铸铁的发展概述

铸铁是一种即古老又很新、即传统又现代的铸造材料。世界公认大约在公元前600年，中国就首先将铁矿石冶炼成铁液并浇铸成铸铁件。最迟到战国中晚期，冶炼生铁和铸造铁器已经开始分工。在工业革命之前很长一段时间中国的冶铁水平和铸件生产水平一直领先世界，并出口东南亚等地。铸铁冶炼技术在公元1200-1450年间引入欧洲。然而，直到工业革命前，铸铁技术发展非常缓慢，人们对铸铁的认识仅限于从断口颜色判断的灰口铁、白口铁、麻口铁。欧美早期认为铸铁不适于做拉伸实验，只做压力实验。

追求高的力学性能一直是世界铸铁工作者的使命。1860年欧美有记录的铸铁抗拉强度仅为60～100 MPa，一战时期通过熔炼中加入废钢使抗拉强度提高到120～140 MPa;1922年发明了孕育铸铁，抗拉强度提高到300 MPa。之后合金化将孕育铸铁抗拉强度提高至400 MPa。1722年和1826年分别发明的白心和黑心可锻铸铁抗拉强度虽有很大提高，但是只能生产小型薄壁件。1948年发明的球墨铸铁抗拉强度可达600 MPa，并具有3%的伸长率，合金球墨铸铁抗拉强度可达800～900 MPa。1970年代开发的ADI抗拉强度可达1 200～1 400 MPa，最高可达1 600MPa(ASTM A897M-2003)，有记录的ADI最高抗拉强度达到1 700 MPa，伸长率3%。在过去140年间，铸铁抗拉强度提高了将近20倍。图1给出了铸铁强度随年代的发展和不同铸铁及强度随年代的发展。1940年代球墨铸铁的发明大大提高了铸铁的性能，随后出现的蠕墨铸铁和ADI、硅固溶强化铁素体球铁以及各种特殊应用的耐磨、耐热、耐腐蚀铸铁进一步丰富了铸铁家族成员，更扩大了铸铁的应用范围，铸铁件产量不断增加。到1990年代铸铁性能较之早期提高了20倍。

(a)铸铁强度随年代的发展

(b)不同铸铁(LG低牌号和高牌号灰铸铁，DI球铁，ADI等温淬火球铁)及强度随年代的发展

图1 铸铁发展情况

铸铁不仅性能显著改善，全球产量也显著增加。自1966年以来，受世界经济发展周期和政治气候、突发事件的影响，世界铸件产量有上升和下降，但是总体呈上升趋势。总产量从1966年的63 261 475 t，到2013年超过1亿t达到103 223 514 t，到2018年历史最高的112 738 168 t，增长了78%。2019产量略有回落，2020年受到世界范围新冠病毒疫情的影响，产量回落至105 505 602 t，图2;1966年全球球铁产量1 930 700 t，2018年达到28 128 422 t，增长了将近15倍，2020年回落到23 593 945 t，如图2所示。

(a)1966-2020全球铸件总产量

(b)几种主要材质铸件的发展

图2 全球球墨铸铁产量发展情况

铸铁面临的竞争和挑战

1.1 铸铁和铝合金

由于铝合金是面心立方晶体结构，比重轻，导热性好，延展性和低温性能好，加上铝合金的性能不断提高，铝合金在汽车等应用中50多年来稳定增长，全球占铸件比率从1966年的2%，增加到2000年的12%，到近年的16%左右，见图3。1978年及之前铝合金在我国铸件中的比例份额很少，到2000年占比7.30%、到2020年达到13.12%，见图4。铝合金的延展性使汽车的整体框架结构甚至可以一次压铸成型，车身将从70个零件变成1个零件，从而大大减少了所有机器人组装这些零件的资本支出。

