我國鑄鐵生產技術現狀與發展趨勢

　　介紹了我國鑄鐵業發展現狀，我國鑄鐵業在企業數量和鑄件產量方面都處于主導地位，材質結構持續改善，質量穩步提升，技術含量和附加值逐步提升。分析了我國鑄鐵業特別是“十三五”以來取得的重要進展，鑄鐵材質強度、塑性和韌性持續提高，鑄鐵生產技術和檢測控制取得長足進步，鑄鐵件在高鐵、核電、機器人等戰略新 興產業領域的應用范圍逐漸擴大。最后，展望了鑄鐵生產技術發展趨勢，鑄鐵行業在未來有著光明的前景。

　　1 　我國鑄鐵產業現狀

　　我國現有鑄鐵企業1.4萬家左右，鑄鐵件產量占鑄件總產量的70%以上，無論企業數量還是鑄件產量都處于主導地位，2015-2020年我國鑄件及鑄鐵件產量如圖1所示。

　　圖1　2015-2020年我國鑄件及鑄鐵件產量

　　近年來，我國鑄鐵件的材質結構進一步改善，鑄鐵件質量穩步提升，產量高位運行，2011-2020年我國鑄鐵件材質結構變化情況如表1所示。球墨鑄鐵件在鑄件中所占比例由2011年的25.3%增至2020年的29.5%，球墨鑄鐵與灰鑄鐵的比值由2011年的0.53上升到2020年的0.70.

　　表1 2011-2020年我國鑄鐵件材質結構變化情況

　　2020年年底，我國部分經濟指標已經恢復到疫情前的水平，機械工業也得到快速恢復。受下游主機行業的帶動，2020年我國鑄件總產量達到5 195萬t，同比增長6.6%，其中，灰鑄鐵產量2175萬t，同比增長6.6%，占比41.9%;球墨鑄鐵產量1530萬t，同比增長9.7%，鑄鐵業發展質量穩步提升。

　　1.1 　鑄鐵企業規模逐年擴大，產業集中度逐年提高

　　鑄鐵企業規模逐年擴大，產業集中度逐年提高，鑄鐵件單廠產量接近3 000t/年，高于平均水平，出現了以產品或材料專業化生產且生產規模超過40萬t/年的鑄鐵專業生產廠。據不完全統計，年產10萬t以上的鑄鐵廠有40多家 (不包括鑄管廠)，年產5萬t以上的有100多家，排名前4500家規模企業鑄件產量占總產量70%以上。

　　1.2 　綠色造型制芯技術與裝備應用增加

　　3D打印、砂型切削等綠色造型制芯技術與裝備的應用逐漸增加(圖2)，顯著縮短了新產品開發周期，滿足了客戶個性化和定制化需求。中國機械總院、洛陽一拖、廣西玉柴、寧夏共享等精密造型中心為周邊提供服務，并不斷擴大范圍，如煙臺冰輪3D打印智能成形工廠從砂芯制作至鑄件成形實現了全自動運行。

　　圖2　綠色造型制芯裝備

　　1.3 　“專精特新”鑄鐵企業不斷涌現

　　隨著國際交流的廣泛深入，我國鑄鐵件生產技術基本與世界同步，部分骨干企業的規模、裝備和生產技術水平已達到國際水平，涌現了一批數字化引領和綠色化示范鑄造企業(圖3)，并在國際競爭中取得明顯優勢。

　　圖3　“專精特新”鑄鐵企業生產現場

　　1.4 　鑄鐵件技術含量和附加值逐步提升

　　隨著制造技術的不斷提升和突破，鑄鐵件在航空航天、核電、高鐵等重要領域的應用不斷增加，高端鑄鐵件附加值凸顯。近年來，上海鑄造展覽會涌現出一批優質金獎鑄件(圖4)，是我國高端鑄件的代表和縮影。

　　圖4　上海鑄造展覽會優質金獎鑄件

　　1.5 　鑄鐵標準與國際接軌

　　近年來，我國積極地參與鑄鐵國際標準的制定，新制定的鑄鐵國際標準ISO945—4：2019《鑄鐵金相組織第4部分：球墨鑄鐵球化率評定方法》由我國負責起草并頒布。2015年發布的GB/T32247—2015《低溫鐵素體球墨鑄鐵件》標準首次規定了QT350-22牌號-50℃和QT400-18AL牌號-40℃、-50℃、-60℃時的V型缺口試樣最小沖擊功，高于國際標準，對生產有重要指導意義。2019年對我國2009年發布的《球墨鑄鐵件》進行了修訂，發布了 GB/T1348—2019《球墨鑄鐵件》，增加了術語和定義，修改了球墨鑄鐵的低溫沖擊性能指標，增加了QT450-18、QT500-14和QT600-10三個高強度高塑性鐵素體球墨鑄鐵牌號，增加了并排澆注試塊等。同時，根據國內外鑄鐵技術的發展，加快了標準的修訂工作，如修改采用ISO185：2020 對GB/T 9439—2010《灰鑄鐵件》的修訂，規定了QT700-10、QT800-6、QT900-5、QT1000-5等高強度高塑性球墨鑄鐵牌號的團體標準《高強度高塑性球墨鑄鐵件》編制，提高多個牌號伸長率和增加 QTD1600-1牌號的國家標準《等溫淬火球墨鑄鐵件》修訂等工作也在進行之中，我國鑄鐵標準發展逐步與國際接軌。

