铸造技术的发展现状与趋势

2017-01-10于波,孙逊

铸造设备与工艺 2017年2期

铸造技术的发展现状与趋势

1概述

铸造是将液态金属注入型腔后凝固成形获得金属铸件的技术，广泛用于航空、航天、汽车、石化、冶金、电力、造船、纺织等支柱产业，是获得机械产品毛坯和零部件的主要方法之一。

铸件在航空发动机、火箭发动机、燃气轮机、汽车发动机、轨道交通等各类装备中占有相当大的比例，对提高装备主机性能至关重要，铸造成形是机械行业基础制造工艺。自2000年开始，我国已连续十六年占据世界铸件产量首位，是世界铸造大国，为我国国民经济发展作出了积极贡献，但我国在某些高端铸件铸造技术上仍然落后，造成我国相关高端装备发展滞后。铸造行业中数量众多的中小铸造企业存在管理粗放、产能落后等情况，对我国生态环境造成损害，因此在能耗控制和环境保护方面需要更大投入。

近三十多年，世界铸造技术发生了很大的变化，机械化、自动化、数字化、智能化技术不断发展及深入融合，人类对可持续发展环境的要求越来越高，这些因素促进了世界铸造技术的进步。未来15年是我国铸造产业发展的结构调整期和战略机遇期，发展“优质、高效、智能、绿色”铸造技术已成行业共识。

当前我国铸造技术的发展目标是，大幅度提高我国装备制造业发展所需高端铸件自主设计和制造的创新能力，在先进铸造技术、重大工程特大型及关键零部件的铸造成形技术、数字化智能化铸造技术、绿色铸造技术等方面形成一批世界一流的创新成果，为我国国民经济重要部门的装备制造提供强有力的技术支持，使我国从世界铸造大国发展成为世界铸造强国。

2发展现状

铸造技术主要包括铸造材料、铸造成形方法、铸造装备与检测以及环保与安全等内容，铸造技术的发展与国民经济发展态势和全球经济发展的大环境紧密关联，我国铸造产业在经过多年持续快速发展之后，近几年受全球制造业大环境影响增速放缓，目前处于结构调整升级的关键时期。

从相关机构发布的统计数据中可以洞察近年来我国铸造产业和铸造技术的发展脉络。我国目前铸造厂点总数约26 000家，厂均年产铸件1 777 t，远低于世界第一的德国（8 818 t），在世界铸件产量前十位国家中列倒数第一，众多经济规模较小的铸造企业在技术进步和装备提升方面投入乏力。根据中国铸造协会2016年5月发布的数据，2015年中国各类铸件总产量4 560万t，较2014年下降1.30%，是自1999年开始连续增长多年之后首次出现负增长。2015年铝合金铸件增长4.27%，球墨铸铁件增长1.61%，其中，铝/镁合金铸件产量占比13.4%（2014年为12.7%），球墨铸铁/灰铸铁=1：1.60（2014年为1：1.68），说明我国附加值较高的铸件产品产量小幅增加。根据对海关进出口数据中列为铸制品的商品统计（随同零件、组装产品进出口的铸件在海关进出口商品中无法分离出来），2015年中国各类铸件出口量为194.43万t，出口均价为1 484美元/t，各类铸件进口量为1.74万t，进口均价为7 214美元/t，说明我国少部分高技术附加值铸件仍需进口。

多年来，经过各级政府科技项目支持、产学研用合作发展，国内铸造技术与国外铸造技术发展差距逐步缩小，表现在行业结构调整中技术升级和准入审核取得进展、与主机装备制造配套能力有所突破、优秀铸造企业国际竞争能力不断增强等诸多方面。例如，轻合金和高温合金精密铸造成形技术的发展满足了我国多种新型先进国防装备需求；大型耐热耐蚀承压不锈钢材料和铸造成形技术的发展满足了我国新型发电设备部件制造需求；大型钢锭宏观偏析和缩松控制技术的发展提高了我国机械设备大型锻件用坯的内部质量；新型含Nb高温钛合金研发取得突破；汽车用铸件铸造技术的发展不仅带动了我国铸造企业大批量铸件生产机械化、自动化、数字化和先进铸造技术应用水平的不断提高，也为我国汽车产业发展作出了巨大贡献；铸造过程数值模拟技术的研发和应用提高了我国铸造企业的铸造工艺设计水平，先进的数字化铸造技术在个别优秀铸造企业中得到有效运用。

