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最新鑄造技術的研究跟發展趨勢

日期:2017年7月17日 15:38

  面對全球,信息、技術飛速發展,機械制造業尤其是裝備制造業的現代化水平高速提升,中國(這里只講大陸的情況,不包括臺灣和港澳地區)鑄造業當清醒認識自己的歷史重任和與發達國家的現實差距,大膽利用現代科學技術及管理的最新成果,認清“只有實現高新技術化才能跟上時代步伐”的道理,把握現代鑄造技術的發展趨勢,采用先進適用技術,實施可持續發展戰略,立足現實又高瞻遠矚,以振興和發展中國鑄造業的累累碩果來奠定中國現代工業文明進程的堅實基礎。
  我國加入WTO和世界進入21世紀以來,人們從不同角度探討鑄造技術的發展并且發表了許多著述,為了給人們提供一個關于我國鑄造技術發展現狀和發展趨勢的整體概念,引發同仁們更深入地思考,筆者就自己的認識以及參考了一些公開發表的文獻,同時又吸納了一些專家學者的意見,形成此文,以供同行參考。
  1發達國家鑄造技術發展現狀
  發達國家總體上鑄造技術先進、產品質量好、生產效率高、環境污染少、原輔材料已形成商品化系列化供應,如在歐洲已建立跨國服務系統。生產普遍實現機械化、自動化、智能化(計算機控制、機器人操作)。
  鑄鐵熔煉使用大型、高效、除塵、微機測控、外熱送風無爐襯水冷連續作業沖天爐,普遍使用鑄造焦,沖天爐或電爐與沖天爐雙聯熔煉,采用氮氣連續脫硫或搖包脫硫使鐵液中硫含量達0.01%,以下:熔煉合金鋼精煉多用AOD、VOD等設備,使鋼液中H、O、N達到幾個或幾十個10~6的水平。
  在重要鑄件生產中,對材質要求高,如球墨鑄鐵要求P小于0.04%、S小于0.02%,鑄鋼要求P、S均小于0.025%,采用熱分析技術及時準確控制C、S含量,用直讀光譜儀2~3 min分析出十幾個元素含量且精度高,C、S分析與調控可使超低碳不銹鋼的C、S含量得以準確控制,采用先進的無損檢測技術有效控制鑄件質量。普遍采用液態金屬過濾技術,過濾器可適應高溫諸如鈷基、鎳基合金及不銹鋼液的過濾。過濾后的鋼鑄件射線探傷A級合格率提高13個百分點,鋁鎂合金經過濾,鑄件抗拉強度提高50%、伸長率提高100%以上。
  廣泛應用合金包芯線處理技術,使球鐵、蠕鐵和孕育鑄鐵工藝穩定、合金元素收得率高、處理過程無污染,實現了微機自動化控制。
  鋁基復合材料以其優越性能被廣泛重視并日益轉向工業規模應用,如汽車驅動桿、缸體、缸套、活塞、連桿等各種重要部件都可用鋁基復合材料制作,并已在高級賽車上應用;在汽車向輕量化發展的進程中,用鎂合金材料制作各種重要汽車部件的量已僅次于鋁合金。
  采用熱風沖天爐、兩排大間距沖天爐和富氧送風,電爐采用爐料預熱、降低熔化溫度、提高爐子運轉率、減少爐蓋開啟時間,加強保溫和實行微機控制優化熔煉工藝。在球墨鑄鐵件生產中廣泛采用小冒口和無冒口鑄造。鑄鋼件采用保溫冒口、保溫補貼,工藝出品率由60%提高到80%??紤]人工成本高和生產條件差等因素而大量使用機器人。由于環保法制嚴格(電爐排塵有9國規定100~250 mg/m3、沖天爐排塵,11國規定100~1000 mg/m3,或0.25~1.5kg/t鐵液;砂處理排塵,8國規定100~250 mg/m3),鑄造廠都重視環保技術。
  在大批量中小鑄件的生產中,大多采用微機控制的高密度靜壓、射壓或氣沖造型機械化、自動化高效流水線濕型砂造型工藝,砂處理采用高效連續混砂機、人工智能型砂在線控制專家系統,制芯工藝普遍采用樹脂砂熱、溫芯盒法和冷芯盒法。熔模鑄造普遍用硅溶膠和硅酸乙酯做粘結劑的制殼工藝。
  用自動化壓鑄機生產鑄鋁缸體、缸蓋;已經建成多條鐵基合金低壓鑄造生產線。用差壓鑄造生產特種鑄鋼件。所生產的各種口徑的離心球墨鑄鐵管占鑄鐵管總量95%以上,球鐵管占球鐵年產量30%~50%。
