铸 铁

《铸造技术路线图》摘录

1 概述

铸铁量大面广，企业约1.5万家，铸铁件质量稳步提升的同时，铸铁件产量也在高位运行，2015年我国铸铁件产量为3 340万t（其中灰铸铁2 020万t，球墨铸铁 1 260万 t，可锻铸铁 60万 t），占全年铸件总产量4 560万t的73.25%。与2014年相比，2015年我国铸铁件产量中球墨铸铁件增长1.61%，灰铸铁件下降2.88%，球墨铸铁所占的比例由2014年的25%增至2015年的27.6%，球墨铸铁与灰铸铁的比例由0.497上升到0.624，铸铁件的材质结构在持续改善。

我国铸铁行业从原辅材料、工艺装备、生产技术、检测控制等方面均已具备生产各种铸件、包括高端铸铁件的能力，正处于由大变强的关键时期，铸铁生产技术取得较大进展：优质生铁、高纯生铁和优质废钢等原辅材料供应品种和质量有了很大改善；炉前热分析等技术手段日益受到重视，应用逐步增加；质量控制和检测（特别是在线检测）水平稳步提升；部分产品的性能达到了国际先进水平，高铁机车转向架轴箱、变速箱、电机壳等零件，风电轮毂、底座和数控机床横梁等关键零部件已批量生产和应用；年产铸铁件万t以上、生产设备较先进、质量较稳定的企业已达上百家[1-2]。随着装备水平的提高、计算机技术的应用，以及原辅材料、熔炼、处理和检测等方面的技术进步，铸铁性能和应用领域还有拓展空间，将迎来新时代。

在肯定成绩的同时，也应该看到我国铸铁行业面临着深层次的问题，在铸铁材质结构、生产规模及专业化程度、铸件综合质量和技术经济效益等方面与先进工业国家还存在着明显差距：相同碳当量下灰铸铁强度比国外低1级；质量的稳定性、一致性差是我国铸铁件生产的突出问题，主要体现在材质化学成分和力学性能的波动大，铸件的铸造缺陷不能根本消除；废品率高、铸件的缩孔、缩松和变形问题日益突出，铸铁件的弹性模量和残余应力等指标长期未列入验收范围；铸铁行业专业化生产程度不高，数字化、智能化水平低，大型、厚大断面、高端铸铁件的质量控制技术有待提高。

未来铸造行业的发展趋势是向数字化、智能化、绿色环保方向发展，而技术含量高的高端铸铁件将成为我国铸铁行业的发展方向。现代化的铸造企业应具有高的生产效率和效益，能生产高效能、轻量化、精确化、净形或近净形的能满足高端制造业所需的优质铸件，这就要求铸铁生产企业采用高新技术、采用先进管理理念和模式不断提升企业的技术和管理水平，采用新材料、新工艺提高产品质量和附加值，提高高端铸铁件的比例、增加出口铸件的档次和比例[3-4]。

2015～2030年是我国贯彻国民经济可持续发展战略、推动循环经济发展、走新型工业化道路、奠定建设资源节约型和环境友好型社会基础的重要时期，各行各业对高端铸铁件及铸造设备的需求将具有定制化、高端化、智能化的特点。通过不断发展和提升铸造技术水平，掌握大型及关键设备零部件铸造技术，实现核电、轨道交通和汽车等关键、高精度铸铁件的批量生产，提高铸造企业的规模、装备和技术水平，铸铁企业数量预计从现在的1.5万家到2020年的1万家左右，到2025年达到6 000家左右，到2030年达到4 000家左右；铸铁企业平均产量规模预计从现在的2 200 t/家到2020年增加到3 500 t/家，2025年平均规模为6 000 t/家，2030年平均规模为8 000 t/家。在2015～2030年之间，我国铸铁产量将持平或略有增长（其中灰铸铁产量减少，球墨铸铁、蠕墨铸铁产量增加），铸铁材质结构持续改善，各材质铸铁件产量目标如表1所示。