尽管近三十年我国铸造技术取得显著进步，并且在国民经济和国防建设发展过程中发挥了重要作用，但是应该清醒看到，当前我国铸造产业大而不强的局面并未发生根本改变，铸造领域不同技术方向上与国外发达国家存在或大或小的差距，产生差距的原因也各不相同，分别简述如下。

2.1铸造黑色金属及成形

铸铁方面，高性能球墨铸铁件铸造技术不稳定不可靠，关键力学性能指标达不到发达国家水平。超大断面球墨铸铁件铸造技术不过关，百吨级大型乏燃料贮运容器不能自主制造。高档数控机床精度保持性不佳的主要原因之一是机床床身铸件尺寸稳定性差，该问题仍未解决，导致高档数控机床长期依赖进口。

铸钢方面，我国海工装备用耐海水腐蚀双相铸造不锈钢材料体系不完整，铸造工程应用基础数据匮乏，铸造成形过程某些机理问题不清晰。国内特大型合金钢铸锭熔铸过程内部缺陷控制技术和极端工作条件下服役过程可靠性仍需攻关。国内铸钢企业高端产能紧缺，新型发电设备用大型高端铸钢件铸造技术落后于欧洲发达国家，部分核电设备用大型不锈钢铸件和新型火电设备用耐高温铸件依赖进口，个别产品被国外垄断，铸钢企业低端产能过剩。大型复杂曲面异形工件电渣熔铸技术及工程应用有待拓展。

铸造耐磨材料方面，我国钢铁耐磨材料体系研发与国外发达国家差距不明显，新近推出的铸造耐磨材料国家标准与国际标准接轨。但部分高锰钢铸造企业铸件技术指标不满足国标要求和使用要求，铸造工艺和铸件质量落后于世界发达国家水平。国内铸造耐磨材料生产过程中先进钢铁液熔炼、精炼和过滤技术应用水平落后，具有我国特色的钢铁液炉前孕育与变质处理技术仍需发展。用于铸造耐磨材料成形的可显著改善耐磨材料使用寿命的先进砂型铸造技术和特种铸造技术有待进一步研发和推广应用。发展铸造耐磨材料热处理技术，提高耐磨铸件硬度韧性和使用寿命，减少合金元素用量，防止厚大耐磨件开裂以及减少耐磨钢铁件表面脱碳也是努力方向。

2.2造型材料

造型材料方面，国内大多数厂家生产的呋喃树脂粘结剂存在毒性大、高温退让性差、性能不稳定、用于铸钢件时热裂倾向严重、用于低碳钢铸造时铸件表面渗碳渗硫等问题，国外已采用环保型生物质呋喃树脂，具有毒性小、强度大、硬化速度快、成本低的优点。国内自硬砂应用占比小，黏土砂应用占比大，且大量使用毒性较大的煤粉黏土砂，国外主要采用酯硬化碱性酚醛树脂砂或环保型呋喃树脂自硬砂，铸件表面质量好且作业环境好。国内冷芯盒制芯工艺还存在溶剂毒性大和粘模严重问题。国产涂料品种单一、污染大、成本高、刷涂工艺落后、涂料混制批量小和自动化程度低，质量不稳定。国内旧砂再生回用率为30%～60%，很多小型铸造企业旧砂全部排放，国外旧砂的再生回用率可达80%～90%.欧洲一些国家已将低成本环保的无机粘结剂砂成功用于复杂壁薄精确的高端铸件大批量生产，国内刚开始探索试验。

2.3铸造有色合金及金属基复合材料

铸造高温合金方面，第三代高温合金单晶已在发达国家航发复杂单晶叶片获得应用，批量产品合格率在80%以上，第四代和第五代单晶材料正在预研中，国外主流地面重型燃气轮机一级和二级涡轮叶片也已普遍采用柱晶/单晶高温合金；我国目前已具备小批量航发用复杂单晶叶片生产能力，但产品合格率不足60%，第三代航发单晶叶片铸造技术处于预研阶段，地面燃气轮机用大型柱晶/单晶叶片处于实验室研究阶段。

