《鑄造技術(shù)路線圖》摘錄

1 概述

鑄鐵量大面廣，企業(yè)約1.5萬(wàn)家，鑄鐵件質(zhì)量穩(wěn)步提升的同時(shí)，鑄鐵件產(chǎn)量也在高位運(yùn)行，2015年我國(guó)鑄鐵件產(chǎn)量為3 340萬(wàn)t（其中灰鑄鐵2 020萬(wàn)t，球墨鑄鐵 1 260萬(wàn) t，可鍛鑄鐵 60萬(wàn) t），占全年鑄件總產(chǎn)量4 560萬(wàn)t的73.25%。與2014年相比，2015年我國(guó)鑄鐵件產(chǎn)量中球墨鑄鐵件增長(zhǎng)1.61%，灰鑄鐵件下降2.88%，球墨鑄鐵所占的比例由2014年的25%增至2015年的27.6%，球墨鑄鐵與灰鑄鐵的比例由0.497上升到0.624，鑄鐵件的材質(zhì)結(jié)構(gòu)在持續(xù)改善。

我國(guó)鑄鐵行業(yè)從原輔材料、工藝裝備、生產(chǎn)技術(shù)、檢測(cè)控制等方面均已具備生產(chǎn)各種鑄件、包括高端鑄鐵件的能力，正處于由大變強(qiáng)的關(guān)鍵時(shí)期，鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)取得較大進(jìn)展：優(yōu)質(zhì)生鐵、高純生鐵和優(yōu)質(zhì)廢鋼等原輔材料供應(yīng)品種和質(zhì)量有了很大改善；爐前熱分析等技術(shù)手段日益受到重視，應(yīng)用逐步增加；質(zhì)量控制和檢測(cè)（特別是在線檢測(cè)）水平穩(wěn)步提升；部分產(chǎn)品的性能達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，高鐵機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架軸箱、變速箱、電機(jī)殼等零件，風(fēng)電輪轂、底座和數(shù)控機(jī)床橫梁等關(guān)鍵零部件已批量生產(chǎn)和應(yīng)用；年產(chǎn)鑄鐵件萬(wàn)t以上、生產(chǎn)設(shè)備較先進(jìn)、質(zhì)量較穩(wěn)定的企業(yè)已達(dá)上百家[1-2]。隨著裝備水平的提高、計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，以及原輔材料、熔煉、處理和檢測(cè)等方面的技術(shù)進(jìn)步，鑄鐵性能和應(yīng)用領(lǐng)域還有拓展空間，將迎來(lái)新時(shí)代。

在肯定成績(jī)的同時(shí)，也應(yīng)該看到我國(guó)鑄鐵行業(yè)面臨著深層次的問(wèn)題，在鑄鐵材質(zhì)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)規(guī)模及專(zhuān)業(yè)化程度、鑄件綜合質(zhì)量和技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益等方面與先進(jìn)工業(yè)國(guó)家還存在著明顯差距：相同碳當(dāng)量下灰鑄鐵強(qiáng)度比國(guó)外低1級(jí)；質(zhì)量的穩(wěn)定性、一致性差是我國(guó)鑄鐵件生產(chǎn)的突出問(wèn)題，主要體現(xiàn)在材質(zhì)化學(xué)成分和力學(xué)性能的波動(dòng)大，鑄件的鑄造缺陷不能根本消除；廢品率高、鑄件的縮孔、縮松和變形問(wèn)題日益突出，鑄鐵件的彈性模量和殘余應(yīng)力等指標(biāo)長(zhǎng)期未列入驗(yàn)收范圍；鑄鐵行業(yè)專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)程度不高，數(shù)字化、智能化水平低，大型、厚大斷面、高端鑄鐵件的質(zhì)量控制技術(shù)有待提高。

未來(lái)鑄造行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)是向數(shù)字化、智能化、綠色環(huán)保方向發(fā)展，而技術(shù)含量高的高端鑄鐵件將成為我國(guó)鑄鐵行業(yè)的發(fā)展方向。現(xiàn)代化的鑄造企業(yè)應(yīng)具有高的生產(chǎn)效率和效益，能生產(chǎn)高效能、輕量化、精確化、凈形或近凈形的能滿(mǎn)足高端制造業(yè)所需的優(yōu)質(zhì)鑄件，這就要求鑄鐵生產(chǎn)企業(yè)采用高新技術(shù)、采用先進(jìn)管理理念和模式不斷提升企業(yè)的技術(shù)和管理水平，采用新材料、新工藝提高產(chǎn)品質(zhì)量和附加值，提高高端鑄鐵件的比例、增加出口鑄件的檔次和比例[3-4]。

