1 我國(guó)鑄鐵產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
我國(guó)現(xiàn)有鑄鐵企業(yè)1.4萬(wàn)家左右，鑄鐵件產(chǎn)量占鑄件總產(chǎn)量的70% 以上，無(wú)論企業(yè)數(shù)量還是鑄件產(chǎn)量都處于主導(dǎo)地位， 2015-2020年我國(guó) 鑄件及鑄鐵件產(chǎn)量如圖1所示[1-6] 。
近年來(lái)，我國(guó)鑄鐵件的材質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善， 鑄鐵件質(zhì)量穩(wěn)步提 升，產(chǎn)量高位運(yùn)行， 2011-2020年我國(guó)鑄鐵件材質(zhì)結(jié)構(gòu)變化情況如表 1 所示[1-8] 。球墨鑄鐵件在鑄件中所占比例由 2011年的25 .3%增至2020年 的29 .5% ，球墨鑄鐵與灰鑄鐵的比值由 2011年的0.53上升到2020年的 0.70 。
2020年年底，我國(guó)部分經(jīng)濟(jì)指標(biāo)已經(jīng)恢復(fù)到疫情前的水平，機(jī)械 工業(yè)也得到快速恢復(fù)。受下游主機(jī)行業(yè)的帶動(dòng)， 2020年我國(guó)鑄件總產(chǎn)量 達(dá)到5 195萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)6.6% ，其中，灰鑄鐵產(chǎn)量2 175萬(wàn)t，同比增長(zhǎng) 6.6%， 占比41.9% ；球墨鑄鐵產(chǎn)量 1 530萬(wàn)t， 同比增長(zhǎng)9.7% ，鑄鐵業(yè)發(fā) 展質(zhì)量穩(wěn)步提升。
1.1 鑄鐵企業(yè)規(guī)模逐年擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)集中度逐年提高
鑄鐵企業(yè)規(guī)模逐年擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)集中度逐年提高， 鑄鐵件單廠產(chǎn)量接近3 000 t/年，高于平均水平，出現(xiàn) 了以產(chǎn)品或材料專業(yè)化生產(chǎn)且生產(chǎn)規(guī)模超過(guò)40萬(wàn)t/年的 鑄鐵專業(yè)生產(chǎn)廠。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，年產(chǎn) 10萬(wàn)t 以上的鑄 鐵廠有40多家(不包括鑄管廠)，年產(chǎn)5萬(wàn)t 以上的有 100多家，排名前4 500家規(guī)模企業(yè)鑄件產(chǎn)量占總產(chǎn)量70%以上。
1.2 綠色造型制芯技術(shù)與裝備應(yīng)用增加
3D打印、砂型切削等綠色造型制芯技術(shù)與裝備的 應(yīng)用逐漸增加(圖2 )，顯著縮短了新產(chǎn)品開發(fā)周期， 滿足了客戶個(gè)性化和定制化需求。中國(guó)機(jī)械總院、洛 陽(yáng)一拖、廣西玉柴、寧夏共享等精密造型中心為周邊 提供服務(wù)，并不斷擴(kuò)大范圍，如煙臺(tái)冰輪3D打印智能 成形工廠從砂芯制作至鑄件成形實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)運(yùn)行。
1.3 “專精特新”鑄鐵企業(yè)不斷涌現(xiàn)
隨著國(guó)際交流的廣泛深入，我國(guó)鑄鐵件生產(chǎn)技術(shù) 基本與世界同步，部分骨干企業(yè)的規(guī)模、裝備和生產(chǎn) 技術(shù)水平已達(dá)到國(guó)際水平，涌現(xiàn)了一批數(shù)字化引領(lǐng)和 綠色化示范鑄造企業(yè)(圖3 )，并在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得明 顯優(yōu)勢(shì)。
1.4 鑄鐵件技術(shù)含量和附加值逐步提升
隨著制造技術(shù)的不斷提升和突破，鑄鐵件在航空 航天、核電、高鐵等重要領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增加，高端 鑄鐵件附加值凸顯。近年來(lái)，上海鑄造展覽會(huì)涌現(xiàn)出 一批優(yōu)質(zhì)金獎(jiǎng)鑄件(圖4 )，是我國(guó)高端鑄件的代表和 縮影。
1.5 鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際接軌
近年來(lái)，我國(guó)積極地參與鑄鐵國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定， 新制定的鑄鐵國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 945—4 ：2019 《鑄鐵金相 組織 第4部分：球墨鑄鐵球化率評(píng)定方法》由我國(guó)負(fù) 責(zé)起草并頒布[9- 10] 。2015年發(fā)布的GB/T 32247—2015 《低溫鐵素體球墨鑄鐵件》標(biāo)準(zhǔn)首次規(guī)定了QT350-22 牌號(hào)-50 ℃和QT400- 18AL牌號(hào)-40 ℃ 、-50 ℃ 、-60 ℃時(shí)的V型缺口試樣最小沖擊功[11] ，高于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)， 對(duì)生產(chǎn)有重要指導(dǎo)意義。 