图3 铝合金世界应用稳定增长

全球占铸件比率从1966年的2.27%增加到2000年的12.43%、到2020年的约16%。

图4 铝合金中国应用稳定增长

1978年我国铸件中铝合金的比例很少，未单独列出，2000年为7.30%、2020年增加到13.12%。

但是由于铸铁生产总成本低、铸造性能和机械加工性好、耐磨性好、缺口敏感性低、可回收性好，铸铁尤其是蠕铁、球铁，特别是ADI较之铝合金强度高，疲劳强度高，铸铁仍然获得广泛应用，仍然占据铸件总产量的70%以上，仍然是最重要的铸造材料。图5、图6为球铁和铝合金性能的比较。另外，铸铁单位质量内含能低，温室气体排放低，生产同样质量的铸件铸铁消耗能源和温室排放最低。图7给出不同材料生产每千克质量的能量和温室气体排放量。当气缸体采用铝合金时重量会减轻从而会节省燃油减少排放，但是从生命周期分析，即从采矿到道路使用，对制造过程的每个步骤详细分析的结果表明，当铸铁缸体改为铝合金缸体时，总制造能量与因重量减轻而实现的燃油节约进行比较时，不会产生净效益。如果铸铁发动机采用轻量化设计，总能耗和温室气体排放更有优势。

(a)铸造铝合金和球墨铸铁(DI)的典型应力/循环(N)曲线

(b)铸造铝合金和DI的典型比应力/循环曲线，r、密度

图5 铸造铝合金和球墨铸铁的疲劳曲线

(a)不同固溶处理铸造铝合金

 (b)球墨铸铁的比疲劳强度

图6 球铁和铝合金力学性能对比

SC-砂型铸造;DC-压铸;DI-球墨铸铁;F-铁素体;FP-铁素体-珠光体;P-珠光体;T淬火回火;AUST-奥氏淬火。355=Al7Si;356=Al7Si0.4Cu;右：温度对铝合金和球墨铸铁(DI)比抗拉强度的影响。UTS，极限抗拉强度;r、密度357=Al7Si0.8Cu。

图7 不同材料生产每千克质量的能量和温室气体排放量

Energy能源，GHG温室气体排放，PigIron生铁，Scrap Iron废机铁，VirginAl原铝,Scrap Al 废铝，Ferro-Si硅铁,Mn锰,Cu铜

1.2 复杂高性能铸件的挑战

随着工业发展，现代装备功能日趋强大，对各种尺寸、不同壁厚的铸铁件需求越来越多，而铸铁件由于不断发展的优质原材料和生成方法性能越来越好，以及采用各种新型造型材料和新型造型方法各种复杂的铸铁件都可以制造出来。

例如，近年来受世界清洁能源、可再生能源需求的推动，对核电和风力发电需求越来越大，特别是对核电站核电乏燃料储运罐等大型铸件的需求成为紧迫需求。近年来风电涡轮机额定输出功率越来越大，风电涡轮机已经达到15 MW，未来的风力涡轮机功率可以达到21 MW甚至更高。对更多可再生能源的需求，许多只能通过铸件的供应来实现。而球墨铸铁和ADI恰恰非常适合这些零部件的需求。近年来由于风电业快速发展，风电铸件发展最快，2020年风电装机容量较上年增长111.1吉瓦，风电球铁产量约220万t，2021年全球风电增速加快，估计风电球铁在250万t。风电和核电中应用最多的是低温铁素体球铁400-18LT，而且都是厚大件(见图8～10)。风电行星架早已采用ADI，而且尺寸越来越大(图10)。厚大件低温铁素体球铁对微观组织有严格要求，不能有碎块状石墨，低温(-20甚至-30、-40 ℃)冲击性能必须满足严格规定。为了满足这些要求，必须严格控制生产的各个工艺阶段，包括选择纯净的原材料。硅固溶强化铁素体球铁开始应用于风电，并预期将占到风电铸件的10%以上。图11为宁波日月公司获奖的硅固溶强化风电铸件。随着风电涡轮机功率增大，这些铸件的尺寸可能更大，对组织要求更严、对性能要求更高。

随着工业发展，现代装备功能日趋强大，结构日趋大型化和复杂化。尤其是大型精密机床，对大型机床铸件的需求也越来越多。图12为北京一机床生产的大型精密机床床身。

当前汽车、铁路、航运等交通运输业正处于节能、环保、减排降碳和采用替代燃料的变革中心，需要开发更轻、更高效的车辆和运输工具，而铸造可以为汽车等交通运输行业提供更高效的零部件，如高铁齿轮箱、大型V型发动机缸体、更轻功率大的铝合金和蠕墨铸铁复合的发动机。此外还有复杂的控制阀和极薄的球铁叶轮的，图13～14。

