球墨铸铁与清华

清华大学机械工程系教授  吴德海

清华大学机械工程系教授  李言祥

 

 

    从公元前513年我国铸造了重达270公斤的铸铁刑鼎算起，铸铁应用也至少已有二千五百多年的历史了。但是，直到上世纪末以前，铸铁的强度一直很低，不足100Mpa，且没有塑性。一战以后，尽管把铸铁的抗拉强度提高到了300Mpa，但铸铁为没有延伸率的脆性材料的特性没有改变。1947～1948年球墨铸铁的研制成功，不仅使铸铁的抗拉强度提高到了400～900Mpa，而且使铸铁具有高达20%的延伸率，成为具有广泛应用的工程材料，全世界年产量已达1500万吨。因此，球墨铸铁的发明，被公认为是世界冶金技术领域的重要成就，是工程材料发展史上的里程碑。可喜的是，在球墨铸铁的发展过程中，清华大学的一大批教师、职工和同学作出了积极贡献。以下三位是他们中的杰出代表。

 

 

    王遵明教授（1913～1988）江西南昌人，1935年毕业于清华大学物理系。1936年至1940年作为公费生出国。在美国麻省理工大学研究院获得博士学位。1940年回国，1941年至1946年在昆明西南联合大学机械系及金属研究所任教授，兼任滇北矿务局顾问工程师。1946年以后任清华大学教授。1951年至1952年兼任东北抚顺矿务局冶金顾问工程师。曾任中国铸造学会第一、二届副理事长，中国金属学会理事、中国稀土学会理事、清华大学机械系副主任、铸造教研组主任等职。

 

    王遵明教授的博士论文是铝硅合金的球化。从理论上讲，Al-Si合金与Fe-C合金有相似之处。早在1924年，世界著名冶金学家Tamman的学生（也是王遵明教授的老师）曾在著名期刊Zeitschrift für Metallkunde著文预言，加钙可使Ag-Si、Au-Si合金球化，但未做试验给予证实。此后，为了使Fe-C合金中的石墨球化，全球广大冶金工作者，均不遗余力地进行了多方面的研究。1947年英国人H. Morrogh附加铈在过共晶成分的铁液里得到了球状石墨。1948年美国人Gangnebin等人采用纯镁、Ni-Mg合金获得了球墨铸铁。

 

    与国际发展同步，王遵明教授早在1947年冬在清华大学的实验室里，采用含铜80％wt、含镁20％wt的Cu-Mg合金处理铁液，取得了成功，制得的球墨铸铁性能优异。并且，用这种Cu-Mg合金处理比用纯镁处理要安全得多；其成本也比用Ni-Mg合金处理便宜得多。

 

    王遵明教授取得的成功立即得到了当时东北重工业部的重视，1951年，王遵明教授被邀去抚顺重型机器厂，用球墨铸铁生产机械零件，钢锭模等取得了成功。在此基础上，开办了球墨铸铁研究班，王遵明教授是唯一的老师，来自全国各地的工程技术人员70多人参加了研究班。这些人构成了后来我国球墨铸铁的技术骨干力量。

 

    在此研究班所写教材的基础上，王遵明教授发表了中国第一部有关球墨铸铁的专著《球墨铸铁》。前苏联学者瓦申柯教授在他的著作中，援引了王遵明教授的论著，并为此，王遵明教授于1957年应邀去基辅作了学术报告。对于王遵明教授在球墨铸铁领域取得的重大成就，在50年代初，人民日报、光明日报、东北日报、解放日报、大公报等均有新闻报导，并且，当时的东北重工业部和抚顺矿务局均给予了奖励。王遵明教授是我国球墨铸铁的奠基人。

 

 

    柳百成院士1955年毕业于清华大学，获金质奖章。他长期从事铸铁结晶凝固原理及球墨铸铁生产技术等基础及应用研究。

 

 

        他在国内率先采用扫描电镜、电子探针、俄歇谱仪等先进测试及实验手段研究铸铁结晶凝固过程。揭示了铸铁中各种石墨形态的结构、生长特征及其内在联系，科学地进行分类及命名；研究了合金元素及微量元素在铸铁中的分布及其在凝固时的行为。该项目获1981年美国铸造学会优秀论文奖及1982年机械工业部二等奖。

 

        他负责并指导三位博士生共同完成了在特殊条件下的铸铁结晶凝固过程研究。确定了不同形态石墨（片、蠕、球）铸铁的凝固界面形貌，提出了石墨/奥氏体共晶的独特控制因数。提出了特大型球墨铸铁件中在一定条件下锑对石墨形态的有利作用；建立了锑与稀土元素对石墨形态影响的状态图；建立了激光重熔处理时工艺参数与化学成分对铸铁组织影响的状图。该项目获1995年国家教委科技进步一等奖。

