灰
鑄鐵是歷史悠久的鑄造合金。人類掌握灰
鑄鐵件的生產技術，就是文明發(fā)展過程中“鐵器時代”的開始，迄今已將近三千年了。正是由于灰
鑄鐵件生產技術的應用和發(fā)展，才出現(xiàn)了蒸汽機和多種產業(yè)機械，從而推動了產業(yè)革命。特別應該提到的是：世界上最早掌握
鑄鐵技術的是我們中國人，西方進入鐵器時代大約比我們晚兩千年左右，是在元代進軍歐洲時，由我國的隨軍工匠傳授給他們的。
球墨
鑄鐵于上世紀四十年代問世，由于其具有多種優(yōu)良的性能，近幾十年來生產技術和應用范圍都發(fā)展很快。
上世紀五十年代后期，蠕墨
鑄鐵問世，其性能介于灰
鑄鐵和球墨
鑄鐵之間，特別適用于一些經受熱循環(huán)載荷的
鑄件，如內燃機排氣管、柴油機缸體、缸蓋、鋼錠模和玻璃模具等。近年來，其應用日益受到廣泛的關注。
當前，隨著科學技術的迅猛發(fā)展，各種高性能的鑄造合金不斷開發(fā)和推廣應用，尤其是各種輕合金
鑄件的應用發(fā)展很快，但是，由于組織中含石墨的
鑄鐵具有多種優(yōu)越的性能，在當前的技術條件下，仍然是用量最大、最重要的鑄造合金。
就每年公布
鑄件產量的各國而言，每年世界
鑄件總產量中，灰
鑄鐵件和球墨
鑄鐵件的產量都占
鑄件總產量的70％以上。按2013年的統(tǒng)計，各主要工業(yè)國和
鑄件生產大國中，俄羅斯、德國、法國、印度、日本和中國，灰
鑄鐵件和球墨
鑄鐵件的產量都占
鑄件總產量的70％以上，只有美國（65.4％）和英國（64.1％）略低于70％。
這里所談到的、與控制冷卻工藝相關的，都是組織中含游離石墨的各種
鑄鐵，包括灰
鑄鐵、球墨
鑄鐵和蠕墨
鑄鐵，不涉及組織中不含游離石墨的其他多種
鑄鐵。為方便起見，這里簡稱為“石墨
鑄鐵”，其含義就是組織中含游離石墨的
鑄鐵。
石墨
鑄鐵的歷史悠久、應用的范圍寬廣、用量又非常之大，這當然要歸功于各國
鑄造業(yè)界長期以來持續(xù)不斷地進行了大量研究工作，但是，盡管經歷了近三千年的應用和發(fā)展，迄今為止，我們對它的認識仍然是非常淺薄的，其潛在的功能遠沒有充分發(fā)揮，研究、開發(fā)的空間仍然非常廣闊。
石墨
鑄鐵件凝固以后的冷卻條件，對材質的性能和
鑄件的質量都有重要的影響，但是，在這方面，此前是很難控制的。
近年來，檢測方法、模擬技術和監(jiān)控手段等方面發(fā)展迅猛，其應用日益廣泛，在此基礎上，一些工業(yè)國家開始意識到，對于石墨
鑄鐵，如果：先按按其成分和對材質要求繪出相應的冷卻曲線，連續(xù)冷卻變態(tài)曲線（CCT曲線）或等溫變態(tài)曲線（TTT曲線）；再根據
鑄件凝固后的冷卻條件，實際測定冷卻過程中各部位溫度的變化；然后，采用可控的冷卻方式，使
鑄件各部位按設定的冷卻速率冷卻。處理得當，就可以得到以下一些令人矚目的效果：
◇ 可以使
鑄件冷卻過程中各部位的溫差很小，這樣，結構復雜、壁厚差別較大的
鑄件也不需要消除內應力的退火；
◇ 生產灰
鑄鐵件，不必加入Cu、Sn之類的合金元素，即可使基體組織全部為珠光體，并提高其強度；
◇ 生產球墨
鑄鐵件，無須采用后續(xù)熱處理即可使其基體組織符合要求；
◇ 生產ADI
鑄件，不必進行等溫淬火就可得到奧鐵體（ausferrite）基體組織。
