋，龚文邦，向纲玉

（武汉纺织大学 机械工程与自动化学院，武汉 430073）

我国ADI的发展思路探讨

陈国栋，龚文邦，向纲玉

（武汉纺织大学 机械工程与自动化学院，武汉 430073）

综述了等温淬火球墨铸铁（Austempered Ductile Iron，简称ADI）的基本性能优点及国内外的现状；分析了我国ADI与工业发达国家的差距；提出了我国ADI在发展过程中存在的主要问题和建议；阐述了大力发展我国ADI产业的迫切性，并探讨了发展我国ADI产业的思路与对策。

等温淬火球墨铸铁；ADI；综述

1977年，芬兰的M.Johansson宣布开发了一种性能优异的等温淬火球墨铸铁（Austempered Ductile Iron，简称ADI），因其具有比普通球铁更优良的综合性能，引起了广泛重视。随后，ADI作为一种新型的工程材料，在我国和欧美等发达国家不断深入研究与发展，被誉为近几十年来铸冶方面最重大的成就之一。

1 ADI的优点及国内外的发展现状

1.1 ADI的性能优点

ADI之所以受到世界各国的广泛关注和重视，与其优良的特性密不可分，与普通的铸铁和锻钢相比，ADI具有如下独特优点[1-2]：

①良好的综合性能，同等伸长率情况下，ADI的抗拉强度是普通球铁的2倍，同等抗拉强度下，ADI的伸长率是普通的球铁的2倍以上。

②较低的成本：由于具有良好的铸造性和生产的灵活性，ADI虽然经过等温热处理，其价格仍比钢件低20%左右，如果以屈服强度的成本计算，ADI是最便宜的材料之一，具有很强的竞争力。

③质量轻：ADI组织中有近10%的石墨，故同体积的零件要比钢件轻10%。

④良好的耐磨性和耐疲劳性：如经过喷丸处理，ADI的疲劳强度相当于淬火钢或表面渗碳淬火钢。

⑤优良的减音性和吸震性：ADI中的石墨具有良好的吸音效果，故ADI零件工作时噪声小，组织中的石墨球能快速吸收震动，使机件运转平稳。

⑥相对简单的制造工艺：将球墨铸铁毛坯进行等温淬火处理就可获得ADI，比制造同样强度性能的钢件节材节能、环保并提高生产效率。

1.2 国外ADI的发展应用概况

国际上对ADI的研究始于上世纪60年代末，70年代芬兰、美国和中国几乎同时宣布ADI的研制成功。国外ADI的研发工作着重于有关ADI的化学成分、热处理工艺、组织转变、力学性能和使用性能等方面，使ADI的应用范围不断扩大。一些著名的铸造公司纷纷制定了各自的ADI件标准，紧接着各国也开始制定ADI标准，美国、日本、欧洲和ISO分别制定了国家标准和国际标准。在这种背景下，ADI在美国、欧洲和日本等发达国家和地区迅速发展，产量以每年超过15%的速度增长，其主要应用行业为汽车、铁路设备、农业设备、通用机械、建筑机械以及矿山机械（如表1）。

表1 2001年ADI在英美各工业领域的应用情况（%）

1.3 我国ADI的发展应用概况

我国是世界上最早研究ADI的几个国家之一。开始是用一般稀土镁球铁进行280℃左右下贝氏体温度转变区等温淬火,得到下贝氏体和奥氏体基体组织[3]。上世纪60年代初期，由于对ADI机理的认识不足、原材料及其生产过程控制不严等因素的影响，没有形成批量生产，研究及生产一直停滞不前。80年代，由于受到国际ADI发展的影响，ADI的研究又在我国兴起。目前，我国对ADI的成分、热处理工艺、组织转变、力学性能和使用性能等方面进行了大量试验研究工作。我国现阶段ADI应用主要集中在一般性抗磨件和机械承载构件上，高强度、高韧性的ADI因技术难度较高，其应用还较少。

2 我国ADI与工业发达国家的差距及存在的主要问题

尽管我国和美国、芬兰一样，对ADI的研究起步较早，近十多年来，在扩大应用和工业化生产方面也取得了很大进步，但与工业发达国家相比，仍存在很大差距。据统计[4]，2004年以来，美国ADI产量年均增长率为18.1%，现已占球铁总量的8%。目前我国球铁产量约450万t（不含球铁铸管），而ADI的产量仅6～8万t，只占球铁总量的1.8%，主要表现在产量低，质量不稳定。国外经验表明，汽车工业采用ADI比重占整个ADI应用的51%[5]。我国汽车工业高速发展为ADI的应用提供了广阔的潜在市场。目前，我国ADI生产中存在的主要问题是：