 

        他在著名的美国铸造学会会刊上连续发表有关论文9篇，其中4篇全文、8篇摘要被译成德文转载，被EI收录、并被多次引用。

 

 

        柳百成院士参加“六五    ”、“七五”国家科技攻关项目，在国内最早提出用型内孕育及含铋复合孕育工艺生产铸态铁素体球墨铸铁，并研制成功新一代灰铁、球铁型内孕育块。新型型内孕育块的研究于1988年通过解放汽车联营公司(省级)鉴定。鉴定结论：国内领先，国际水平。他代表中国参加制订球墨铸铁国际标准，并负责制订球墨铸铁件国家标准及蠕墨铸铁金相标准。研究成果在南京汽车厂、第一汽车厂及第二汽车厂等单位推广应用，节省了大量能源并显著降低成本。他与第一重型机械厂等单位合作在特大型球墨铸铁件复合添加锑与稀土元素及无冒口铸造新工艺等方面取得重要成果，并在生产中应用。该项目获国家发明专利2项，获1988年国家教委科技进步二等奖,1985及1993年机械工业部科技进步三等奖。  

 

 

    由于以上学术成就，自1984年到1996年经中国铸造学会推荐，柳百成院士先后担任国际铸造学会 “稀土在铸造合金中应用”国际委员会学术秘书及主席。他主持编写出版了稀土在铸铁中应用、稀土在铸钢中应用及稀土在有色铸造合金中应用文献综述报告共三本。1994年完成了“稀土在铸造合金中应用”总结报告。国际铸造学会对他长时期为国际铸造界服务给予?涓叩钠兰邸?

 

    1995年，他应国际铸造学会主席邀请在第61届世界铸造会议技术论坛上作特邀报告，题目为：稀土元素在铸造合金凝固时的作用。技术论坛论文集已由德国铸造学会正式出版。国际铸造学会主席大中逸雄教授在论文集前言中指出：特邀报告讲演者是从学术或工业界中精心挑选的，他们是这一领域世界上最好的专家。  

 

    1998年，他被聘为第6届国际铸铁科学与工艺会议国际委员会委员，并应邀作大会主题报告。柳百成院士频繁与国际铸造界交往，为国家争得了荣誉。

 

 

      球墨铸铁自问世以来，取得了长足的发展，每年平均以2～4％的速率递增，这种发展趋势还在持续，全世界年产量已达1500万吨。为了能使球墨铸铁在各个工业部的生产应用中取得显著的效益，清华大学铸工教研组的许多教师和职工以及众多的学生，五十年间，在球墨铸铁的研究与生产领域进行了不懈的努力，取得了多方面的丰硕成果，吴德海教授等领导的课题组尤为突出。

 

 

    为使铸铁中的石墨结晶成为球状而加入到铁液中的添加剂叫做球化剂，它是制作球墨铸铁所必需的。但是，球化剂中镁是不可缺少的。50年代末，要大力推广应用球墨铸铁，国家急需镁。为此，清华大学铸造专业的师生，采用我国资源丰富的白云石，通过硅铁还原，制成了硅铁镁合金球化剂。由此，1958年在全国球墨铸铁学术会议上宣读了论文。1960年在上海召开的全国技术革新与技术革命大会上进行了推广。

 

    进入80年代，清华大学承接了国家“六五科技攻关项目－镁团块球化剂的研制”。这种球化剂的特点是节约能源，降低含硅量、成份可在很大的范围内调节，它特别适用于硅量受到限制的珠光体球墨铸铁和厚大断面的球墨铸铁生产。这项研究成果通过了部级鉴定，现已转让给4家工厂在国内生产。

 

 

    这项课题是原第一机械工业部1980年下达的重点研究项目，由清华大学与佛山球墨铸铁研究所合作承担。本课题系统研究了化学成份，微量干扰元素、复合孕育剂对提高力学性能的影响，并对比研究了轻稀土镁和重稀土镁球化剂的球化衰退特性。在此基础上，用研究的这套技术，分别在佛山水泵厂制作了重达5.5吨的32Sh-9型双吸离心泵，用于引黄工程；在上海汽轮机厂制作了3吨重的钢锭模；在北京东风铸造厂制作了重达2.5吨的冲模锒块以及在湖南煤矿专用机械厂制作了内曲线马达油缸体等均取得了良好的经济效益和社会效益。为此，1983年该项研究获得广东省科技进步三等奖。

 

 