图8 大型风力发电机球铁底座和轮毂

图9 百t级核乏燃料储运罐

(a)正在英国伯明翰ADItreatments进行奥氏体化处理的ADI行星架

(b)右十堰澳贝科技公司为某企业处理的3.2tADI风电行星架

图10 ADI风电行星架

图11 宁波日月公司获奖的硅固溶强化球铁风电铸件

图12 北京一机床生产的球铁横梁LE901013A020，铸件单重123 t

(a)高铁齿轮箱

(b)大型V型发动机缸体

(c)宁夏维尔的球铁叶轮(最薄处只有0.2 mm)

图13 复杂结构球磨铸铁件

图14 福特铝合金支架和CGI缸体组合结构缸体

提供了优化的强度和刚度，减少整体的重量，实现节能减排，支架和缸体通过标准垫圈和螺栓机械连接。

铸铁未来发展趋势

2.1 产量将继续增加

如图2所示2020年世界各国都受到新冠病毒COVID-19疫情，由于政府规定的停工和限制的影响，世界铸件产量回落至105 505 602 t，较2018年降低了6.4%;2020年球铁产量回落到23 593 945 t，较之2018降低了16%。然而，铸造业是整个制造业的核心产业，是全球产业价值链中至关重要的一部分，目前的减产是暂时的，今后铸铁件产量必将会增长。

2020年中国比大多数国家更早感受到新冠病毒的影响，然而中国由于采取了正确的应对政策，铸件产量在连续两年停止增长后2020年反而增长6%，总产量5 195万t，其中灰铸铁2 175万t，球墨铸铁1 530万t，均达到历史最高水平。

最近，世界铸造组织秘书长特纳(Turner)表示，从近期来看，对铸件生产的影响是物资的供应，无论是芯片影响了行业最大的铸件用户，铸造企业缺乏电力，原材料价格上涨，以及运输物流不足，但这些都是短期问题，或者是正常的经济周期，或者是过去12个月影响的某些原因造成的小问题;没有一个是系统性的长期问题。

世界铸造组织当选秘书长贾维尔·冈萨雷斯(Javier Gonzalez)说，看看生产和订单指数，今年和明年的前景表明，包括铸造业在内的制造业水平有望恢复。我们已经看到，我们在世界各地的铸造厂实际上在今年和2020年下半年重新开始了活动;取决于其服务的行业，许多工厂都处于高产能利用水平。

美国Modern Casting和欧洲铸造协会都预测铸造业和铸铁将会继续增长。欧洲铸造协会报道，欧洲铸造业情绪自2021年6月以来，由于机械工程部门的订单情况非常好，到目前为止，铸铁厂的情况迄今一直在较高水平上保持稳定。与此同时，商业景气指数在11月份保持在较高水平。该指数微升0.05点，至1.80点。特别是，未来几个月的销售价格预期正在增加商业景气指数。

世界各国包括中国一些主要铸件生产商和原辅材料生产商已经完成或正在部署新厂建设，为未来的增长做准备。

正如世界铸造组织秘书长特纳和美国铸造协会主席预测的，铸造业将再次辉煌，铸件生产将再次增长，铸铁件生产将再次增长!

2.2 性能继续提高

虽然铸铁的性能有了很大提高，但是自2000年以来中国和国际的球铁、蠕墨铸铁和ADI的性能标准较之以前又有了提高，我国不少企业生产了900-5，1000-5球铁，高过现有标准;ADI各个牌号的性能也远高于ASTM和国际、国家现行标准。我国正在考虑修订提高相关的铸铁技术标准。目前对铸铁性能的研究广泛而且深入到原子水平，相信随着研究的深入，技术的提高，铸铁的性能还会进一步提高。

除了常规性能外，高性能高要求的安全关键结构件还要求高的和稳定的疲劳性能。装备结构件的疲劳寿命是决定设备安全可靠服役的基本能力。因此提高安全关键铸铁结构件的疲劳强度已经成为铸铁发展的重要方向。为了检测和提高铸铁的疲劳强度，个别世界先进的包括中国的铸造厂甚至建设了疲劳试验室。

2.3 开发功能更强、结构更复杂、更节能减排的铸件

铸铁件的发展就是铸铁的发展。铸造厂和铸造技术人员多年来一直处于能源、交通等设备发展的前沿，任何新设备的发展都离不开铸件。随着节能环保、可持续、洁净能源、减少CO2排放和碳中性的需求，对新型高要求的设备性能要求越来越高，数量越来越多。

