第1章 鑄鐵發(fā)展簡史

1.1 鑄造技術(shù)發(fā)展簡史

鑄造是指熔煉金屬、制造鑄型，并將熔融金屬澆入鑄型，凝固后獲得具有一定形狀、尺寸和性能金屬零件毛坯的成形方法。鑄造毛坯因接近最終形狀，而達到免于機械加工或少量加工的目的，降低了制造成本并在一定程度上縮短了制造周期。鑄造是現(xiàn)代制造工業(yè)的基礎(chǔ)工藝之一。

人類在長期的生產(chǎn)實踐中，不斷地積累生產(chǎn)經(jīng)驗和提高勞動技能，進而改進勞動工具，經(jīng)過不斷改進和創(chuàng)新，創(chuàng)造出新技術(shù)。

人類在石器時代使用的能源和材料是火和石頭，以石器為主要勞動工具，有了斧、鑿、鋸、鐮、鋤、錛等石器工具，也有了刀、矛、箭等石器兵器。但石材功能畢竟有限，性能也不能適應社會發(fā)展的要求；火的使用是人類一大進步，火給人們帶來了光明和溫暖，使人類社會步入文明，實現(xiàn)了人類技術(shù)史上第一次的能量轉(zhuǎn)換，也增強了人類改造自然的力量，促使了燒制陶器、鑄冶金屬等技術(shù)的形成。從技術(shù)上說，舊石器時代對石器只能簡單地打制加工，而新石器時代則對石器采用了磨制技術(shù)，并能利用火燒制陶器（見圖1-1）。

鑄造就是在運用制造石器、陶器技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的技術(shù)。鑄造是人類掌握比較早的一種金屬熱加工工藝，已有約6000年的歷史。自從地球的礦物質(zhì)被發(fā)現(xiàn)以來，金屬鑄造在人類社會發(fā)展中一直起著重要作用。作為各種技術(shù)不可分割的一部分，鑄造使人類能夠制造出賴以生存的器皿、工具和設(shè)備，是人類實現(xiàn)美好生活的關(guān)鍵手段。

根據(jù)對埃及、美索不達米亞（兩河流域）、印度、中國等古文明發(fā)生較早地區(qū)的金屬文化考察，人類最早是用天然銅鍛制飾物或工具的，稍晚出現(xiàn)了將銅重熔鑄成器物的技術(shù)，在此基礎(chǔ)上逐步掌握了還原氧化銅獲得金屬銅的冶煉技術(shù)。由于錫能大大提高銅鑄件強度，鉛能提高金屬流動性，人類據(jù)此發(fā)明了錫青銅并將其應用于社會生產(chǎn)生活中。青銅時代所開拓的金屬冶煉和金屬工具制作和使用，是人類文明的轉(zhuǎn)折點之一。

考古資料表明，最早冶煉青銅來自公元前3000年的美索不達米亞。埃及及希臘則分別在公元前2800年和公元前2000年出現(xiàn)金屬銅冶煉技術(shù)（見圖1-2）。我國早期的銅器目前發(fā)現(xiàn)得還不多，對我國早期的冶金技術(shù)研究才開始。我國的冶金技術(shù)和世界其他地區(qū)一樣，也是從使用天然銅發(fā)展到人工煉銅。我國約在公元前1700—公元前1000年已進入青銅鑄件的全盛期，工藝上已達到相當高的水平。我國商朝時期重達875kg的司母戊方鼎（見圖1-3）、戰(zhàn)國時期的曾侯乙尊盤（見圖1-4）、西漢時期的透光鏡，都是中國古代鑄造的代表產(chǎn)品。

早期的鑄件大多是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、宗教、生活等方面的工具或用具，藝術(shù)色彩濃厚。那時的鑄造工藝是與制陶工藝并行發(fā)展的，受陶器的影響很大。

鐵礦石是地殼主要組成部分之一，鐵在自然界中分布是十分廣泛的。但是人類發(fā)現(xiàn)和利用鐵卻比銅要遲，原因是天然純鐵在地球上幾乎找不到，人類最早所發(fā)現(xiàn)的純鐵是天空落下的隕鐵，無論埃及或是美索不達米亞的最古文明地區(qū)所發(fā)現(xiàn)的最早的鐵器都是由隕鐵制成的。

鐵礦石冶煉技術(shù)的發(fā)明標志著人類在銅冶煉的基礎(chǔ)上開創(chuàng)了冶金史的新階段。由于鐵礦在世界分布廣闊，鐵器又比銅器性能更佳，因此鐵器的應用極大地提高了生產(chǎn)力。

在冶鐵技術(shù)發(fā)明的初期煉鐵爐小而簡單，供風技術(shù)原始，煉鐵時，把礦石和木炭一層夾一層的從爐子上面加進去，爐內(nèi)炭火不旺，爐溫不夠高，在1000℃左右，被還原鐵塊沉落到爐底冷爐后取出，這樣煉成的鐵塊結(jié)構(gòu)疏松、內(nèi)含氧化鐵和硅酸鹽夾雜，稱為“塊煉鐵”，需要在鍛鐵爐里重新加熱、不斷鍛打才能擠出大部分夾雜，取得較純的熟鐵，鍛造成各種鐵器。

自古以來，冶鐵生產(chǎn)出的鐵主要是塊煉鐵（或稱“熟鐵”“鍛鐵”）、生鐵和鋼三種。這些鐵實際上都是鐵碳合金，碳質(zhì)量分數(shù)在0.5%以下的是塊煉鐵，碳質(zhì)量分數(shù)在0.5%～2.0%的是鋼，碳質(zhì)量分數(shù)在2.0%～5.0%的是生鐵。因生鐵只能用熔化、澆注的方法鑄造成形鑄件，又稱為鑄鐵。