铸造铝合金方面，国内铝合金熔体精炼技术创新能力较差；新型铸造铝合金的基础理论研究较多，工程应用偏少；对铝合金铸造新技术缺少系统全面的研发，包括合金系列、设备、控制、软硬件开发等与国外差距更大。

铸造镁合金方面，我国开发了多种高性能稀土镁合金材料，航空航天用高强耐热Mg-Gd-Y-Zr系镁合金材料在性能方面已经达到国际先进水平，但在大型复杂高强耐热铸造镁合金铸件凝固理论及成形工艺方面远落后于发达国家。迄今为止，国际上只有美国和前苏联有镁锂系合金牌号，国内关于镁锂合金的研究还很有限，尤其是对超轻铸造镁锂合金的相关研究非常缺乏，这与镁锂合金在航空航天及电子工业等领域的巨大应用前景不相称。

铸造钛合金方面，以钛铝化合物为基的高温钛合金在美国已经开始批量生产和应用；国内自行开发的高Nb钛铝合金也开始尝试应用，新近研发的Ti-45Al-8Nb单晶合金，将承温能力提高了150℃～250℃以上，优于世界同类合金，取得重大突破。但目前国内攻关高温钛合金生产仍未摆脱对国外关键熔炼设备的依赖。我国在低温钛合金技术方向起步较晚，目前以跟踪仿制为主并有所突破。

铸造铜合金方面，铜合金材料工艺性研发不系统不完善，致使船用铜合金承压泵阀类铸件内部质量不稳定、成品率较低。世界上船用大型螺旋桨制造技术相对保密，我国已经掌握超大型船用铜合金螺旋桨的制造技术，但铸件化学成分控制技术、耐腐蚀性能等均有很大进步空间。

铸造金属基复合材料方面，为了降低金属基复合材料的制造成本并满足民用需要，从1980年代以来研究重点逐渐转向以颗粒为代表的颗粒、晶须、短纤维增强的非连续增强金属基复合材料。目前，液态铸造法制备的金属基复合材料占据了半壁江山，国外已大批量工程应用，而国内基础研究较多，工程应用较少。金属基复合材料的制备过程中存在两个共性问题，一是如何实现增强体在合金基体中均匀分布，二是如何实现增强体与基体金属界面之间的良好结合，因此制备工艺技术是金属基复合材料发展的瓶颈问题。铝基复合材料综合性能仍需要继续提高，并实现材料的可设计性和稳定制造，以降低制造成本并加快产业化进程。镁基复合材料在制备、铸造成形加工技术等方面仍不成熟，应用仍然有限。铜基复合材料的制造工艺还比较复杂、性能还达不到要求、生产成本偏高。钛基复合材料把钛的延展性、韧性与陶瓷的高强度、高模量结合起来，从而获得了更高的剪切强度和压缩强度以及更好的高温力学性能，在某些领域逐渐取代了传统的钛合金材料，目前己处于应用前沿，优化技术及降低成本将成为该材料市场稳定应用的重要因素。2.4特种铸造成形方法

熔模铸造方面，美、英等发达国家的熔模铸造行业中，应用于航空航天、工业燃气轮机、军工等领域高附加值的高温合金、钛合金、铝合金等铸件产值占比超过70%，我国高附加值熔模铸造铸件产值占比尚不足30%.我国航空发动机和地面燃气轮机用高温合金柱晶/单晶涡轮叶片定向凝固铸造成形技术落后西方发达国家十到二十年，高性能工业化定向凝固设备主要依赖进口。大型薄壁复杂熔模铸件近净成形技术配套工艺装备、铸件内部和外观质量控制方法、高稳定型壳涂料体系面临挑战。钛合金熔模铸造面层型壳体系的工艺稳定性仍需改进，新型大容量钛合金熔炼设备有待开发。熔模铸造用复杂陶瓷型芯成形、型芯脱除性能改善、陶瓷型芯脱除工艺和装备均需深入研究和解决。