2015～2030年是我國(guó)貫徹國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、走新型工業(yè)化道路、奠定建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)基礎(chǔ)的重要時(shí)期，各行各業(yè)對(duì)高端鑄鐵件及鑄造設(shè)備的需求將具有定制化、高端化、智能化的特點(diǎn)。通過(guò)不斷發(fā)展和提升鑄造技術(shù)水平，掌握大型及關(guān)鍵設(shè)備零部件鑄造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)核電、軌道交通和汽車(chē)等關(guān)鍵、高精度鑄鐵件的批量生產(chǎn)，提高鑄造企業(yè)的規(guī)模、裝備和技術(shù)水平，鑄鐵企業(yè)數(shù)量預(yù)計(jì)從現(xiàn)在的1.5萬(wàn)家到2020年的1萬(wàn)家左右，到2025年達(dá)到6 000家左右，到2030年達(dá)到4 000家左右；鑄鐵企業(yè)平均產(chǎn)量規(guī)模預(yù)計(jì)從現(xiàn)在的2 200 t/家到2020年增加到3 500 t/家，2025年平均規(guī)模為6 000 t/家，2030年平均規(guī)模為8 000 t/家。在2015～2030年之間，我國(guó)鑄鐵產(chǎn)量將持平或略有增長(zhǎng)（其中灰鑄鐵產(chǎn)量減少，球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵產(chǎn)量增加），鑄鐵材質(zhì)結(jié)構(gòu)持續(xù)改善，各材質(zhì)鑄鐵件產(chǎn)量目標(biāo)如表1所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高性能鑄鐵件生產(chǎn)技術(shù)

2.1.1 現(xiàn)狀

高性能鑄鐵件主要指高強(qiáng)度低應(yīng)力灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵、等溫淬火球墨鑄鐵（AD I）等[5]。

表1 各材質(zhì)鑄鐵件產(chǎn)量目標(biāo)

1）高強(qiáng)度低應(yīng)力灰鑄鐵

為了滿(mǎn)足汽車(chē)輕量化的要求，薄壁高強(qiáng)度低應(yīng)力灰鑄鐵的應(yīng)用迅速推進(jìn)，一些發(fā)動(dòng)機(jī)缸體已采用H T300甚至H T350灰鑄鐵制作，如采用H T300生產(chǎn)6DL道依茨發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，“高廢鋼配比+增碳”工藝的合成鑄鐵在灰鑄鐵中的應(yīng)用也日益增多[6-7]。

2）蠕墨鑄鐵

蠕化率≥80%的蠕墨鑄鐵具有強(qiáng)度高、導(dǎo)熱和耐疲勞綜合性能好的特點(diǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋等重要鑄件上的應(yīng)用越來(lái)越多。G B/T 26655—2011《蠕墨鑄鐵件》、G B/T 26656—2011《蠕墨鑄鐵金相檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布實(shí)施有力地促進(jìn)蠕墨鑄鐵在我國(guó)的發(fā)展[8-11]。

3）等溫淬火球墨鑄鐵

等溫淬火球墨鑄鐵（AD I）憑借強(qiáng)度高（最高可超過(guò)1 600 M P a）、塑性好（最大伸長(zhǎng)率＞11%）、動(dòng)載性能高（彎曲疲勞強(qiáng)度達(dá)420～500 M P a，接觸疲勞強(qiáng)度達(dá)1 600～2 100 M P a）、耐磨性及吸震性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)AD I的應(yīng)用是以抗磨、耐磨件（特別是磨球）和工程結(jié)構(gòu)件（齒板、襯板、重型卡車(chē)懸掛件、支架）為主。

2.1.2 挑戰(zhàn)

