《鑄造技術路線圖》摘錄

1 概述

鑄鐵量大面廣，企業(yè)約1.5萬家，鑄鐵件質量穩(wěn)步提升的同時，鑄鐵件產量也在高位運行，2015年我國鑄鐵件產量為3 340萬t（其中灰鑄鐵2 020萬t，球墨鑄鐵 1 260萬 t，可鍛鑄鐵 60萬 t），占全年鑄件總產量4 560萬t的73.25%。與2014年相比，2015年我國鑄鐵件產量中球墨鑄鐵件增長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，鑄鐵件的材質結構在持續(xù)改善。

我國鑄鐵行業(yè)從原輔材料、工藝裝備、生產技術、檢測控制等方面均已具備生產各種鑄件、包括高端鑄鐵件的能力，正處于由大變強的關鍵時期，鑄鐵生產技術取得較大進展：優(yōu)質生鐵、高純生鐵和優(yōu)質廢鋼等原輔材料供應品種和質量有了很大改善；爐前熱分析等技術手段日益受到重視，應用逐步增加；質量控制和檢測（特別是在線檢測）水平穩(wěn)步提升；部分產品的性能達到了國際先進水平，高鐵機車轉向架軸箱、變速箱、電機殼等零件，風電輪轂、底座和數控機床橫梁等關鍵零部件已批量生產和應用；年產鑄鐵件萬t以上、生產設備較先進、質量較穩(wěn)定的企業(yè)已達上百家[1-2]。隨著裝備水平的提高、計算機技術的應用，以及原輔材料、熔煉、處理和檢測等方面的技術進步，鑄鐵性能和應用領域還有拓展空間，將迎來新時代。

在肯定成績的同時，也應該看到我國鑄鐵行業(yè)面臨著深層次的問題，在鑄鐵材質結構、生產規(guī)模及專業(yè)化程度、鑄件綜合質量和技術經濟效益等方面與先進工業(yè)國家還存在著明顯差距：相同碳當量下灰鑄鐵強度比國外低1級；質量的穩(wěn)定性、一致性差是我國鑄鐵件生產的突出問題，主要體現在材質化學成分和力學性能的波動大，鑄件的鑄造缺陷不能根本消除；廢品率高、鑄件的縮孔、縮松和變形問題日益突出，鑄鐵件的彈性模量和殘余應力等指標長期未列入驗收范圍；鑄鐵行業(yè)專業(yè)化生產程度不高，數字化、智能化水平低，大型、厚大斷面、高端鑄鐵件的質量控制技術有待提高。

未來鑄造行業(yè)的發(fā)展趨勢是向數字化、智能化、綠色環(huán)保方向發(fā)展，而技術含量高的高端鑄鐵件將成為我國鑄鐵行業(yè)的發(fā)展方向?，F代化的鑄造企業(yè)應具有高的生產效率和效益，能生產高效能、輕量化、精確化、凈形或近凈形的能滿足高端制造業(yè)所需的優(yōu)質鑄件，這就要求鑄鐵生產企業(yè)采用高新技術、采用先進管理理念和模式不斷提升企業(yè)的技術和管理水平，采用新材料、新工藝提高產品質量和附加值，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年是我國貫徹國民經濟可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、推動循環(huán)經濟發(fā)展、走新型工業(yè)化道路、奠定建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會基礎的重要時期，各行各業(yè)對高端鑄鐵件及鑄造設備的需求將具有定制化、高端化、智能化的特點。通過不斷發(fā)展和提升鑄造技術水平，掌握大型及關鍵設備零部件鑄造技術，實現核電、軌道交通和汽車等關鍵、高精度鑄鐵件的批量生產，提高鑄造企業(yè)的規(guī)模、裝備和技術水平，鑄鐵企業(yè)數量預計從現在的1.5萬家到2020年的1萬家左右，到2025年達到6 000家左右，到2030年達到4 000家左右；鑄鐵企業(yè)平均產量規(guī)模預計從現在的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，我國鑄鐵產量將持平或略有增長（其中灰鑄鐵產量減少，球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵產量增加），鑄鐵材質結構持續(xù)改善，各材質鑄鐵件產量目標如表1所示。