铸造就是为这些设备提供零部件的产业。新能源中的风电核电设备，交通运输中的高铁，汽车其中不少零部件是铸铁件。9月16日据媒体报道我国潍柴研制出世界热效率效能最高的柴油发动机，热效率达到50.26%，这是内燃机发展史上的一次革命性突破。内燃机中就有不少高要求的铸铁件。

向零碳工业过渡的挑战，以及向电动汽车的过渡，对铸铁既是挑战，也是新的机遇。电动车虽然没有了内燃机，但是还有不少控制、传动、制动件。铸铁厂需要和设备制造商、原材料供应商、设计人员紧密合作，开发更集成、高效、节能和功能更强的铸件。由于有了3D打印，计算机技术，任何复杂形状的，以前不可想象的金属铸件都可以开发出来和制造出来，不但代替铸钢件、锻钢件、焊接件、有些甚至代替塑料件。

另外，作为铸铁中份额最大的灰铸铁件，由于价格便宜、铸造性和机械加工性好、耐磨性好、缺口敏感性低，性能可以满足许多应用场合包括发动机铸件、支架、壳体等，将会继续稳定发展，并保留其最大份额的位置。重新设计的集成化高牌号灰铁300甚至可以取代36件钢焊接合成组成的零件，降低成本和交货期。此外，随着人们生活水平提高，高品质日用铸铁炊具需求越来越多，微量有害元素含量极低、安全、健康、美观、使用方便的高品质日用铸铁炊具也越来越受欢迎，畅销国内外。

2.4 铸铁厂向绿色高效节能数字化和智能化转型

铸铁厂的发展就是铸铁的发展。铸件生产厂早已不是过去那种手工操作、劳动强度大、环境差的工厂。但是机械化，改善劳动环境是远远不够的。

铸铁厂为了保持竞争力必须对生产过程有全面而准确地控制水平。据了解一个铸造厂有137个变量需要控制(基于铸造墨西哥的一家铸铁厂的评估)，为了具有竞争力，必需将工艺参数控制在这137个变量的标准范围内。

美国铸造协会前主席Patricio Gil认为铸铁厂不仅仅是被动地完成客户的订单，更重要的是为客户提供更多的服务和价值。一个能够实现完美的质量、交付和运营的铸造厂被认为是一个可靠的供应商;一个灵活且具有成本效益的铸造厂可以被视为具有竞争力的供应商;而一个愿意分担成本和机会的铸造厂则是一个可信赖的供应商。提供完全精加工零件的铸造厂是具有增值空间的供应商;可以为零件优化提供支持的供应商被认为具有技术能力的铸造厂;最后，那些能够提供零部件集成的供应商被认为是可以帮助客户优化供应链的供应商。

铸铁厂不仅要为随着节能环保、可持续、洁净能源、减少CO2排放和碳中性的新型高要求的设备提供铸件，铸铁厂本身也要向更加节能、环保、可持续、减少CO2排放和碳中性发展。

大多数铸铁厂采用电炉熔炼，但是电不一定来源于可再生能源。虽然对更多可再生能源的需求只能通过铸件的供应来实现，但是铸件生产仍需要大量能源，这是一个两难的问题。需要国家各个方面协同合作来解决。

铸铁厂面临的另一个挑战是在保持竞争力的同时，逐步向数字化、智能化发展，让原材料供应、铸件质量、客户反馈的需求、新产品开发等，通过先进的设备、基础设施、自动化等技术连接并且“智能”起来，从而能够在新的现实中竞争胜出。可喜的是我国已经有一些铸造厂实现了部分智能化，并正在朝着更高水平的数字化、智能化迈进。

结论

经历了数千年发展的铸铁，近期虽然由于一些政治经济以及新冠病毒疫情的影响出现短暂的停滞和下降，但是，由于铸铁特有的物理性能、广泛的不断提高的机械性能，并且可以铸造各种复杂的铸件，以及具有竞争力的价格优势，铸造业是整个制造业的核心产业，是全球产业价值链中至关重要的一部分。目前以及今后铸铁仍然是最重要的铸造合金。随着技术进步和发展，铸铁的性能会进一步提高，铸铁件生产必将会增长，各种功能更强、结构更复杂、更节能减排的铸件会越来越多。目前，如果加上铸钢，铸造铁基合金在世界铸造生产中所占的份额将超过81%。就铸造材料来说，正如Stefanescu教授所说，我们现在仍处于铁器时代。