    它是国家“38项重点科技攻关项目之一，编号“38－3－8－5”。此课题是由清华大学、郑州机械研究所和南京汽车厂共同承担的。

 

    不经热处理、直接在铸出状态下生产球墨铸铁用于汽车上，是国际上70年代采用的生产技术，它的优点是节约能源和缩短生产周期，但要求生产零件的安全、可靠。80年代初，上述合作单位，结合南京汽车厂在流水线上的生产任务，通过大量的试验研究，做到了稳定生产。南京汽车厂采用铸态生产球墨铸铁以后，效益显著。每吨铸件由此可节约柴油150kg，降低成本100元（按1984年柴油的价格计算），铸件生产周期从7天缩短至3天。

 

    这项研究成果通过了部级鉴定。并由汽车工业总公司授予了科技进步三等奖，并获国家发明专利一项。这项技术现已在国内第一汽车厂和第二汽车厂等厂家推广应用，效益显著。

 

 

    70年代末，由中国、美国和芬兰几乎同时、又是彼此独立地宣布，研制成功了奥氏体－贝氏体球墨铸铁。它的性能优异，其抗拉性能和疲劳性能与合金锻钢的性能相当，这被誉为是铸铁冶金领域取得的重大成就。为了使这种材质得到推广应用，清华大学作为负责单位承担了国家“七五”科技开发项目，编号为《46－6－1－1(4)》。为此，由清华大学与第一汽车厂、大安市第一汽车配件厂和吉林工业大学合作，采用奥氏体－贝氏体球墨铸铁在CA-141型汽车后拖钩－支承座、衬套上的应用取得了成功，现已批量生产。行车试验表明，采用奥氏体－贝氏体球墨铸铁，质量稳定可靠。它的万公里磨损量是原来铁素体球墨铸铁的1/70。这项技术的特点是不采用贵重的合金元素，针对汽车后拖钩－支承座、衬套的工况和生产条件，采用非合金化和相应的热处理工艺，实现了批量生产。

 

    这项研究属国内首创，经济效益和社会效益显著。为此，分获机械工业部和吉林省颁发的科技进步二等奖以及由联合国(Technological Information Promotion System)颁发的“发明创新科技之星奖”。

 

 

    《稀土镁球墨铸铁水平连续铸造装备、工艺及组织性能的研究》是清华大学与陕西机械学院、西安交通大学和山川机床厂合作承担的国家“七五”科技攻关项目，编号是75-30-02-07-03。

 

    水平连续铸造铸铁型材的技术，70年代在国际上已成熟，由国外少数几个厂家生产供应全球。对于我国来说，这项技术还是一项全新的领域，也是一项具有显著节能、节材效益的新工艺。由此得到的球墨铸铁型材在组织性能上也得到明显的提高，并且，它的生产效率很高，对于直径100mm的型材，其生产率可达每小时1吨。球墨铸铁型材广泛应用于国民经济各个领域，它的推广应用对提高机械产品的质量与可靠性起到重要作用。

 

    这项研究成果已于1990年通过部级鉴定，至今已有6家工厂采用此项技术生产铸铁型材，年产量超过万吨，产品质量达到80年代同类产品的先进水平，效益显著。这项研究成果获机械工业部科技进步一等奖，并获国家科技进步二等奖。

 

 

    磨球作为研磨体，广泛用于矿山、水泥及电力等领域，我国每年消耗100万吨。“贝氏体球墨铸铁磨球”项目是由清华大学承担的国家“七五”科技开发项目，课题编号46-6-1-1(4)。1989年由机械电子工业部主持通过了鉴定。鉴定意见是：“此磨球选用的合金元素来源广泛，价格便宜，符合国情，采用的特殊淬火介质，成本低，工艺简便易行。磨球的组织和化学成分设计新颖合理；对我国奥－贝球铁的推广应用具有开拓性。在抗磨行业具有普遍的应用条件，属国内首创。经查新国外未见有类似的开发应用”。为此， 1991年获国家级新产品证书；1991获辽宁省优秀产品一等奖；1994年获机械工业部科技进步二等奖；1996年获国家教委科技进步（推广）二等奖；1998年获机械工业部科技进步（推广）三等奖。1999年获国家发明专利。这项磨球技术列入了国家标准(GB/T17445-1998)，已于1999年颁发实施。

 

    贝氏体球墨铸铁磨球的推广给广大用户和生产厂家带来了巨大的经济效益。国内已有30多家工厂生产，年产磨球超过5万吨。

 

    随着国民经济的发展，球墨铸铁的应用将进一步推广。由清华大学广大师生员工研究开发的各种球墨铸铁技术，必将取得更显著的经济效益和社会效益。