2019年對(duì)我國(guó)2009年發(fā)布的 《球墨鑄鐵件》進(jìn)行了修訂，發(fā)布了 GB/T 1348—2019 《球墨鑄鐵件》，增加了術(shù)語(yǔ)和定義，修改了球墨鑄 鐵的低溫沖擊性能指標(biāo)， 增加了QT450- 18 、QT500- 14 和QT600- 10三個(gè)高強(qiáng)度高塑性鐵素體球墨鑄鐵牌號(hào)， 增加了并排澆注試塊等[12- 13] 。同時(shí)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外鑄鐵 技術(shù)的發(fā)展，加快了標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作，如修改采用ISO 185 ：2020對(duì)GB/T 9439—2010 《灰鑄鐵件》的修訂， 規(guī)定了QT700- 10 、QT800-6 、QT900-5 、QT1000-5等高 強(qiáng)度高塑性球墨鑄鐵牌號(hào)的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《高強(qiáng)度高塑性 球墨鑄鐵件》編制， 提高多個(gè)牌號(hào)伸長(zhǎng)率和增加QTD 1600- 1牌號(hào)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《等溫淬火球墨鑄鐵件》修訂等 工作也在進(jìn)行之中，我國(guó)鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展逐步與國(guó)際接軌。
2 鑄鐵材質(zhì)強(qiáng)度、塑性和韌性持續(xù) 提高
除產(chǎn)業(yè)集中度提升，鑄鐵業(yè)最大的進(jìn)步體現(xiàn)在 鑄鐵材料的強(qiáng)度和塑韌性持續(xù)提高[15- 17] 。高碳當(dāng)量、 高強(qiáng)度、高剛度、低應(yīng)力灰鑄鐵取得較大進(jìn)展，并在 機(jī)床、汽車行業(yè)中獲得應(yīng)用；蠕墨鑄鐵實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定批量 生產(chǎn)； 低溫高韌性鐵素體球鐵， 軌道交通用QT400 - 18AL ( -60 ℃ )低溫高韌性鐵素體球鐵生產(chǎn)技術(shù)取得 突破；硅固溶強(qiáng)化鐵素體球鐵，近幾年在風(fēng)電中得到應(yīng)用，牌號(hào)QT600- 10 由試驗(yàn)期進(jìn)入應(yīng)用期；高強(qiáng)度高 塑性珠光體球鐵，在鐵模覆砂工藝條件下，球鐵材質(zhì) 提升到QT1000-5 。近些年在鑄鐵材質(zhì)的應(yīng)用與研究方 面開展了下列工作。
2.1 高強(qiáng)度、高剛度、低應(yīng)力灰鑄鐵取得較大進(jìn)展， 在機(jī)床、汽車行業(yè)中獲得應(yīng)用
隨著汽車輕量化要求的不斷提高，薄壁高強(qiáng)度灰 鑄鐵的應(yīng)用迅速推進(jìn)，國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的一些缸體已采用 HT300 ，甚至HT350鑄鐵制作。通過(guò)優(yōu)化熔煉工藝，成 分設(shè)計(jì)及合金化工藝等措施，解決了缸體材質(zhì)高強(qiáng)度 與高速切削的問(wèn)題；“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，有效降低有害微 量元素、減小收縮和白口傾向。
鄭州機(jī)械研究所等單位開發(fā)了高碳當(dāng)量、高強(qiáng) 度、高彈性模量、低應(yīng)力鑄鐵件成套技術(shù)，應(yīng)用于高 檔數(shù)控機(jī)床用床身鑄件，提高了床身的精度及精度保 持性[18- 19] 。廣西玉柴機(jī)器股份有限公司在相同生產(chǎn)條件 和工藝下向灰鑄鐵中加入不同量的改性SiCp ，發(fā)現(xiàn)改性 SiCp 彌散在晶粒中或晶界處，阻礙了位錯(cuò)的滑移與攀 移，同時(shí)使灰鑄鐵的晶粒明顯細(xì)化，使等強(qiáng)溫度下的 高溫拉伸性能顯著提升[20] 。清華大學(xué)選取了另外一個(gè) 角度，通過(guò)主裂紋密度和裂紋深度兩個(gè)指標(biāo)找到了抗 拉強(qiáng)度和熱導(dǎo)率的最佳組合，發(fā)現(xiàn)灰鑄鐵的熱疲勞行 為與石墨片周圍的氧化基體密切相關(guān)，提高熱導(dǎo)率并 降低裂紋擴(kuò)展通道是有效提高灰鑄鐵耐熱疲勞性能的 方法。
2.2 蠕墨鑄鐵實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定批量生產(chǎn)
通過(guò)采用爐前鐵液智能分析、精確加入處理等技 術(shù)，蠕鐵鑄件蠕化率穩(wěn)定控制在80%以上，綜合缺陷率 和廢品率顯著降低，牌號(hào)提高到了RuT500 MPa ，應(yīng)用 范圍擴(kuò)大到了高鐵制動(dòng)盤、汽車制動(dòng)鼓和增壓器渦輪等。要求高蠕化率的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋，多采用二步 法穩(wěn)定生產(chǎn)，除引進(jìn)了國(guó)外OCC和Sinter Cast精確蠕化 處理控制技術(shù)和設(shè)備外，國(guó)內(nèi)研發(fā)也開始得到應(yīng)用。 廣西玉柴借鑒硅固溶強(qiáng)化鐵素體對(duì)球鐵的強(qiáng)化原理， 開發(fā)了硅固溶強(qiáng)化鐵素體蠕墨鑄鐵，其力學(xué)性能滿足 國(guó)標(biāo)RuT400~RuT500的要求。
2.3 低溫高韌性鐵素體球墨鑄鐵