熟鐵比生鐵、鋼軟得多，因碳含量低，熔點較高，在1500℃左右，早期的熔煉技術(shù)很難把它熔化，只有靠延展性加熱鍛打成各種器物。生鐵硬度比熟鐵高，又比較脆，不適于鍛打延展而適于用重熔鑄成各種鑄件，由于生鐵含有更多的碳元素，熔點比熟鐵低約300℃。在早期冶煉塊煉鐵的時候，或多或少地得到一些碳含量較高的生鐵，并利用生鐵低熔點的特性鑄成鐵器，逐漸發(fā)明了生鐵的鑄造技術(shù)——鑄鐵技術(shù)。

關(guān)于世界上鐵礦石冶煉技術(shù)的最早發(fā)明時期，目前學術(shù)界還沒有最終的結(jié)論，比較可靠的是至少從公元前1200至公元前1000年在埃及、美索不達米亞、愛琴等地區(qū)都已有鐵器的應用。鐵器在意大利大約出現(xiàn)在公元前900年，大約公元前600年整個歐洲才比較普遍使用鐵器。我國開始冶鐵和使用鐵器的時間由于早期的鐵器考古發(fā)現(xiàn)不夠多，也沒有取得一致的結(jié)論，但從已有的考古成果看我國早在春秋時期（公元前770年—公元前476年）就已經(jīng)發(fā)展到較高水平：一方面鐵器已經(jīng)應用到農(nóng)具、手工具和兵器等用途上；同時也能根據(jù)不同需要采取各種冶煉技術(shù)，用“塊煉鐵”技術(shù)煉出熟鐵鍛打鐵條，用生鐵鑄造工具器皿等，用鋼鍛打制作鋒利的鋼劍。

非常重要的是我國是世界上最早發(fā)明冶鑄生鐵技術(shù)的國家。由于殷、周時代的冶鑄青銅技術(shù)高度發(fā)展，大大提前了冶鑄生鐵技術(shù)的發(fā)明時間。公元前513年，我國就鑄出世界上最早見于文字記載的鑄鐵件——晉國鑄型鼎，重約270kg，《左傳》中記載了的春秋末年晉國用鐵來鑄造“刑鼎”這件事。在鋼鐵方面，世界上長期采用固態(tài)還原的塊煉鐵和固體滲碳鋼，而在我國鑄鐵和用生鐵制鋼一直是主要的方法。由于鑄鐵和生鐵煉鋼法的發(fā)明和發(fā)展，我國的冶金技術(shù)在明代中葉以前一直居于世界先進水平。使用木風箱和焦炭煉鐵、生鐵煉鋼的冶煉、永樂大鐘的鑄造等，都標志著古代我國冶金技術(shù)的卓越水平。

歐洲在公元8世紀前后也開始生產(chǎn)鑄鐵件。鑄鐵件的出現(xiàn)，擴大了鑄件的應用范圍。例如在15～17世紀，德、法等國先后鋪設(shè)了不少向居民供飲用水的鑄鐵管道。18世紀的工業(yè)革命以后，蒸汽機、紡織機和鐵路等器械產(chǎn)生，致使工業(yè)興起，鑄件進入為大工業(yè)服務(wù)的新時期，鑄造技術(shù)開始有了大的發(fā)展。以上金屬時代的起始年限見表1-1。

進入20世紀，鑄造技術(shù)的發(fā)展速度很快。其重要因素之一是隨著產(chǎn)品技術(shù)的進步，要求鑄件各種力學性能更好，同時仍具有良好的可加工性。機械工業(yè)本身和如化工、儀表等其他工業(yè)的發(fā)展，給鑄造業(yè)創(chuàng)造了有利的物質(zhì)條件。檢測手段的發(fā)展，保證了鑄件質(zhì)量，并給鑄造理論的發(fā)展提供了條件。電子顯微鏡等觀測儀器的發(fā)明，幫助人們深入到金屬的微觀世界，探查金屬結(jié)晶的奧秘，研究金屬凝固的理論，指導鑄造生產(chǎn)。

在這一時期內(nèi)開發(fā)出大量性能優(yōu)越、品種豐富的新鑄造金屬材料，如球墨鑄鐵，能焊接的可鍛鑄鐵，超低碳不銹鋼，鋁銅、鋁硅、鋁鎂合金，鈦基、鎳基合金等，并發(fā)明了對灰鑄鐵進行孕育處理的新工藝，使鑄件的適應性更為廣泛。

20 世紀 50 年代以后，出現(xiàn)了濕砂高壓造型，化學硬化砂造型和造芯，負壓造型以及其他特種鑄造、拋丸清理等新工藝，使鑄件具有很高的形狀及尺寸精度和良好的表面質(zhì)量，鑄造車間的勞動條件和環(huán)境衛(wèi)生也大為改善（見圖1-5）。

20世紀以來鑄造業(yè)的重大進展中，灰鑄鐵的孕育處理、球墨鑄鐵和化學硬化砂造型這三項新工藝有著特殊的意義。這些發(fā)明，沖破了延續(xù)幾千年的傳統(tǒng)方法的束縛，給鑄造工藝開辟了新的領(lǐng)域，對提高鑄件的競爭能力產(chǎn)生了重大的影響。