高压铸造方面，汽车结构件用压铸铝、镁合金基本依靠进口，压铸铝、镁合金回收利用技术落后。国外高真空压铸件可进行后续热处理和焊接，国内高真空压铸工艺和装备不成熟，铸件内部仍存在孔洞缺陷，对高真空压铸件的热处理和焊接技术研究处于探索阶段。国外已开发出适合具有复杂孔或内腔形状零件压铸的可溶型芯材料，并将压铸技术用于可溶型芯制备，可溶型芯材料及制备技术研发和工业应用处于起步阶段，国内尚未进行相关技术开发。国外发达国家已开展智能压铸技术用传感器研发和应用系统开发，并在近几年建立了用于工艺参数分析的专家系统和用于工艺参数调整的智能控制系统，国内在压铸过程传感器研发和工艺参数监测应用方面有所发展，但在专家系统和智能控制系统研发方面仍为空白。

反重力铸造方面，我国高质量薄壁复杂铸件低压铸造成形技术和高效率铸造工艺技术落后于发达国家。国内用于优质复杂铜合金泵阀类铸件铸造成形的先进低压铸造技术和装备缺乏。国内用于高温合金、钛合金等高温易氧化合金材料的反重力铸造技术或复合反重力铸造技术及装备处于探索阶段，国外已大批量工程应用。差压铸造、调压铸造和真空吸铸技术应用基础研究较少，未达到国外大量应用的水平。国产反重力铸造设备实现工艺流程的能力、效率和控制精度仍需改进。

挤压铸造方面，国外最大铸件成形尺寸已达1200 mm×400mm×300mm，成形铸件重量达50kg，国内最大铸件成形尺寸934 mm×550 mm×247 mm，成形铸件最大重量35 kg.我国适用于挤压铸造的合金材料体系还不完善，模具材料寿命短，挤压铸造工艺设计和优化手段比较落后，高效率高精度环保型挤压铸造技术和装备有待发展。

消失模铸造方面，发达国家采用消失模铸造工艺生产铸铁、铸钢、铝合金等材质零件的技术已较为成熟。国内应用主要集中在铸铁和铸钢上，铝合金消失模铸造应用还相对较少，采用消失模铸造的铝、镁合金铸件质量不稳定，现有消失模铸造工艺设计理论和应用基础不完善，未实现不同金属材质消失模铸造的泡沫模样材料系列化及标准化，复杂高精度泡沫模样加工技术和装备落后。

半固态铸造方面，适合半固态铸造的高性能合金材料种类不全，合金综合力学性能较低。新型半固态浆料制备及流变成形技术基本上被欧美和日本垄断，国内开发的具有工业应用前景的相关先进技术很少，研制的半固态流变成形铸件成本高、效率低、质量不稳定。用于半固态浆料成形的普通压铸或挤压装备难以满足半固态金属成形需要，国产多功能一体化半固态铸造装备在稳定性、密封元件耐用性、精度重复性等方面落后于国外先进装备。国内对半固态铸造的工艺基础理论研究不成熟，半固态铸造成形过程数值模拟技术依赖于国外软件，且计算精度和多因素耦合计算仍不能满足实际工程需要。欧美发达国家的半固态铸造技术已经进入工业化应用阶段，国内仍处于试验或小批量研制阶段，对于半固态铸造缺陷控制技术的研究较少。

2.5数字化和智能化铸造技术

数字化、网络化、智能化铸造技术方面，国内铸造企业应用铸造过程数值模拟软件不够普及，配套的铸造材料热物性参数、缺陷判据参数和边界条件数据库不系统不完整，影响计算精度和工程应用水平。大型铸锭和铸件从冶炼到热处理全流程的集成计算材料学应用基础技术和工程应用仍需发展。轻金属和高性能铸铁铸造过程数值模拟还主要集中在宏观尺度，多尺度多物理量耦合数理建模及铸件微观组织、力学性能和服役寿命预测研究和应用亟待加强。国内航空发动机和地面燃气轮机用高温合金单晶/柱晶叶片数值模拟软件研发水平和工程应用水平落后。国内少数几家铸造企业采用两相流数值模拟技术优化制芯工艺，但所采用商业化专用软件为国外公司开发。国内仅少数铸造企业实现了单件全生命周期可追溯，多数铸造企业信息化实力薄弱，上下游企业信息集成与协同管控较少，需要建设数字化铸造工艺、生产、质量集成软件平台，夯实我国铸造企业满足工业4.0标准的基础。机器人以及传感器数据采集—专家系统分析/决策—工艺参数调控的智能化铸造技术目前在我国铸造企业的开发和应用很少。

