等温淬火球铁（ADI）及其应用

1、 互相合作互相合作 共同发展共同发展 共同进步共同进步 等温淬火球墨铸铁（Austempering Ductile Iron)是将球墨铸铁加热至奥氏体温度（850950）保温（12h）至奥氏体为碳所饱和，然后急冷至使铸件不生成珠光体并高于马氏体开始形成温度（Ms）, 在此温度（250380）保持足够长的时间（1.5-3.5h）生成针状铁素体和高碳奥氏体（称为奥氏铁素体）的热处理态铸铁。等温淬火球墨铸铁简称等淬球铁（ADI），国内也有称为奥氏体球铁，贝氏体球铁，奥贝球铁。 等温淬火球铁（等温淬火球铁（ADI）及其应用）及其应用 等淬球铁是20世纪70年代末期芬兰，英国和中国分别研究成功的。由于等

2、淬球铁具有较高的强度（1000MPa）与韧性（10，无缺口冲击值100J），强度和韧性的综合覆盖面大，引起工程界的性趣并开展了深入的研究。当时由于球墨铸铁大规模生产质量稳定性和热处理设备的限制，起步阶段发展较慢。最近几年，由于球墨铸铁生产技术的进步，等淬球铁优异的性能的吸引和较高的利润刺激，应用在扩大，产量在增加，以年15的速度发展，目前世界年产量已超过100万吨 。1. 等温淬火球铁的制作等温淬火球铁的制作1.1 球铁原（球铁原（As cast）件的制作）件的制作1.1.1 化学成分化学成分 等淬球铁基本 化学成分与普通球墨铸铁（QT400-15,QT450-10, QT500-7）近似，S

3、i偏高， Mn要低，微量元素和加入的合金元素，要注意控制。各元素的质量分数为：C 3.4%-3.8% , Si 2.2%-2.65% , Mn0.35% , Cu 0.2%-0.7% , Ni 0.2%-1.2% , Mo 0.1%-0.3% ,Mg0.04% , Ce0.02% ,P0.02% , S0.03% , Sn0.01% , Sb0.01% , Ti0.03% , Al 0.04% 。 S 应被严格限制，以保证球化成功，防止过多的夹杂物产生和球化衰退。P促进脆性，为有害元素。Mo 、Ni 、 Mn 、Cu 是由强变弱的促进硬度的元素。Mn 应低于普通球墨铸铁，因为Mn 有显著的偏析

4、倾向，致使石墨分布不均匀。Cu 可以部分消除 Mn 的不利影响，在使用Cu 后，Mn含量可放宽至0.5。加入合金元素Cu 、Mo 、Ni 、Nb可以提高淬透性及力学性能。干扰元素Ti 、Sn 、 Sb 、V 等破坏球形，要用稀土元素中和，但Ce过多反球化，应加以控制。1.1.2 球化和孕育球化和孕育 要控制原始组织，球化率80，球化12级；石墨大小68级，球数要多150200个mm ,形状圆整，分布均匀；共晶体要均匀、细密。基体以铁素体占多数，尽量减少珠光体。孕育要充分，采用倒包孕育、随流孕育等晚期孕育，以产生足够的石墨核心，保证球化效果，防止渗碳体产生，碳化物和非金属夹杂物总和0.5%。在球

5、化处理后15min内浇注完，防止球化衰退。每1个铸件都应附铸金相试块，用于检查球化级别。 1.1.3 铸造工艺铸造工艺 采用先进的成形方法和科学的浇冒口设计技术，防止铸件产生缩孔、缩松、气孔、夹渣等隐藏性缺陷。孔洞和显微缩松体积1。只有提供完善的原始铸件，才能保证等淬球铁高性能的稳定性和可靠性。 铸铁水平连铸和金属型铸造是制造等淬球铁原件先进的成形方法，这种方法铸件冷却快，石墨球数又多、又圆整，不易产生铸造缺陷。 1.2 等温淬火热处理工艺等温淬火热处理工艺 等淬球铁热处理分为 3个阶段 ： （1）在850950保温使基体全部转变为碳饱和奥氏体； （2）快速冷却到250380等温淬火温度范围，

6、使其不能转变为珠光体而开始向奥氏铁素体转变；（3）在等温淬火 温 度 范 围 保 温，使基体组织转变为针状铁素体和含碳1.8%-2.2%的稳定奥氏体。 要根据机械性能要求、铸件的形状和断面尺寸、化学成分来设计等温淬火工艺参数和参数组合。1.2.1 奥氏体化加热温度奥氏体化加热温度 选择原则是：为工件的原始基体组织能够完全转变为奥氏体提供充分动力。一般等温淬火时的奥氏体化温度为850950，若奥氏体化温度低，则奥氏体中碳量均匀化需要的时间长；若奥氏体化温度过高，则奥氏体晶粒粗大，机械性能降低。可根据对最终金相组织和机械性能的要求分别选取，如图1、图2 。1.2.2 奥氏体化加热时间奥氏体化加热时

7、间 主要取决于基体组织的奥氏体化温度，珠光体量和Si含量。奥氏体化温度越高，珠光体量越多，Si含量越少则转变速度越快。以铁素体为基体的奥氏体化速度主要受奥氏体内C的扩散支配。综合考虑工件的壁厚、奥氏体内C的饱和度和均匀化、合金元素的含量，在12h之间选取。 1.2.3 等温淬火时间和奥氏体含碳量等温淬火时间和奥氏体含碳量 在生产等淬球铁过程中，等淬时的长短起着主要作用。在铁素体生核期，奥氏体接受铁素体生核与生长排出的碳份，使得奥氏体中碳份由淬火时的0.8%-1.1%，增加至1.2%-1.6%。这一碳份还不够使奥氏体在室温稳定，还要在等温液中继续保温；在铁素体生长期，生长的铁素体将更多的碳推入剩

