我国造型材料的现状和发展趋势

87我国造型材料的现状和发展趋势黄乃瑜（华中科技大学材料科学与工程学院武汉430074）摘要：我国的造型材料已经完成由计划经济向市场经济的过渡，已成为当代世界上造型材料商品市场发展最快的国家，目前造型材料的生产和商品供应在数量上已基本上可以满足我国铸造生产迅猛增长的需要，但从质量、效益和环境保护、资源再生利用方面来看，与工业发达国家还有较大差距，造型材料如何进一步适应由“铸造大国”向“铸造强国”的转变？未来国内外造型、制芯材料、涂料及性能测试等技术的发展趋势如何？中国企业家如何在激烈竞争的国际环境下做大做强？本文将逐一对这些问题进行讨论。ThestatusandprogressoffoundrymaterialsinChinaHuangNaiyuHuaZhongUniversityofScienceandTechnologyAbstract:Duringthepast30years,Chinesemouldingmaterialmarkethasdevelopedguickly.Inthemarket-orientedeconomy,mouldingmaterialcommoditysatisfiedthedemandsofqucicklydevelopingfaundryproductioninquantity.Howevresthequalityofmouldingmaterialcommoditystilldifferfromthatoftheadvancedindustriedcountry.Howtoimprovethequalityofmouldingmaterialcommodity?Whatismouldingmaterialtechnicaltendency?HowtheChineseenterprisesbecomehighlycompetitiveintheinternationalmarket?Allabovequestionswillbediscussedinthispaper.一、我国造型材料发展的进程及现状1、我国造型材料的发展分三个阶段第一阶段，1949-1978年，计划经济时期：自给自足，计划调拨。第二阶段：1978-2002年，改革开放，建立市场经济时期：一批国际知名的造型材料厂商（如Foseco，Ashland，HA、南化红山）落户中国，带来了先进的产品和技术；引进消化，跟纵研究十分活跃；一大批中小型造型材料企业如雨后春笋应运而生；造型材料商品琳琅满目，市场异常活跃，在数量上满足了高速增长的铸造生产的需要（硅砂：1000万吨以上；树脂粘结剂：2.5~3.0万吨；商品涂料：2.0~2.5万吨；总产值：200亿以上）。第三阶段：2002~2022年：建成高度发达、完善的造型材料市场，以适应我国由“铸造大国”向“铸造强国”转变的需要。着重提高造型材料的质量和效益，实现清洁生产，资源和能源的再生利用；完成产业结构调整实现“专业化、规模化、规范化”生产，“小巨人”、“明星企业”的市场占有率超过50%；主要造型材料的性能指标达到国际先进水平；研究开发、自主创新的能力大大增强，自主创新的新成果不断出现；2、对我国造型材料发展现状的评估A、改革开放以来，我国造型材料商品市场空前发展，无论数量、品种、技术水平都提高很快，是同时期世界造型材料发展最快的国家。呋喃树脂自硬砂已建成数百条生产线，技术水平和铸件质量达到世界先进水平，从北方工业公司、一汽铸造有限公司、常州有机化工厂引进Ashland公司呋喃树脂和三乙胺冷芯盒技术到Ashland，HA，海沃斯公司在中国市场独资或合资设厂，多种树脂砂（酸自硬88树脂砂、尿烷自硬树脂砂、酯固化碱性酚醛树脂砂）得到了普遍应用。数百家复膜砂专业厂相继建立，高强度、低膨胀、低发气、速硬、耐热、易溃散以及离心铸造用覆膜砂已经出现，优质酚醛树脂得到应用。热芯盒继续普遍应用的同时，三乙胺冷芯盒应用越来越普遍，比重逐渐增长。