風(fēng)電、高鐵等領(lǐng)域?qū)Φ蜏馗唔g性球鐵的力學(xué)性能 要求越來(lái)越高，某些風(fēng)電裝備的球鐵件要求-40 ℃時(shí)三 個(gè)V型缺口試樣沖擊功平均值要≥12 J ；高鐵京哈線、 哈大線和出口俄羅斯等高寒地帶的高鐵車關(guān)鍵球鐵零 部件已要求QT400- 18AL在-50 ℃ 、-60 ℃時(shí)的沖擊功 ≥ 12 J 。軌道交通用QT400- 18AL ( -60 ℃ )低溫高韌性 鐵素體球鐵生產(chǎn)技術(shù)取得突破，通過(guò)精細(xì)控制，可把 塑性－脆性轉(zhuǎn)變溫度由-74.3 ℃降低到-81.3 ℃ 。
專業(yè)廠常州華德 80% 以上鑄件為低溫鐵素體球 鐵，此外，錦州捷通、戚墅堰工藝所、山東新忠耀、 鄭州機(jī)械研究所等也批量生產(chǎn)低溫鐵素體球鐵。
2.4 硅固溶強(qiáng)化鐵素體球鐵
為了降低加工成本，取消熱處理和少加合金元素 以降低鑄件成本，發(fā)展了硅強(qiáng)化鐵素體球鐵[21] 。近年 來(lái)研制的具備高強(qiáng)度和高韌性的QT600- 10和QT500- 14 等硅固溶強(qiáng)化鐵素體球鐵在風(fēng)電中得到應(yīng)用，成功地 由試驗(yàn)期進(jìn)入應(yīng)用期，寧波日月、江蘇吉鑫每年生產(chǎn) 1萬(wàn)多噸QT500- 14和QT600- 10材質(zhì)鑄件，不斷滿足風(fēng)電 主機(jī)朝著大功率的研發(fā)方向發(fā)展對(duì)鑄件輕量化的進(jìn)一 步需求。
2.5 高強(qiáng)度高塑性珠光體球墨鑄鐵
隨著發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)壓力的增加，普通材質(zhì)的球墨鑄鐵曲軸已無(wú)法滿足增壓發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)曲軸疲勞彎矩的要 求，高強(qiáng)度高塑性珠光體球鐵憑借其強(qiáng)度高、塑性好 的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)軸頸滾壓強(qiáng)化后，曲軸的結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度 大幅度提高。
2020年，廣西玉柴在鐵模覆砂工藝條件下成功開 發(fā)的QT1000-5 (圖 5 )，將普通珠光體基體球墨鑄鐵 的力學(xué)性能穩(wěn)定提升到“四位數(shù)”強(qiáng)度門檻，其制備 工藝完全基于鑄造車間生產(chǎn)條件，不添加貴重金屬組 分，僅通過(guò)工藝創(chuàng)新和攻關(guān)，解決了材料超高強(qiáng)度和 高伸長(zhǎng)率的矛盾，是鑄鐵材質(zhì)的一次飛躍[22] 。
2.6 等溫淬火球鐵(ADI)
我國(guó)ADI (包括 CADI )年產(chǎn)量約 20萬(wàn)t，工程結(jié) 構(gòu)件和抗磨、耐磨件(包括CADI磨球和奧貝磨球等) 大約各占一半，其中工程結(jié)構(gòu)件包括汽車懸掛件、支 架、控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、鐵路機(jī)械、農(nóng)機(jī)和工程機(jī)械零 件以及齒輪、曲軸等[23-24] 。隨著原輔材料、球鐵質(zhì)量的 提高，等溫淬火球鐵( ADI ) 由一般代用轉(zhuǎn)為根據(jù)ADI 性能特點(diǎn)改變?cè)O(shè)計(jì)，輕量化效果顯著，應(yīng)用范圍不斷 擴(kuò)大，向礦山、農(nóng)機(jī)、工程機(jī)械耐磨零件擴(kuò)展。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)開展了ADI低溫性能、雙相ADI等溫 熱處理、 ADI精細(xì)組織及鑄態(tài)組織對(duì)等溫?zé)崽幚硇阅苡?響等試驗(yàn)研究工作，并建立了熱處理專業(yè)廠(如湖北 十堰奧貝科技有限公司、遷西奧帝愛、蘇州艾普、長(zhǎng) 春艾普等)，熱處理工藝得到進(jìn)一步發(fā)展。
2.7 耐高溫高鎳奧氏體球鐵擴(kuò)大應(yīng)用
柴油機(jī)功率不斷提高， 增壓器的應(yīng)用越來(lái)越多， 氣體的排放溫度越來(lái)越高；當(dāng)排放溫度超過(guò)850 ℃，增 壓器殼體、排氣歧管等需要用抗沖擊性、抗蠕變性能 強(qiáng)，耐蝕性、高溫抗氧化性能好的高鎳奧氏體球鐵來(lái) 制造[25-26] 。各國(guó)的奧氏體鑄鐵件標(biāo)準(zhǔn)差異很大，西峽縣內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣管有限責(zé)任公司從實(shí)際生產(chǎn)出發(fā)，提出 了其化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)，將D5S的C定為2.30% ，S含量規(guī)定 為0.03%，P含量規(guī)定為0.05% ，由于奧氏體球墨鑄鐵的 殘留Mg量偏高，尚未規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)組 織指導(dǎo)生產(chǎn)，高鎳奧氏體球鐵排氣歧管已成為西峽縣 內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣管有限責(zé)任公司的主導(dǎo)產(chǎn)品[27-29] 。
2.8 雙金屬?gòu)?fù)合材料擴(kuò)大應(yīng)用