隨著國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，原有的鑄鐵件已不能滿(mǎn)足在汽車(chē)、高鐵、發(fā)電等工程機(jī)械領(lǐng)域中對(duì)鑄件要求越來(lái)越高的力學(xué)性能，對(duì)高性能鑄鐵件的需求也日益增加，而其產(chǎn)品性能、生產(chǎn)技術(shù)水平等與國(guó)外先進(jìn)水平存在較大差距，尚面臨許多挑戰(zhàn)。

1）高強(qiáng)度低應(yīng)力灰鑄鐵

在高碳當(dāng)量下生產(chǎn)高強(qiáng)度灰鑄鐵是一項(xiàng)難度很大的綜合技術(shù)，熔煉優(yōu)良冶金質(zhì)量、高溫、成分合適而穩(wěn)定、元素?zé)龘p小的優(yōu)質(zhì)鐵液是生產(chǎn)高質(zhì)量灰鑄鐵件的基礎(chǔ)和面臨的挑戰(zhàn)，如何通過(guò)低合金化和有效的孕育是生產(chǎn)高強(qiáng)度低應(yīng)力灰鑄鐵的主要技術(shù)難題。

2）蠕墨鑄鐵

高效的熔煉方式、蠕化劑和蠕化處理方法等是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)蠕墨鑄鐵件、應(yīng)用于缸體和缸蓋等小批量生產(chǎn)的關(guān)鍵，研究喂絲法蠕化處理、蠕墨鑄鐵熱分析等技術(shù)與裝備以滿(mǎn)足大量流水生產(chǎn)對(duì)蠕墨鑄鐵穩(wěn)定性、一致性和可追溯性等的要求是面臨的主要挑戰(zhàn)。

3）等溫淬火球墨鑄鐵

處理前鑄件質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性是生產(chǎn)等溫淬火球墨鑄鐵（AD I）件的關(guān)鍵，如何改進(jìn)設(shè)計(jì)、減薄、減輕零件重量、降低成本是AD I發(fā)展需要解決的主要問(wèn)題，如何提高淬透性、解決厚大斷面AD I件的生產(chǎn)是AD I發(fā)展中的另一技術(shù)難題[12]。

2.1.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)

通過(guò)開(kāi)展高性能鑄鐵新材料的研發(fā)和機(jī)理研究，掌握高性能鑄鐵的制備技術(shù)和相關(guān)理論知識(shí)，掌握國(guó)際先進(jìn)水平的鑄鐵材質(zhì)及其成分、組織、性能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)、核電、高鐵以及船舶等設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、齒輪箱、曲軸、大斷面AD I件等關(guān)鍵高端鑄鐵件的批量生產(chǎn)；球墨鑄鐵件年產(chǎn)量占鑄鐵件總產(chǎn)量的比例達(dá)41%以上，球墨鑄鐵與灰鑄鐵之比達(dá)到0.75，AD I鑄件年產(chǎn)量占球墨鑄鐵件產(chǎn)量5%以上，蠕墨鑄鐵產(chǎn)量達(dá)到70萬(wàn)t，高性能鑄鐵件占鑄鐵件產(chǎn)量的20%以上，并針對(duì)新材料制定相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以提升我們的行業(yè)地位。

2）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

高性能鑄鐵件的質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性達(dá)到工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家水平，自主制造出包括高端鑄件在內(nèi)的各種鑄鐵件，實(shí)現(xiàn)軌道交通和汽車(chē)等大型、復(fù)雜、高性能鑄鐵件的批量生產(chǎn)和國(guó)產(chǎn)化、基本不進(jìn)口，增加出口鑄鐵件占鑄鐵件總產(chǎn)量的比例，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)、核電、高鐵以及船舶等設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、齒輪箱、曲軸、大斷面AD I件等關(guān)鍵高端鑄鐵件的批量生產(chǎn)。球墨鑄鐵件產(chǎn)量占鑄鐵件總產(chǎn)量比例達(dá)到50%以上，球墨鑄鐵與灰鑄鐵之比達(dá)到1.15，AD I件年產(chǎn)量占球墨鑄鐵件產(chǎn)量15%以上，蠕墨鑄鐵產(chǎn)量達(dá)到190萬(wàn)t，高性能鑄鐵件占鑄鐵件產(chǎn)量的30%以上。

2.2 高質(zhì)量純凈鐵液熔煉和處理技術(shù)