實施這項工藝，涉及的問題很多，過程也相當復雜，但卻有節(jié)能、減排、省資源和提高工效等多方面的優(yōu)點，因此，提出后不久就受到了廣泛的關注，目前，我們暫稱之為“控制冷卻（engineered cooling）工藝”。
上世紀八十年代，美國Janowak, J. F. 和Gundlach, R. B. 就對ADI
鑄件的熱處理進行了有創(chuàng)意的研究，探討在
鑄造廠用控制冷卻的方法替代等溫淬火的可行性。當時還沒有“engineered cooling”這一新詞，他們用的是“Controlled Cooling”。
幾年前，日本洋馬
鑄造技術公司（ャンマ－キャステクノ株式會社）將這項工藝用于生產灰
鑄鐵大型柴油機缸體
鑄件［1］，取得了縮短生產周期、提高材質強度和免除
鑄件消除內應力的退火等多方面的效益，獲得了日本專利（專利號5416515）。
不久后，美國鑄造協(xié)會（AFS）與Missouri科技大學合作開展了一項研究工作，課題是“采用控制冷卻工藝生產高強度
鑄鐵件（High Strength Cast Iron Castings Produced by Engineered Colling）”。這項研究工作由美國鑄造協(xié)會、Missouri科技大學、Elkem公司、kohler公司、Dotson
鑄鐵公司、Selee公司等單位提供資金支持。研究工作的第一階段是用控制冷卻工藝替代等溫淬火，在鑄態(tài)下制得基體組織為奧鐵體（ausferrite）的球墨
鑄鐵。目前，研究工作的第一階段已經完成，雖然仍然存在一些問題，實際用于生產的工藝仍有待進一步完善，但已確認了這項工藝的可行性［2］，球墨
鑄鐵鑄態(tài)下的抗拉強度從原來的550～600MPa，提高到1,000～1,050MPa。
最近，在美國Ohio州立大學和Alabama大學任職的Stefanescu D. M.與西班牙
鑄造行業(yè)的幾位同仁合作，也進行了有關鑄態(tài)奧鐵體球墨
鑄鐵方面的研究工作［3］。為了更好地應對
鑄件壁厚對冷卻條件的影響，提出了按
鑄件的模數(shù)調整落砂溫度和等溫保溫溫度的計算式。
鑄鐵是以鐵碳合金為基礎的多元合金。在考量
鑄鐵件的組織時，為簡便起見，通常都是參照鐵-碳合金二元相圖，必要時，再在此基礎上考慮某些主要合金元素的影響。
鐵-碳合金二元相圖有二重性，即：包含有穩(wěn)定系和亞穩(wěn)定系兩種。
如果按穩(wěn)定系凝固、冷卻，
鑄鐵的組織中只含有石墨和鐵素體；如果按亞穩(wěn)定系凝固、冷卻，則組織中只含有滲碳體（Fe3C）和鐵素體，以及由滲碳體和鐵素體構成的其他多種組織。
實際生產中，只有生產完全鐵素體球墨
鑄鐵件時，其凝固、冷卻的全過程是按穩(wěn)定系進行的。大多數(shù)石墨
鑄鐵中，都是穩(wěn)定系組織和亞穩(wěn)定系組織共存的。
石墨
鑄鐵鑄態(tài)組織的形成可分為兩個階段：第一階段，
鑄鐵共晶轉變前析出初生相，再加以共晶轉變形成的相，構成
鑄鐵的初始組織；第二階段，
鑄鐵凝固后冷卻的過程中，共晶奧氏體中溶解的碳量隨溫度的下降而降低，脫溶的碳，向附近的石墨擴散，繼之以隨后的共析轉變，形成最終組織。
1、初始組織
石墨
鑄鐵凝固后形成的初始組織包括：石墨的形態(tài)、數(shù)量、尺寸和分布狀況，初生奧氏體、共晶奧氏體的數(shù)量和形態(tài)，共晶團的數(shù)量，以及晶界處的最終凝固相。
石墨