雙金屬?gòu)?fù)合材料在重型載重汽車制動(dòng)鼓、制動(dòng)盤 上擴(kuò)大應(yīng)用，顯著提高了制動(dòng)鼓的壽命和安全性。傳 統(tǒng)的制動(dòng)盤是灰鑄鐵材質(zhì)，整體砂型鑄造，駐馬店恒 久雙金屬?gòu)?fù)合材料制動(dòng)盤(圖6 )采用鋼 -鐵復(fù)合結(jié)構(gòu) 具有安全性好(徹底杜絕脖頸處開裂)和總體重量輕 (比傳統(tǒng)盤輕20%~25% )的優(yōu)點(diǎn)，減少混砂、造型、 制芯、落砂四大工序，更加高效節(jié)能、清潔環(huán)保。駐 馬店恒久鑲鑄法雙金屬?gòu)?fù)合材料為2015年開發(fā)， 2020 年銷售100萬(wàn)件，收入5億元。
3 鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步
得益于生產(chǎn)技術(shù)和檢測(cè)控制等方面的不斷提升， 鑄鐵業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展取得長(zhǎng)足進(jìn)步。爐前鐵液熱分析 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。一大批企 業(yè)使用了國(guó)際先進(jìn)水平的熔化、造型和檢測(cè)設(shè)備，配 有爐前氮?dú)溲鯗y(cè)定儀、真空直讀光譜儀和掃描電鏡等 先進(jìn)設(shè)備和檢測(cè)手段。
3.1 計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用
計(jì)算機(jī)CAD/CAE/CAM包括產(chǎn)品數(shù)值模擬技術(shù)的 發(fā)展，以及生產(chǎn)管理過(guò)程的自動(dòng)化、數(shù)字化等，普遍 提高了鑄造產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)數(shù)字化、鑄造自動(dòng)化水平。 “數(shù)字化虛擬制造技術(shù)+3DP快速成形”在行業(yè)中的應(yīng) 用逐漸增多，集成CAD/CAM/CAE增材制造等技術(shù)，工藝流程緊湊，技術(shù)集成度提高，對(duì)技術(shù)人員綜合素 質(zhì)要求提高，生產(chǎn)更加快捷，過(guò)程更加可控，浪費(fèi)更 少，效益顯著提高。在線檢測(cè)技術(shù)在造型、制芯、熔 化、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)等主要工序上得到了良好應(yīng)用，過(guò) 程控制工序化，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和一致性。
3.2 新型綠色造型工藝
在造型、制芯方面，組芯造型、殼型造型以及機(jī) 械手的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大，視覺化機(jī)械控制造型組芯技術(shù) 可提高鑄件尺寸精度、減少加工余量。新型環(huán)保造型 材料如寶珠砂等的研發(fā)和應(yīng)用，顯著提高了型砂的回 收利用效率。
3D 打印、砂型切削等無(wú)模造型制芯技術(shù)與裝備 應(yīng)用逐漸增加，縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，滿足客戶個(gè)性 化、定制化需求。
3.3 原材料及加料技術(shù)
優(yōu)質(zhì)生鐵、高純生鐵和廢鋼等原輔材料供應(yīng)品種 和質(zhì)量有了很大改善，例如超高純生鐵的研發(fā)，為高 質(zhì)量鑄件的生產(chǎn)制造提供更優(yōu)質(zhì)的原材料，球化劑和 孕育劑的品種和質(zhì)量穩(wěn)步提升。計(jì)算機(jī)配料加料系統(tǒng) 與裝備的研究與應(yīng)用日益增多，通過(guò)加料裝備實(shí)現(xiàn)精 確加入爐料及合金。
3.4 高質(zhì)量鐵液熔煉和處理技術(shù)
在鐵液熔煉方面，電爐應(yīng)用增長(zhǎng)較快，處于主導(dǎo) 地位[30-32] 。但對(duì)于大批量流水線生產(chǎn)，需要大量鐵液的 工廠(例如濰柴、一汽等)，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)熔煉具有顯著的優(yōu) 點(diǎn)[31 ，33] 。
3.5 鐵液球化、蠕化和孕育處理技術(shù)
先進(jìn)的球化、蠕化和孕育處理工藝技術(shù)與裝備， 如喂絲機(jī)、包芯線的研究與應(yīng)用，使整個(gè)熔化、球 化、蠕化和孕育處理過(guò)程連貫，數(shù)字化程度高，減少 鎂光煙塵，采用喂絲球化的鑄鐵廠達(dá)到3 000多家[34-36] 。 “兩步法”蠕化處理工藝與在線測(cè)控系統(tǒng)成功用于鑄 造工廠，采用紅外感應(yīng)、快速計(jì)算的智能化隨流孕育 機(jī)提高了孕育的精確度。
球化劑、孕育劑、脫硫劑、預(yù)處理劑以及包芯線 等品種、規(guī)格有所發(fā)展，質(zhì)量有較大提高，能滿足不 同用戶要求。除原有球化劑外，近來(lái)新增效果比較突 出的是含鑭球化劑在薄壁件及低溫鐵素體球鐵件上的應(yīng)用。
3.6 鐵液搬運(yùn)與澆注
鐵液自動(dòng)化轉(zhuǎn)運(yùn)、定量化澆注裝置的研制與應(yīng) 用，可縮短鐵液的出爐、檢測(cè)與轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，增加安全 性，改善吊車和人工推拉小車轉(zhuǎn)運(yùn)鐵液現(xiàn)狀，提高熔 煉設(shè)備效率；定量澆注可保證鑄件質(zhì)量、節(jié)約鐵液用 量，降低熔煉和澆注過(guò)程中的能源消耗，實(shí)現(xiàn)熔煉和 澆注過(guò)程的綠色化。
3.7 清理打磨
