1前言
　　國內外研究和實踐表明，通過等溫淬火工藝獲得的奧鐵體球墨鑄鐵（AustemperedDuctile Iron, 簡稱ADI）除具有重量輕、強度高、韌性好、疲勞性能高、減震性好等優良的綜合性能外，同時還具有優異的耐磨性。ADI要比同樣硬度鋼的耐磨性高，如硬度為HRC30－40的ADI耐磨性相當于硬度HRC60的淬火回火鋼，另外，相同基體顯微硬度下的ADI耐磨性高于鋼【1】。但是，高強度和高硬度的1400-1100-02（五級）和1600-1300-01（六級）牌號的ADI，其耐磨性與高合金耐磨鑄鐵相比并無優勢。為進一步提高ADI的耐磨性，上個世紀90年代，美國開發了含碳化物的奧鐵體球墨鑄鐵(CarbideAustempered Ductile Iron，簡稱CADI)【2】。在成分選擇時加入0.5～1.5%Cr，使基體組織中存在10～30%的碳化物，這種含碳化物的ADI比第五和第六級ADI更耐磨，且具有較高的韌性。與鎳硬鑄鐵的耐磨性相當，在成本方面，比含鎳硬鑄鐵便宜，也能夠與某些高合金耐磨鑄鐵相抗衡。
　　由于CADI具有優良的強韌性和耐磨性，近年來，在耐磨材料行業，已引起了人們關注。本文對CADI在國內外的應用現狀以及發展趨勢進行了論述。
　　2 CADI在農機行業的應用
　　CADI的發展最初是應用于農業機械中。在農業機械工作過程中，很多部件與土壤接觸，土壤中含有顯微硬度很高的SiO2、Al2O3顆粒，對部件磨損很嚴重。目前，農機配件大都使用碳鋼、合金鋼制作，對于復雜的零件需要焊接成形，工藝復雜，制造周期長，耐磨性低，使用壽命短，因此人們一直在尋求合適的材料制備農業機械配件。經過大量實驗和應用證明，ADI和CADI是適合于制作農機配件的新型工程材料。Truax Company【3】的播種機保護罩，要求耐磨，還具有一定剛性和韌性，原來為鋼制焊接結構，播種500英畝（約合3000畝）后磨穿，更換配件耗時，成本增加，另外，內部過渡不光滑，影響種子流動。用ADI制造的播種機保護罩，重量降低了15%，制造時間由6周縮短為3周，使用壽命提高1倍多，制造成本降低了65%以上。
　　Toro DingoRTX 413割草機驅動系統的主驅動輪原來設計為由84個焊接件和螺栓緊固件組成，后來設計人員與鑄造技術人員合作，設計成了一個整體鑄件，經等溫淬火工藝處理，消除了原來工藝的切料、沖壓、鉆孔、螺栓緊固和焊接等過程中的變化因素，驅動輪的可靠性提高，制作成本降低了，應用壽命增加了。
　　ADI犁鏵在國外已經應用了15年之久，替代了表面滲碳硬化和表面堆焊硬化的鋼質犁鏵，價格具有競爭優勢。澳大利亞農民也采用ADI來制作農用機械的犁尖等配件。Poznan的鑄造研究所和農業工程研究所對ADI在犁鏵中的應用進行了研究得出【4】，與市場質量最好的38GSA鋼質犁鏵相比，ADI犁鏵的壽命提高了1倍多，價格降低了40-50%。但是，對于土壤比較松軟，不含有硬質的小石頭的耕地，采用ADI材質制作農機配件，耐磨性相對降低一些。這時，可以采用CADI來制作農機零件。
　　我國王懷林教授研究、開發生產的CADI在農機犁鏵上的獲得成功應用，CADI犁鏵的硬度HRC53-58，沖擊韌性為11-28J/cm2，實際裝機試驗表明，CADI犁鏵的使用壽命是低合金鋼犁鏵的3倍以上，生產成本降低20%，具有很好的技術經濟效益【5】。
　　佳木斯工學院郭繼偉教授研究了ADI耙片，并與65Mn鋼耙片進行了現場試驗對比，結果表明【6】，ADI耙片硬度與65Mn耙片相當，但其耐磨性高于65Mn耙片30%，且生產工藝簡單，成本低。
　　3 CADI在挖掘機斗齒中的應用
　　我國每年消耗斗齒類耐磨件19萬噸【7】。目前，斗齒所使用的材料為普通高錳鋼、合金化高錳鋼、低碳馬氏體合金鑄鋼、高鉻鑄鐵等材質【8】。高錳鋼適用于高沖擊載荷下的鑿削式磨料磨損工況，低碳多元合金鋼斗齒適用于低沖擊載荷下應變疲勞工況，高鉻鑄鐵通常是鑲鑄的整體斗齒。
