铸造现状与发展_铸造技术的发展现状

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我国铸造技术的现状与发展

【摘要】：铸造、锻造、焊接等材料加工技术在国民经济中起着重要作用。“无废物加工”可减少废料、污染和能源消耗 ,是将来的主要制造技术 ,精确成形铸造技术将是其中的理想选择。高性能、高保真、高效率是基于知识的铸造工艺模拟仿真的努力目标。并行工程正成为产品及相关制造过程集成设计的系统方法 ,而网络化、智能化是 21 世纪铸造新产品与工艺过程设计的趋势。【关键词】：材料加工技术，铸造技术，精确成形铸造

引言

铸造是金属成形的一种最主要方法,它是热加工的基础。[1]铸造的历史与华夏文明的历史一样悠久,我们的祖先在 4 000 多年前就铸造出了“三星堆”那样精美的青铜器,其技术水平令人叹为观止,然而到了现代,作为全球铸件产量第一大国,中国的铸造水平却落后于发达国家。铸造行业的作用

中国已是铸造大国，但远远不是铸造强国，与工业发达国家相比，仍有很大差距。铸造技术在基本制造产业中占有重要地位, 是关键技术之一, 在航空、航天、船舶、汽车、轨道交通、化工、能源、电子电器和运动休闲等领域有着广泛的应用, 由其所带动的产业在国民经济中起着重要的支撑作用。应该指出以液态铸造成型，固态塑形成型及连接成型等为代表，形成制造技术，不仅赋予零件形状，而且最终决定零件的最终组织、结构与性能。[2] 2 我国铸造技术的现状

我国铸件产量从 2000 年起超越美国已连续 6 年位居世界第一。根据全球主要生产国 2004 年的产量统计可以看出, 十大铸件生产国可分为两类。一类是发展中国家, 虽然产量大, 但铸件附加值低, 小企业多, 从业人员队伍庞大, 黑色金属比重大。另一类是发达国家, 如日本、美国及欧洲等, 他们采用高新技术主要生产高附加值铸件。发达国家总体上铸造技术先进、产品质量好、生产效率高、环境污染小、原辅材料已形成系列化。欧洲已建立跨国服务系统, 生产实现机械化、自动化、智能化。生产过程从严执行技术标准, 铸件废品率约为 2%—5%。重视用信息化提升铸造工艺设计水平，普遍应用软件进行充型凝固过程模拟和工艺优化设计。

从批量和劳动生产率看, 欧、美、日的优势很大, 日本的劳动生产率是人均年产铸件140 吨, 我国估计约为 20 吨, 相差 7 倍。我国人工成本低于 1 美元 / 小时, 与发达国家相差几十倍, 因而出口铸件具有优势。但近年来材料价格猛涨, 使我国出口铸件在材料成本方面的优势消失殆尽。在产品质量和档次方面, 我们远落后于发达国家。近年我国铸件出口虽有所增长, 但出口只占我国总产量的 9.7%, 占世界铸件市场流通量不到8%, 总体增速缓慢, 表现为质量较差、价格低。长期以来, 出口的铸件以中低档产品为主, 各类管件、散热器、厨具及浴具占到36%。一些出口铸件虽可达到国际标准, 但要达到欧美客户标准还有距离。[3] 3 我国铸造业存在的问题

我国铸造行业的技术水平比发达国家落后约 20 年, 无法满足国民经济快速发展的需要。技术落后、设备陈旧、能耗和原材料消耗高、环境污染严重以及工人作业环境恶劣等问题, 已经成为行业的共识。具体表现在:（1）工艺水平低, 铸件质量差

①铸件加工余量大。由于缺乏科学的设计指导, 工艺设计人员凭经验难以控制变形问题, 铸造的加工余量一般比国外大 1—倍。加工余量大, 铸件的能耗和原材料消耗严重, 加工周期长, 生产效率低, 已成为制约行业发展的瓶颈。

②大型铸件偏析和夹杂物缺陷严重。大型铸钢件和大型钢锭在凝固结束后, 在冒口根部、铸件的厚大断面存在宏观偏析、晶粒粗大问题。③铸件裂纹问题严重。

④浇注系统设计不合理。由于设计不当, 存在卷气、夹杂等缺陷, 导致铸件出品率和合格率低。

⑤模拟软件应用不普及。铸造过程模拟是铸件生产的一个必要环节, 在国外, 如果没有计算机模拟技术, 就拿不到订单。我国的铸造业计算机模拟起步较早, 虽然核心计算部分开发能力较强, 但整体软件包装能力较差, 导致成熟的商业化软件开发远落后于发达国家, 相当一部分铸造企业对计算机模拟技术望而却步, 缺乏信任。目前这种局面虽有所好转, 但在购买了铸造模拟软件的企业中, 能够发挥其作用的还不多见, 急需对企业员工进行软件应用培训。