近年來(lái)，打磨機(jī)器人在清理打磨環(huán)節(jié)研究與應(yīng)用 逐漸增多，通過(guò)打磨加工方式的選擇、柔性工裝夾具 的設(shè)計(jì)、適度的視覺系統(tǒng)及偏差補(bǔ)償、動(dòng)力頭及打磨 工具的匹配等集成技術(shù)研究，機(jī)器人作業(yè)(圖7 )與鑄 造工藝、工裝夾具有效融合提升自動(dòng)打磨效率及質(zhì)量 等，顯著改善了勞動(dòng)環(huán)境，減少清理打磨現(xiàn)場(chǎng)的粉塵 和噪音污染，提高了清理打磨效率。合肥鑄鍛廠針對(duì) 不同類別產(chǎn)品、不同工藝特性實(shí)施差異化的“以機(jī)代 人”清理自動(dòng)化裝備改造方案技術(shù)，取得了良好的效果。
4 鑄鐵應(yīng)用領(lǐng)域逐步拓寬
制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展離不開關(guān)鍵核心零部件的支 撐。隨著我國(guó)高速列車、核電、軍工、風(fēng)力發(fā)電、汽 車等行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)超低溫鐵素體球墨鑄鐵、等 溫淬火球墨鑄鐵( ADl )、超大斷面球墨鑄鐵(壁厚 ≥300 mm )、高強(qiáng)度高韌性球墨鑄鐵以及硅固溶強(qiáng)化 球墨鑄鐵需求量日益增大。近年來(lái)，鑄鐵件應(yīng)用范圍 不斷擴(kuò)大，在高鐵、核電、機(jī)器人等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的 應(yīng)用逐漸增多，高鐵機(jī)車轉(zhuǎn)向架軸箱、變速箱、電機(jī) 殼以及 12 MW風(fēng)電輪轂、底座等部分產(chǎn)品的性能達(dá)到 了國(guó)際先進(jìn)水平，雙金屬?gòu)?fù)合材料制動(dòng)鼓在重型載重 汽車上批量應(yīng)用，大型高檔數(shù)控機(jī)床橫梁等機(jī)床結(jié)構(gòu) 件已批量生產(chǎn)和應(yīng)用。
球墨鑄鐵新型材質(zhì)(如等溫淬火球鐵、硅固溶 強(qiáng)化鐵素體球鐵、高強(qiáng)度高沖擊低溫球鐵、耐熱耐腐 高鎳奧氏體球鐵、高強(qiáng)度高韌性球鐵等)不斷涌現(xiàn)?！案邚?qiáng)度高韌性球鐵件”被發(fā)改委列入“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào) 整指導(dǎo)目錄”( 2019年本)鼓勵(lì)類項(xiàng)目。
4.1 超大斷面球墨鑄鐵件——百噸級(jí)球墨鑄鐵核乏
燃料容器鑄件
隨著全球核能不斷深入研發(fā)，國(guó)防戰(zhàn)略核武器、 核電、核動(dòng)力航空母艦、核潛艇等相關(guān)核能發(fā)展速度 越來(lái)越快，對(duì)核乏燃料的處理?xiàng)l件與設(shè)備設(shè)施提出更 高的要求和需求。百噸級(jí)球墨鑄鐵核乏燃料容器鑄件(圖 8 )是國(guó)內(nèi)尚未攻克的少數(shù)鑄造壁壘，被譽(yù)為球墨 鑄鐵皇冠上的明珠，門檻高、難度大，國(guó)外只有德國(guó) 辛北(Siempelkamp) 公司批量生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)寧波日月、 鄭州機(jī)械研究所、中信重工等也在加緊研制[37-38] 。鄭 州機(jī)械研究所在溫度場(chǎng)在線調(diào)控、增強(qiáng)冷卻系統(tǒng)、長(zhǎng) 效球化孕育配方及工藝等方面取得了多項(xiàng)技術(shù)突破， 百噸級(jí)球墨鑄鐵核乏燃料容器鑄件產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景良 好。
4.2 高檔數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)件
通過(guò)突破殘余應(yīng)力控制技術(shù)，鑄鐵材料在高檔數(shù) 控機(jī)床的床身(圖9 )、立柱、橫梁等結(jié)構(gòu)件上擴(kuò)大應(yīng) 用，有效解決高檔數(shù)控機(jī)床尺寸精度和精度保持性問(wèn)題。 2020年“高檔數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵材料生產(chǎn)應(yīng)用示范平 臺(tái)”項(xiàng)目列入國(guó)家高質(zhì)量發(fā)展計(jì)劃。
4.3 蠕墨鑄鐵缸體缸蓋
近年來(lái)，要求高蠕化率的缸體、缸蓋，多采用二 步法穩(wěn)定生產(chǎn)，除引進(jìn)瑞典、德國(guó)等技術(shù)裝備外，國(guó) 內(nèi)研發(fā)也開始得到應(yīng)用。一汽鑄造有限公司、中國(guó)重 汽、廣西玉柴、濰柴等加大了對(duì)蠕墨鑄鐵的研發(fā)，實(shí) 現(xiàn)了批量穩(wěn)定生產(chǎn)。 2019年，我國(guó)汽車產(chǎn)銷量雙雙突 破2 500萬(wàn)輛，如果在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、排氣管、汽 車剎車轂、鐵路貨運(yùn)機(jī)車制動(dòng)盤等全面推廣應(yīng)用(圖 10 )，蠕墨鑄鐵件在國(guó)內(nèi)還有很大的發(fā)展空間。
4.4 硅固溶強(qiáng)化鐵素體球鐵件