8、余奥氏体，使奥氏体碳浓度增至1.8%-2.2%。这一碳浓度无论从热力学和动力学都是稳定的。 低强度等淬球铁（8501000MPa)中稳定奥氏体含碳量不低于1.8%。高强度等淬球铁（12501600MPa)中稳定奥氏体含碳量高于1.8%。等温保持时间短，不但奥氏铁素体少，大量未转变的奥氏体因其碳含量少，致使在空冷时有一部分转变为马氏体。等温保持时间过长，高碳奥氏体将分解为贝氏体型铁素体和碳化物。一般 等温淬火时间在45120min之间选择。 1.2.4 等温淬火温度等温淬火温度 经奥氏体化加热和保温后，将工件迅速（10s）放入一定温度 的硝酸盐液中进行等温转变，一般认为 等淬温度为 250380

9、。等温淬火温度对机械性能的影响，如图3图6。 工程上，可以通过调整 奥氏体化加热温度，等温淬火时间，等温淬火 温 度，达到所要求的性能组合。 1.2.5 等温淬火设备与方法等温淬火设备与方法 用箱式电炉，把加热到完全奥氏体的铸件移到硝酸亚硝酸盐淬火池里冷却保温，盐池有较高的急冷度，而且可以加入一定数量的水并搅拌，提高急冷度和均冷度。这种方法可以用于任何等淬球铁产品。这种设备一次投资大，但操作方便，生产率高。它的问题是铸件从空气移入盐中时的高温环境，表面容易被脱碳、氧化。因此用封闭式炉子、从装炉移炉取件清洗的机械化成为设计的要求。1.3 等淬球铁的组织特征等淬球铁的组织特征 等淬球铁的显微组织是

10、在高碳的奥氏体基体中的针状铁素体以及石墨组成。这种从高碳奥氏体中析出针状铁素体形成的基体组织被成为奥氏铁素体（Ausferrite）。它不同于钢中的贝氏体，针状铁素体轮廓晶界处无碳化物析出，而钢中的贝氏体是以铁素体及晶界上沉淀的碳化物为其特征的。不同的 等温淬火热处理工艺，显微组织也会有所不同，根据使用要求而定。 a)上贝氏体二次上贝氏体二次复型照片复型照片b)下贝氏体二次下贝氏体二次复型照片复型照片360等温贝氏体转变量随时间的变化（等温贝氏体转变量随时间的变化（1000X） a) =1000s b) =2h c) =4ha)b)c)2 . 等淬球铁的性能等淬球铁的性能 美国1990年制定的

11、等温淬火球墨铸铁标准（ASTM897-90），如表1。 表1 美国等温淬火球墨铸铁标准 日本等温淬火球墨铸铁（日本等温淬火球墨铸铁（JIS）标准）标准 ，如表，如表2。 表表2. 日本等温淬火球墨铸铁（日本等温淬火球墨铸铁（JIS）标准）标准 我国湖北省机电研究设计院和安陆粮食机械厂企我国湖北省机电研究设计院和安陆粮食机械厂企业标准（业标准（QAL-J600-083-1998），）， 如表如表3 。 表表3. 湖北省机电研究设计院和安陆粮食机械厂企业标准（湖北省机电研究设计院和安陆粮食机械厂企业标准（1998） 等温淬火球墨铸铁的强度比同等韌性的等温淬火球墨铸铁的强度比同等韌性的普通球墨铸铁高

12、普通球墨铸铁高1倍，与低合金钢的强度相倍，与低合金钢的强度相当，但其弹性模量低当，但其弹性模量低20，采用等淬球铁件，采用等淬球铁件代替锻钢件，可使零部件重量减少代替锻钢件，可使零部件重量减少10%。 为了节能，希望选用重量（为了节能，希望选用重量（W）与）与 屈服屈服强度（强度（YS）的比值（）的比值（WYS）较低的材料，）较低的材料，即轻而坚固的材料或者说比强度高的材料。即轻而坚固的材料或者说比强度高的材料。等淬球铁的等淬球铁的WYS值是锻钢件的值是锻钢件的50，同热，同热处理的合金钢相当，低于铸铝、锻铝、铸钢、处理的合金钢相当，低于铸铝、锻铝、铸钢、普通球墨铸铁。在这几种材料中等淬球铁是

13、普通球墨铸铁。在这几种材料中等淬球铁是最轻而坚固的材料。最轻而坚固的材料。 ASTM897-90标准中标准中3个牌号等淬球铁个牌号等淬球铁 10 次循环回转弯曲疲劳强度值，如表次循环回转弯曲疲劳强度值，如表4。其疲劳强度与抗拉强度其疲劳强度与抗拉强度 的比值（疲强比）的比值（疲强比）远高于普通球墨铸铁。远高于普通球墨铸铁。 表表4 . ASTM897-90中中3种牌号等淬球铁的疲劳强度（种牌号等淬球铁的疲劳强度（10 次循环）次循环） 由于等淬球铁中的残余奥氏体可以通过应由于等淬球铁中的残余奥氏体可以通过应力诱变为马氏体，在摩擦磨损条件下表面硬力诱变为马氏体，在摩擦磨损条件下表面硬化，因此具有

14、良好的耐磨抗磨性能。磨损试化，因此具有良好的耐磨抗磨性能。磨损试验表明：等淬球铁的摩擦磨损量比淬火回验表明：等淬球铁的摩擦磨损量比淬火回火钢低火钢低 2230，比等温淬火钢低，比等温淬火钢低 1820，比淬火中温回火球墨铸铁低，比淬火中温回火球墨铸铁低 30，比淬火低温回火球墨铸铁低比淬火低温回火球墨铸铁低 7。 3. 等淬球铁的适用范围及应用等淬球铁的适用范围及应用 由于可通过改变热处理由于可通过改变热处理 工艺工艺 参数在很大幅参数在很大幅度上调节度上调节 等淬球铁的强度和韌性，因此这种材等淬球铁的强度和韌性，因此这种材料的适用范围很宽。料的适用范围很宽。 在汽车、农机、通用机械、铁路车辆