2 关键技术

2.1 高性能铸铁件生产技术

2.1.1 现状

高性能铸铁件主要指高强度低应力灰铸铁、蠕墨铸铁、等温淬火球墨铸铁（AD I）等[5]。

表1 各材质铸铁件产量目标

1）高强度低应力灰铸铁

为了满足汽车轻量化的要求，薄壁高强度低应力灰铸铁的应用迅速推进，一些发动机缸体已采用H T300甚至H T350灰铸铁制作，如采用H T300生产6DL道依茨发动机缸体，“高废钢配比+增碳”工艺的合成铸铁在灰铸铁中的应用也日益增多[6-7]。

2）蠕墨铸铁

蠕化率≥80%的蠕墨铸铁具有强度高、导热和耐疲劳综合性能好的特点，在发动机缸体、缸盖等重要铸件上的应用越来越多。G B/T 26655—2011《蠕墨铸铁件》、G B/T 26656—2011《蠕墨铸铁金相检验》标准的发布实施有力地促进蠕墨铸铁在我国的发展[8-11]。

3）等温淬火球墨铸铁

等温淬火球墨铸铁（AD I）凭借强度高（最高可超过1 600 M P a）、塑性好（最大伸长率＞11%）、动载性能高（弯曲疲劳强度达420～500 M P a，接触疲劳强度达1 600～2 100 M P a）、耐磨性及吸震性好等优点，应用范围逐步扩大，国内AD I的应用是以抗磨、耐磨件（特别是磨球）和工程结构件（齿板、衬板、重型卡车悬挂件、支架）为主。

2.1.2 挑战

随着国内外经济的高速发展，原有的铸铁件已不能满足在汽车、高铁、发电等工程机械领域中对铸件要求越来越高的力学性能，对高性能铸铁件的需求也日益增加，而其产品性能、生产技术水平等与国外先进水平存在较大差距，尚面临许多挑战。

1）高强度低应力灰铸铁

在高碳当量下生产高强度灰铸铁是一项难度很大的综合技术，熔炼优良冶金质量、高温、成分合适而稳定、元素烧损小的优质铁液是生产高质量灰铸铁件的基础和面临的挑战，如何通过低合金化和有效的孕育是生产高强度低应力灰铸铁的主要技术难题。

2）蠕墨铸铁

高效的熔炼方式、蠕化剂和蠕化处理方法等是生产优质蠕墨铸铁件、应用于缸体和缸盖等小批量生产的关键，研究喂丝法蠕化处理、蠕墨铸铁热分析等技术与装备以满足大量流水生产对蠕墨铸铁稳定性、一致性和可追溯性等的要求是面临的主要挑战。

3）等温淬火球墨铸铁

处理前铸件质量的稳定性和一致性是生产等温淬火球墨铸铁（AD I）件的关键，如何改进设计、减薄、减轻零件重量、降低成本是AD I发展需要解决的主要问题，如何提高淬透性、解决厚大断面AD I件的生产是AD I发展中的另一技术难题[12]。

2.1.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标

通过开展高性能铸铁新材料的研发和机理研究，掌握高性能铸铁的制备技术和相关理论知识，掌握国际先进水平的铸铁材质及其成分、组织、性能控制技术，实现汽车、核电、高铁以及船舶等设备发动机缸体、缸盖、齿轮箱、曲轴、大断面AD I件等关键高端铸铁件的批量生产；球墨铸铁件年产量占铸铁件总产量的比例达41%以上，球墨铸铁与灰铸铁之比达到0.75，AD I铸件年产量占球墨铸铁件产量5%以上，蠕墨铸铁产量达到70万t，高性能铸铁件占铸铁件产量的20%以上，并针对新材料制定相应国家标准或行业标准以提升我们的行业地位。