在球墨鑄鐵中，Si能促進(jìn)形成鐵素體， 并固溶強(qiáng) 化鐵素體，當(dāng) Si ≥ 5% 時(shí)，抗拉強(qiáng)度急劇下降，韌性 下降，沖擊韌度甚至降至普通灰鑄鐵的水平。硅強(qiáng)化 鐵素體球鐵的出現(xiàn)，打破了我國(guó)以往球鐵生產(chǎn)遵循 的“高碳低硅大孕育量”的習(xí)慣做法。 2014年，河南 廣瑞汽車配件股份有限公司成功用硅固溶強(qiáng)化鐵素體 QT500- 14替代了QT500-7 ，用于生產(chǎn)轉(zhuǎn)向器殼體(圖 11 )。 2018年，金風(fēng)科技研制成功QT450- 18 ，用于風(fēng) 電鑄件輕量化發(fā)展(圖 12 )；同年 10月，在吉鑫風(fēng)能 科技研制成功QT600- 10AL ，用于生產(chǎn) 12兆瓦風(fēng)電底座 ( 80余噸)(圖 13 )。近幾年在風(fēng)電中得到應(yīng)用，由 試驗(yàn)期進(jìn)入應(yīng)用期，其中寧波日月、江蘇吉鑫每年生 產(chǎn)1萬(wàn)多噸QT500- 14和QT600- 10材質(zhì)鑄件。未來(lái)，硅固 溶強(qiáng)化球鐵應(yīng)用還有很大的發(fā)展空間。
4.5 高強(qiáng)度高塑性珠光體球墨鑄鐵件
國(guó)內(nèi)玉柴、天潤(rùn)等企業(yè)研發(fā)的QT800-6 、QT900-6 (QT900-5 )已代替鍛鋼在大功率曲軸上應(yīng)用，廣西玉 柴生產(chǎn)的QT600- 10 、QT700- 10 、QT900-6牌號(hào)球鐵材 料應(yīng)用在汽車底盤件上，每年 10萬(wàn)套左右。 QT1000-5 球鐵材料船電國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸全面應(yīng)用(圖14 )。
4.6 等溫淬火球墨鑄鐵件
近年來(lái)，隨著機(jī)械零部件向高性能、輕量化方向的發(fā)展，ADI生產(chǎn)及應(yīng)用備受行業(yè)關(guān)注，在ADI應(yīng)用基 礎(chǔ)研究、生產(chǎn)工藝及裝備，以及毛坯質(zhì)量穩(wěn)定性等方 面均取得了新的進(jìn)展，包括球鐵原始組織、熱處理工 藝等對(duì)ADI微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律有了更加深 入的研究， ADI毛坯質(zhì)量及其穩(wěn)定性得到穩(wěn)步提升，開 展了水平連鑄球墨鑄鐵LZQT500-7等溫淬火工藝的優(yōu)化 研究等。
國(guó)內(nèi)不少知名的鑄造廠都強(qiáng)化了ADI輕量化研究開 發(fā)的能力，并作為提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的主要措施。專業(yè) 熱處理廠在全國(guó)范圍內(nèi)逐步形成，河南歐迪艾鑄造有 限公司、蘇州艾普零件制造有限公司、河北遷西奧帝 愛機(jī)械鑄造有限公司、天津SEW傳動(dòng)設(shè)備有限公司、 長(zhǎng)春艾普機(jī)電設(shè)備有限公司、焦作固德聯(lián)合機(jī)械有限 公司及十堰澳-貝汽車零部件輕量化科技有限公司等均 陸續(xù)建立了專業(yè)的等溫淬火熱處理中心，極大地促進(jìn) 了我國(guó)ADI的發(fā)展和應(yīng)用。
4.7 風(fēng)電鑄件
我國(guó)現(xiàn)已成為全球風(fēng)電鑄件發(fā)展最快和規(guī)模最大 的生產(chǎn)消費(fèi)區(qū)域。同時(shí)，得益于國(guó)內(nèi)外風(fēng)電行業(yè)的持 續(xù)高速發(fā)展和國(guó)際產(chǎn)業(yè)鏈向中國(guó)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，我國(guó)的 風(fēng)電鑄件產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上也具備較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，成 為我國(guó)風(fēng)電設(shè)備制造行業(yè)中少數(shù)實(shí)現(xiàn)規(guī)模出口的零部 件產(chǎn)品。
風(fēng)電鑄件主要包括輪轂、底座、軸及軸承座、 梁、齒輪箱部件(主要包括齒輪箱箱體、扭力臂、行 星架)等，約占到單個(gè)風(fēng)電整機(jī)成本的8% ~ 10%。根 據(jù)中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)對(duì)風(fēng)電設(shè)備行業(yè)平均水平進(jìn)行測(cè)算， 每兆瓦風(fēng)電整機(jī)大約需要20 ~ 25 t鑄件，其中輪轂、底 座、軸、梁、軸承座等合計(jì)約需 15 ~ 18 t，齒輪箱部件 約需5 ~ 7 t。目前，風(fēng)電鑄件行業(yè)已逐步由幾家大型企 業(yè)主導(dǎo)(寧波日月重工、江蘇吉鑫風(fēng)能)，不僅滿足 國(guó)內(nèi)需求，還有大量出口。
5 鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
“十三五”期間，國(guó)內(nèi)鑄造企業(yè)在裝備與技術(shù)上 有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但仍有相當(dāng)一部分廠家的管理和軟 件沒有跟上，質(zhì)量的穩(wěn)定性、可靠性、一致性差的問(wèn) 題比較突出。國(guó)內(nèi)鑄鐵廠除了多而分散、產(chǎn)能過(guò)剩、 兩極分化外，還存在專業(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)以及 10 t/h以上大型熱風(fēng)水冷連續(xù)式?jīng)_天爐 的國(guó)產(chǎn)化及應(yīng)用有待提高等。今年是“十四五”的開 局之年，由于環(huán)保督查持續(xù)收緊，加之疫情的影響， 我國(guó)鑄造業(yè)發(fā)展環(huán)境將發(fā)生很大變化，要提前研判和 積極應(yīng)對(duì)疫情對(duì)出口的不利影響，加快新材料、新工 藝、新技術(shù)和新產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用，著力推動(dòng)鑄造業(yè) 的轉(zhuǎn)型升級(jí)。