15、、建筑在汽车、农机、通用机械、铁路车辆、建筑机械、冶金矿山、军事工业等有广泛应用。汽车机械、冶金矿山、军事工业等有广泛应用。汽车工业的典型应用如行星齿轮、正时齿轮、凸轮轴、工业的典型应用如行星齿轮、正时齿轮、凸轮轴、活塞环、悬挂零件、差动齿轮箱、轮毂、底座等。活塞环、悬挂零件、差动齿轮箱、轮毂、底座等。建筑机械和农机使用这种材料优良的耐磨抗磨性、建筑机械和农机使用这种材料优良的耐磨抗磨性、冲击韧性，例如用于制造挖掘机斗齿、推土机铲冲击韧性，例如用于制造挖掘机斗齿、推土机铲刀片、路面轧碎机、犁尖、曲轴、施肥机刀片、刀片、路面轧碎机、犁尖、曲轴、施肥机刀片、粉碎机的碎磨盘、风冲的导杆套等。粉碎机的

16、碎磨盘、风冲的导杆套等。 冶金矿山的球磨机磨球、衬板、破碎机锤冶金矿山的球磨机磨球、衬板、破碎机锤头、磨盘等。铁道部门使用这种材料的抗磨性、头、磨盘等。铁道部门使用这种材料的抗磨性、高强度及疲劳性能，可以减轻零部件重量，用高强度及疲劳性能，可以减轻零部件重量，用于制造减震器、制动闸瓦、顶盖、钳爪、复轨于制造减震器、制动闸瓦、顶盖、钳爪、复轨器、客车车轮、转向器轴套、发动机零部件等。器、客车车轮、转向器轴套、发动机零部件等。戚墅堰机车车辆厂和南京浦镇机车车辆厂采用戚墅堰机车车辆厂和南京浦镇机车车辆厂采用沈阳元众铸铁型材公司和西安理工大学铸铁型沈阳元众铸铁型材公司和西安理工大学铸铁型材厂提供的球墨

17、铸铁水平连铸型材制造等淬球材厂提供的球墨铸铁水平连铸型材制造等淬球铁轴套，已在提速列车上广泛应用，取得良好铁轴套，已在提速列车上广泛应用，取得良好效果。军事工业可用于制造弹头、装甲、火箭效果。军事工业可用于制造弹头、装甲、火箭体、导弹发射导轨、发动机转子和支臂等。体、导弹发射导轨、发动机转子和支臂等。 由于等淬球铁优异的综合力学性能，已不是由于等淬球铁优异的综合力学性能，已不是只限于以铁代钢，而更重要的是以铁代铝的前景。只限于以铁代钢，而更重要的是以铁代铝的前景。如等淬球铁比优质铸鋁或锻铝的强度要高如等淬球铁比优质铸鋁或锻铝的强度要高3倍，倍，但重量只增加但重量只增加 2.6倍。由于铝的比强度

18、（倍。由于铝的比强度（WYS）比等淬球铁要高比等淬球铁要高2倍，因此，设计得好的等淬球倍，因此，设计得好的等淬球铁结构件可代替铝的结构件，达到轻量化的要求。铁结构件可代替铝的结构件，达到轻量化的要求。例如等淬球铁汽车轮毂比铝轮毂轻例如等淬球铁汽车轮毂比铝轮毂轻 15，成本，成本也低得多。也低得多。 等淬球铁实用化还要研究解决以下问题：等淬球铁实用化还要研究解决以下问题： （1）优化材质化学成分，确定等淬工艺与机械性能的）优化材质化学成分，确定等淬工艺与机械性能的定量关系；定量关系； （2）解决等淬球铁中合金元素偏析问题；）解决等淬球铁中合金元素偏析问题； （3）改善切削性能和适应等淬球铁的切削

19、加工工艺；）改善切削性能和适应等淬球铁的切削加工工艺； （4）提高疲劳强度和断裂韧性的研究；）提高疲劳强度和断裂韧性的研究； （5）无铸造缺陷铸件的制造技术；）无铸造缺陷铸件的制造技术； （6）适合等淬球铁批量生产的热处理装备和在线检测）适合等淬球铁批量生产的热处理装备和在线检测技术的开发；技术的开发； （7）厚壁等淬球铁和铸态等淬球铁的生产技术。）厚壁等淬球铁和铸态等淬球铁的生产技术。 4. 经济效益经济效益 根据陕西、山西、河南、吉林等省的统计，根据陕西、山西、河南、吉林等省的统计，锻钢、球墨铸铁、等淬球铁锻钢、球墨铸铁、等淬球铁 的制造成本及的制造成本及利润比较，如表利润比较，如表5。

20、表表5 . 锻钢、球墨铸铁、等淬球铁锻钢、球墨铸铁、等淬球铁 的制造成本及利润比较的制造成本及利润比较 表表6提供了各种材料单位屈服强度的相对成提供了各种材料单位屈服强度的相对成本（本（3），可见单位屈服强度的结构材料，等淬），可见单位屈服强度的结构材料，等淬球铁的成本最低。球铁的成本最低。 表表6. 各种材料单位屈服强度的相对成本（各种材料单位屈服强度的相对成本（ 锻钢锻钢 相对成本为相对成本为100） 5.5.钢与球铁等温淬火的差别钢与球铁等温淬火的差别 1 1）. .钢的贝氏体是由针状铁素体和碳化物钢的贝氏体是由针状铁素体和碳化物组成，从奥氏体析出针状铁素体伴随着碳化物组成，从奥氏体析出