2.2.1 現(xiàn)狀

隨著我國(guó)鑄鐵行業(yè)的發(fā)展，包括原材料質(zhì)量、熔煉設(shè)備及技術(shù)、鐵液精煉、過(guò)濾、凈化技術(shù)、清潔高效穩(wěn)定的精確球化孕育處理技術(shù)與裝備、鐵液質(zhì)量在線檢測(cè)與控制技術(shù)等在內(nèi)的高質(zhì)量純凈鐵液熔煉和處理技術(shù)有了顯著進(jìn)步[13]。

1）對(duì)大批量流水生產(chǎn)，需要大量鐵液的工廠，需采用能保證鐵液冶金質(zhì)量、節(jié)能環(huán)保達(dá)標(biāo)的大型熱風(fēng)、水冷、無(wú)（薄）爐襯長(zhǎng)爐齡沖天爐或與電爐雙聯(lián)熔煉。為了滿(mǎn)足大批量連續(xù)生產(chǎn)的要求，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)大量需求10 t/h以上的熱風(fēng)沖天爐，我國(guó)鑄造企業(yè)需要從國(guó)外引進(jìn)大容量沖天爐，如濰柴動(dòng)力鑄鍛有限公司引進(jìn)了兩臺(tái)美國(guó)E C＆amp;S公司和德國(guó)科特納公司的35 t/h長(zhǎng)爐齡熱風(fēng)水冷富氧沖天爐，用于大批量連續(xù)生產(chǎn)H T250、H T300材質(zhì)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、氣缸蓋等鑄件[14]。

2）合適而穩(wěn)定的化學(xué)成分、高溫純凈的鐵液和有效的處理工藝是鑄件穩(wěn)定生產(chǎn)的首要條件，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵液化學(xué)成分的控制技術(shù)，包括熔煉工藝、原料配比和加料、成分檢測(cè)等，近年來(lái)我國(guó)在原材料、鐵液凈化技術(shù)、熱分析技術(shù)、成分控制等方面取得了較大進(jìn)展，研發(fā)了爐前鐵液質(zhì)量在線檢測(cè)與控制等儀器設(shè)備，如圖1、圖2所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與裝備

3）球化處理和孕育處理是保證鑄件質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，目前國(guó)內(nèi)大型鑄件生產(chǎn)時(shí)，球化、孕育處理方法比較粗放，球化劑和孕育劑加入量大，吸收率低，易發(fā)生球化和孕育衰退問(wèn)題，近年來(lái)研發(fā)了喂絲球化孕育處理設(shè)備。

4）部分鑄鐵生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)常性的對(duì)生產(chǎn)中鑄造缺陷的發(fā)生情況或預(yù)防處理的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)和分析后形成質(zhì)量案例，具有非常強(qiáng)的針對(duì)性和適用性，可顯著提高技術(shù)人員的決策效率。但目前鑄造缺陷的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和案例信息表達(dá)方式多樣，系統(tǒng)性和完整性差，多以非結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化的方式記錄和獲取，沒(méi)有和生產(chǎn)數(shù)據(jù)建立起緊密的聯(lián)系[15]。

圖2 鐵液化學(xué)成分、冷卻曲線采集與性能預(yù)測(cè)

2.2.2 挑戰(zhàn)

1）目前我國(guó)鑄鐵產(chǎn)量80%以上由電爐或沖天爐-電爐雙聯(lián)熔煉，大容量熱風(fēng)沖天爐裝備技術(shù)水平不高，特別是控制系統(tǒng)、除塵環(huán)保等裝備配置不完善且多為冷風(fēng)沖天爐，熱效率低，硅、錳等元素?zé)龘p大，煙塵多、渣量大，近年各地環(huán)保治理中成為重點(diǎn)整治對(duì)象，特別是5 t以下沖天爐幾乎都被拆除。改用電爐則耗電巨大、成本高，全部引進(jìn)國(guó)外沖天爐則需耗費(fèi)巨資，因此實(shí)現(xiàn)10 t/h以上的熱風(fēng)沖天爐國(guó)產(chǎn)化是面臨的挑戰(zhàn)。