鑄鐵是歷史悠久的鑄造合金，長期以來，
鑄造行業(yè)的前輩們一直都非常關注其冶金技術的創(chuàng)新和發(fā)展，各工業(yè)國家在這方面探索、研究工作從來就沒有間斷過。正是因為如此，才使我們對石墨
鑄鐵的認知能夠不斷深化；作為最重要的鑄造合金，才能夠與時俱進、歷久彌新。目前，對于其初始組織，我們已經掌握很多有效的控制的工藝，主要如：
◇ 優(yōu)化碳、硅含量和碳當量，控制初始組織中奧氏體和石墨的含量；
◇ 在研究高溫過熱和高溫靜置對石墨化影響的基礎上，逐步實現(xiàn)對熔煉溫度、靜置時間和澆注溫度的優(yōu)化；
◇ 采用并逐步優(yōu)化預處理、孕育處理、和控制硫/錳含量等工藝，促進石墨的生核；
◇ 開發(fā)了多種控制石墨形態(tài)的工藝技術，如球化工藝、蠕化工藝和形成珊瑚狀石墨的技術；
◇ 近年來，注意到灰
鑄鐵中奧氏體枝晶對
鑄鐵性能的影響，研究了多種促進奧氏體生核的工藝，由增加奧氏體枝晶的含量提高灰
鑄鐵的強度；
◇ 通過對最終凝固相的深入研究，進一步優(yōu)化
鑄鐵成分的控制；
◇ 采用過濾技術，提高鐵液的清潔度；
◇ 優(yōu)化澆注系統(tǒng)的設計，力求使鐵液以平流的方式充型，避免因澆注過程中卷入折疊的氧化膜（bi-films）而造成各種鑄造缺陷。
2、共晶轉變后冷卻過程中和共析轉變形成的最終組織
石墨
鑄鐵中碳、硅含量都相當高，而且工藝方面又采取了多種促進石墨化的措施，共晶轉變都是按穩(wěn)定系進行的，轉變過程中不析出滲碳體。但是，在共晶轉變以后的冷卻過程和共析轉變的過程中，組織變化的情況卻是非常復雜的。
石墨
鑄鐵中的碳含量很高，因而，共晶轉變析出的奧氏體中碳含量很高，在此后的冷卻過程中碳在奧氏體中的溶解度逐步降低。共析轉變以前，
鑄鐵的溫度還比較高，原子的擴散比較方便，而且，脫溶的碳量也不多，在組織中只有石墨、沒有滲碳體的條件下，脫溶的碳不可能重新形核、析出，只能向附近的石墨擴散。影響最終組織主要是共析轉變。
石墨
鑄鐵共析轉變時的溫度已相當?shù)?，原子的擴散緩慢，轉變速度遠低于共晶轉變，轉變時的過冷度很大。在這種條件下，脫溶碳的擴散受到制約，來不及轉移到共晶轉變析出的石墨上，就只能按亞穩(wěn)定系轉變、形成滲碳體了。因此，除完全鐵素體組織的球墨
鑄鐵外，各種石墨
鑄鐵的最終組織中，實際上都是穩(wěn)定系和亞穩(wěn)定系并存的，既有石墨和鐵素體，也有滲碳體。組織中鐵素體、滲碳體的份量，以及二者混配的狀態(tài)是決定
鑄鐵力學性能的主要因素。此外，在特殊的冷卻條件下，還可以形成奧鐵體組織。
石墨
鑄鐵最終組織中鐵素體、滲碳體的份量，及其混配狀態(tài)，取決于
鑄鐵的化學成分和
鑄件各部位的實際冷卻速率，因為這兩項因素都對碳在奧氏體中的擴散速度有很大的影響。
此前，由于檢測手段和控制技術方面的制約，我們既難以切實了解
鑄件冷卻過程中各部位溫度變化的情形和各部位的冷卻速率，更沒有辦法控制
鑄件各部位的冷卻速率、從而使
鑄件本體材質符合預期的要求。因此，關于
鑄件凝固后冷卻條件對其性能的影響，我們實際上無能為力，只能聽其自然。對
鑄鐵最終組織的控制，只能借助于加入各種合金元素、控制其化學成分。
但是，只靠加入合金元素、調整成分控制
鑄鐵的最終組織有一些重大的局限性，實屬無奈之舉。
首先是提高生產成本，耗用珍貴的資源；
最重要的是，加入合金元素提高