辽宁南化红山膨润土有限公司等引进国外先进设备和技术，提供了各种规格，质量稳定的膨润土粉，为我国高密度型砂的发展奠定了基础；我国是世界玻璃砂应用最多的国家，近十几年来对水玻璃基本组成、老化现象认识的深化及脂硬化水玻璃砂工艺的开发，使水玻璃砂的生产应用有突破性的进展，水玻璃加入量下降到2.5~3.5%，水玻璃砂溃散性和回用性问题取得了重大进展。由于Foseco公司的加盟，以及我国产学研结合开发研究取得的成果，使涂料专业生产厂迅速增加，涂料的品种，数量都有显著增长，质量也有所提高，流涂涂料、转移涂料、多功能用途涂料开始得到应用。型砂的测试仪器由老8件发展到现在近百个品种，在测试精度、可靠性和智能化方面都有长足进步，而且出现了一些造型材料在线检测控制系统。B、目前，我国造型材料的生产和商品供应（包括外资企业）在数量上基本上能满足铸造生产迅速增长的需要，为近年来中国迅速崛起成为世界铸造大国作出了贡献。但质量和效益以及清洁生产、循环经济方面与世界铸造先进水平还有较大差距。C、引进消化、跟踪研究取得了显著成果，为中小企业的成长提供了强有力的技术支持，冲破了无竞争对手的奇货可居的局面，对平定市场价格起到积极作用，但目前总体上看，以企业为核心的产学研体系尚不稳完善，科研开发的投入太少，后继人才缺乏，检测技术还比较薄弱，创新研究凤毛麟角，企业普遍缺乏可持续发展后劲。D、出现了济南圣泉、苏州兴业等具有相当规模和竞争力的造型材料企业，为产业结构调整提供了经验，但从总体上看，我国造型材料行业还是过于分散，低水平重复多，缺乏竞争力。二、造型材料在实现铸造强国中的地位和作用1、铸造强国的具体要求目前水平强国要求生产效益8.4吨/人·年4万元/人·年60~80吨/人·年30万元/人·年铸件质量废品率10~15%加工余量20%5%10%铸件出口占总产量10%（技术含量低产品）30%（高档产品）铸件品种铝合金5%球铁14%合金钢25%10%25%40%煤耗500~700kg/吨铸件400kg/吨铸件废弃物回收率10%30%以上指标可以概括为铸件生产的“绿色化”和“集约化”两大方面：89“绿色化”——符合环保要求，对环境无害，最大限度地利用资源和节约能源；“集约化”——在资源得到充分利用和保护的同时，获得最大的产出效益。2、造型材料在实现铸造生产绿色化和集约化的地位和作用。A、造型材料的优劣直接影响铸件的质量和效益。据统计，由造型材料引起的废品，占总废品率50%以上，我国目前废品率10~15%要下降到世界先进水平5%以下，造型材料承担着重要责任。铸件成本的70%与造型材料有关。优质的造型材料对提高铸件质量和效益起着决定性的作用。例一：用树脂自硬砂代替粘土型生产机床铸件，尺寸精度提高2级，达到CT9-10级；表面粗糙度提高1~2级，达到Ra=12.5~50m。铸件废品率3%；单位车间面积产量提高3倍。例二：某厂生产铝合金铸件，原采用ZnO涂料，铸件废品率30%，采用金属型系列涂料后废品率下降到5%。熔铝坩堝原用ZnO保护涂料，6小时增铁0.044%，使用寿命1~2个班次，改用保护性烧结屏蔽涂料后18个小时增铁0.0008%，使用寿命6~8个班次B、造型材料对铸造清洁化生产的循环经济有着决定性的作用。据粗略统计1吨铸件将产生1吨废砂，2005我国铸件产量2440万吨，全年产生废砂有2440万之多；造型（芯）时的有机粘结剂散发出的游离甲醛、游离酚、三乙胺，潮模砂、消失模、树脂自硬砂浇注后产生的CO、CO2和甲苯、二甲苯等有害气体也严重污染着环境；混砂、落砂、清理过程中产生的粉尘污染据统计1吨合格铸件排放的粉尘约50kg，2005年我国生产了2400万吨合格铸件，排放的总粉尘高达120万吨之多。以上这些废砂、废气和粉尘污染如不能得到有效治理，铸造清洁化生产岂不是一句空话！与此同时，造型材料也消耗着大量的能沅。捋用不同的工艺，能沅消耗的差别是非常大的，譬如：冷芯盒与热法比，不仅可以提高劳动生产率和铸件精度，而且其能耗仅为壳型的1/7，热芯盒的1/5，油芯的1/10。