2 關鍵技術

2.1 高性能鑄鐵件生產技術

2.1.1 現狀

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

表1 各材質鑄鐵件產量目標

1）高強度低應力灰鑄鐵

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

2）蠕墨鑄鐵

蠕化率≥80%的蠕墨鑄鐵具有強度高、導熱和耐疲勞綜合性能好的特點，在發(fā)動機缸體、缸蓋等重要鑄件上的應用越來越多。G B/T 26655—2011《蠕墨鑄鐵件》、G B/T 26656—2011《蠕墨鑄鐵金相檢驗》標準的發(fā)布實施有力地促進蠕墨鑄鐵在我國的發(fā)展[8-11]。

3）等溫淬火球墨鑄鐵

等溫淬火球墨鑄鐵（AD I）憑借強度高（最高可超過1 600 M P a）、塑性好（最大伸長率＞11%）、動載性能高（彎曲疲勞強度達420～500 M P a，接觸疲勞強度達1 600～2 100 M P a）、耐磨性及吸震性好等優(yōu)點，應用范圍逐步擴大，國內AD I的應用是以抗磨、耐磨件（特別是磨球）和工程結構件（齒板、襯板、重型卡車懸掛件、支架）為主。

2.1.2 挑戰(zhàn)

隨著國內外經濟的高速發(fā)展，原有的鑄鐵件已不能滿足在汽車、高鐵、發(fā)電等工程機械領域中對鑄件要求越來越高的力學性能，對高性能鑄鐵件的需求也日益增加，而其產品性能、生產技術水平等與國外先進水平存在較大差距，尚面臨許多挑戰(zhàn)。

1）高強度低應力灰鑄鐵

在高碳當量下生產高強度灰鑄鐵是一項難度很大的綜合技術，熔煉優(yōu)良冶金質量、高溫、成分合適而穩(wěn)定、元素燒損小的優(yōu)質鐵液是生產高質量灰鑄鐵件的基礎和面臨的挑戰(zhàn)，如何通過低合金化和有效的孕育是生產高強度低應力灰鑄鐵的主要技術難題。

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優(yōu)質蠕墨鑄鐵件、應用于缸體和缸蓋等小批量生產的關鍵，研究喂絲法蠕化處理、蠕墨鑄鐵熱分析等技術與裝備以滿足大量流水生產對蠕墨鑄鐵穩(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

處理前鑄件質量的穩(wěn)定性和一致性是生產等溫淬火球墨鑄鐵（AD I）件的關鍵，如何改進設計、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題，如何提高淬透性、解決厚大斷面AD I件的生產是AD I發(fā)展中的另一技術難題[12]。

2.1.3 目標

1）預計到2020年，要達到的目標

通過開展高性能鑄鐵新材料的研發(fā)和機理研究，掌握高性能鑄鐵的制備技術和相關理論知識，掌握國際先進水平的鑄鐵材質及其成分、組織、性能控制技術，實現汽車、核電、高鐵以及船舶等設備發(fā)動機缸體、缸蓋、齒輪箱、曲軸、大斷面AD I件等關鍵高端鑄鐵件的批量生產；球墨鑄鐵件年產量占鑄鐵件總產量的比例達41%以上，球墨鑄鐵與灰鑄鐵之比達到0.75，AD I鑄件年產量占球墨鑄鐵件產量5%以上，蠕墨鑄鐵產量達到70萬t，高性能鑄鐵件占鑄鐵件產量的20%以上，并針對新材料制定相應國家標準或行業(yè)標準以提升我們的行業(yè)地位。

2）預計到2030年，要達到的目標：

高性能鑄鐵件的質量穩(wěn)定性和一致性達到工業(yè)發(fā)達國家水平，自主制造出包括高端鑄件在內的各種鑄鐵件，實現軌道交通和汽車等大型、復雜、高性能鑄鐵件的批量生產和國產化、基本不進口，增加出口鑄鐵件占鑄鐵件總產量的比例，實現汽車、核電、高鐵以及船舶等設備發(fā)動機缸體、缸蓋、齒輪箱、曲軸、大斷面AD I件等關鍵高端鑄鐵件的批量生產。球墨鑄鐵件產量占鑄鐵件總產量比例達到50%以上，球墨鑄鐵與灰鑄鐵之比達到1.15，AD I件年產量占球墨鑄鐵件產量15%以上，蠕墨鑄鐵產量達到190萬t，高性能鑄鐵件占鑄鐵件產量的30%以上。