鑄鐵鑄態(tài)下的強度是有限的，欲使其具有更高的強度，往往還需要增加后續(xù)的熱處理工序，不僅耗能、費力，提高生產成本，而且延長生產周期。
“控制冷卻”的概念，就是針對這種實際問題逐步推出的。
二、日本洋馬公司的用例
日本洋馬公司松江事業(yè)部的主要產品是大型柴油機的缸體、缸蓋，包括鑄造和機械加工全過程，
鑄件材質為灰
鑄鐵，主要產品缸體的單件重3～8t不等。
按原來的生產工藝，從澆注后到脫箱（使砂型自砂箱中脫出），大約需要冷卻40～85h。
由于裝缸套部位與曲軸箱殼部位的壁厚差別較大，而且，薄壁的曲軸箱殼部位又接近于鑄型的外表，冷卻快，因此，冷卻過程中，兩部位之間的溫度差大，落砂后的
鑄件中存在較大的內應力，必須進行消除內應力的退火處理。
完成這兩項工序所需的時間，約占產品生產周期的40％。
生產周期長還導致在制品數(shù)量大、備用砂箱的數(shù)量多、占用的生產面積大等諸多問題。
為了縮短生產周期、減少在制品數(shù)量和降低生產成本，公司決定，以縮短自澆注到脫箱的時間、免去消除內應力的退火處理為目標，開展一項工藝試驗研究工作。
1、工藝改進的方案
為了縮短自澆注到脫箱的時間，必須在
鑄件凝固后加強冷卻，提高其總體冷卻速率。
為了免去消除內應力的退火處理，必須在
鑄件凝固后冷卻過程中保持各部位的溫度均勻。
通常，
鑄件在鑄型內冷卻，都是由表及里的。鑄型外表部位的溫度低、鑄型內部的溫度高，這是大家所熟知的，但是，差別究竟有多大？由于影響的因素太多，就誰也說不準了。要對其有切實的了解，必須就目標
鑄件和實際工藝條件進行測定。
洋馬公司就重7t的缸體所作的測定表明：澆注后60h，接近鑄型外表的曲軸箱殼部位溫度已降到70℃；處于鑄型中部的、裝缸套部位下端的厚壁部位，溫度仍保持在440℃左右。其間的溫差相當大。
很明顯，自鑄型的外表加強冷卻是不可行的。首先，采用這種方式會導致
鑄件內、外部的溫差增大，不但不能消除內應力，而且會使情況進一步惡化；再就是鑄型外表的溫度低，自外表加強冷卻的效率很低。因此，加強冷卻只能從內部著手。
在冷卻介質的選擇方面，也有一番考慮。往芯子內部吹冷空氣，雖然很安全，但冷卻效率低，需要吹入大量冷空氣。
水的蒸發(fā)潛熱很大，為2260 kJ/kg。利用水的蒸發(fā)降溫，效果很好，往芯子內部注入少量的水，就可以吸收大量的熱量，獲得很好的降溫效果。
基于上述考慮，確定了自芯子內部注水、加強冷卻的方案。為了確保生產安全，必須在
鑄件完全凝固以后注水。
2、冷卻方法
大型柴油機缸體的內腔，由多個芯子組合形成。每一缸筒部位都有一個裝缸套部位與曲軸箱殼部位聯(lián)成一體的芯子。每個芯子中都裝有管壁鉆有很多小孔的φ100鋼管，聯(lián)通到鑄型的外面，兼有芯骨和排氣通道的作用。
最終采用的冷卻方法是：在每一芯子的排氣鋼管中裝入軟管。
鑄件凝固后，通過軟管向芯子的各部位注水。蒸發(fā)的水蒸汽也由φ100鋼管排出。
根據各部位的溫度，實時調定每一軟管注水的流量，以確保
鑄件各部位的溫度均勻。每一軟管管路中都裝有流量計和控制閥，由可編程序控制器自動控制。
3、效果
洋馬公司實施初步的控制冷卻工藝后，取得了很好的效果，如：
◇
鑄件凝固后的平均冷卻速率，從原來的5.7℃/h提高到16℃/h；
◇
鑄件冷卻到500℃所需的時間，由原來的46h縮短到18h；
◇ 由于