（1）批量生产的ADI毛坯质量不稳定。原材料中的P和S是有害元素，应该越少越好，在芬兰，P和S含量严格控制，生铁中P＜0.035%，S＜0.015%（而我国特级生铁 P＜0.05%，S＜0.035%）；钢材（废钢） 中 P＜0.015%，S＜0.015%（而我国优质碳素钢 P＜0.035%，S＜0.025%）[6],我国生铁和废钢中较高的P、S含量导致ADI中P、S偏高，从而影响了ADI的性能。由于没有修改原生铁与钢材的化学成分标准,我国目前虽已可生产少量低P、S的球铁生铁,但化学成分依然波动较大，增加了生产高牌号ADI产品难度，应坚持选用低P、S生铁及研究高效的脱硫技术[7]。铸造工艺落后，我国的铸造企业中很少采用CAD设计和数值模拟，不能有效地预测铸造缺陷的产生，导致实际生产中铸件产生疏松等缺陷。铸造检控手段欠缺，过程检控不严，应严格控制原料成分及精确计算配料，严格控制熔炼过程的温度以及原铁液成分的炉前快速检测，严格控制调整原铁液的C、Si量，并对铁液净化处理，准确控制残留Mg和RE含量。

（2）热处理质量不稳定。热处理没有完善的理论设计，不能按照产品的牌号、重量、壁厚等特点制定出科学的热处理工艺，实际热处理过程中往往凭经验操作。奥氏体化加热的防氧化性及温度均匀性控制不好，等温盐浴的搅拌与水冷降温不够，工件淬入后的温升较高，温升与回降时间较长，专业化热处理与自动控制不够，应努力促进批量生产的专业化及自动控制线，实现科学控制，排除人为因素。

（3）高性能产品的品种少、产量低。由于ADI机理方面的研究不够成熟、生产工艺技术条件和相应的热处理设备落后等原因，我国的ADI产品中多为一般性抗磨件，高性能产品开发少，产量较低。

（4）国家ADI标准制定较晚。2009年才颁布实施GB24733—2009 ADI标准。此前的ADI生产是借鉴国外有关标准和凭操作经验,制约了ADI的开发和生产。

（5）社会上对ADI的宣传力度不够，有关部门、企业对ADI的科研、开发、生产的支持不够，一定程度上影响了ADI的推广与应用。

3 大力发展我国ADI产业的迫切性

随着世界ADI产量的迅速增长，我国在尚未制定ADI国家标准之前，已有几十家企业生产ADI产品，年产量达6～8万t，有较成熟的生产ADI球铁毛坯及热处理技术；优质的低磷、硫生铁生产已在河南、河北等地投产并不断扩大产量；先后召开了4届全国ADI技术研讨会及2008年首届ADI产业论坛及研讨会；2009年又制定颁布了ADI国家标准，表明发展我国ADI产业已具备基本条件。从发展我国机械制造业和国内外市场需求考虑，迫切需要大力发展我国的ADI产业。

（1）现代先进的机械制造业遵循高速、高效、精密、长寿、节材节能、减重降耗的可持续发展原则，要求基础零部件的强韧性、耐磨性好，且节材节能、减重降噪。ADI具有优良的强韧性和耐磨性，其组织有球状石墨，可吸震降噪，降低摩擦系数，比锻钢及表面处理（渗碳、氮化等）简化生产工艺及节省能耗，应是制造零件的理想材质。在汽车、铁路、农机、建筑、矿山及通用机械等行业采用ADI材质，将有力促进有关技术质量的提高，创造巨大的社会经济效益。

（2）汽车制造反映一个国家的工业化和制造水平。现代汽车发动机正不断发展增压技术，要求提高曲轴的爆发压力和弯曲应力，原球铁和普通锻钢曲轴已不能胜任，而采用40Cr、42CrMo钢曲轴的成本太高，ADI曲轴配合圆角滚压工艺即能满足要求，且生产工序简化、节材节能、降低噪音、成本低廉。载重汽车的弹簧支架、控制臂等件在国内外都已有使用ADI的实例。江苏理工大学和一汽无锡柴油机厂研制用高性能ADI代替40Cr调质钢生产齿轮装机试验，不仅力学性能满足了使用要求，柴油机整体噪声下降了1.92dB，齿侧平均噪音下降了1.5dB[8]。东风汽车公司军用越野车底盘结构上的弹簧支架等6个零件，由45铸钢改用ADI，进行结构优化,不仅提高性能，且重量由原630.62kg减少至 380.66kg，共减轻 249.96kg，减轻率 39.6%[9]。

（3）高耐磨性是ADI的主要特点之一，我国冶金矿山行业的采掘、破碎、研磨和选取每年消耗金属耐磨材料300万t以上，据不完全统计，仅破碎设备、挖掘机斗齿和渣浆泵等磨损件损失，每年高于70亿元，目前我国已生产ADI磨球衬板、斗齿、锤头产量仅3万t，远不能满足市场需要，若扩大应用，不仅减少金属材料的损耗，节约能源，且提高整机生产效率，减少机器维修费用，将产生巨大的社会经济效益。

（4）国际市场对ADI的需求量很大。我国的铸件和球铁生产居世界之首，国际上向中国求购铸件量不断增加，特别希望提供中高档铸件产品，如载重汽车的底盘结构件等要求大批量提供ADI件，目前我国尚未大批量生产，如加强工装和检控手段的投入，设计专业化生产线，实施科学管理，应可大批量生产ADI件，满足国际市场需求。