21、针状铁素体伴随着碳化物的析出；而球铁中在奥氏体化过程中，由于高的析出；而球铁中在奥氏体化过程中，由于高碳（有石墨碳源）、高硅抑止碳化物析出，只碳（有石墨碳源）、高硅抑止碳化物析出，只析出针状铁素体；析出针状铁素体； 2 2）. .钢的等温淬火时，最终组织中不允许钢的等温淬火时，最终组织中不允许有残余奥氏体出现（因为奥氏体含碳量低，不有残余奥氏体出现（因为奥氏体含碳量低，不稳定），要有稳定），要有100100的贝氏体组织；而铸铁中要的贝氏体组织；而铸铁中要求有一部分（高碳，稳定的）残余奥氏体；求有一部分（高碳，稳定的）残余奥氏体； 3 3）、钢中的残余奥氏体（低碳，不稳定），）、钢中的残余奥氏体

22、（低碳，不稳定），当工件温度低于当工件温度低于MsMs时，会转变为马氏体，又硬，时，会转变为马氏体，又硬，又脆，易使工件断裂。如果球铁中也存在低碳又脆，易使工件断裂。如果球铁中也存在低碳不稳定的奥氏体，在受力时也会产生马氏体转不稳定的奥氏体，在受力时也会产生马氏体转变，也恶化工件的加工性能。变，也恶化工件的加工性能。 4 4）、钢等温淬火目的：获得完全（）、钢等温淬火目的：获得完全（100100）贝氏体贝氏体 球铁等温淬火目的：获得一定量的针状铁球铁等温淬火目的：获得一定量的针状铁素体，获得一定量的残余奥氏体，以调整强度素体，获得一定量的残余奥氏体，以调整强度与伸长率。与伸长率。6.6.我国的

23、应用我国的应用 柴油机曲柄、齿轮、活塞、磨球、汽车悬柴油机曲柄、齿轮、活塞、磨球、汽车悬挂件、连接件、支撑件，主要是曲柄，齿轮轴、挂件、连接件、支撑件，主要是曲柄，齿轮轴、齿轮。齿轮。7.19857.1985年全世界用量年全世界用量5000t5000t， 20002000年全年全世界用量世界用量3030万万t t 1515年增长年增长6060倍，但是，只占世界总产量的倍，但是，只占世界总产量的1 1，占球铁总产量，占球铁总产量1010-12-12。 说明：说明：A A 发展很快发展很快 B B 应用起步阶段应用起步阶段 密度：密度：7t/m7t/m3 3，比钢小，比钢小1010，代替钢，强度上

24、，代替钢，强度上升，重量下降升，重量下降1010； 强度是铝强度是铝3 3倍，密度倍，密度2.62.6倍，倍，代替铝，强度相等，重量下降代替铝，强度相等，重量下降1515。 和钢、铝相比，材料成本下降和钢、铝相比，材料成本下降30304040 以铁代钢加工齿轮节能以铁代钢加工齿轮节能30305050 利润率是一般铸铁、铸钢的利润率是一般铸铁、铸钢的3 34 4倍，毛利达倍，毛利达30305050举例举例 复轨器复轨器 钢钢105kg105kg 铝铝43kg 5.543kg 5.5万万/t/t ADI 39 ADI 3941kg 3.741kg 3.7万万/t /t 成本成本 80008000

25、达到同样的材料性能减重剩材，节能，降耗，比达到同样的材料性能减重剩材，节能，降耗，比较高的效益（较高的效益（2020） 辉县汽车配件有限责任公司生产的辉县汽车配件有限责任公司生产的ADI复轨器复轨器 解放前，小型轨解放前，小型轨ZG45ZG45，95kg/m.95kg/m. 换重轨，换重轨，60-75 kg/m60-75 kg/m，木枕换成水泥枕，木枕换成水泥枕，105kg105kg铸钢。铸钢。 19901990年北航试验高强度铝合金，年北航试验高强度铝合金，55kg55kg，但，但仍有断裂。仍有断裂。 20012001年郑州铁路局提出用合金钢。用奥贝年郑州铁路局提出用合金钢。用奥贝球铁成功。

26、球铁成功。 屈屈 拉拉 压压 HBZG45 290 540 16合金钢合金钢 410 620 13ADI 500 800 8 260-320 化学成分化学成分 C3.7 Si2.0-2.5 Mn0.1-0.2 Cu0.5 Ni0.5 P0.05 炉内炉内S0.04 电炉，电炉，最后重量最后重量 47kgQ3416联合冲剪机联合冲剪机ADI 剪切刀片剪切刀片 200mm26mm16mm 原来用原来用T10钢，经锻造、热处理钢，经锻造、热处理 ，25副副/年年现用现用LZQT5007 方型材方型材 C 3.53%, Si 2.90%, Mn 0.28% ， Mg 0.046 RE 0.042%,

27、P 0.062%, S 0.018%, ADI热处理：热处理：8802h， 260 等温淬火等温淬火60min， 基体基体 奥氏体针状铁素体奥氏体针状铁素体 5556HRC表表8. ADI与与T10成本及使用情况对比成本及使用情况对比材料材料 制造成本制造成本 售价售价 毛利率毛利率 使用时间使用时间 元元/ /副副 元元/ /副副 h hT10 235 350 49 152T10 235 350 49 152ADI 112 295 163 341ADI 112 295 163 341使用寿命提高使用寿命提高224，综合成本降低，综合成本降低558.8.从美国从美国ADIADI铸件获奖看铸件获

28、奖看ADIADI的发展的发展 为了进一步开发金属铸件潜在的可创造性，为了进一步开发金属铸件潜在的可创造性，使设计工程师们更好地应用金属铸件，美国现代使设计工程师们更好地应用金属铸件，美国现代铸造（铸造（Modern CastingModern Casting）和工程铸件）和工程铸件(Engineered Casting Solutions)(Engineered Casting Solutions)编辑部在美国编辑部在美国铸造学会市场部的支持下自铸造学会市场部的支持下自 20012001年起每年举办年起每年举办一次铸件竞赛，一次铸件竞赛， 20042004年已经连续举办了年已经连续举办了4 4