  成功地采用EPC技術大批量生產汽車汽缸體、缸蓋等復雜鑄件,生產率達180型/h。在工藝設計、模具加工中,采用CAD/CAM/RPM技術;在鑄造機械的專業化、成套化制備中,開始采用CIMS技術。
  鑄造生產全過程主動、從嚴執行技術標準,鑄件廢品率僅2%~5%;標準更新快(標齡4~5年);普遍進行ISO 9000、IS014000等認證。
  重視開發使用互聯網技術,紛紛建立自己的主頁、站點。鑄造業的電子商務、遠程設計與制造、虛擬鑄造工廠等飛速發展。
  2我國鑄造技術發展現狀
  總體上,我國鑄造領域的學術研究并不落后,很多研究成果居國際先進水平,但轉化為現實生產力的少。國內鑄造生產技術水平高的僅限于少數骨干企業,行業整體技術水平落后,鑄件質量低,材料、能源消耗高,經濟效益差,勞動條件惡劣,污染嚴重。具體表現在,模樣仍以手工或簡單機械進行模具加工;鑄造原輔材料生產供應的社會化、專業化、商品化差距大,在品種質量等方面遠不能滿足新工藝新技術發展的需要;鑄造合金材料的生產水平、質量低;生產管理落后;工藝設計多憑個人經驗,計算機技術應用少;鑄造技術裝備等基礎條件差;生產過程手工操作比例高,現場工人技術素質低;僅少數大型汽車、內燃機集團鑄造廠采用先進的造型制芯工藝,大多鑄造企業仍用震壓造型機甚至手工造型,制芯以桐油、合脂和粘土等粘結劑砂為主。大多熔模鑄造廠以水玻璃制殼為主;低壓鑄造只能生產非鐵或鑄鐵中小件,不能生產鑄鋼件;用EPC技術穩定投入生產的僅限于排氣管、殼體等鑄件,生產率在30型/h以下,鑄件尺寸精度和表面粗糙度水平低;雖然建成了較完整的鑄造行業標準體系,但多數企業被動執行標準,企業標準多低于GB(國標)和ISO(國際標準),有的企業廢品率高達30%;質量和市場意識不強,僅少數專業化鑄造企業通過了ISO 9000認證。結合鑄造企業特點的質量管理研究十分薄弱。
  近年開發推廣了一些先進熔煉設備,提高了金屬液溫度和綜合質量,如外熱式熱風沖天爐開始應用,但為數少,使用鑄造焦的僅占1%。一些鑄造非鐵合金廠仍使用燃油、焦炭坩堝爐等落后熔煉技術。沖天爐—電爐雙聯工藝僅在少數批量生產的流水線上得以應用。少數大、中型電弧爐采用超高功率(600~700kVA/t)技術。開始引進AOD、VOD等精煉設備和技術,提高了高級合金鑄鋼的內在質量。重要工程用的超低碳高強韌馬氏體不銹鋼,采用精煉技術提高鋼液純凈度,改善性能。0Crl6Ni5Mo、Crl3Ni5Mo鑄造馬氏體不銹鋼在保持原有韌性基礎上,屈強比由0.70~0.75提高到0.85~0.90,強度提高30%~60%,硬度提高20%~50%。
  廣泛應用國內富有稀土資源,如稀土鎂處理的球墨鑄鐵在汽車、柴油機等產品上應用;稀土中碳低合金鑄鋼、稀土耐熱鋼在機械和冶金設備中得到應用;初步形成國產系列孕育劑、球化劑和蠕化劑,推動了鑄鐵件質量提高。
  高強度、高彈性模量灰鑄鐵用于機床鑄件,高強度薄壁灰鑄鐵件鑄造技術的應用,使最薄壁厚達4—16mm的缸體、缸蓋鑄件本體斷面硬度差小于HB30,組織均勻致密?;诣T鐵表面激光強化技術用于生產。人工智能技術在灰鑄鐵性能預測中應用。蠕墨鑄鐵已在汽車排氣管和大馬力柴油機缸蓋上應用,汽車排氣管使用壽命提高4—5倍。釩鈦耐磨鑄鐵在機床導軌、缸套和活塞環上應用,壽命提高1~2倍。高、中、低鉻耐磨鑄鐵在磨球、襯板、雜質泵、雙金屬復合軋輥上使用,壽命提高。應用過濾技術于缸體、缸蓋等調高強度薄壁鑄件流水線生產中,減少了夾渣、氣孔缺陷,改善了鑄件內在質量。
  國產水平連鑄生產線投入市場,可生產直徑30~250mm圓形及相應尺寸的方形、矩形或異形截面的灰鑄鐵及球墨鑄鐵型材。與砂型比,性能提高1~2個牌號,鐵液利用率提高到95%以上,節能30%,節材30%一50%,毛坯加工合格率達95%以上。
  鑄鐵管行業引進10套直徑1000 mm以下的中型球墨鑄鐵管離心鑄造成套設備。