2.2 高質量純凈鐵液熔煉和處理技術

2.2.1 現狀

隨著我國鑄鐵行業(yè)的發(fā)展，包括原材料質量、熔煉設備及技術、鐵液精煉、過濾、凈化技術、清潔高效穩(wěn)定的精確球化孕育處理技術與裝備、鐵液質量在線檢測與控制技術等在內的高質量純凈鐵液熔煉和處理技術有了顯著進步[13]。

1）對大批量流水生產，需要大量鐵液的工廠，需采用能保證鐵液冶金質量、節(jié)能環(huán)保達標的大型熱風、水冷、無（?。t襯長爐齡沖天爐或與電爐雙聯(lián)熔煉。為了滿足大批量連續(xù)生產的要求，國內市場大量需求10 t/h以上的熱風沖天爐，我國鑄造企業(yè)需要從國外引進大容量沖天爐，如濰柴動力鑄鍛有限公司引進了兩臺美國E C＆amp;S公司和德國科特納公司的35 t/h長爐齡熱風水冷富氧沖天爐，用于大批量連續(xù)生產H T250、H T300材質的柴油發(fā)動機氣缸體、氣缸蓋等鑄件[14]。

2）合適而穩(wěn)定的化學成分、高溫純凈的鐵液和有效的處理工藝是鑄件穩(wěn)定生產的首要條件，需要實現對鐵液化學成分的控制技術，包括熔煉工藝、原料配比和加料、成分檢測等，近年來我國在原材料、鐵液凈化技術、熱分析技術、成分控制等方面取得了較大進展，研發(fā)了爐前鐵液質量在線檢測與控制等儀器設備，如圖1、圖2所示。

圖1 數據采集系統(tǒng)與裝備

3）球化處理和孕育處理是保證鑄件質量的穩(wěn)定性和一致性的關鍵環(huán)節(jié)之一，目前國內大型鑄件生產時，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題，近年來研發(fā)了喂絲球化孕育處理設備。

4）部分鑄鐵生產企業(yè)經常性的對生產中鑄造缺陷的發(fā)生情況或預防處理的經驗進行總結和分析后形成質量案例，具有非常強的針對性和適用性，可顯著提高技術人員的決策效率。但目前鑄造缺陷的經驗知識和案例信息表達方式多樣，系統(tǒng)性和完整性差，多以非結構化或半結構化的方式記錄和獲取，沒有和生產數據建立起緊密的聯(lián)系[15]。

圖2 鐵液化學成分、冷卻曲線采集與性能預測

2.2.2 挑戰(zhàn)

1）目前我國鑄鐵產量80%以上由電爐或沖天爐-電爐雙聯(lián)熔煉，大容量熱風沖天爐裝備技術水平不高，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沖天爐，熱效率低，硅、錳等元素燒損大，煙塵多、渣量大，近年各地環(huán)保治理中成為重點整治對象，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，全部引進國外沖天爐則需耗費巨資，因此實現10 t/h以上的熱風沖天爐國產化是面臨的挑戰(zhàn)。

2）在鐵液熔煉方面，國內很多企業(yè)除了采用光譜分析之外，沒有足夠重視熱分析等先進檢測技術的應用，光譜分析結果也往往難以及時反饋到爐前以便調整成分，很少測量鐵液的N、H、O含量等，成分控制與在線調整技術與國外尚存在一定的差距，對爐前鐵液質量的精確控制、獲得質量穩(wěn)定、化學成分波動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間長，容易出現球化衰退和孕育衰退問題，如何減少從球化處理到澆注的時間間隔是生產優(yōu)質鑄件的主要技術難題之一，如何解決熱分析等爐前分析測試技術的接口問題、較為準確的預測碳含量、硅含量、碳當量、石墨形態(tài)、性能指標并及時調整處理工藝等是要解決的主要難點問題。