　　Argentina研究了ADI輪式裝載機鏟斗【9】。ADI的化學成分為：3.1%C、2.8%Si、0.25%Mn、0.55%Ni、0.15%Mo、0.9%Cu。與合金鋼鏟齒（0.31C、0.21Si、1.15Mn、0.5Cr、0.13Mo）進行了同機對比考核。等溫處理后ADI的力學性能與現場試驗結果如表1所示。

表1 ADI力學性能與耐磨性結果

　　由表1可見，260℃、280℃等溫淬火ADI鏟齒和油淬+240℃回火的球鐵鏟齒耐磨性相對于合金鋼鏟齒均有提高，且隨著使用時間的延長耐磨性降低；280℃等溫淬火獲得的鏟齒耐磨性提高幅度最大；240℃等溫淬火得到的ADI鏟齒耐磨性低于合金鋼鏟齒。另外，實驗室耐磨性實驗結果與現場實際鏟齒的耐磨性考核相差很大。
　　廣西工業大學【10】研究了CADI在挖掘機斗齒中的應用。結果表明，CADI斗齒與鑄鋼斗齒相比，耐磨性提高大約48%。
　　4 CADI在選礦中的應用
　　在冶金、礦山、水泥、火力發電等工業領域研磨過程中，耐磨材料的磨損、能量消耗在經濟成本中占有相當大的比例。據資料【11】，研磨成本占總生產成本的40-50%。另據統計【7】，2011年我國金屬耐磨材料的消耗超過405萬噸，其中，磨球消耗近176萬噸，而在鐵礦、有色礦粉磨中消耗的磨球大約146萬噸，約占各行業磨球消耗總量的83﹪。
　　目前，在國內用于磨球的耐磨材料主要有低鉻白口鑄鐵和高鉻鑄鐵，而國外多使用鍛造合金鋼。這些不同材料的磨球在不同工況條件下發揮了較大的作用，但是存在著某些不可克服的問題，如低鉻白口鑄鐵磨球的韌性較低，容易破碎和剝落；高鉻鑄鐵磨球在腐蝕性介質的濕磨條件下耐磨性優勢不大，性價比不高，同時在大型球磨機中其韌性也顯不足，容易表面剝落；鍛鋼磨球的耐磨性較低，用量越來越少。磨球的破碎和剝落，這將使得粉磨工序管磨機的生產率降低、研磨效率下降、能耗增加以及磨礦閉環回路的輔助設備系統磨損嚴重。另外，目前我國使用的主要是鉻系抗磨材料磨球，而我國是一個鉻資源貧窮國家，90%的鉻鐵需要進口。因此，根據CADI的所具有的性能，CADI可以作為選礦球磨機研磨介質的優選耐磨材料，具有非常大的前景【12】。
　　印度H.Raghavendra等人【11】在實驗室利用ф200×300mm的小型球磨機，控制鐵礦漿料的PH值分別控制為7.0、9.0、10.5，研究了ф25mm的ADI磨球的耐磨性，并與鍛鋼磨球進行了對比。磨球的化學成分為3.6C、2.8Si、0.4Mn、0.3Mo、0.01S、0.01P、0.04Mg。實驗結果如表2所示。

表2 ADI磨球與鍛鋼磨球的耐磨性對比

　　作者注：相對耐磨性ε=鍛鋼磨球磨損率/ADI磨球磨損率。
　　由表2可見，盡管ADI磨球的硬度低于鍛鋼磨球，其耐磨性遠高于鍛鋼磨球，ADI-1工藝磨球是鍛鋼磨球的耐磨性是相同條件下鍛鋼磨球的3倍多，ADI-2工藝磨球的耐磨性是相同條件下鍛鋼磨球的1-2倍；如果將ADI-2工藝磨球的相對耐磨性定為1的話，ADI-1工藝磨球的相對耐磨性定為1.9-2.58倍；另外，礦漿的堿度對磨球的耐磨性影響非常大，不管是什么材質，礦漿堿度提高，磨球的耐磨性增加。再者，CADI磨球的研磨效率高于鍛鋼磨球，達到68%，而鍛鋼磨球為60%。
　　為了進一步提高選礦磨球的耐磨性，河北工業大學與遷西奧帝愛機械鑄造有限公司合作進行了近7年的CADI磨球的理論與應用研究，經過不同大小直徑的磨機應用實踐表明【13,14】，CADI磨球具有沖擊韌性高（本體大于7J），磨球內外的硬度分布均勻，抗沖擊疲勞剝落性能優越。在選礦應用中反映出具有以下特點：
　　1) CADI磨球破碎率非常低，提高磨礦效率，同時不像低鉻磨球一樣堵塞篦子板，產量增加10-20%。
　　2) 應用CADI磨球后，球磨機電力消耗可以節省10%左右。