2）预计到2030年，要达到的目标：

高性能铸铁件的质量稳定性和一致性达到工业发达国家水平，自主制造出包括高端铸件在内的各种铸铁件，实现轨道交通和汽车等大型、复杂、高性能铸铁件的批量生产和国产化、基本不进口，增加出口铸铁件占铸铁件总产量的比例，实现汽车、核电、高铁以及船舶等设备发动机缸体、缸盖、齿轮箱、曲轴、大断面AD I件等关键高端铸铁件的批量生产。球墨铸铁件产量占铸铁件总产量比例达到50%以上，球墨铸铁与灰铸铁之比达到1.15，AD I件年产量占球墨铸铁件产量15%以上，蠕墨铸铁产量达到190万t，高性能铸铁件占铸铁件产量的30%以上。

2.2 高质量纯净铁液熔炼和处理技术

2.2.1 现状

随着我国铸铁行业的发展，包括原材料质量、熔炼设备及技术、铁液精炼、过滤、净化技术、清洁高效稳定的精确球化孕育处理技术与装备、铁液质量在线检测与控制技术等在内的高质量纯净铁液熔炼和处理技术有了显著进步[13]。

1）对大批量流水生产，需要大量铁液的工厂，需采用能保证铁液冶金质量、节能环保达标的大型热风、水冷、无（薄）炉衬长炉龄冲天炉或与电炉双联熔炼。为了满足大批量连续生产的要求，国内市场大量需求10 t/h以上的热风冲天炉，我国铸造企业需要从国外引进大容量冲天炉，如潍柴动力铸锻有限公司引进了两台美国E C＆amp;S公司和德国科特纳公司的35 t/h长炉龄热风水冷富氧冲天炉，用于大批量连续生产H T250、H T300材质的柴油发动机气缸体、气缸盖等铸件[14]。

2）合适而稳定的化学成分、高温纯净的铁液和有效的处理工艺是铸件稳定生产的首要条件，需要实现对铁液化学成分的控制技术，包括熔炼工艺、原料配比和加料、成分检测等，近年来我国在原材料、铁液净化技术、热分析技术、成分控制等方面取得了较大进展，研发了炉前铁液质量在线检测与控制等仪器设备，如图1、图2所示。

图1 数据采集系统与装备

3）球化处理和孕育处理是保证铸件质量的稳定性和一致性的关键环节之一，目前国内大型铸件生产时，球化、孕育处理方法比较粗放，球化剂和孕育剂加入量大，吸收率低，易发生球化和孕育衰退问题，近年来研发了喂丝球化孕育处理设备。

4）部分铸铁生产企业经常性的对生产中铸造缺陷的发生情况或预防处理的经验进行总结和分析后形成质量案例，具有非常强的针对性和适用性，可显著提高技术人员的决策效率。但目前铸造缺陷的经验知识和案例信息表达方式多样，系统性和完整性差，多以非结构化或半结构化的方式记录和获取，没有和生产数据建立起紧密的联系[15]。

图2 铁液化学成分、冷却曲线采集与性能预测

2.2.2 挑战

1）目前我国铸铁产量80%以上由电炉或冲天炉-电炉双联熔炼，大容量热风冲天炉装备技术水平不高，特别是控制系统、除尘环保等装备配置不完善且多为冷风冲天炉，热效率低，硅、锰等元素烧损大，烟尘多、渣量大，近年各地环保治理中成为重点整治对象，特别是5 t以下冲天炉几乎都被拆除。改用电炉则耗电巨大、成本高，全部引进国外冲天炉则需耗费巨资，因此实现10 t/h以上的热风冲天炉国产化是面临的挑战。

2）在铁液熔炼方面，国内很多企业除了采用光谱分析之外，没有足够重视热分析等先进检测技术的应用，光谱分析结果也往往难以及时反馈到炉前以便调整成分，很少测量铁液的N、H、O含量等，成分控制与在线调整技术与国外尚存在一定的差距，对炉前铁液质量的精确控制、获得质量稳定、化学成分波动小的铁液是面临的主要难题。

3）尺寸和重量较大的铸件凝固时间长，容易出现球化衰退和孕育衰退问题，如何减少从球化处理到浇注的时间间隔是生产优质铸件的主要技术难题之一，如何解决热分析等炉前分析测试技术的接口问题、较为准确的预测碳含量、硅含量、碳当量、石墨形态、性能指标并及时调整处理工艺等是要解决的主要难点问题。