快速成形技术方面，快速原型制造（增材制造）技术是近20年世界范围内蓬勃发展的先进制造技术，将快速原型制造技术用于铸造模样/模具的快速制备并与传统铸造工艺结合可显著缩短新产品开发周期。我国铸造领域快速原型制造技术研发和应用水平整体处于国际第一阵营，但与国际先进水平比较，制模材料和造型材料体系研发不系统不完整，熔模铸造蜡模等模样制备精度不能完全满足高端铸件生产需求，快速制备的砂型/砂芯的尺寸范围、成形效率和成形精度指标落后。砂型/砂芯的高效数控铣削成形技术在加工机理、加工刀具、排砂系统、目标损伤以及装配精度等理论和工程应用基础方面有待完善和加强。

2.6普通砂型铸造装备与检测技术

熔炼装备与技术方向，国外发展大容量、外热风、长炉龄和环保热循环资源利用冲天炉熔炼装备，国内绝大部分铸铁铸造企业目前采用的短炉龄冷风冲天炉技术落后，资源浪费和污染严重，熔炼控制自动化水平低。中频感应熔炼电炉吨耗电指标落后于发达国家水平。电炉熔炼平台机器人操作技术有待发展。

制芯装备与技术方向，混砂均匀性等问题需要解决，射砂制芯过程工艺应用基础及智能化控制水平需要提高。

黏土砂造型装备与技术方向，采用机器人操作的潮模砂柔性生产线已在国内个别铸造企业应用，但所用技术和装备从发达国家引进，国内柔性技术和故障自诊断及远程监控技术有待发展；国产垂直分型无箱射压造型机设备可靠性和造型精度差、配套辅机不全；国产水平分型脱箱造型装备的应用基础研究缺乏，核心主机以进口为主；国内水平分型有箱造型装备存在低水平重复引进问题，自主创新少。

铸造自硬砂装备与技术方向，发展智能化子母式面背砂连续混砂机无人操作系统和大型多功能柔性抓取合箱铸造装备，可显著改进我国大型铸件用砂型自动化制备水平。

砂处理、砂再生装备与技术方向，国内与高效自动造型线相匹配的高效混砂机以进口为主，国外废砂处理与混砂工艺一体化的真空混砂技术和装备能耗少效率高，国内尚未研发相关技术和装备。砂输运、砂再生和废弃物综合利用的绿色环保技术落后。砂处理和砂再生的自动化智能化水平有较大提升空间。

清理打磨装备与技术方向，国内在铸件落砂清理时大多采用低效率、高成本、污染大、占地面积大的单机离线抛丸设备，国际发达国家采用高效环保占地面积小的在线抛丸设备。国内用于铸件打磨的感知近形加工技术未见成熟应用设备，国际发达国家处于初中级应用阶段。国内切割打磨自动化集成化技术处于探索阶段。

浇注装备与技术方向，目前我国铸造企业所用浇注设备如感应浇注炉的加热方式存在加热不均衡问题。国内铸造企业与造型生产线配套的自动浇注机的智能化控制水平有较大提升空间。

检测技术与装备方向，我国铸造企业熔体质量离线检测和在线监测技术不系统不完整，与铸造合金工艺性相关的检测、监测技术和装备的研发与应用总体薄弱。造型（芯）材料质量离线检测和在线监测的技术和装备发展缓慢，在线监测参数和监测目标不全面。国内铸造企业实验室较少拥有完备的铸件质量无损检测设备。国内铸造企业熔体浇注和凝固过程在线监测技术与装备尚未被关注，“智能化铸造车间”构想的实施基础有待加强。铸件缺陷在线无损监测需要探索新方法。