29、届铸件届铸件竞赛竞赛 ADIADI是少有的既具高强度、高韧性，又具有是少有的既具高强度、高韧性，又具有高疲劳强度以及良好耐磨性的材料，具有更灵高疲劳强度以及良好耐磨性的材料，具有更灵活和优越的可设计性，因而在铸件竞赛中有突活和优越的可设计性，因而在铸件竞赛中有突出表现。出表现。 第一届（第一届（20012001年）获奖铸件年）获奖铸件1515件，件，ADI 1ADI 1件件第二届（第二届（20022002年）获奖铸件年）获奖铸件1616件，件，ADI 2ADI 2件件第三届（第三届（20032003年）获奖铸件年）获奖铸件1515件，件，ADI 5ADI 5件件图图1 赢得最高奖的建筑和园林用

30、赢得最高奖的建筑和园林用的装载机的装载机ADI 驱动轮铸件驱动轮铸件 铸件用户为铸件用户为The Toro Co., Bloomington, MinnesotaThe Toro Co., Bloomington, Minnesota，USAUSA。铸件生产厂家为铸件生产厂家为Smith Foundry Co., MinneapolisSmith Foundry Co., Minneapolis，USAUSA。 图图2 2 安装有驱动系统的装载机安装有驱动系统的装载机 1.这件履带驱动系统，原设计为这件履带驱动系统，原设计为84件钢另件件钢另件装配而成，新设计为整体一件，湿型铸造，装配而成，新

31、设计为整体一件，湿型铸造，重量减轻重量减轻15%，成本降低成本，成本降低成本55%。 2.用户每年节约成本用户每年节约成本19万美元。万美元。 3.新设计是新设计是ADI铸件，较之原组装件省去了铸件，较之原组装件省去了30 min的装配时间，耐磨性提高，更耐用，的装配时间，耐磨性提高，更耐用，外型也更美观。外型也更美观。图图3 福特野马福特野马眼睛蛇（眼睛蛇（Ford Mustang Cobra）跑车）跑车及底盘后悬架控制臂，重及底盘后悬架控制臂，重3.82 kg。 表表10.美国美国ADI 牌号牌号 (ASTM A897/897 第第 1级级)与与ADI 上控制臂平均性能上控制臂平均性能 性

32、能性能牌号牌号 (ASTM A897/897 第第 1级级)ADI 上控制臂平均性能上控制臂平均性能硬度硬度/HB269-321301抗拉强度抗拉强度/MPa850 min1,049屈服强度屈服强度 /MPa550 min798延伸率延伸率 /%10 min13.8冲击韧度冲击韧度 /(Jcm2)100 min1791.3 割草机用带可拆卸轮盘的齿轮轴，共割草机用带可拆卸轮盘的齿轮轴，共2件件 由由Farrar Corp.生产，生产， 湿型铸造。该部湿型铸造。该部件原来由几个铸件、锻件焊接装配而成。件原来由几个铸件、锻件焊接装配而成。铸铸造厂和客户合作组成设计组，重新将该组件造厂和客户合作组成

33、设计组，重新将该组件设计成铸件。铸件增加了齿轮箱，增强了现设计成铸件。铸件增加了齿轮箱，增强了现场的使用性，明显地降低了噪音，改进了割场的使用性，明显地降低了噪音，改进了割草机转向性和操纵性。重新设计成的铸件，草机转向性和操纵性。重新设计成的铸件，重量减轻重量减轻14.97kg，同时提高了另件力学性，同时提高了另件力学性能，外形更美观。此外，改成铸件消除了能，外形更美观。此外，改成铸件消除了474.98mm长的焊缝。改善了使用性能，铸长的焊缝。改善了使用性能，铸件从未遇到失效问题。件从未遇到失效问题。1.4.注塑机铸模螺旋驱动端盖，见图注塑机铸模螺旋驱动端盖，见图2图图2.注塑机铸模螺旋驱动端

34、盖注塑机铸模螺旋驱动端盖 用于安装齿轮心轴，由用于安装齿轮心轴，由Kurdziel Iron of Rothbury生产。生产。 该件原来为铸钢件焊接组装件。该件原来为铸钢件焊接组装件。重新设计成铸件，重新设计成铸件，湿型铸造。湿型铸造。提高了尺寸精度和耐用性。提高了尺寸精度和耐用性。从铸件概念到完成实际另件，总的项目时间缩短，因为从铸件概念到完成实际另件，总的项目时间缩短，因为与原来的焊接件相比，与原来的焊接件相比， 减少了原材料供应商。与原来减少了原材料供应商。与原来的组装件相比，外形更美观。的组装件相比，外形更美观。2.2002年年AFS铸件竞赛铸件竞赛ADIADI获奖铸件获奖铸件 2.

35、1戴姆勒戴姆勒-克莱斯勒克莱斯勒2500/3500 Dodge Ram的悬架系的悬架系统的下控制臂，见图统的下控制臂，见图33,4，Citation Texas Foundries 生生产。水平分型潮模铸造。产。水平分型潮模铸造。图图3戴姆勒戴姆勒-克莱斯勒克莱斯勒2500/3500 Dodge Ram车的悬架系统的下控制臂车的悬架系统的下控制臂 该件原来由该件原来由4件（件（3件模锻，件模锻，1件铸件）焊接，加件铸件）焊接，加工，组装而成，现在由工，组装而成，现在由ADI1件铸成，用有限元分析优件铸成，用有限元分析优化设计，并经过实验验证。化设计，并经过实验验证。 重新设计成铸件，重量减重新

36、设计成铸件，重量减轻轻2.27kg（每辆车（每辆车2件），并取消了原有的轴套。另件），并取消了原有的轴套。另外，戴姆勒外，戴姆勒-克莱斯勒计划通过该项目设计成铸件节省克莱斯勒计划通过该项目设计成铸件节省150万美元的机加工费用。万美元的机加工费用。ADI控制臂达到了模锻加焊控制臂达到了模锻加焊接件同样的疲劳寿命及性能。此外，接件同样的疲劳寿命及性能。此外，ADI件没有焊接件没有焊接常遇到的应力问题。该零件由铸造厂加工装配后送交常遇到的应力问题。该零件由铸造厂加工装配后送交客户。客户。 2.2 John Deere 8082型大型排式收割机悬架系统下型大型排式收割机悬架系统下控制臂，控制臂，由由