4）鑄造缺陷種類繁多，缺陷知識包括缺陷的代碼、名稱、類別、分布位置、形狀特征、原因推測、補救措施和典型圖片等諸多信息，部分企業(yè)有其獨立的缺陷分類體系，但行業(yè)中在缺陷管理上較混亂、不便于交流。對缺陷進行統(tǒng)一的系統(tǒng)的分類和編碼，對企業(yè)生產中鑄造缺陷及相應的解決方案的海量數據進行統(tǒng)計，是面臨的主要難題。

2.2.3 目標

1）預計到2020年，要達到的目標

自主設計制造10 t/h及以上的大型外熱風長爐齡沖天爐成套設備，達到中國鑄造協(xié)會標準《沖天爐大氣污染物排放限值及測試方法》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小的優(yōu)質鐵液的熔煉技術；研究新型球化劑、孕育劑及其精確加入技術，如采用含鑭球化劑；建立行業(yè)通用的鑄造缺陷數據庫管理與分析系統(tǒng)，制定行業(yè)標準乃至國家標準；能耗指標普遍達到國家標準和國際標準的要求等。

2）預計到2030年，要達到的目標

表2 沖天爐大氣污染物排放限值

建立鑄造工藝專家系統(tǒng)，基于爐前熱分析和計算機處理系統(tǒng)，建立包括成分分析、熱分析冷卻曲線、金相分析及力學性能結果的數據庫，集成爐料配比及加料系統(tǒng)、鐵液化學成分分析的數據采集與成分在線調整系統(tǒng)、鐵液冷卻曲線采集和性能在線預測與調整系統(tǒng)、喂絲球化孕育設備、隨流孕育技術和裝備等，實現設備互聯(lián)，數字化、智能化鑄造，提高鐵液成分穩(wěn)定性和鑄件質量穩(wěn)定性，保證鑄件質量的穩(wěn)定性和一致性。

2.3 超大斷面球墨鑄鐵件制造技術

2.3.1 現狀

超大斷面球墨鑄鐵件主要指重量超過100 t、壁厚在300 mm以上、球化級別2～3級、鐵素體含量≥90%、碳化物+磷共晶≤0.5%、性能指標要求在-40℃時沖擊功 ≥12 J、 斷 裂 韌 性 KI C≥50 N/mm2·m1/2的Q T400-18的球墨鑄鐵件，如百噸級球墨鑄鐵核廢料罐、風電用輪轂、底座等。隨著國際上乏燃料貯運容器向大型化、貯存和運輸一體化方向發(fā)展和我國對高質量、低成本大型乏燃料運輸容器的需求快速增加，而國內大型球墨鑄鐵容器制造技術空白并在高價進口，自主開發(fā)大型球墨鑄鐵乏燃料運輸容器、突破大體積高性能包裝容器制造技術已成為當前十分迫切的任務。

2.3.2 挑戰(zhàn)

1）大型球墨鑄鐵乏燃料貯運容器要求本體壁厚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內完成凝固，且芯部的石墨形態(tài)、材料性能滿足指標要求，須采用安全有效的強制冷卻技術，包括鑄型強力冷卻系統(tǒng)及裝置和先進的鑄造工藝技術。因此，研制鑄型強力冷卻系統(tǒng)及裝置、超大斷面球墨鑄鐵的鑄造工藝技術是面臨的主要任務。

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，需進行深孔加工。同時，球墨鑄鐵容器本體需要進行套料取樣，即在容器壁厚芯部沿5 000 mm的高度方向套料加工出一個試棒進行材料檢驗，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是面臨的一項挑戰(zhàn)。

3）大型球墨鑄鐵乏燃料貯運容器具有很高的使用安全性要求，對其球墨鑄鐵材質的各項性能尤其是斷裂韌性（K1C、J1C）、-40℃沖擊韌性等也提出相應較高的要求，而材料斷裂韌性（K1C）的測試存在相當的難度，大多以J1C進行換算，如何保證球墨鑄鐵容器的低溫力學性能并準確測試是面臨的一項挑戰(zhàn)。

2.3.3 目標

1）預計到2020年，要達到的目標

開發(fā)強制冷卻技術和裝置，突破超大斷面球墨鑄鐵件生產技術和質量保證技術，使百t級球墨鑄鐵核廢料罐主要性能指標達到抗拉強度≥400 M P a，伸長率≥18%，-40℃低溫沖擊功≥12 J，斷裂韌性K1C≥50 N/mm2·m1/2.