2）在鐵液熔煉方面，國(guó)內(nèi)很多企業(yè)除了采用光譜分析之外，沒(méi)有足夠重視熱分析等先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，光譜分析結(jié)果也往往難以及時(shí)反饋到爐前以便調(diào)整成分，很少測(cè)量鐵液的N、H、O含量等，成分控制與在線調(diào)整技術(shù)與國(guó)外尚存在一定的差距，對(duì)爐前鐵液質(zhì)量的精確控制、獲得質(zhì)量穩(wěn)定、化學(xué)成分波動(dòng)小的鐵液是面臨的主要難題。

3）尺寸和重量較大的鑄件凝固時(shí)間長(zhǎng)，容易出現(xiàn)球化衰退和孕育衰退問(wèn)題，如何減少?gòu)那蚧幚淼綕沧⒌臅r(shí)間間隔是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄件的主要技術(shù)難題之一，如何解決熱分析等爐前分析測(cè)試技術(shù)的接口問(wèn)題、較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)碳含量、硅含量、碳當(dāng)量、石墨形態(tài)、性能指標(biāo)并及時(shí)調(diào)整處理工藝等是要解決的主要難點(diǎn)問(wèn)題。

4）鑄造缺陷種類(lèi)繁多，缺陷知識(shí)包括缺陷的代碼、名稱(chēng)、類(lèi)別、分布位置、形狀特征、原因推測(cè)、補(bǔ)救措施和典型圖片等諸多信息，部分企業(yè)有其獨(dú)立的缺陷分類(lèi)體系，但行業(yè)中在缺陷管理上較混亂、不便于交流。對(duì)缺陷進(jìn)行統(tǒng)一的系統(tǒng)的分類(lèi)和編碼，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)中鑄造缺陷及相應(yīng)的解決方案的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，是面臨的主要難題。

2.2.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)

自主設(shè)計(jì)制造10 t/h及以上的大型外熱風(fēng)長(zhǎng)爐齡沖天爐成套設(shè)備，達(dá)到中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《沖天爐大氣污染物排放限值及測(cè)試方法》中排放限值要求，如表2所示；掌握高溫、成分符合要求且波動(dòng)小的優(yōu)質(zhì)鐵液的熔煉技術(shù)；研究新型球化劑、孕育劑及其精確加入技術(shù)，如采用含鑭球化劑；建立行業(yè)通用的鑄造缺陷數(shù)據(jù)庫(kù)管理與分析系統(tǒng)，制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)乃至國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；能耗指標(biāo)普遍達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求等。

2）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)

表2 沖天爐大氣污染物排放限值

建立鑄造工藝專(zhuān)家系統(tǒng)，基于爐前熱分析和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，建立包括成分分析、熱分析冷卻曲線、金相分析及力學(xué)性能結(jié)果的數(shù)據(jù)庫(kù)，集成爐料配比及加料系統(tǒng)、鐵液化學(xué)成分分析的數(shù)據(jù)采集與成分在線調(diào)整系統(tǒng)、鐵液冷卻曲線采集和性能在線預(yù)測(cè)與調(diào)整系統(tǒng)、喂絲球化孕育設(shè)備、隨流孕育技術(shù)和裝備等，實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)，數(shù)字化、智能化鑄造，提高鐵液成分穩(wěn)定性和鑄件質(zhì)量穩(wěn)定性，保證鑄件質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。

2.3 超大斷面球墨鑄鐵件制造技術(shù)

2.3.1 現(xiàn)狀

超大斷面球墨鑄鐵件主要指重量超過(guò)100 t、壁厚在300 mm以上、球化級(jí)別2～3級(jí)、鐵素體含量≥90%、碳化物+磷共晶≤0.5%、性能指標(biāo)要求在-40℃時(shí)沖擊功 ≥12 J、 斷 裂 韌 性 KI C≥50 N/mm2·m1/2的Q T400-18的球墨鑄鐵件，如百?lài)嵓?jí)球墨鑄鐵核廢料罐、風(fēng)電用輪轂、底座等。隨著國(guó)際上乏燃料貯運(yùn)容器向大型化、貯存和運(yùn)輸一體化方向發(fā)展和我國(guó)對(duì)高質(zhì)量、低成本大型乏燃料運(yùn)輸容器的需求快速增加，而國(guó)內(nèi)大型球墨鑄鐵容器制造技術(shù)空白并在高價(jià)進(jìn)口，自主開(kāi)發(fā)大型球墨鑄鐵乏燃料運(yùn)輸容器、突破大體積高性能包裝容器制造技術(shù)已成為當(dāng)前十分迫切的任務(wù)。