鑄件冷卻過程中各部位的溫差小，
鑄件內的殘留應力很小，可免去消除內應力的退火處理。采用控制冷卻工藝后，鑄態(tài)
鑄件各部位殘留應力測定值的平均值，還略低于原來經消除內應力退火的
鑄件；
◇ 鑄態(tài)
鑄件各部位的本體強度均高于原來經消除內應力退火的
鑄件，各部位抗拉強度的平均值大約提高15MPa；
◇ 在顯微組織方面，石墨的形態(tài)、數(shù)量和尺寸都與原來經消除內應力退火的
鑄件相同，但基體組織中鐵素體的含量更少，因而，強度和硬度都較高。
三、美國鑄造協(xié)會（AFS）與Missouri科技大學合作進行的研究工作
關于這項研究課題的建立，前面已經作了簡短的說明，這里，扼要介紹一下這項研究工作第一階段的一些情況。
這項研究工作，是針對各種石墨
鑄鐵而建立的，可是，其實施的順序卻不因襲先易后難、循序漸進的傳統(tǒng)慣例，第一階段工作的目標就是攻堅克難，針對等溫淬火球墨
鑄鐵（ADI），研究用‘控制冷卻’替代‘等溫淬火’的可行性。
大家都知道，等溫淬火球墨
鑄鐵具有多種優(yōu)異的性能，而制約其廣泛應用的主要因素就是‘等溫淬火’的工藝過程復雜、熱處理設備價格昂貴、能耗大。如果能免除‘等溫淬火’，則其對
鑄造行業(yè)的影響將是不可忽視的。
順便要說明的是：如果免除了‘等溫淬火’，就不能再用“等溫淬火球墨
鑄鐵（ADI）”這一名詞了，因此，在這里，都按其基體組織稱之為“奧鐵體球墨
鑄鐵（ausferritic ductile iron）。”
1、用控制冷卻的方式進行試驗性的模擬
為了模擬各種控制冷卻方式的作用，研制了一套熱模擬裝置。可以將試樣加熱到要求的溫度，隨之使其按要求的冷卻速率冷卻。然后，根據試樣的顯微組織，就可以求得該材質的連續(xù)冷卻曲線（CCT曲線）和等溫轉變曲線（TTT曲線）。
加熱設施 用計算機控制的高功率直流電源加熱，同時，用焊在熱區(qū)的熱電偶和高精度紅外線光學高溫計測定溫度。
冷卻設施 用比例電磁閥控制、吹射壓縮空氣。
試樣 用化學成分與目標材質相近的、實際生產中的球墨
鑄鐵(C 3.77%，Si 2.33％，Mn 0.47％，Cu 0.39％)制造，先鑄造150×200×25㎜的板狀
鑄件，再用以截取、加工成50×6.2×3.5㎜的試樣。
由于試樣的熱慣性小，用上述加熱、冷卻設施，可以做到：以80 ℃/s以下的任何加熱速率加熱；以80 ℃/s以下的任何冷卻速率冷卻。
連續(xù)冷卻的工藝是，將試樣加熱到920℃，再以不同的冷卻速率冷卻到室溫，在此條件下：
冷卻速率在2 ℃/s以下，提高冷卻速率會導致珠光體的數(shù)量增多、硬度增高；
冷卻速率在2～10 ℃/s之間，提高冷卻速率，就會因形成馬氏體而致硬度顯著提高。試驗的結果表明，太高的冷卻速率會導致不希望其產生的馬氏體轉變。
等溫處理工藝是，將試樣加熱到920℃，再以不同的冷卻速率冷卻到380℃，在此溫度保溫10～30min，然后快速冷卻到室溫。在380℃保溫25min，形成奧鐵體的過程就可以完成。自920℃冷卻時的情況是：
只要冷卻速率在2 ℃/s以上，就會在枝晶間形成部分奧鐵體；冷卻速率為5 ℃/s，形成奧鐵體和細小珠光體的混合組織；
冷卻速率為10 ℃/s，基體組織為奧鐵體，但石墨球周圍有局部珠光體小團。
還要指出的是，如果延長在920℃下保溫的時間，會使奧氏體中的碳含量飽和，而且分布均勻，就有提高過冷奧氏體穩(wěn)定性的作用，可以使