預(yù)計(jì)， “十四五”期間鑄鐵產(chǎn)量持平或略有增長(zhǎng) (其中，普通灰鑄鐵產(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)見表2 。
( 1 )鑄鐵企業(yè)數(shù)量方面：從現(xiàn)在的 1.4萬(wàn)家到2025 年減少到1萬(wàn)家左右。
( 2 )鑄鐵企業(yè)平均產(chǎn)量規(guī)模：從現(xiàn)在的2 700 t/家 到2025年增加到3 500 t/家。
( 3 )到 2025年，球墨鑄鐵件產(chǎn)量占鑄鐵件總產(chǎn) 量的比例達(dá)到48% 以上，球墨鑄鐵與灰鑄鐵之比達(dá)到 1.0 ，蠕墨鑄鐵產(chǎn)量達(dá)到40萬(wàn)t，高端鑄鐵件占鑄鐵件產(chǎn) 量的25%以上。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)，國(guó)產(chǎn)化率98% 以 上，實(shí)現(xiàn)核電、軌道交通和汽車等關(guān)鍵、高精度鑄鐵 件的批量穩(wěn)定生產(chǎn)。
未來(lái)鑄造行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)是向數(shù)字化、綠色化、 智能化、輕量化、精確化的方向發(fā)展，數(shù)字化是基 礎(chǔ)，走綠色鑄造發(fā)展之路；挖掘材料性能，加大復(fù)合 材料和復(fù)合工藝的研究與應(yīng)用，創(chuàng)造新的需求。不 斷補(bǔ)充、完善與提高鑄造過(guò)程的質(zhì)量檢測(cè)與質(zhì)量控制 手段；在造型和清理環(huán)節(jié)增加機(jī)器人的用量；采用凈 形或近凈形成形造型制芯方法，減少排放； 采用新 工藝，實(shí)現(xiàn)清潔化生產(chǎn)；加強(qiáng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào) 整，滿足客戶個(gè)性化、定制化需求，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品專業(yè)化 和經(jīng)濟(jì)規(guī)?；?。
5.1 精選原料保證鐵液質(zhì)量， 推廣環(huán)境友好的球化、 孕育處理方法
原、輔材料質(zhì)量提高， 為高端球鐵件生產(chǎn)奠定良 好基礎(chǔ)。采用高純生鐵和超高純生鐵、優(yōu)質(zhì)廢鋼和增 碳劑等原輔材料，鐵液雜質(zhì)元素含量低、純凈度高。 國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)生鐵及高純生鐵供應(yīng)充足，為滿足大斷面球鐵生產(chǎn)需要，河北龍鳳山鑄業(yè)有限公司等生產(chǎn)了超高 純生鐵。
采用電爐和大型熱風(fēng)水冷環(huán)保沖天爐熔煉，保證 鐵液質(zhì)量，其中熱風(fēng)水冷環(huán)保沖天爐熔煉便于組織大 批量、大噸位鑄件生產(chǎn)，效率高。
沖入法、蓋包法、喂絲法、噴吹法等在實(shí)踐中逐 步完善，通過(guò)優(yōu)化加料方式和除塵控制，逐步確定其 適用范圍。
5.2 推廣普及數(shù)字化鑄造技術(shù)
采用三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)( CAS )、計(jì)算機(jī)輔助 工藝規(guī)劃( CAPP )、計(jì)算機(jī)輔助制造( CAM )、設(shè) 計(jì)和工藝路線仿真等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)數(shù) 字化；產(chǎn)品信息和制造信息能夠貫穿于制造、生產(chǎn)管 理、質(zhì)量管理等制造過(guò)程的全部環(huán)節(jié)；建立車間制造 執(zhí)行系統(tǒng)( MES )，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃、排產(chǎn)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)的 全過(guò)程閉環(huán)管理；建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能充分采集制 造進(jìn)度、現(xiàn)場(chǎng)操作、質(zhì)量檢驗(yàn)、設(shè)備狀態(tài)等生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng) 信息；建立車間級(jí)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，不同裝備之間實(shí)現(xiàn) 信息互聯(lián)互通和有效集成；建立企業(yè)資源計(jì)劃管理系 統(tǒng)( ERP ) ，利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)經(jīng)營(yíng)、管理和決策的智能優(yōu)化。