⑥普通铸件的生产能力过剩, 高精密铸件的制造依然困难, 核心技术和关键产品仍依赖进口。

（2）能耗和原材料消耗高

我国铸造行业的能耗占机械工业总耗能的 25%—30%, 能源平均利用率为 17%,能耗约为铸造发达国家的 2 倍。我国每生产1 吨合格铸铁件的能耗为 550—700 公斤标准煤, 国外为 300—400 公斤标准煤, 我国每生产 1 吨合格铸钢件的能耗为 800—1 000公斤标准煤, 国外为 500—800 公斤标准煤。据统计, 铸件生产过程中材料和能源的投入约占产值的 55%—70%。中国铸件毛重比国外平均高出 10%—20%, 铸钢件工艺出品率。发动机铸件

（3）环境污染严重、作业环境恶劣

我国除少数大型企业(如一汽、二汽、大起大重、沈阳黎明公司等)生产设备精良、铸造技术先进、环保措施基本到位以外, 多数铸造厂点生产设备陈旧、技术落后、一般很少顾及环保问题。上世纪 80 年代, 政府对规模小、技术水平低、污染严重的企业进行了专业化调整,提 高 了 企 业的 集 约 化 程度, 但铸造生产 的 粗 放 型特 征 没 有 得到根本改变。

（4）人才短缺

铸造技术人才严重短缺是制约我国铸造技术发展的关键。主要表现在: ①技术及管理人员数量偏少, 分布不均, 最少的工厂技术及管理仅占总职工人数的 1.2%, 最多的工厂占到 32.3%, 相差 27 倍之多, 国企尤其是军工企业比例高。

②高级人才数量少。铸造企业技术管理人才基本以中专、大专和本科生为主, 特别是中专、大专生数量为多,研究生很少。

③新人才来源困难。很多高校在上世纪 90 年代后不再设置铸造专业, 一些大中企业的厂办学校也有下降趋势, 新人才的来源日益困难。[4] 4 我国铸造业发展的对策

我国铸造业正处在从铸造大国向铸造强国起步的新阶段。必须克服现实的能源、资源、人才瓶颈和环境问题的困扰。因此, 须抓住机遇, 利用高技术提升铸件质量, 转中国铸件在国际市场上技术含量不高、格低廉的形象。要扶持一批具有优势的铸企业使之成为具有国际竞争力的带动中铸件出口的龙头企业。

(1)加强对铸造新工艺、新材料、新设备的研究

加强铸造业的基础研究和应用研究, 铸造行业中许多金属材料都是通用的和关键的, 因而应注重工艺研究和改进, 同时又要加强材料工艺及计算机模拟等先进技术的采用以稳定产品质量。实际上, 国内过分强调发展新材料而忽视通用关键材料的工艺设计和质量稳定等方面研究, 而生产设备上许多问题却都出在这里, 如三峡使用的水轮。[5](2)开发环保型铸造原辅材料

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、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。尤其应大力开发旧砂回用新技术, 环保型砂处理及再生技术;尽可能再生回用铸造旧砂, 研究铸造用后的旧砂用于高速公路路基材料, 特别是铬铁矿砂的回收利用。发展循环经济, 以“ 减量化(REDUCE)、再利用(REUSE)、再循环(RECYCLE)” 为行业准则(3R 原则), 走集约化清洁生产之路, 合理使用资源, 使用可再生材料和能源, 确保铸业的可持续发展。[6](3)注重能源与环保立法

铸造行业劳动条件恶劣, 对环境的危害也较大。应加大政策法规对这方面的限制力度, 环保劳保的准入门槛也应升高, 已有的技术落后、污染严重的铸造厂点应关闭。提高从事冶炼、浇注和清理作业的工人和临时工的待遇, 并为其提供保险。加强能源的科学管理, 加强节能技术改造或高耗能设备的更新换代。

(4)注重自主创新

加大铸造企业的重组和结构调整, 进行专业化生产, 实现地域化聚集, 壮大龙头企业, 使中小企业围绕产业链集聚, 实现基础配套、特殊工序装备、检测设备、信息网络、环保设施等资源共享;充分权衡当地的资源、人力、资本和市场, 把握优势, 突出集群的特点。在企业、产品集聚的同时, 实现信息的集聚、人才的集聚、技术的集聚, 甚至竞争的集聚, 产生规模效应。不应盲目地购买技术、设备和产品, 必须加强自主创新, 生产更多满足国民经济和国防安全的高精尖铸件,并将材料研究融入其中, 参与国际竞争。