  金屬基復合材料研究有進步,短纖維、外加顆粒增強、原位顆粒增強研究都有成果,但較少實現工業應用。
  某些重點行業的骨干鑄造廠采用了直讀光譜儀和熱分析儀,爐前有效控制了金屬液成分,采用超聲波等檢測方法控制鑄件質量。
  環保執法力度日漸加強,迫使鑄造業開始重視環保技術。沈陽鑄造研究所等開發了大排距雙層送風沖天爐和沖天爐除濕送風技術;我國初建鑄造焦生產基地,形成批量規模。鑄造塵毒治理、污水凈化、廢渣利用等取得系列成果,并開發出多種鑄造環保設備(如震動落砂機除塵罩、移動式吸塵器、煙塵凈化裝置、污水凈化循環回用系統,鑄造舊砂干濕法再生技術及設備、鑄造廢砂爐渣廢塑料制作復合材料技術和設備等)。
  商品化CAE軟件已上市。一些大中型鑄造企業開始在熔煉方面用計算機技術,控制金屬液成分、溫度及生產率等。成都科技大學研制成砂處理在線控制系統,清華大學等開發了計算機輔助砂型控制系統軟件,華中科技大學成功開發商品化鑄造CAE軟件。
  鑄造業互聯網發展快速,部分鑄造企業網上電子商務活動活躍,如一些鑄造模具廠實現了異地設計和遠程制造。
  鑄造專家系統研究雖然起步晚,但進步快。先后推出了型砂質量管理專家系統、鑄造缺陷分析專家系統、自硬砂質量分析專家系統、壓鑄工藝參數設計及缺陷診斷專家系統等。機械手、機器人在落砂、鑄件清理、壓鑄及熔模鑄造生產中開始應用。
  3我國鑄造技術發展趨勢
  3.1鑄造合金材料
  以強韌化、輕量化、精密化、高效化為目標,開發鑄鐵新材料;重點研制奧貝球墨鑄鐵(ADl)熱處理設備,盡快制定國家標準,推廣奧貝球墨鑄鐵新技術(如中斷熱落砂法、中斷正火法等);開發薄壁高強度灰鑄鐵件制造技術、鑄鐵復合材料制造技術(如原位增強顆粒鐵基復合材料制備技術等)、鑄鐵件表面或局部強化技術(如表面激光強化技術等)。
  研制耐磨、耐蝕、耐熱特種合金新材料;開發鑄造合金鋼新品種(如含氮不銹鋼等性能價格比高的鑄鋼材料),提高材質性能、利用率、降低成本、縮短生產周期。開發優質鋁合金材料,特別是鋁基復合材料。研究鋁合金中合金化元素的作用原理及鋁合金強化途徑。研究降低合金中Fe、Si、Zn含量,提高合金強韌性的方法及合金熱處理強化的途徑。
  研究力學性能更好的鋅合金成分、變質處理和熱處理技術;開發鎂合金、高鋅鋁合金及黑色金屬等新型壓鑄合金。
  開發鑄造復合新材料,如金屬基復合材料、母材基體材料和增強強化組分材料;加強顆粒、短纖維、晶須非連續增強金屬基復合材料、原位鑄造金屬基復合材料研究;開發金屬基復合材料后續加工技術;開發降低生產成本、材料再利用和減少環境污染的技術;拓展鑄造鈦合金應用領域、降低鑄件成本。
  開展鑄造合金成分的計算機優化設計,重點模擬設計性能優異的鑄造合金,實現成分、組織與性能的最佳匹配。
  3.2鑄造原輔材料
  建立新的與高密度粘土型砂相適應的原輔材料體系,根據不同合金、鑄件特點、生產環境、開發不同品種的原砂、少無污染的優質殼芯砂,抓緊我國原砂資源的調研與開發,開展取代特種砂的研究和開發人造鑄造用砂;將濕型砂粘結劑發展重點放在新型煤粉及取代煤粉的附加物開發上。
  開發酚醛—酯自硬法、C02-酚醛樹脂法所需的新型樹脂,提高聚丙烯酸鈉—粉狀固化劑-C02法樹脂的強度、改善吸濕性、擴大應用范圍;開展酯硬化堿性樹脂自硬砂的原材料及工藝、再生及其設備的研究,以盡快推廣該樹脂自硬砂工藝;開發高反應活性的樹脂及與其配套的廉價新型溫芯盒催化劑,使制芯工藝由熱芯盒法向溫芯盒、冷芯盒法轉變,以節約能源、提高砂芯質量。
  加強對水玻璃砂吸濕性、潰散性研究,尤其是應大力開發舊砂回用新技術,盡最大可能再生回用鑄造舊砂,以降低生產成本、減少污染、節約資源消耗。
 

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