37、John Deere Foundry Waterloo, Waterloo, Iowa铸造厂生产，湿型生产。重铸造厂生产，湿型生产。重65.771 kg。尺寸。尺寸65.76mm769.6mm238.8mm。图图4 John Deere 8082型大型排式收割机悬架系统下控制臂型大型排式收割机悬架系统下控制臂 该零件起初考虑采用锻钢。很明显如该零件起初考虑采用锻钢。很明显如果采用铸件可以更省更快的制造出来。按果采用铸件可以更省更快的制造出来。按ADI设计重量减轻，保持足够的机械性能设计重量减轻，保持足够的机械性能经得住悬架缸体下支架经受的高负载。经得住悬架缸体下支架经受的高负载。 有限元分析预

38、测该零件能满足冲击性有限元分析预测该零件能满足冲击性负载的要求，实验室和野外实验证实了这负载的要求，实验室和野外实验证实了这一点。一点。 3.2001年年AFS铸件竞赛铸件竞赛ADIADI获奖铸件获奖铸件图图5卡车中心弹簧支架卡车中心弹簧支架 卡车中心弹簧支架，卡车中心弹簧支架，消失模铸造，消失模铸造，Citation Foam Casting Co.生产。生产。 美国美国ASTM 的的ADI牌号牌号1级。有级。有20个孔的侧导板，个孔的侧导板，安装板，安装板，2个底板安装孔和个底板安装孔和2个铸成个铸成 摩擦负载摩擦负载减震垫。尺寸：减震垫。尺寸：659 mm x550 mm x330mm。

39、重量：重量：46.72Kg。重量减轻。重量减轻20%。成本降低。成本降低30%。 上述的上述的ADI获奖铸件仅仅是获奖铸件仅仅是ADI在美国大量在美国大量应用的几个典型实例。欧洲发达国家的应用的几个典型实例。欧洲发达国家的ADI在在许多关键保安件上也已经有了大量而广泛的应许多关键保安件上也已经有了大量而广泛的应用。许多公司就有用。许多公司就有ADI取代组装件的极好的应取代组装件的极好的应用，不过客户不愿意披露。澳大利亚也生产了用，不过客户不愿意披露。澳大利亚也生产了很好的很好的ADI件，应用于大型、长途运输货车上。件，应用于大型、长途运输货车上。 ADI在发展的初期主要是取代单件的铸钢件、锻在

40、发展的初期主要是取代单件的铸钢件、锻钢件。例如：齿轮、曲轴、汽车拖钩、弹簧支架、磨钢件。例如：齿轮、曲轴、汽车拖钩、弹簧支架、磨球、犁铧、犁尖、挖掘机斗齿、破碎机衬板、履带板、球、犁铧、犁尖、挖掘机斗齿、破碎机衬板、履带板、刹车盘、刹车毂、制动块、制动楔等。近年来，刹车盘、刹车毂、制动块、制动楔等。近年来，ADI逐逐渐在取代组装件上有了显著进展。许多设备渐在取代组装件上有了显著进展。许多设备,工件在使工件在使用中既需要强度，韧性，又需要耐磨性。用中既需要强度，韧性，又需要耐磨性。 但多数工程材料往往或者强度、韧性好，耐磨但多数工程材料往往或者强度、韧性好，耐磨性不足，或者耐磨性高，强度、韧性又

41、差。为了满性不足，或者耐磨性高，强度、韧性又差。为了满足实际使用要求，常常是先生产出强度、韧性好的足实际使用要求，常常是先生产出强度、韧性好的铸件或锻件，再进行表面处理以提高表面耐磨性。铸件或锻件，再进行表面处理以提高表面耐磨性。或者选择具有不同性能的材料，生产出铸件或锻件，或者选择具有不同性能的材料，生产出铸件或锻件，然后焊接或机械加工、热处理等，最后再组合装配然后焊接或机械加工、热处理等，最后再组合装配而成。而成。 ADI是少有的既具高强度、高韧性、高耐磨性，又具有是少有的既具高强度、高韧性、高耐磨性，又具有优越的耐磨性的材料。因此往往能够取代由复杂的铸件、锻优越的耐磨性的材料。因此往往能

42、够取代由复杂的铸件、锻件，或焊接件，然后机械加工，热处理，最后再组合装配而件，或焊接件，然后机械加工，热处理，最后再组合装配而成的组装件。成的组装件。ADI的未来就在于人们如何更好地开发和应用的未来就在于人们如何更好地开发和应用其独特的优越性能。中国需要尽快开发其独特的优越性能。中国需要尽快开发ADI产品，进而提升产品，进而提升中国机械产品和设备的性能和竞争力。中国的中国机械产品和设备的性能和竞争力。中国的ADI数量和品数量和品种都很少，产业化应用仍在起步阶段。中国应注意到这个问种都很少，产业化应用仍在起步阶段。中国应注意到这个问题，加快题，加快ADI的应用以促进制造业的进一步发展。的应用以促

43、进制造业的进一步发展。 ADIADI强度高，韧性好，硬度高，具有优越的强度高，韧性好，硬度高，具有优越的耐疲劳性，由于特有的应变强化能力，因而具耐疲劳性，由于特有的应变强化能力，因而具有优越的耐磨性，好的减震性等特点。有优越的耐磨性，好的减震性等特点。ADIADI的这的这些特有的性能使其在各种不同类型要求耐磨性些特有的性能使其在各种不同类型要求耐磨性应用中获得了广泛应用。应用中获得了广泛应用。ADIADI已经成功地替代了已经成功地替代了多种炭钢和低合金钢铸件，锻钢件，表面淬火多种炭钢和低合金钢铸件，锻钢件，表面淬火和氮化处理的钢件，铜合金铸件，组装件等，和氮化处理的钢件，铜合金铸件，组装件等，