4）铸造缺陷种类繁多，缺陷知识包括缺陷的代码、名称、类别、分布位置、形状特征、原因推测、补救措施和典型图片等诸多信息，部分企业有其独立的缺陷分类体系，但行业中在缺陷管理上较混乱、不便于交流。对缺陷进行统一的系统的分类和编码，对企业生产中铸造缺陷及相应的解决方案的海量数据进行统计，是面临的主要难题。

2.2.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标

自主设计制造10 t/h及以上的大型外热风长炉龄冲天炉成套设备，达到中国铸造协会标准《冲天炉大气污染物排放限值及测试方法》中排放限值要求，如表2所示；掌握高温、成分符合要求且波动小的优质铁液的熔炼技术；研究新型球化剂、孕育剂及其精确加入技术，如采用含镧球化剂；建立行业通用的铸造缺陷数据库管理与分析系统，制定行业标准乃至国家标准；能耗指标普遍达到国家标准和国际标准的要求等。

2）预计到2030年，要达到的目标

表2 冲天炉大气污染物排放限值

建立铸造工艺专家系统，基于炉前热分析和计算机处理系统，建立包括成分分析、热分析冷却曲线、金相分析及力学性能结果的数据库，集成炉料配比及加料系统、铁液化学成分分析的数据采集与成分在线调整系统、铁液冷却曲线采集和性能在线预测与调整系统、喂丝球化孕育设备、随流孕育技术和装备等，实现设备互联，数字化、智能化铸造，提高铁液成分稳定性和铸件质量稳定性，保证铸件质量的稳定性和一致性。

2.3 超大断面球墨铸铁件制造技术

2.3.1 现状

超大断面球墨铸铁件主要指重量超过100 t、壁厚在300 mm以上、球化级别2～3级、铁素体含量≥90%、碳化物+磷共晶≤0.5%、性能指标要求在-40℃时冲击功 ≥12 J、 断 裂 韧 性 KI C≥50 N/mm2·m1/2的Q T400-18的球墨铸铁件，如百吨级球墨铸铁核废料罐、风电用轮毂、底座等。随着国际上乏燃料贮运容器向大型化、贮存和运输一体化方向发展和我国对高质量、低成本大型乏燃料运输容器的需求快速增加，而国内大型球墨铸铁容器制造技术空白并在高价进口，自主开发大型球墨铸铁乏燃料运输容器、突破大体积高性能包装容器制造技术已成为当前十分迫切的任务。

2.3.2 挑战

1）大型球墨铸铁乏燃料贮运容器要求本体壁厚500 mm以上、高度5 000 mm以上、重量100 t以上，在高温铁液巨大的热量且热量极其集中的情况下，为了保证铁液在2 h内完成凝固，且芯部的石墨形态、材料性能满足指标要求，须采用安全有效的强制冷却技术，包括铸型强力冷却系统及装置和先进的铸造工艺技术。因此，研制铸型强力冷却系统及装置、超大断面球墨铸铁的铸造工艺技术是面临的主要任务。

2）大型球墨铸铁乏燃料容器本体上沿周向均匀布置中子吸收体，需进行深孔加工。同时，球墨铸铁容器本体需要进行套料取样，即在容器壁厚芯部沿5 000 mm的高度方向套料加工出一个试棒进行材料检验，套料深度4 500 mm，厚壁球墨铸铁件的深孔加工以及套料取样技术是面临的一项挑战。

3）大型球墨铸铁乏燃料贮运容器具有很高的使用安全性要求，对其球墨铸铁材质的各项性能尤其是断裂韧性（K1C、J1C）、-40℃冲击韧性等也提出相应较高的要求，而材料断裂韧性（K1C）的测试存在相当的难度，大多以J1C进行换算，如何保证球墨铸铁容器的低温力学性能并准确测试是面临的一项挑战。

2.3.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标

开发强制冷却技术和装置，突破超大断面球墨铸铁件生产技术和质量保证技术，使百t级球墨铸铁核废料罐主要性能指标达到抗拉强度≥400 M P a，伸长率≥18%，-40℃低温冲击功≥12 J，断裂韧性K1C≥50 N/mm2·m1/2.

