第1章 铸铁发展简史

1.1 铸造技术发展简史

铸造是指熔炼金属、制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得具有一定形状、尺寸和性能金属零件毛坯的成形方法。铸造毛坯因接近最终形状，而达到免于机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缩短了制造周期。铸造是现代制造工业的基础工艺之一。

人类在长期的生产实践中，不断地积累生产经验和提高劳动技能，进而改进劳动工具，经过不断改进和创新，创造出新技术。

人类在石器时代使用的能源和材料是火和石头，以石器为主要劳动工具，有了斧、凿、锯、镰、锄、锛等石器工具，也有了刀、矛、箭等石器兵器。但石材功能毕竟有限，性能也不能适应社会发展的要求；火的使用是人类一大进步，火给人们带来了光明和温暖，使人类社会步入文明，实现了人类技术史上第一次的能量转换，也增强了人类改造自然的力量，促使了烧制陶器、铸冶金属等技术的形成。从技术上说，旧石器时代对石器只能简单地打制加工，而新石器时代则对石器采用了磨制技术，并能利用火烧制陶器（见图1-1）。

铸造就是在运用制造石器、陶器技术基础上发展起来的技术。铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，已有约6000年的历史。自从地球的矿物质被发现以来，金属铸造在人类社会发展中一直起着重要作用。作为各种技术不可分割的一部分，铸造使人类能够制造出赖以生存的器皿、工具和设备，是人类实现美好生活的关键手段。

根据对埃及、美索不达米亚（两河流域）、印度、中国等古文明发生较早地区的金属文化考察，人类最早是用天然铜锻制饰物或工具的，稍晚出现了将铜重熔铸成器物的技术，在此基础上逐步掌握了还原氧化铜获得金属铜的冶炼技术。由于锡能大大提高铜铸件强度，铅能提高金属流动性，人类据此发明了锡青铜并将其应用于社会生产生活中。青铜时代所开拓的金属冶炼和金属工具制作和使用，是人类文明的转折点之一。

考古资料表明，最早冶炼青铜来自公元前3000年的美索不达米亚。埃及及希腊则分别在公元前2800年和公元前2000年出现金属铜冶炼技术（见图1-2）。我国早期的铜器目前发现得还不多，对我国早期的冶金技术研究才开始。我国的冶金技术和世界其他地区一样，也是从使用天然铜发展到人工炼铜。我国约在公元前1700—公元前1000年已进入青铜铸件的全盛期，工艺上已达到相当高的水平。我国商朝时期重达875kg的司母戊方鼎（见图1-3）、战国时期的曾侯乙尊盘（见图1-4）、西汉时期的透光镜，都是中国古代铸造的代表产品。

早期的铸件大多是农业生产、宗教、生活等方面的工具或用具，艺术色彩浓厚。那时的铸造工艺是与制陶工艺并行发展的，受陶器的影响很大。

铁矿石是地壳主要组成部分之一，铁在自然界中分布是十分广泛的。但是人类发现和利用铁却比铜要迟，原因是天然纯铁在地球上几乎找不到，人类最早所发现的纯铁是天空落下的陨铁，无论埃及或是美索不达米亚的最古文明地区所发现的最早的铁器都是由陨铁制成的。

铁矿石冶炼技术的发明标志着人类在铜冶炼的基础上开创了冶金史的新阶段。由于铁矿在世界分布广阔，铁器又比铜器性能更佳，因此铁器的应用极大地提高了生产力。

在冶铁技术发明的初期炼铁炉小而简单，供风技术原始，炼铁时，把矿石和木炭一层夹一层的从炉子上面加进去，炉内炭火不旺，炉温不够高，在1000℃左右，被还原铁块沉落到炉底冷炉后取出，这样炼成的铁块结构疏松、内含氧化铁和硅酸盐夹杂，称为“块炼铁”，需要在锻铁炉里重新加热、不断锻打才能挤出大部分夹杂，取得较纯的熟铁，锻造成各种铁器。

自古以来，冶铁生产出的铁主要是块炼铁（或称“熟铁”“锻铁”）、生铁和钢三种。这些铁实际上都是铁碳合金，碳质量分数在0.5%以下的是块炼铁，碳质量分数在0.5%～2.0%的是钢，碳质量分数在2.0%～5.0%的是生铁。因生铁只能用熔化、浇注的方法铸造成形铸件，又称为铸铁。

