我国铸造新技术的发展趋势

我国铸造新技术的发展面对全球，信息、技术飞速发展，机械制造业尤其是装备制造业的现代化水平高速提升，中国(这里只讲大陆的情况，不包括台湾和港澳地区)铸造业当清醒认识自己的历史重任和与发达国家的现实差距，大胆利用现代科学技术及管理的最新成果，认清“只有实现高新技术化才能跟上时代步伐”的道理，把握现代铸造技术的发展趋势，采用先进适用技术，实施可持续发展战略，立足现实又高瞻远瞩，以振兴和发展中国铸造业的累累硕果来奠定中国现代工业文明进程的坚实基础。我国加入WTO和世界进入21世纪以来，人们从不同角度探讨铸造技术的发展并且发表了许多著述，为了给人们提供一个关于我国铸造技术发展现状和发展趋势的整体概念，引发同仁们更深入地思考，笔者就自己的认识以及参考了一些公开发表的文献，同时又吸纳了一些专家学者的意见，形成此文，以供同行参考。1发达国家铸造技术发展现状发达国家总体上铸造技术先进、产品质量好、生产效率高、环境污染少、原辅材料已形成商品化系列化供应，如在欧洲已建立跨国服务系统。生产普遍实现机械化、自动化、智能化(计算机控制、机器人操作)。铸铁熔炼使用大型、高效、除尘、微机测控、外热送风无炉衬水冷连续作业冲天炉，普遍使用铸造焦，冲天炉或电炉与冲天炉双联熔炼，采用氮气连续脱硫或摇包脱硫使铁液中硫含量达0.01%，以下：熔炼合金钢精炼多用AOD、VOD等设备，使钢液中H、O、N达到几个或几十个10～6的水平。在重要铸件生产中，对材质要求高，如球墨铸铁要求P小于0.04%、S小于0.02%，铸钢要求P、S均小于0.025%，采用热分析技术及时准确控制C、S含量，用直读光谱仪2～3min分析出十几个元素含量且精度高，C、S分析与调控可使超低碳不锈钢的C、S含量得以准确控制，采用先进的无损检测技术有效控制铸件质量。普遍采用液态金属过滤技术，过滤器可适应高温诸如钴基、镍基合金及不锈钢液的过滤。过滤后的钢铸件射线探伤A级合格率提高13个百分点，铝镁合金经过滤，铸件抗拉强度提高50%、伸长率提高100%以上。广泛应用合金包芯线处理技术，使球铁、蠕铁和孕育铸铁工艺稳定、合金元素收得率高、处理过程无污染，实现了微机自动化控制。铝基复合材料以其优越性能被广泛重视并日益转向工业规模应用，如汽车驱动杆、缸体、缸套、活塞、连杆等各种重要部件都可用铝基复合材料制作，并已在高级赛车上应用；在汽车向轻量化发展的进程中，用镁合金材料制作各种重要汽车部件的量已仅次于铝合金。采用热风冲天炉、两排大间距冲天炉和富氧送风，电炉采用炉料预热、降低熔化温度、提高炉子运转率、减少炉盖开启时间，加强保温和实行微机控制优化熔炼工艺。在球墨铸铁件生产中广泛采用小冒口和无冒口铸造。铸钢件采用保温冒口、保温补贴，工艺出品率由60%提高到80%。考虑人工成本高和生产条件差等因素而大量使用机器人。由于环保法制严格(电炉排尘有9国规定100～250mg/m3、冲天炉排尘，11国规定100～1000mg/m3，或0.25～1.5kg/t铁液；砂处理排尘，8国规定100～250mg/m3)，铸造厂都重视环保技术。在大批量中小铸件的生产中，大多采用微机控制的高密度静压、射压或气冲造型机械化、自动化高效流水线湿型砂造型工艺，砂处理采用高效连续混砂机、人工智能型砂在线控制专家系统，制芯工艺普遍采用树脂砂热、温芯盒法和冷芯盒法。熔模铸造普遍用硅溶胶和硅酸乙酯做粘结剂的制壳工艺。用自动化压铸机生产铸铝缸体、缸盖；已经建成多条铁基合金低压铸造生产线。用差压铸造生产特种铸钢件。所生产的各种口径的离心球墨铸铁管占铸铁管总量95%以上，球铁管占球铁年产量30%～50%。成功地采用EPC技术大批量生产汽车汽缸体、缸盖等复杂铸件，生产率达180型/h。在工艺设计、模具加工中，采用CAD/CAM/RPM技术；在铸造机械的专业化、成套化制备中，开始采用CIMS技术。铸造生产全过程主动、从严执行技术标准，铸件废品率仅2%～5%；标准更新快(标龄4～5年)；普遍进行ISO9000、IS014000等认证。