44、已经广泛应用于工业的各个部门，取得了明显已经广泛应用于工业的各个部门，取得了明显的经济效益。的经济效益。 9.9.等温淬火球铁等温淬火球铁(ADI)(ADI)的耐磨性的耐磨性 1.ADI1.ADI的摩擦磨损实验结果的摩擦磨损实验结果 ADI ADI具有优越的耐磨性，其耐磨性比同样硬具有优越的耐磨性，其耐磨性比同样硬度的钢好得多，见图度的钢好得多，见图1 1和图和图2 2。在磨料磨损的条件。在磨料磨损的条件下，下，ADIADI耐磨性要比同样硬度下的钢的耐磨性要耐磨性要比同样硬度下的钢的耐磨性要好。硬度为好。硬度为HRc30-40HRc30-40的的ADIADI耐磨性相当于硬度耐磨性相当于硬度HR

45、c60HRc60的淬火回火钢。的淬火回火钢。 图图1。ADI, 球铁和两种耐磨钢耐磨性的比较球铁和两种耐磨钢耐磨性的比较 2.ADI2.ADI在需要减小摩擦力的滑动摩擦工作条件的在需要减小摩擦力的滑动摩擦工作条件的应用应用 在需要传送动力或控制运动的机构中，工在需要传送动力或控制运动的机构中，工件既需要小的摩擦力以减少摩擦能耗，又需要件既需要小的摩擦力以减少摩擦能耗，又需要高耐磨性以获得长的使用寿命。高耐磨性以获得长的使用寿命。典型的动力传典型的动力传送机构如齿轮与齿轮，曲轴与轴承，链轮与链送机构如齿轮与齿轮，曲轴与轴承，链轮与链条，轴或活塞与衬套。典型的控制运动机构如，条，轴或活塞与衬套。典

46、型的控制运动机构如，凸轮轴与凸轮，轴与衬套等。替代表面渗碳钢，凸轮轴与凸轮，轴与衬套等。替代表面渗碳钢，表面淬火钢，青铜。表面淬火钢，青铜。 美国康明司公司美国康明司公司19831983年开始生产年开始生产B and C B and C 系系列柴油发动机列柴油发动机 ADI ADI 正时齿轮正时齿轮, , 重量 0.7-4.1 0.7-4.1 kg, kg, 直径直径101-222mm101-222mm。年产量超过。年产量超过30,000 30,000 套，套，与表面渗碳淬火锻钢与表面渗碳淬火锻钢1022钢齿轮相比，有下列有下列优点优点: : 加工车间生产率增加加工车间生产率增加40%40%；

47、重量减轻；重量减轻10%10%； 降低噪音；降低噪音； 提高齿轮抗擦伤能力；提高齿轮抗擦伤能力； 降低成本降低成本30%; 30%; 齿轮铣刀寿命增加齿轮铣刀寿命增加1010倍。表倍。表1 1是是ADIADI齿轮与齿轮与表面渗碳淬火锻钢表面渗碳淬火锻钢1022钢齿轮生产能耗对比。生产能耗对比。 每吨能耗（每吨能耗（kW .h / / t）材料材料 ADI 1022钢钢毛坯毛坯 生产生产 2500 4500退火退火 - 500等温淬火等温淬火 600 -表面淬火表面淬火 - 800-1200总能耗总能耗 3100 5800-6200表表1 1。ADIADI齿轮与表面渗碳淬火锻钢齿轮与表面渗碳淬火

48、锻钢1022钢齿轮生产能耗对比生产能耗对比 芬兰芬兰SANTASALOSANTASALO公司生产的第四代公司生产的第四代SANTASALOSANTASALO”C C“系列齿轮箱。其特点是有许多螺旋系列齿轮箱。其特点是有许多螺旋齿轮。一些大齿轮和复杂的中空轴齿轮是齿轮。一些大齿轮和复杂的中空轴齿轮是ADIADI一一体铸成。体铸成。 比利时比利时N.V. Ferromatrix公司原来的剪草机公司原来的剪草机齿轮由三件合金钢（轴齿轮由三件合金钢（轴42CrMo4，凸轮，凸轮58CrV4，齿轮齿轮16MnCr5）加工组装而成。采用）加工组装而成。采用ADI改为一改为一件铸成，不仅大大降低成本，齿轮寿

49、命也大大提件铸成，不仅大大降低成本，齿轮寿命也大大提高。高。 美国美国Farrar Corp.,Farrar Corp.,公司公司ADIADI与用户合作将与用户合作将原来的剪草机齿轮组件设计成铸件。铸件另加原来的剪草机齿轮组件设计成铸件。铸件另加增加了齿轮箱现场的使用性。明显地降低了噪增加了齿轮箱现场的使用性。明显地降低了噪音，改进了割草机转向性和操纵性。重量减轻音，改进了割草机转向性和操纵性。重量减轻3333磅，降低成本，提高了另加强度，外形改观。磅，降低成本，提高了另加强度，外形改观。此外，改成铸件消除了此外，改成铸件消除了1818英寸长的焊缝。改善英寸长的焊缝。改善了使用性能，客户从未遇

50、到失效问题。该铸件了使用性能，客户从未遇到失效问题。该铸件获得获得20032003年美国铸造学会最高奖。年美国铸造学会最高奖。 美国通用汽车公司用美国通用汽车公司用ADI替代表面滲碳锻替代表面滲碳锻钢传动准双曲面齿轮（汽车后桥螺旋伞齿轮），钢传动准双曲面齿轮（汽车后桥螺旋伞齿轮），每套减重每套减重0.6-0.9 kg，降噪音，节约能源，降噪音，节约能源50%，降低成本降低成本20% ，改善加工性，大大增加刀具寿，改善加工性，大大增加刀具寿命。命。 其它齿轮的应用还有卡车发动机齿轮，输其它齿轮的应用还有卡车发动机齿轮，输送机机齿轮，工程机械变速箱内传动齿轮，送机机齿轮，工程机械变速箱内传动齿轮，