普及CAD 、CAM和CAE，做好鑄造過(guò)程數(shù)字模 擬，采用數(shù)字化鑄造工藝管理系統(tǒng)，進(jìn)行產(chǎn)品和工藝 的前期優(yōu)化設(shè)計(jì)。
5.3 加強(qiáng)鑄造材料與工藝數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)
建立鑄造工藝、材料、缺陷等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，加強(qiáng)工藝文件、生產(chǎn)和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)管理，通過(guò) 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)促進(jìn)鑄造新技術(shù)、新工藝的不斷固化和推 廣，普遍提高國(guó)內(nèi)鑄鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展水平 。
5.4 實(shí)現(xiàn)鑄造設(shè)備的互聯(lián)與集中控制
生產(chǎn)裝備和控制技術(shù)逐步完善， 具備生產(chǎn)高端球 鐵件的條件，并實(shí)現(xiàn)鑄造設(shè)備的互聯(lián)與集中控制，鑄 造生產(chǎn)全過(guò)程數(shù)字化管控。數(shù)字化無(wú)模鑄 造、 3D打印、激光測(cè)距組芯等技術(shù)與裝備集成應(yīng)用， 提高鑄造全過(guò)程管控能力，提高鑄件質(zhì)量穩(wěn)定性，改 善廣大鑄造企業(yè)自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化環(huán)境。
5.5 應(yīng)用在線檢測(cè)技術(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和一致性
在鐵液質(zhì)量、鑄件缺陷、鑄件尺寸等方面廣泛應(yīng) 用在線檢測(cè)技術(shù)，提高管理水平、重視并 認(rèn)真執(zhí)行生產(chǎn)過(guò)程控制，嚴(yán)格控制化學(xué)成分和生產(chǎn)工 藝環(huán)節(jié)參數(shù)的波動(dòng)范圍，做好數(shù)據(jù)收集與分析工作， 提高鑄件質(zhì)量，并提高質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。
5.6 增加機(jī)器人在造型和清理上應(yīng)用
增加機(jī)器人在精準(zhǔn)組芯和下芯， 高端單件小批量 鑄件柔性化打磨等復(fù)雜工序環(huán)節(jié)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)提高生 產(chǎn)效率，提高鑄件質(zhì)量，降低制造成本，改善作業(yè)環(huán)境。
6 加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，突破短板和關(guān)鍵 共性技術(shù)
需要突破的關(guān)鍵共性技術(shù)領(lǐng)域及須攻克的重點(diǎn)項(xiàng) 目如表3所示。
7 結(jié)束語(yǔ)
總的來(lái)說(shuō)，“十四五”是我國(guó)鑄鐵業(yè)由大變強(qiáng)的 關(guān)鍵時(shí)期。在環(huán)保持續(xù)收緊、疫情反復(fù)、成本持續(xù)上 升等影響下，鑄造業(yè)發(fā)展環(huán)境將產(chǎn)生很大變化。要貫 徹新發(fā)展理念，落實(shí)鑄造產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，加大技術(shù)創(chuàng) 新的力度，積極開發(fā)新產(chǎn)品，開拓新市場(chǎng)。加強(qiáng)新材 料、新技術(shù)和新工藝的研究，大力開發(fā)復(fù)合材料與復(fù) 合鑄造工藝，挖掘材料性能，創(chuàng)造新的需求。推廣數(shù) 字化、智能化與綠色化鑄造技術(shù)與裝備，滿足客戶個(gè) 性化、定制化需求。加強(qiáng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化、清潔化生產(chǎn)，走專業(yè)化、規(guī)?；?可持續(xù)發(fā)展之路。加大環(huán)保型鑄造設(shè)備和技術(shù)的研制 開發(fā)，開發(fā)環(huán)保型鑄造原輔材料，加強(qiáng)綠色鑄造評(píng)價(jià) 方法和指標(biāo)體系的研究和建立。
今后， 我國(guó)鑄鐵業(yè)的發(fā)展從材質(zhì)上看，重點(diǎn)是發(fā) 展球墨鑄鐵、等溫淬火球墨鑄鐵( ADI )、蠕墨鑄鐵。 從熔煉上看，重點(diǎn)是如何穩(wěn)定地獲得高溫、成分符合 要求的優(yōu)質(zhì)純凈的鐵液。從鑄型工藝上看，推廣 3D 打印、無(wú)模鑄造、殼型鑄造等工藝方法 ，生產(chǎn)近凈成 形、少無(wú)切削鑄件。從質(zhì)量控制與檢測(cè)上看，還需要 不斷補(bǔ)充、完善與提高鑄造過(guò)程的質(zhì)量檢測(cè)與質(zhì)量控 制手段。從環(huán)境保護(hù)和單位能耗上看，應(yīng)積極推進(jìn)清 潔環(huán)保生產(chǎn)方式，在造型和清理環(huán)節(jié)增加機(jī)器人的用 量，提高鑄造裝備的數(shù)字化水平，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)。
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