重视开发使用互联网技术，纷纷建立自己的主页、站点。铸造业的电子商务、远程设计与制造、虚拟铸造工厂等飞速发展。2我国铸造技术发展现状总体上，我国铸造领域的学术研究并不落后，很多研究成果居国际先进水平，但转化为现实生产力的少。国内铸造生产技术水平高的仅限于少数骨干企业，行业整体技术水平落后，铸件质量低，材料、能源消耗高，经济效益差，劳动条件恶劣，污染严重。具体表现在，模样仍以手工或简单机械进行模具加工；铸造原辅材料生产供应的社会化、专业化、商品化差距大，在品种质量等方面远不能满足新工艺新技术发展的需要；铸造合金材料的生产水平、质量低；生产管理落后；工艺设计多凭个人经验，计算机技术应用少；铸造技术装备等基础条件差；生产过程手工操作比例高，现场工人技术素质低；仅少数大型汽车、内燃机集团铸造厂采用先进的造型制芯工艺，大多铸造企业仍用震压造型机甚至手工造型，制芯以桐油、合脂和粘土等粘结剂砂为主。大多熔模铸造厂以水玻璃制壳为主；低压铸造只能生产非铁或铸铁中小件，不能生产铸钢件；用EPC技术稳定投入生产的仅限于排气管、壳体等铸件，生产率在30型/h以下，铸件尺寸精度和表面粗糙度水平低；虽然建成了较完整的铸造行业标准体系，但多数企业被动执行标准，企业标准多低于GB(国标)和ISO(国际标准)，有的企业废品率高达30%；质量和市场意识不强，仅少数专业化铸造企业通过了ISO9000认证。结合铸造企业特点的质量管理研究十分薄弱。近年开发推广了一些先进熔炼设备，提高了金属液温度和综合质量，如外热式热风冲天炉开始应用，但为数少，使用铸造焦的仅占1%。一些铸造非铁合金厂仍使用燃油、焦炭坩埚炉等落后熔炼技术。冲天炉—电炉双联工艺仅在少数批量生产的流水线上得以应用。少数大、中型电弧炉采用超高功率(600～700kVA/t)技术。开始引进AOD、VOD等精炼设备和技术，提高了高级合金铸钢的内在质量。重要工程用的超低碳高强韧马氏体不锈钢，采用精炼技术提高钢液纯净度，改善性能。0Crl6Ni5Mo、Crl3Ni5Mo铸造马氏体不锈钢在保持原有韧性基础上，屈强比由0.70～0.75提高到0.85～0.90，强度提高30%～60%，硬度提高20%～50%。广泛应用国内富有稀土资源，如稀土镁处理的球墨铸铁在汽车、柴油机等产品上应用；稀土中碳低合金铸钢、稀土耐热钢在机械和冶金设备中得到应用；初步形成国产系列孕育剂、球化剂和蠕化剂，推动了铸铁件质量提高。高强度、高弹性模量灰铸铁用于机床铸件，高强度薄壁灰铸铁件铸造技术的应用，使最薄壁厚达4—16mm的缸体、缸盖铸件本体断面硬度差小于HB30，组织均匀致密。灰铸铁表面激光强化技术用于生产。人工智能技术在灰铸铁性能预测中应用。蠕墨铸铁已在汽车排气管和大马力柴油机缸盖上应用，汽车排气管使用寿命提高4—5倍。钒钛耐磨铸铁在机床导轨、缸套和活塞环上应用，寿命提高1～2倍。高、中、低铬耐磨铸铁在磨球、衬板、杂质泵、双金属复合轧辊上使用，寿命提高。应用过滤技术于缸体、缸盖等调高强度薄壁铸件流水线生产中，减少了夹渣、气孔缺陷，改善了铸件内在质量。国产水平连铸生产线投入市场，可生产直径30～250mm圆形及相应尺寸的方形、矩形或异形截面的灰铸铁及球墨铸铁型材。与砂型比，性能提高1～2个牌号，铁液利用率提高到95%以上，节能30%，节材30%一50%，毛坯加工合格率达95%以上。铸铁管行业引进10套直径1000mm以下的中型球墨铸铁管离心铸造成套设备。金属基复合材料研究有进步，短纤维、外加颗粒增强、原位颗粒增强研究都有成果，但较少实现工业应用。某些重点行业的骨干铸造厂采用了直读光谱仪和热分析仪，炉前有效控制了金属液成分，采用超声波等检测方法控制铸件质量。环保执法力度日渐加强，迫使铸造业开始重视环保技术。沈阳铸造研究所等开发了大排距双层送风冲天炉和冲天炉除湿送风技术；我国初建铸造焦生产基地，形成批量规模。