51、驱动桥边行星减速齿轮，太阳轮，行星轮，驱动桥边行星减速齿轮，太阳轮，行星轮，稳定传动中的齿轮，真空泵中的传达齿轮，稳定传动中的齿轮，真空泵中的传达齿轮，行星传达齿轮，变速器齿轮，差动齿轮，差行星传达齿轮，变速器齿轮，差动齿轮，差动半轴齿轮，斜齿轮，锥齿轮，蜗轮动半轴齿轮，斜齿轮，锥齿轮，蜗轮, ,蜗杆，蜗杆，吊车齿轮，环型齿轮，轧钢机上的齿轮，拖吊车齿轮，环型齿轮，轧钢机上的齿轮，拖拉机末端传动齿轮，齿圈等等，这其中包括拉机末端传动齿轮，齿圈等等，这其中包括许多近年来我国许多近年来我国ADIADI齿轮的可喜进展。齿轮的可喜进展。 衬套衬套 在许多机器和机械中在许多机器和机械中, ,特别是车辆中

52、有许多特别是车辆中有许多衬套。衬套磨损了就需要更换，就需要更换的衬套。衬套磨损了就需要更换，就需要更换的费用。往复运动的润滑较之旋转运动要更困难。费用。往复运动的润滑较之旋转运动要更困难。一般来说，衬套价格相对并不贵，而更换衬套一般来说，衬套价格相对并不贵，而更换衬套的费用却高的多。芬兰的费用却高的多。芬兰KEMENITE KEMENITE 公司自公司自19761976年年就进行了就进行了ADIADI衬套的应用实验。实验结果非常显衬套的应用实验。实验结果非常显著。著。ADIADI连杆衬套的寿命是进口钢衬套（用德国连杆衬套的寿命是进口钢衬套（用德国标准标准DIN1498DIN1498钢制造）的两

53、倍。感应淬火钢轴在钢制造）的两倍。感应淬火钢轴在ADIADI衬套的磨损量是在钢衬套中磨损量的衬套的磨损量是在钢衬套中磨损量的1/31/3（实验时间为（实验时间为7 7个月，不加润滑）。个月，不加润滑）。 19771977年年ADIADI衬套与特殊耐磨青铜的实验衬套衬套与特殊耐磨青铜的实验衬套的对比实验在的对比实验在KUUSANNIEMI KUUSANNIEMI 工厂进行。工厂进行。ADIADI衬衬套和特殊耐磨青铜衬套安装于该厂的套和特殊耐磨青铜衬套安装于该厂的PettibonePettibone前装载机的液压缸连杆。实验结果前装载机的液压缸连杆。实验结果表明，特殊青铜衬套在工作表明，特殊青铜衬

54、套在工作800-1000h800-1000h间后自间后自由隙超过由隙超过4mm4mm，而，而ADIADI衬套在工作衬套在工作5000h5000h后间隙后间隙仅为仅为0.3mm0.3mm。就线磨损相比较，。就线磨损相比较，ADIADI衬套的寿命衬套的寿命是青铜衬套的是青铜衬套的6060倍。倍。 ADIADI衬套已经普遍应用于许多方面，例如用于衬套已经普遍应用于许多方面，例如用于载重卡车的悬架连杆的衬套。应当注意的是载重卡车的悬架连杆的衬套。应当注意的是ADIADI衬套在使用中由于应力产生的奥氏体转变为马氏衬套在使用中由于应力产生的奥氏体转变为马氏体的相变硬化会造成衬套内径略微减小。因此体的相变硬

55、化会造成衬套内径略微减小。因此ADIADI衬套内径应较之青铜衬套内径略微小些。衬套内径应较之青铜衬套内径略微小些。 我国戚墅堰机车车辆研究所研究了铁道车辆我国戚墅堰机车车辆研究所研究了铁道车辆上大量使用的上大量使用的ADIADI衬套。其寿命大大高于衬套。其寿命大大高于A3A3钢，钢，4545钢，钢，20Cr20Cr，20CrMnTi20CrMnTi钢。我国西安新华安型材钢。我国西安新华安型材铸造有限公司研究了水平连铸高速列车机车转向铸造有限公司研究了水平连铸高速列车机车转向架架ADIADI轴套，取得很好的效果，已经批量生产。轴套，取得很好的效果，已经批量生产。 链轮链轮 ADIADI链轮在各传

56、动机构中获得了广泛应用。例链轮在各传动机构中获得了广泛应用。例如如Advanced Cast Products Advanced Cast Products 公司生产的矿用车公司生产的矿用车链轮替代原来的钢组装件，磨损降低链轮替代原来的钢组装件，磨损降低50%50%。美国。美国Smith Smith 铸造厂（铸造厂（Smith Foundry Co., Smith Foundry Co., MinneapolisMinneapolis）为）为Toro Co.Toro Co.公司（公司（Toro Co., Toro Co., Bloomington, MinnesotaBloomington,

57、Minnesota）生产的）生产的ADI ADI 驱动轮铸驱动轮铸件，这件履带驱动系统，原设计为件，这件履带驱动系统，原设计为8484件钢另件装件钢另件装配而成配而成. . 新设计为整体一件，湿型铸造，重量减轻新设计为整体一件，湿型铸造，重量减轻15%15%，成本降低成本，成本降低成本55%55%。用户每年节约成本。用户每年节约成本1919万美元。新设计是万美元。新设计是ADIADI铸件，较之原组装件省去铸件，较之原组装件省去了了3030分钟的装配时间，耐磨性提高，更耐用，外分钟的装配时间，耐磨性提高，更耐用，外型也更美观。该铸件获得型也更美观。该铸件获得 2003 2003 年美国铸造学会年美国铸造学会最高奖最高奖4040。英国多年来取代表面硬化钢生产了。英国多年来取代表面硬化钢生产了主战坦克主战坦克ADIADI链轮，明显提高了材料利用率，显链轮，明显提高了材料利