2）預計到2030年，要達到的目標

乏燃料貯存容器需求量預計為800個左右，價值近百億元人民幣，掌握自主設計制造大型球墨鑄鐵容器的成套技術，實現批量穩(wěn)定生產，滿足我國對高質量、低成本大型乏燃料運輸容器的需求。

2.4 高精度及精度保持性的機床床身鑄件批量生產技術

2.4.1 現狀

目前我國在汽車、航空、鐵路、國防等重要領域所需的高檔數控機床長期依賴進口，機床的加工精度及精度保持性差是擋不住進口的重要原因；鑄鐵床身是機床的關鍵基礎部件，其尺寸精度及精度保持性是影響機床加工精度及精度保持性的關鍵之一，在較低應力狀態(tài)下工作的機床和精密機械鑄件，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床床身鑄件主要指高強度、高彈性模量、低應力的灰鑄鐵和球墨鑄鐵件。

機床鑄件在相同的強度下，碳當量高低是衡量材質優(yōu)劣的重要標志，長期以來我國機床鑄件尚處在中、低碳當量、高強度階段，僅有少數機床鑄件廠已接近高碳當量、高強度材質的水平，質量不穩(wěn)定是國內機床生產企業(yè)普遍存在的問題。

2.4.2 挑戰(zhàn)

近年來國產機床行業(yè)的快速發(fā)展使機床數控化率不斷提高，國內能夠形成規(guī)?；a業(yè)化生產高檔機床鑄件的企業(yè)仍然不多，大部分都以低端產品維持生計，不利于鑄造熱加工行業(yè)的發(fā)展，而且是制約高檔數控機床進一步提高精度及其保持性的瓶頸之一。

高牌號機床鑄件生產中的主要問題是因收縮的增加導致的縮松、因鑄造應力的增加引起的變形、因硬度的增加導致的加工性能惡化等導致的質量不穩(wěn)定。彈性模量是反映鑄件材質剛度的重要指標之一，在高強度下提高彈性模量并降低鑄造內應力，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，是高端機床鑄鐵件的重要要求之一[17-19]，而機床鑄件高強度、高剛度與低應力的矛盾是多數機床企業(yè)面臨的技術難題，因鑄件的殘余應力引起的變形甚至開裂等問題是鑄造行業(yè)的共性技術問題之一。降低鑄件內應力、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

1）預計到2020年，要達到的目標

根據機床鑄件的壁厚、重量和結構等特征，個性化定制鑄造專家系統(tǒng)，實現根據零件特征快速制定工藝流程和鑄造工藝方案；研發(fā)鑄鐵件應力場和變形量數值模擬軟件，研究殘余應力、彈性模量等關鍵性能指標的精確檢測技術，以及時效處理及其評價技術等。形成具有我國自主知識產權的床身優(yōu)化設計技術、制造工藝技術及其性能檢測技術，對于灰鑄鐵（H T300）床身，達到彈性模量≥120 G P a，鑄造內應力≤30 M P a；對于球墨鑄鐵（Q T600-3）床身，達到彈性模量≥160 G P a，鑄造內應力≤60 M P a.

2）預計到2030年，要達到的目標

建成高精度床身鑄件材質試驗平臺和制造示范基地，研究床身應力與變形及精度的影響機理，進一步提高床身的尺寸精度及其精度保持性，對于灰鑄鐵（H T300）床身，達到彈性模量≥120 G P a，鑄造內應力≤20 M P a；對于球墨鑄鐵（Q T600-3）床身，達到彈性模量≥160 G P a，鑄造內應力≤50 M P a.引領行業(yè)形成高檔機床鑄件的規(guī)模化、產業(yè)化，滿足高檔數控機床對高強度、高剛度、高精度及其精度保持性床身鑄件的需求，突破我國高精度數控機床制造的瓶頸，實現高檔數控機床國產化。

3 技術路線圖

技術路線圖如圖3所示。