鑄鐵組織中奧鐵體的含量增多。
2、控制冷卻方案的設定
通過試驗，并采用流體動態(tài)模擬方法，設定
鑄件控制冷卻的方案。
這一階段的試驗中，不用小型試樣，而用接近實際
鑄件的150×200×25㎜的板狀
鑄件。試驗中要考慮3種變數(shù)：一是冷卻速率；二是
鑄件壁中的溫度梯度；三是表面溫度。
根據前一階段試驗的結果，目標冷卻速率定在2 ℃/s以上。
為了使
鑄件各部位的組織一致，且避免因溫差而導致的熱應力，應盡可能地使
鑄件中的溫度梯度減至最小。
為避免產生馬氏體組織，冷卻過程中，
鑄件表面的溫度應保持在馬氏體開始轉變溫度（Ms）以上。
試驗中，不同冷卻方法對150×200×25㎜板狀
鑄件各部位溫度狀況的影響，用流體動態(tài)模擬（FLUENT軟件）進行預測。預測的部位包括：
鑄件的心部，
鑄件大表面的中部，以及板狀
鑄件的邊角部。
試驗的結果表明：對25㎜厚的
鑄件而言，在空氣中冷卻、吹空氣冷卻，都不能達到使
鑄件具有奧鐵體組織的冷卻速率；大量噴水冷卻可以有很高的冷卻速率，但
鑄件內的溫度梯度很大，而且
鑄件表面溫度很快就降到Ms溫度以下。
為了使冷卻條件符合要求，設計了一種計算機輔助的控制冷卻方法。采用既可以噴射空氣、也可以噴水的廣角噴霧器，其冷卻強度是可控的。模擬中，由表面溫度的反饋控制冷卻。用這種模擬方法，可得到要求的冷卻速率，
鑄件內的溫度梯度很小，而且表面溫度可以不低于要求的值。
3、控制冷卻方案的確認
確認工作也是在試驗室進行的。用感應電爐熔煉
鑄鐵100磅，經球化和孕育處理后，主要成分是：C 3.65％，Si 2.36％，Mn 0.55％，Cu 0.55％。
試驗所用的樣件，仍然是150×200×25㎜板狀
鑄件，立澆，上方置頂冒口。用自硬砂造型，每型1件，共澆注4件。澆注時，直接自頂冒口注入鐵液。
其中2件，澆注后按常規(guī)作業(yè)方式冷卻，供參照用。
另外2件，
鑄件凝固后及早落砂（按：落砂溫度的上限是固相線以下50℃，下限是共析轉變溫度以上50℃），然后立即將其置冷卻裝置中按控制冷卻工藝冷卻。
按常規(guī)方式冷卻的
鑄件，基體組織以層片狀珠光體為主，有10%～15%的鐵素體，抗拉強度550～600MPa，伸長率8％。
控制冷卻的
鑄件，基體組織為奧鐵體和細小的珠光體，抗拉強度1000～1050MPa，伸長率4％。
4、小結
這項研究課題第一階段工作的目的，就是要確認控制冷卻這一概念的可行性。從初步的試驗結果看來，采用控制冷卻工藝，可以制得鑄態(tài)下基體組織為奧鐵體的球墨
鑄鐵件，雖然組織中仍存在少量珠光體，一些問題還有待進一步深入研究、探討，但總體而言，這一工藝的效果是很好的。
研究工作的第二階段，還將針對各種低合金石墨
鑄鐵、不加合金的石墨
鑄鐵，研究控制冷卻工藝對不同壁厚
鑄件組織的影響。
當然，將這一工藝用于實際生產，還有很多難題有待解決，包括就每一特定的生產條件設計適用的的設備。如果我們通過實踐逐步增強對這一工藝的認知，存在的問題逐一得到妥善的解決，工藝也就會隨之不斷優(yōu)化，這樣，當然會有助于
鑄造行業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
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