2.3.2 挑戰(zhàn)

1）大型球墨鑄鐵乏燃料貯運(yùn)容器要求本體壁厚500 mm以上、高度5 000 mm以上、重量100 t以上，在高溫鐵液巨大的熱量且熱量極其集中的情況下，為了保證鐵液在2 h內(nèi)完成凝固，且芯部的石墨形態(tài)、材料性能滿(mǎn)足指標(biāo)要求，須采用安全有效的強(qiáng)制冷卻技術(shù)，包括鑄型強(qiáng)力冷卻系統(tǒng)及裝置和先進(jìn)的鑄造工藝技術(shù)。因此，研制鑄型強(qiáng)力冷卻系統(tǒng)及裝置、超大斷面球墨鑄鐵的鑄造工藝技術(shù)是面臨的主要任務(wù)。

2）大型球墨鑄鐵乏燃料容器本體上沿周向均勻布置中子吸收體，需進(jìn)行深孔加工。同時(shí)，球墨鑄鐵容器本體需要進(jìn)行套料取樣，即在容器壁厚芯部沿5 000 mm的高度方向套料加工出一個(gè)試棒進(jìn)行材料檢驗(yàn)，套料深度4 500 mm，厚壁球墨鑄鐵件的深孔加工以及套料取樣技術(shù)是面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

3）大型球墨鑄鐵乏燃料貯運(yùn)容器具有很高的使用安全性要求，對(duì)其球墨鑄鐵材質(zhì)的各項(xiàng)性能尤其是斷裂韌性（K1C、J1C）、-40℃沖擊韌性等也提出相應(yīng)較高的要求，而材料斷裂韌性（K1C）的測(cè)試存在相當(dāng)?shù)碾y度，大多以J1C進(jìn)行換算，如何保證球墨鑄鐵容器的低溫力學(xué)性能并準(zhǔn)確測(cè)試是面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

2.3.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)

開(kāi)發(fā)強(qiáng)制冷卻技術(shù)和裝置，突破超大斷面球墨鑄鐵件生產(chǎn)技術(shù)和質(zhì)量保證技術(shù)，使百t級(jí)球墨鑄鐵核廢料罐主要性能指標(biāo)達(dá)到抗拉強(qiáng)度≥400 M P a，伸長(zhǎng)率≥18%，-40℃低溫沖擊功≥12 J，斷裂韌性K1C≥50 N/mm2·m1/2.

2）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)

乏燃料貯存容器需求量預(yù)計(jì)為800個(gè)左右，價(jià)值近百億元人民幣，掌握自主設(shè)計(jì)制造大型球墨鑄鐵容器的成套技術(shù)，實(shí)現(xiàn)批量穩(wěn)定生產(chǎn)，滿(mǎn)足我國(guó)對(duì)高質(zhì)量、低成本大型乏燃料運(yùn)輸容器的需求。

2.4 高精度及精度保持性的機(jī)床床身鑄件批量生產(chǎn)技術(shù)

2.4.1 現(xiàn)狀

目前我國(guó)在汽車(chē)、航空、鐵路、國(guó)防等重要領(lǐng)域所需的高檔數(shù)控機(jī)床長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口，機(jī)床的加工精度及精度保持性差是擋不住進(jìn)口的重要原因；鑄鐵床身是機(jī)床的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件，其尺寸精度及精度保持性是影響機(jī)床加工精度及精度保持性的關(guān)鍵之一，在較低應(yīng)力狀態(tài)下工作的機(jī)床和精密機(jī)械鑄件，通常不是因斷裂破壞、而是由于鑄件尺寸穩(wěn)定性差而失效[16]。高精度及精度保持性的機(jī)床床身鑄件主要指高強(qiáng)度、高彈性模量、低應(yīng)力的灰鑄鐵和球墨鑄鐵件。