　　3) 磨球的表面加工硬化能力非常強，表面硬度可以達到HRC64-68，而內部的韌性較高，所以不破碎，這是目前其他材質的磨球無法比擬的。
　　4) CADI磨球使用過程中，不失園，不變形，不剝落，從而有利于改善磨礦的效果，提高磁懸浮選礦的效率，降低尾礦的含鐵量。
　　5) 與低鉻鑄鐵磨球相比，耐磨性提高1-2倍；與高鉻鑄鐵磨球相比，耐磨性提高了20-40%；與鍛鋼球相比，耐磨性提高了1-2倍多。
　　6)     降低球磨機周圍環境的噪音10-12分貝。
　　7)     使用CADI磨球后，大大改善了球磨機系統輔助設備的使用壽命。
　　5 CADI的腐蝕磨損性能研究【15】
　　礦物研磨有兩種方式：干式研磨和濕式研磨。濕式研磨的效率遠比干式研磨高，并且操作環境的粉塵和噪聲等污染可以得到控制，因此，大多數金屬礦石研磨都采用濕式研磨，但是在濕式研磨機中，砂漿介質會給磨礦設備及配件帶來腐蝕問題。研究表明，在濕式磨礦中材料的消耗要遠大于干式磨礦。這意味著腐蝕作用給設備及工件帶來的消耗相當嚴重，濕式球磨機中的工況十分復雜且較為惡劣，金屬耐磨材料的失效方式為腐蝕和磨損的綜合作用，腐蝕和磨損交互作用會在很大程度上加速材料的流失。因此，研究CADI磨球材料的腐蝕磨損特性具有非常重要的實際工程應用價值。經過對CADI在酸性、中性和堿性介質中的腐蝕與腐蝕磨損特性研究得出：奧鐵體中奧氏體含量對CADI磨球在不同介質中的腐蝕磨損性能影響很大，應根據不同的介質條件，選擇不同含量奧氏體的CADI材料。在酸性、中性和堿性介質中，隨著奧氏體含量的增加，CADI的靜態腐蝕速度逐漸提高；當奧氏體量在22%左右時，腐蝕速度達到最大值；當奧氏體量大于22%后，在酸性和堿性介質中CADI的腐蝕速度又逐漸降低，但對于中性介質，CADI腐蝕速度變化不大。在酸性、中性和堿性介質中，隨著奧氏體含量的增加，CADI的靜態自腐蝕電位逐漸降低；當奧氏體量在22%左右時，自腐蝕電位降低到最小值；當奧氏體量大于22%后，在酸性和堿性介質中CADI的自腐蝕電位又逐漸提高，但對于中性介質，自腐蝕電位變化不大。在酸性、中性和堿性介質中，在低應力和沖擊載荷條件下，隨著奧氏體含量的增加，CADI的相對耐磨性逐漸降低；當奧氏體量在22%左右時，其耐磨性降低到最小值；當奧氏體量大于22%后，在酸性和堿性介質中CADI的耐磨性又逐漸提高，但對于中性介質，耐磨性變化不大。低應力載荷條件下，CADI在堿性介質中腐蝕磨損相對耐磨性優于在酸性和中性介質中的耐磨性。在沖擊載荷條件下，CADI在酸性介質中腐蝕磨損失重較大，但是其相對耐磨性優于在酸性和中性介質中的耐磨性。
　　6 CADI的熱處理工藝研究
　　由于ADI組織具有優良的耐磨性能，人們首先想到了將其應用于選礦球磨機中的研磨體-磨球。要獲得真正意義上的ADI需要正規的等溫淬火熱處理設備，當然需要較大的投資，因此，為了降低生產成本，20多年前，清華大學吳德海教授領導的團隊研究了水玻璃溶液連續熱處理工藝制備球鐵磨球，嚴格來講，其組織應該為馬氏體和貝氏體，并獲得了較廣泛的應用，但是，近年來有淡出市場的趨勢。近幾年，又出現了分級淬火工藝制備球墨鑄鐵磨球，也就是，先利用淬火油將磨球冷卻到一定的溫度，然后再將磨球放入到箱式電爐或者隧道窯式的電爐中保溫一定時間。這種工藝的球鐵磨球在生產中也獲得了一定應用。特別是，最近由河北工業大學和遷西奧迪愛機械鑄造有限公司聯合開發出了通過加入碳化物合金元素，獲得含碳化物的球墨鑄鐵，再經過等溫淬火工藝，獲得含碳化物的等溫淬火球墨鑄鐵磨球，簡稱CADI磨球，并在鐵礦的選礦中獲得成功應用，技術經濟效益顯著。目前，人們對這三種工藝處理得到的球墨鑄鐵磨球的組織、性能和應用效果，存在一定的模糊認識。為此，河北工業大學對利用等溫淬火、水玻璃溶液和油淬+回火的三種工藝獲得CADI磨球進行了對比試驗【16】，結論是：
　　（1）  鹽浴等溫淬火CADI磨球的體積硬度大于其他兩種熱處理工藝制備的球鐵磨球，沖擊韌性略低于其他兩種工藝，但完全可以滿足球磨機的使用要求。