　　2 　鑄鐵材質強度、塑性和韌性持續提高

　　除產業集中度提升，鑄鐵業最大的進步體現在鑄鐵材料的強度和塑韌性持續提高。高碳當量、高強度、高剛度、低應力灰鑄鐵取得較大進展，并在機床、汽車行業中獲得應用;蠕墨鑄鐵實現穩定批量生產;低溫高韌性鐵素體球鐵，軌道交通用QT400-18AL(-60℃)低溫高韌性鐵素體球鐵生產技術取得突破;硅固溶強化鐵素體球鐵，近幾年在風電中得到應用，牌號QT600-10由試驗期進入應用期;高強度高塑性珠光 體球鐵，在鐵模覆砂工藝條件下，球鐵材質提升到QT1000-5.近些年在鑄鐵材質的應用與研究方面開展了下列工作。

　　2.1 　高強度、高剛度、低應力灰鑄鐵取得較大進展，在機床、汽車行業中獲得應用

　　隨著汽車輕量化要求的不斷提高，薄壁高強度灰鑄鐵的應用迅速推進，國內發動機的一些缸體已采用HT300.甚至HT350鑄鐵制作。通過優化熔煉工藝，成分設計及合金化工藝等措施，解決了缸體材質高強度與高速切削的問題;“高廢鋼配比+增碳”工藝的合成鑄鐵在灰鑄鐵中的應用也日益增多，有效降低有害微量元 素、減小收縮和白口傾向。

　　鄭州機械研究所等單位開發了高碳當量、高強度、高彈性模量、低應力鑄鐵件成套技術，應用于高檔數控機床用床身鑄件，提高了床身的精度及精度保持性。廣西玉柴機器股份有限公司在相同生產條件和工藝下向灰鑄鐵中加入不同量的改性SiCp，發現改性SiCp彌散在晶粒中或晶界處，阻礙了位錯的滑移與攀移，同時使灰鑄鐵的晶粒明顯細化，使等強溫度下的高溫拉伸性能顯著提升。清華大學選取了另外一個角度，通過主裂紋密度和裂紋深度兩個指標找到了抗拉強度和熱導率的最佳組合，發現灰鑄鐵的熱疲勞行為與石墨片周圍的氧化基體密切相關，提高熱導率并降低裂紋擴展通道是有效提高灰鑄鐵耐熱疲勞性能的方法。

　　2.2 　蠕墨鑄鐵實現穩定批量生產

　　通過采用爐前鐵液智能分析、精確加入處理等技術，蠕鐵鑄件蠕化率穩定控制在80%以上，綜合缺陷率和廢品率顯著降低，牌號提高到了RuT500 MPa，應用范圍擴大到了高鐵制動盤、汽車制動鼓和增壓器渦輪等。要求高蠕化率的發動機缸體、缸蓋，多采用二步法穩定生產，除引進了國外OCC和 Sinter Cast精確蠕化處理控制技術和設備外，國內研發也開始得到應用。

　　廣西玉柴借鑒硅固溶強化鐵素體對球鐵的強化原理，開發了硅固溶強化鐵素體蠕墨鑄鐵，其力學性能滿足國標RuT400~RuT500的要求。

　　2.3 　低溫高韌性鐵素體球墨鑄鐵

　　風電、高鐵等領域對低溫高韌性球鐵的力學性能要求越來越高，某些風電裝備的球鐵件要求-40 ℃時三個V型缺口試樣沖擊功平均值要≥12J;高鐵京哈線、哈大線和出口俄羅斯等高寒地帶的高鐵車關鍵球鐵零部件已要求QT400-18AL在-50℃、-60℃時的沖擊功≥12J。軌道交通用QT400-18AL(-60℃)低溫高韌性鐵素體球鐵生產技術取得突破，通過精細控制，可把塑性-脆性轉變溫度由-74.3℃降低到-81.3℃。專業廠常州華德80%以上鑄件為低溫鐵素體球鐵，此外，錦州捷通、戚墅堰工藝所、山東新忠耀、鄭州機械研究所等也批量生產低溫鐵素體球鐵。

　　2.4 　硅固溶強化鐵素體球鐵

　　為了降低加工成本，取消熱處理和少加合金元素以降低鑄件成本，發展了硅強化鐵素體球鐵。近年來研制的具備高強度和高韌性的QT600-10和 QT500-14等硅固溶強化鐵素體球鐵在風電中得到應用，成功地由試驗期進入應用期，寧波日月、江蘇吉鑫每年生產1萬多噸QT500-14和QT600-10材質鑄件，不斷滿足風電主機朝著大功率的研發方向發展對鑄件輕量化的進一步需求。

　　2.5 　高強度高塑性珠光體球墨鑄鐵

　　隨著發動機爆發壓力的增加，普通材質的球墨鑄鐵曲軸已無法滿足增壓發動機對曲軸疲勞彎矩的要求，高強度高塑性珠光體球鐵憑借其強度高、塑性好的優點，經過軸頸滾壓強化后，曲軸的結構疲勞強度大幅度提高。

　　2020年，廣西玉柴在鐵模覆砂工藝條件下成功開發的QT1000-5(圖5)，將普通珠光體基體球墨鑄鐵的力學性能穩定提升到“四位數”強度門檻，其制備工藝完全基于鑄造車間生產條件，不添加貴重金屬組分，僅通過工藝創新和攻關，解決了材料超高強度和高伸長率的矛盾，是鑄鐵材質的一次飛躍。