2）预计到2030年，要达到的目标

乏燃料贮存容器需求量预计为800个左右，价值近百亿元人民币，掌握自主设计制造大型球墨铸铁容器的成套技术，实现批量稳定生产，满足我国对高质量、低成本大型乏燃料运输容器的需求。

2.4 高精度及精度保持性的机床床身铸件批量生产技术

2.4.1 现状

目前我国在汽车、航空、铁路、国防等重要领域所需的高档数控机床长期依赖进口，机床的加工精度及精度保持性差是挡不住进口的重要原因；铸铁床身是机床的关键基础部件，其尺寸精度及精度保持性是影响机床加工精度及精度保持性的关键之一，在较低应力状态下工作的机床和精密机械铸件，通常不是因断裂破坏、而是由于铸件尺寸稳定性差而失效[16]。高精度及精度保持性的机床床身铸件主要指高强度、高弹性模量、低应力的灰铸铁和球墨铸铁件。

机床铸件在相同的强度下，碳当量高低是衡量材质优劣的重要标志，长期以来我国机床铸件尚处在中、低碳当量、高强度阶段，仅有少数机床铸件厂已接近高碳当量、高强度材质的水平，质量不稳定是国内机床生产企业普遍存在的问题。

2.4.2 挑战

近年来国产机床行业的快速发展使机床数控化率不断提高，国内能够形成规模化、产业化生产高档机床铸件的企业仍然不多，大部分都以低端产品维持生计，不利于铸造热加工行业的发展，而且是制约高档数控机床进一步提高精度及其保持性的瓶颈之一。

高牌号机床铸件生产中的主要问题是因收缩的增加导致的缩松、因铸造应力的增加引起的变形、因硬度的增加导致的加工性能恶化等导致的质量不稳定。弹性模量是反映铸件材质刚度的重要指标之一，在高强度下提高弹性模量并降低铸造内应力，提高其抗变形能力、减小变形，以保证良好的尺寸精度及其保持性，是高端机床铸铁件的重要要求之一[17-19]，而机床铸件高强度、高刚度与低应力的矛盾是多数机床企业面临的技术难题，因铸件的残余应力引起的变形甚至开裂等问题是铸造行业的共性技术问题之一。降低铸件内应力、提高精度保持性，提供快速、低成本的解决方案是面临的主要挑战。

2.4.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标

根据机床铸件的壁厚、重量和结构等特征，个性化定制铸造专家系统，实现根据零件特征快速制定工艺流程和铸造工艺方案；研发铸铁件应力场和变形量数值模拟软件，研究残余应力、弹性模量等关键性能指标的精确检测技术，以及时效处理及其评价技术等。形成具有我国自主知识产权的床身优化设计技术、制造工艺技术及其性能检测技术，对于灰铸铁（H T300）床身，达到弹性模量≥120 G P a，铸造内应力≤30 M P a；对于球墨铸铁（Q T600-3）床身，达到弹性模量≥160 G P a，铸造内应力≤60 M P a.

2）预计到2030年，要达到的目标

建成高精度床身铸件材质试验平台和制造示范基地，研究床身应力与变形及精度的影响机理，进一步提高床身的尺寸精度及其精度保持性，对于灰铸铁（H T300）床身，达到弹性模量≥120 G P a，铸造内应力≤20 M P a；对于球墨铸铁（Q T600-3）床身，达到弹性模量≥160 G P a，铸造内应力≤50 M P a.引领行业形成高档机床铸件的规模化、产业化，满足高档数控机床对高强度、高刚度、高精度及其精度保持性床身铸件的需求，突破我国高精度数控机床制造的瓶颈，实现高档数控机床国产化。

3 技术路线图

技术路线图如图3所示。