三、造型材料的发展趋势总的说来，要建立与铸造生产“集约化”（优质高效，近地余量精确成形），“绿色化”（清洁生产，循环经济）相适应的造型材料体系，建成高度发达，比较完善的造型材料商品市场以满足“铸造强国”的需要。具体地说中小型铸铁件大批量生产，将广泛采用射压，气冲，高压和静压等高密度湿型砂自动线，配合高效连续混砂机和人工智能型砂在线控制专家系统。采用高质量的活化膨润土，并进一步开发将煤粉加入到膨润土中，同时添加某些有机物的复配粉以解决混砂加料时煤粉的环保和安全问题。大中型单件小批生产的铸件，将继续扩大树脂自硬砂的应用范围（由10%左右增加到约20%），在进一步提高酸自硬呋喃树脂砂综合性能指标（加入量0.8~0.9%，铁砂比1：3~1：4，废品率2%，旧砂回用率95%）的同时，发挥尿烷自硬树脂砂、酯固化碱性酚醛树脂砂整体硬化和不含N、P、S等有害元素的特点，形成多种自硬砂竞相发展相得益彰的局面，大力开发少、无污染的树脂新材料，显著降低水平，现有树脂中游离甲醛，游离酚含量，使铸造过程、挥发的苯、二甲苯降到尽可能低树脂品种要更加多样化、系列化，譬如，90适应铸件“轻量化”的要求，开发易溃散的镁、铝铸件用树脂。近年来，国外开发的一种树脂自硬砂组芯造型、在可控气氛可控制压力下精确成形的复合工艺，值得推广应用。对于大部分铸钢体，倾向于采用酯硬化水玻璃砂，加入量可以降低到2.5-3.5%，溃散性显著降低，干法落砂成为可能，旧砂回用率大大提高。制芯方面，将由目前的热法为主向冷法占优势过渡，冷法以三乙胺法为主，要继续改进树脂，改进吹气工艺和尾气净化，使三乙胺排放量达到工业卫生标准（5×10-4%。长期3×10-4%）譬如，用甲酯代替芳香烃做树脂和催化剂。大力开发CO2碱酚醛树脂砂，甲酸甲酯固化酚醛树脂砂等低毒、无毒、冷芯盒工艺。热芯盒要进一步提高树脂的反应活性，开发廉价的温芯盒催化剂，逐步向温芯盒过渡。复膜砂在汽车铸件生产中仍会有相当的规模，其发展趋势是搞高树脂的强韧性，降低游离酚含量，并增加低发气、低膨胀、速硬、耐热及易复膜砂等优质品种。铸造涂料的发展趋势是：适应铸件精确成形和高效生产的需求，研发高质量的流涂涂料，不占位涂料；涂料效能向多功能化发展（如防脉纹涂料，表面合金化涂料，控制凝固速度涂料，防透碳、渗硫的屏蔽涂料等），适应环境保护的要求，研制浅色涂料取代黑色涂料，载液尽量不用苯、二甲苯、洒精、甲醇等有害挥发性溶剂，尽量扩大水基涂料的比重，并采用快干、热喷涂等高效干燥方法；规范涂料性指标，建立检测标准，开发新的测试仪器（如发气性实时测定系统，X光实时透视技术，涂料结疤倾向及高温透气性测试仪等），使涂料质量管理建立在科学监控的基础上；开发新的涂料在线自动控制装置，通过密度的精确控制使用性能稳定一致。型砂性能测仪器要进一步提高可靠性和稳定性，并开发新的的实时控制检测仪器。更广泛地应用智能化，网络化提高型砂的线检测控制系统的可靠性和效率。四、对中国造型材料企业家们建言加入世贸组织以后，一切竞争都是在国际大环境下的竞争，中国的造型材料企业要站稳脚跟并向前发展，就必须敢与Ashland、Foseco、HA、海沃斯这些国际知名企业竞争，必须要有越来越多的自己的“品牌”。要有中国人自己的“名星企业”。中国企业如何在激烈的国际竞争中取胜？我认为，一靠优良的产品质量和服务，二靠不断的产品创新。我想举德国玛尔市以膨润土为主导产品，几代家族传承的百年老厂IKO公司为例，这是一个仅有120名职工的小厂，年销售额1.5亿马克（折合人民币，人均年产值563万元），占有德国同类产品70%的市场份额，他们的主要经验：1、符合科技发展趋势的优良产品——高效膨润土、煤粉和有机物复配粉；精益求精，经过几代人的努力，建立了用户信得过的知名品牌；2、先进的测试器，对生产过程进行严格监控，保证质量的稳定性和一致性；3、从世界各国采购优质的原料，并进行严格的原料进厂监控；4