　　（2）  實驗室和實際應用考核表明，等溫淬火CADI磨球耐磨性優于其他兩種熱處理工藝制備的磨球。與油淬+保溫磨球相比，CADI磨球的耐磨性提高26%，與水玻璃溶液淬火磨球相比提高36%。
　　（3）  等溫淬火CADI磨球使用過程中富碳奧氏體發生容易應變強化，其強化能力遠大于其他兩種工藝的磨球，而且沒有碎球和失圓。
　　（4）  磨球常規力學性能，如硬度和沖擊韌性，不能作為衡量磨球優良的唯一性指標，實際上，磨球的耐磨性與其組織類型有很大關系。
　　由于CADI組織中存在著一定數量的碳化物，與ADI相比，使得其沖擊韌性大大降低。為了提高CADI沖擊韌性，合肥工業大學【17】利用高溫預處理對CADI組織與性能的影響，結果表明：采用高溫預處理對改善碳化物的形態和分布有明顯的影響。隨著高溫預處理溫度的升高、保溫時間的延長，試樣組織中的碳化物數量逐漸減少，硬度略有下降；經高溫預處理的CADI，表現為宏觀硬度有一定程度的下降，但沖擊韌度卻有較顯著的提高；對于含鉻0.5%、1.0%試樣經過高溫預處理后，與未經高溫預處理相比，硬度分別下降了 3.3%、4.7%，但沖擊韌度分別提高了51.1%、78.4%；由于沖擊韌性提高，抗沖擊磨粒磨損耐磨性提高了31%左右。
　　另外，印度S.A.Patil等人對經過250℃、325℃、400℃等溫處理的CADI（3.6%C、4.3%Cr、1.9%Si）進行了-185℃超低溫處理24h和36h，發現經過超低溫處理后的銷盤式磨損CADI耐磨性較沒有經過超低溫處理試樣提高【18】。分析其原因是，在進行超低溫處理時，在奧鐵體的基體中，析出了彌散的碳化物。
　　7 CADI的發展趨勢
　　由于CADI具有獨特的組織與性能特點，作為一種新型強韌性抗磨材料，已經引起了人們的重視。近幾年，我國許多高等學校和研究機構從化學成分、熱處理工藝等方面對CADI的組織、力學性能和耐磨性進行了研究，取得了很好的研究成果【19、20】。根據我們大量的研究和實際應用表明，實驗室的研究結果和現場的應用情況相差很大。其原因是：人們對這種新型抗磨材料的磨損機制還不是很清楚，特別是在具有腐蝕磨損的工況條件下的磨損機制；另外，CADI材料的組織與性能對原始組織和工藝參數非常敏感，工業化大量生產時的工藝參數穩定性控制有較大的難度，更何況，人們對CADI的工業化生產過程中的某些規律掌握的還不夠。CADI不是有些人想象的那樣簡單，將鑄件毛坯高溫奧氏體化后，放到一定溫度的硝鹽溶液中保溫一定時間取出即可。因此，為了使這種新型的抗磨材料健康地發展，還要進行許多的研究工作。
　　1、深入研究CADI的強化機制、腐蝕規律以及腐蝕磨損的機制。一般來講，CADI鑄態組織中碳化物的獲得是靠加入碳化物合金元素，而這一類元素都是凝固正偏析元素，微觀上分布非常不均勻，嚴重影響了CADI的淬透性和腐蝕性能，以及腐蝕磨損性能。另外，材料的磨損流失都是發生在材料的表面，而真正影響CADI使用性能的因素是CADI材料或鑄件表面的組織與性能。也即研究CADI耐磨件在服役過程中的材料表面實時的磨損機制對合理選擇其工藝參數是非常重要的。
　　2、開發低成本高效的等溫淬火爐。自從上個世紀70年代人們研究ADI以來，至今有40多年的時間了。但是，真正批量應用于商業化生產，還是進入21世紀之后的事。究其原因是多方面的，但是等溫淬火熱處理裝備的發展制約了ADI的商業化應用。對于CADI的工業化生產也是如此。因此，本文在此呼吁，若要保證CADI抗磨材料的性能穩定，使得CADI耐磨鑄件得到用戶的認可，嚴格控制工藝參數的一致性是關鍵，為此，等溫淬火熱處理設備是一個千萬不可忽視的重要因素【21】。因此，開發適用于CADI耐磨鑄件的高效低成本熱處理設備是當務之急。
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