2.7环保与安全

据推算，目前我国铸造行业年排放粉尘200多万t、废渣约1 400万t、废砂4 000万t左右、废气700亿立方米左右，单位铸件产量综合能耗是发达国家的1.5～2倍，大量铸造小企业在危害环境的同时，还对企业员工身体健康造成损害。国内目前在有助于减少铸造行业污染的绿色铸造厂房、环保原辅材料、固体废弃物循环利用、节能环保装备等领域的发展和应用水平落后，铸造合金熔炼烟气治理能力有待加强。铸件后处理工序是对企业员工安全危害最大的区域，是满足《铸造企业清洁生产综合评价办法》（JB/T 11995—2014）规定的一级企业标准要求的难点。

3发展趋势

近三十年来，世界范围内铸造技术取得巨大进步，铸造技术发展呈现出以下特点和趋势。

1）优质：铸件品质得到不断提升，复杂化、高性能、全周期寿命等成为发展趋势。高温合金定向凝固、轻合金和高温合金精密铸造、金属基复合材料铸造及大型钢锭熔铸等成形技术得到发展和应用，铸件性能显著改善。

2）高效：企业的规模化、专业化、人均产量不断增加。铸造企业的设备系统自动化水平日益提高，从单机自动化发展到单元自动化，直到全系统自动化以及机器人的应用，显著提高了铸件生产效率和铸件质量的稳定性和可靠性。

3）智能：计算机辅助设计、计算机辅助制造、集成计算材料工程、快速原型制造技术、网络技术、物联网技术、传感器数据采集—专家系统分析/决策—工艺参数调控技术等数字化、网络化和智能化制造技术在铸造企业各工序获得普遍应用，使铸造新产品开发周期显著缩短，铸造工艺设计和实施更趋科学合理。

4）绿色：铸造是机械制造行业中高能耗、高污染的行业，发达国家十分重视开发新的节能、清洁、低排放、低污染的铸造材料并投入生产使用，在生产全过程中以循环经济的减量化、再利用、再循环、再回收为行业准则，重视在企业的全体员工中树立“环境—健康—安全”的意识，强调“以人为本”，同时加大对企业中环境保护和节能减排的设备投入。

4存在问题

从对我国铸造技术的发展现状和国内外差距的剖析中可以看出，我国铸造技术发展目前主要存在以下四方面共性问题。

1）铸造技术创新能力薄弱。

我国铸造产业大而不强的根本原因是创新能力不足，研发基础薄弱，原创技术少，仿制和跟踪仍然是铸造技术的主要来源，铸造共性技术和铸造工程应用基础技术支撑缺乏，铸造新产品研发周期长，大批量中小铸造企业低档次无序竞争严重，一些乡镇铸造企业处于半工半农状态，发展后劲严重不足。

2）先进铸造工艺应用基础需突破。

高端装备所需精密铸件铸造技术不稳定不可靠的原因是工程耦合影响因素复杂，难以精确控制，更深层次的原因是合金材料铸造成形的工艺应用基础技术不过关、铸造材料特性和铸造工艺性研究不系统不完善、未完全掌握铸件成形规律性。铸造材料及铸件成形的理论基础研究与工程应用基础研究并重和协作是铸件生产稳定可靠的前提条件。

3）与上下游行业发展不协调。

铸造产品设计和制造与高端主机发展不协调，某些高端铸件需进口，全流程和全生命周期设计还处于探索阶段。

铸造装备发展与先进铸造工艺需求不协调，某些高端铸件产品需要的高性能铸造装备也需从国外进口，部分先进设备仍受西方发达国家技术封锁，实施智能化铸造工厂计划的基础不系统不完善。

铸造废弃物处理与环保产业发展不协调，很多小企业废砂废渣费耐火材料直接排放，成为环境污染源头之一。

4）节能减排任务艰巨。

铸造企业技术和装备水平及管理水平参差不齐。工信部在2013年、2014年和2016年先后公布了三批共1 729家通过铸造行业准入条件审核的铸造企业，约占全国铸造企业总数的6.6%.为数众多的小型铸造企业管理水平和生产工艺落后，节能环保装备及安全设施投入不足，全行业高能耗高污染态势仍未发生根本改变。