(5)构建共性技术和高技术传输平台

①针对企业存在的共性问题, 提高产品的合格率和工艺出品率, 降低能耗和原材料消耗, 实现绿色铸造。支持科研单位面向生产需求、着力解决生产实际问题, 这应当成为铸造技术研究的主攻方向。

②建立高技术传输平台。开发关键件的铸造技术, 实现国产化。通过与国外的研究机构和企业合作, 引进消化高新铸造技术,与工厂一道开发关键件的铸造技术研究, 并转化为新产品进入市场。希望政府在这方面加强投入, 鼓励大的科研机构与大型企业集团共同合作, 解决事关国计民生的关键件的国产化问题。[7] 5 铸造技术发展的七个方向

（1）向轻量化，超微细化和超薄壁化挑战

薄壁化是以压轴为中心而发展起来的，是利用高压的压轴法。例如平均为1.0mm以下音频箱壳就是用1200吨压轴机高速制造法制造出来的。[8]（2）复杂形状部件的整体化铸造

铸件一般多用于单体物件，最近开始向复杂形状的部件发展。例如将涡轮增压器和排气歧管两种铸件合成整体，用耐热高速钢的减压吸引铸造法而铸成的最薄壁厚只有2mm的整体铸件。[9]（3）铸件焊接技术

铸件焊接，迄今焊接的都是钢件，最近焊铁件在表面经过脱碳处理等工艺以后也可以焊接了。[10]（4）触变铸造技术

触变铸造固体液体在共存的状态下用高压方法进行铸造的一种方法。这项技术是以铸铁为中心开展起来的，也在向铝合金方面开展。[11]（5）RP（快速原型技术）

RP、CAD，CAM的突飞技术发展，对铸造技术也带来大的影响。例如不用木型和砂型对样品直接铸造。这种技术基本上是立足于印刷的原理。有用树脂包覆铸造砂用激光烧结成型，激光烧型和将啥拉用喷墨形式涂敷成型，也期待有新的RP技术发展。[12]（6）复合材料方向发展

由于铸造是用融熔金属，适合于金属基复合材料。例如用陶瓷、纤维预成型的圆形筒，在其细缝侵进侣溶液而制成金属基复合材料的刚体。[13]（7）向技能材料发展

Nomag非磁铸铁、IMER地膨胀钢都是机能材料铸件。最近半导体行业需要的低热膨胀材料铸铁也在开发中。空气与金属的符合材料发泡金属，也将占有一席之地。[14] 结束语：

我国铸造技术悠久，并在人类文明进步的过程中做出了不可磨灭的贡献。发掘、整理、研究和提高我国的传统铸造技术，使其古为今用，无疑具有重要的现实意义。

参考文献：

[1] 李庆春，铸件成型理论技术[M].北京：机械工业出版社，1986 [2] 刘克明．中国古代有色铸造技术的设计思想和方法[J]．有色金属再生与利用 200 4 年第 6 期

[3] 谭德睿，廉海萍．中国传统铸造技术．北京出版社，2009 [4] 我国铸造技术的现状与发展对策．[M].北京:机械工业出版社, 1982 [5] 张怀嵩.铸钢件气孔缺陷的气体来源分析及预防措施[J ].铸造, 2004 ,(7)[6] 曹一超;林鑫;王理林;逢玉台;王文礼;黄卫东.铸件内析出性气孔形成及演化的 直接观察与分析[J].铸造技术, 2006,(08)[7] 傅骏；朱志兵．铸造应用技术专业人才培养模式思考[J].科技信息 2007 年 第 21 期 [8] 柳百成．面向２１世纪的铸造技术[J]．机械工业出版社，2001 [9] 铸件形成现场基础．机械工业出版社，1983 [10] 曾正明.机械工程材料手册[M].第6版.北京 机械工业出版社 2007 834-835.[11] 铸造工艺基础。北京出版社，1979 [12] 张洪波；陈奕；石俊强.快速精密铸造技术及应用.数字技术与机械加工工艺装备 ,2009年第8期

[13] 陈显明.钛合金熔炼与铸造技术新进展.肇庆学院学报, 第31卷第2期

[14] 柳百成．新一代精确铸造形成过程的物理冶金基础及数学物理建模．中国机械工程，2000,(11)