4 我国ADI产业化的思路

经过30多年的发展，我国ADI的生产应用有了很大的进展。ADI作为一种具有许多独特优点的新型材料，其性能特点已逐渐被人们所认识并加以利用，其生产工艺技术条件和相应的热处理设备也在不断进步。但要使ADI产业快速发展并在工业生产中应用更加广泛，在我国经济建设中发挥更大作用，应重点解决以下几个问题：

（1）我国已颁布ADI国家标准，应加强宣传。产品设计部门要从提高性能、性价比，节材节能，减重降噪的可持续发展的观点考虑，尽量选用ADI材质；生产部门要重视选取原材料及工装，确保产品质量按国家标准稳定生产。

（2）我国球铁铸件的生产技术已较成熟，应根据ADI的特性要求尽快制定ADI铸件生产技术条件，稳定ADI毛坯质量。生产技术条件包括采用优质原辅材料（如低P、S生铁、废钢及球化剂、孕育剂等）；合理的熔炼工艺及球化孕育处理；炉前快速检控及调整成分；铸造工艺优化设计；铸件浇注及冷却条件；过程检测控制；产品检验规则等。

（3）优化热处理工艺，加强热处理过程的检测与控制，逐步实现专业化热处理。积极推动专业ADI热处理中心和ADI球铁铸件专业生产基地的建立。美国和芬兰的经验表明，建立专业ADI热处理中心不仅能保证产品质量，降低生产成本，还可以节省投资，在一定程度上促进了ADI的生产发展。北美90%以上的ADI都是在专业热处理厂进行等温处理[5]，如美国Applied Process公司、英国ADI处理有限公司、芬兰的Componenta Karkkila公司等，这些公司还与铸造企业和ADI用户合作参与ADI件的设计与开发。

（4）扩大高性能（高韧性、高强度、高耐磨性）ADI产品的应用品种和产量。通过试验研究和产品试制，确定高韧性、高强度、高耐磨性ADI的生产技术规范，不断扩大应用领域、产品品种和产量，逐步达到专业化大批量生产。

（5）加强ADI基础理论的研究。近30多年来，国内外对ADI的化学成分、热处理工艺、力学性能和使用性能等基础理论和技术进行了大量研究工作，但对ADI的微观组织转变机理的理论研究还较欠缺，需要通过系统的实验研究，探索ADI的组织转变机理，为科学地制定热处理工艺规范和控制产品质量提供指导，促进ADI大力发展。

（6）国家和政府相应职能部门应加大对ADI的重视和投入，促进ADI生产设备和行业技术的完善，扩宽ADI应用领域。在进行ADI应用推广时，应根据其性能特点、应用范围及生产条件，选择合适的ADI材质，既要考虑充分利用ADI某一特点，又要以最经济实用的工艺和设备来生产，这样才能不断降低成本，充分体现采用ADI的技术经济性,逐步扩大其应用范围。

5 结语

我国ADI国家标准已颁布，应加强ADI等温转变基础理论和ADI的成分、热处理工艺、力学性能和使用性能等方面的基础技术研究，制定ADI铸件生产技术条件，优化热处理工艺和热处理设备，为快速发展我国ADI提供良好的技术条件。希望政府有关部门和相关企业加大对ADI的重视和投入，抓住机遇，加强ADI在机械工业中的推广应用，以促进我国ADI产业的快速发展。

[1]张忠仇，李克锐，吴建基.我国等温淬火球铁的现状及前景[J].铸造，2004（2）:87-92.

[2]曾艺成，李克锐，张忠仇.我国等温淬火球铁（ADI）生产应用及发展前景[C].//第四届全国等温淬火球墨铸铁（ADI）技术研讨会文集.郑州：全国铸造学会铸铁及熔炼技术委员会，2006:1-6.

[3]黄建洪.奥-贝球铁研究与应用的进程[J].金属热处理,2010（11）:1-9.

[4]孙国雄，刘金城.ADI的研究与应用[J].现代铸铁，2004（1）:1-7.

[5]John R.Keough.ADI-Your Means to Enhanced Economic and Engineering Opportunities[C].//第七届全国铸铁及熔炼学术会议论文集.郑州：全国铸造学会铸铁及熔炼技术委员会，2004:15-21.

[6]龚文邦，常恒毅，戚文栋.芬兰的铸造业现状对中国奥贝球铁（ADI）产业化的思考[J].铸造技术，2003（6）:476-478.

[7]赴芬兰考察组.芬兰的铸造业及ADI研发情况[C].//湖北省奥贝球铁技术成果推广会文集.2002:53-56.

[8]司乃潮，付明喜，孙少纯，等.汽车发动机奥贝球铁齿轮的应用研究[J].汽车工程，2002（3）:231-235.

[9]刘建伟.ADI在汽车发动机传动齿轮和底盘结构件上的应用[C].//2008首届等温淬火球铁（ADI）产业论坛及研讨会论文集.郑州：全国铸造学会铸铁及熔炼技术委员会，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

中国纺织工业协会科技项目（2008085）,湖北省教育厅重点科研项目（D20101606）

2011－08－23

2011－121

陈国栋（1985-），男，在读硕士，研究方向：新型材料及成型过程控制技术