《铸造技术路线图》概览

《铸造技术路线图》概览标签：[导读]编者按：《铸造技术路线图》作为中国机械工程技术路线图丛书之一，由中国机械工程学会主编，中国机械工程学会铸造分会组织编著，由中国科学技术出版社于2016年11月上旬正式出版发行。编者按：《铸造技术路线图》作为中国机械工程技术路线图丛书之一，由中国机械工程学会主编，中国机械工程学会铸造分会组织编著，由中国科学技术出版社于2016年11月上旬正式出版发行。2016年，适逢中国机械工程学会成立80周年（1936—2016），中国机械工程学会以出版《中国机械工程技术路线图》（2016版）和8个分技术领域《路线图》的形式，即“1+8”工程的形式向成立80周年献礼。《铸造技术路线图》是8个分技术领域《路线图》之一。为了清晰认识国际铸造科技发展大势，规划铸造技术发展方向，推进我国铸造科技发展，根据《国家“十三五”科学和技术发展规划》和《中国制造2025》提出的目标和任务，结合我国铸造行业科技发展实际，中国机械工程学会铸造分会组织编制了《铸造行业“十三五”技术发展规划纲要》，在此基础上，根据中国机械工程学会关于开展分领域技术路线图研究的工作安排，继而组织铸造行业专家、学者编写了《铸造技术路线图》。《铸造技术路线图》面向2030年，重点分析了铸造技术与装备等面临的机遇与挑战、发展趋势，提出了影响铸造行业未来发展的77项关键技术。论述了未来15年对这些关键技术的需求与环境，介绍了基于这些关键技术的典型产品或装备，从技术角度阐述了其应用前景，按照时间序列给出了不同时间节点的发展重点与路径，并预测可达成的目标。铸造行业100多位专家、学者参与了本书的编写，并广泛征求了各方面专家的意见和建议，通过了行业专家的审查，使本技术路线图更具影响力和指导性。本书可为企业制定发展规划和政府决策提供依据，亦可为人才培养提供技术指导。一、铸造技术的发展现状与趋势（一）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。（二）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26000家，厂均年产铸件1777吨，远低于世界第一的德国（8818吨），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4560万吨，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194.43万吨，出口均价为1484美元/吨，各类铸件进口量为1.74万吨，进口均价为7214美元/吨，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。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。机床床身铸件尺寸稳定性差，致使高档数控机床精度保持性不佳，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.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，湿型砂应用占比大，且大量使用毒性较大的煤粉湿型砂，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薄壁精密的高端铸件大批量生产，国内刚开始探索试验。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空发动机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空发动机用复杂单晶叶片生产能力，但产品合格率不足60％，第三代航空发动机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。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10～20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