機(jī)床鑄件在相同的強(qiáng)度下，碳當(dāng)量高低是衡量材質(zhì)優(yōu)劣的重要標(biāo)志，長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)機(jī)床鑄件尚處在中、低碳當(dāng)量、高強(qiáng)度階段，僅有少數(shù)機(jī)床鑄件廠已接近高碳當(dāng)量、高強(qiáng)度材質(zhì)的水平，質(zhì)量不穩(wěn)定是國(guó)內(nèi)機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)普遍存在的問(wèn)題。

2.4.2 挑戰(zhàn)

近年來(lái)國(guó)產(chǎn)機(jī)床行業(yè)的快速發(fā)展使機(jī)床數(shù)控化率不斷提高，國(guó)內(nèi)能夠形成規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)高檔機(jī)床鑄件的企業(yè)仍然不多，大部分都以低端產(chǎn)品維持生計(jì)，不利于鑄造熱加工行業(yè)的發(fā)展，而且是制約高檔數(shù)控機(jī)床進(jìn)一步提高精度及其保持性的瓶頸之一。

高牌號(hào)機(jī)床鑄件生產(chǎn)中的主要問(wèn)題是因收縮的增加導(dǎo)致的縮松、因鑄造應(yīng)力的增加引起的變形、因硬度的增加導(dǎo)致的加工性能惡化等導(dǎo)致的質(zhì)量不穩(wěn)定。彈性模量是反映鑄件材質(zhì)剛度的重要指標(biāo)之一，在高強(qiáng)度下提高彈性模量并降低鑄造內(nèi)應(yīng)力，提高其抗變形能力、減小變形，以保證良好的尺寸精度及其保持性，是高端機(jī)床鑄鐵件的重要要求之一[17-19]，而機(jī)床鑄件高強(qiáng)度、高剛度與低應(yīng)力的矛盾是多數(shù)機(jī)床企業(yè)面臨的技術(shù)難題，因鑄件的殘余應(yīng)力引起的變形甚至開(kāi)裂等問(wèn)題是鑄造行業(yè)的共性技術(shù)問(wèn)題之一。降低鑄件內(nèi)應(yīng)力、提高精度保持性，提供快速、低成本的解決方案是面臨的主要挑戰(zhàn)。

2.4.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)

根據(jù)機(jī)床鑄件的壁厚、重量和結(jié)構(gòu)等特征，個(gè)性化定制鑄造專(zhuān)家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)零件特征快速制定工藝流程和鑄造工藝方案；研發(fā)鑄鐵件應(yīng)力場(chǎng)和變形量數(shù)值模擬軟件，研究殘余應(yīng)力、彈性模量等關(guān)鍵性能指標(biāo)的精確檢測(cè)技術(shù)，以及時(shí)效處理及其評(píng)價(jià)技術(shù)等。形成具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的床身優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、制造工藝技術(shù)及其性能檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于灰鑄鐵（H T300）床身，達(dá)到彈性模量≥120 G P a，鑄造內(nèi)應(yīng)力≤30 M P a；對(duì)于球墨鑄鐵（Q T600-3）床身，達(dá)到彈性模量≥160 G P a，鑄造內(nèi)應(yīng)力≤60 M P a.

2）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)

建成高精度床身鑄件材質(zhì)試驗(yàn)平臺(tái)和制造示范基地，研究床身應(yīng)力與變形及精度的影響機(jī)理，進(jìn)一步提高床身的尺寸精度及其精度保持性，對(duì)于灰鑄鐵（H T300）床身，達(dá)到彈性模量≥120 G P a，鑄造內(nèi)應(yīng)力≤20 M P a；對(duì)于球墨鑄鐵（Q T600-3）床身，達(dá)到彈性模量≥160 G P a，鑄造內(nèi)應(yīng)力≤50 M P a.引領(lǐng)行業(yè)形成高檔機(jī)床鑄件的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化，滿(mǎn)足高檔數(shù)控機(jī)床對(duì)高強(qiáng)度、高剛度、高精度及其精度保持性床身鑄件的需求，突破我國(guó)高精度數(shù)控機(jī)床制造的瓶頸，實(shí)現(xiàn)高檔數(shù)控機(jī)床國(guó)產(chǎn)化。

3 技術(shù)路線圖

技術(shù)路線圖如圖3所示。