熟铁比生铁、钢软得多，因碳含量低，熔点较高，在1500℃左右，早期的熔炼技术很难把它熔化，只有靠延展性加热锻打成各种器物。生铁硬度比熟铁高，又比较脆，不适于锻打延展而适于用重熔铸成各种铸件，由于生铁含有更多的碳元素，熔点比熟铁低约300℃。在早期冶炼块炼铁的时候，或多或少地得到一些碳含量较高的生铁，并利用生铁低熔点的特性铸成铁器，逐渐发明了生铁的铸造技术——铸铁技术。

关于世界上铁矿石冶炼技术的最早发明时期，目前学术界还没有最终的结论，比较可靠的是至少从公元前1200至公元前1000年在埃及、美索不达米亚、爱琴等地区都已有铁器的应用。铁器在意大利大约出现在公元前900年，大约公元前600年整个欧洲才比较普遍使用铁器。我国开始冶铁和使用铁器的时间由于早期的铁器考古发现不够多，也没有取得一致的结论，但从已有的考古成果看我国早在春秋时期（公元前770年—公元前476年）就已经发展到较高水平：一方面铁器已经应用到农具、手工具和兵器等用途上；同时也能根据不同需要采取各种冶炼技术，用“块炼铁”技术炼出熟铁锻打铁条，用生铁铸造工具器皿等，用钢锻打制作锋利的钢剑。

非常重要的是我国是世界上最早发明冶铸生铁技术的国家。由于殷、周时代的冶铸青铜技术高度发展，大大提前了冶铸生铁技术的发明时间。公元前513年，我国就铸出世界上最早见于文字记载的铸铁件——晋国铸型鼎，重约270kg，《左传》中记载了的春秋末年晋国用铁来铸造“刑鼎”这件事。在钢铁方面，世界上长期采用固态还原的块炼铁和固体渗碳钢，而在我国铸铁和用生铁制钢一直是主要的方法。由于铸铁和生铁炼钢法的发明和发展，我国的冶金技术在明代中叶以前一直居于世界先进水平。使用木风箱和焦炭炼铁、生铁炼钢的冶炼、永乐大钟的铸造等，都标志着古代我国冶金技术的卓越水平。

欧洲在公元8世纪前后也开始生产铸铁件。铸铁件的出现，扩大了铸件的应用范围。例如在15～17世纪，德、法等国先后铺设了不少向居民供饮用水的铸铁管道。18世纪的工业革命以后，蒸汽机、纺织机和铁路等器械产生，致使工业兴起，铸件进入为大工业服务的新时期，铸造技术开始有了大的发展。以上金属时代的起始年限见表1-1。

进入20世纪，铸造技术的发展速度很快。其重要因素之一是随着产品技术的进步，要求铸件各种力学性能更好，同时仍具有良好的可加工性。机械工业本身和如化工、仪表等其他工业的发展，给铸造业创造了有利的物质条件。检测手段的发展，保证了铸件质量，并给铸造理论的发展提供了条件。电子显微镜等观测仪器的发明，帮助人们深入到金属的微观世界，探查金属结晶的奥秘，研究金属凝固的理论，指导铸造生产。

在这一时期内开发出大量性能优越、品种丰富的新铸造金属材料，如球墨铸铁，能焊接的可锻铸铁，超低碳不锈钢，铝铜、铝硅、铝镁合金，钛基、镍基合金等，并发明了对灰铸铁进行孕育处理的新工艺，使铸件的适应性更为广泛。

20 世纪 50 年代以后，出现了湿砂高压造型，化学硬化砂造型和造芯，负压造型以及其他特种铸造、抛丸清理等新工艺，使铸件具有很高的形状及尺寸精度和良好的表面质量，铸造车间的劳动条件和环境卫生也大为改善（见图1-5）。

20世纪以来铸造业的重大进展中，灰铸铁的孕育处理、球墨铸铁和化学硬化砂造型这三项新工艺有着特殊的意义。这些发明，冲破了延续几千年的传统方法的束缚，给铸造工艺开辟了新的领域，对提高铸件的竞争能力产生了重大的影响。