铸造尘毒治理、污水净化、废渣利用等取得系列成果，并开发出多种铸造环保设备(如震动落砂机除尘罩、移动式吸尘器、烟尘净化装置、污水净化循环回用系统，铸造旧砂干湿法再生技术及设备、铸造废砂炉渣废塑料制作复合材料技术和设备等)。商品化CAE软件已上市。一些大中型铸造企业开始在熔炼方面用计算机技术，控制金属液成分、温度及生产率等。成都科技大学研制成砂处理在线控制系统，清华大学等开发了计算机辅助砂型控制系统软件，华中科技大学成功开发商品化铸造CAE软件。铸造业互联网发展快速，部分铸造企业网上电子商务活动活跃，如一些铸造模具厂实现了异地设计和远程制造。铸造专家系统研究虽然起步晚，但进步快。先后推出了型砂质量管理专家系统、铸造缺陷分析专家系统、自硬砂质量分析专家系统、压铸工艺参数设计及缺陷诊断专家系统等。机械手、机器人在落砂、铸件清理、压铸及熔模铸造生产中开始应用。3我国铸造技术发展趋势3．1铸造合金材料以强韧化、轻量化、精密化、高效化为目标，开发铸铁新材料；重点研制奥贝球墨铸铁(ADl)热处理设备，尽快制定国家标准，推广奥贝球墨铸铁新技术(如中断热落砂法、中断正火法等)；开发薄壁高强度灰铸铁件制造技术、铸铁复合材料制造技术(如原位增强颗粒铁基复合材料制备技术等)、铸铁件表面或局部强化技术(如表面激光强化技术等)。研制耐磨、耐蚀、耐热特种合金新材料；开发铸造合金钢新品种(如含氮不锈钢等性能价格比高的铸钢材料)，提高材质性能、利用率、降低成本、缩短生产周期。开发优质铝合金材料，特别是铝基复合材料。研究铝合金中合金化元素的作用原理及铝合金强化途径。研究降低合金中Fe、Si、Zn含量，提高合金强韧性的方法及合金热处理强化的途径。研究力学性能更好的锌合金成分、变质处理和热处理技术；开发镁合金、高锌铝合金及黑色金属等新型压铸合金。开发铸造复合新材料，如金属基复合材料、母材基体材料和增强强化组分材料；加强颗粒、短纤维、晶须非连续增强金属基复合材料、原位铸造金属基复合材料研究；开发金属基复合材料后续加工技术；开发降低生产成本、材料再利用和减少环境污染的技术；拓展铸造钛合金应用领域、降低铸件成本。开展铸造合金成分的计算机优化设计，重点模拟设计性能优异的铸造合金，实现成分、组织与性能的最佳匹配。3．2铸造原辅材料建立新的与高密度粘土型砂相适应的原辅材料体系，根据不同合金、铸件特点、生产环境、开发不同品种的原砂、少无污染的优质壳芯砂，抓紧我国原砂资源的调研与开发，开展取代特种砂的研究和开发人造铸造用砂；将湿型砂粘结剂发展重点放在新型煤粉及取代煤粉的附加物开发上。开发酚醛—酯自硬法、C02-酚醛树脂法所需的新型树脂，提高聚丙烯酸钠—粉状固化剂-C02法树脂的强度、改善吸湿性、扩大应用范围；开展酯硬化碱性树脂自硬砂的原材料及工艺、再生及其设备的研究，以尽快推广该树脂自硬砂工艺；开发高反应活性的树脂及与其配套的廉价新型温芯盒催化剂，使制芯工艺由热芯盒法向温芯盒、冷芯盒法转变，以节约能源、提高砂芯质量。加强对水玻璃砂吸湿性、溃散性研究，尤其是应大力开发旧砂回用新技术，尽最大可能再生回用铸造旧砂，以降低生产成本、减少污染、节约资源消耗。开发树脂自硬砂组芯造型，在可控气氛和压力下充型的工艺和相关材料，加强国产特种原砂与少无污染高溃散树脂的开发研究，以满足生产薄壁高强度铝合金缸体、缸盖的需要。提高覆膜砂的强韧性，改善覆膜砂的溃散性，改善覆膜砂的热变形性，加快覆膜砂的硬化速度。建立与近无余量精确成形技术相适应的新涂料系列——大力开发有机和无机系列非占位涂料，用于精确成形铸造生产。对单件小批量生产精密铸件用的金属型、热芯盒及模具等开发自硬转移涂料，对精密砂芯开发微波硬化的转移涂料，为提高汽车缸体缸盖重要铸件内腔尺寸精度和表面质量，解决铸钢件壳型铸造中粘砂、表面粗糙等问题，推广非占位涂料或高渗透、薄层涂料技术与覆模砂技术的结合应用。大力开发满足树脂砂机械化流水线生产优质钢铁铸件用的流涂、浸涂涂料和设备，开发能控制冷却速度、提高轻合金质量、减少脱模(芯)阻力、提高生产效率的金属型系列涂料，开发能阻隔树脂