第1章 球墨铸铁和等温淬火球墨铸铁（ADI）的发展

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。