鑄造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

1概述

鑄造是將液態(tài)金屬注入型腔后凝固成形獲得金屬鑄件的技術(shù)，廣泛用于航空、航天、汽車(chē)、石化、冶金、電力、造船、紡織等支柱產(chǎn)業(yè)，是獲得機(jī)械產(chǎn)品毛坯和零部件的主要方法之一。

鑄件在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、軌道交通等各類(lèi)裝備中占有相當(dāng)大的比例，對(duì)提高裝備主機(jī)性能至關(guān)重要，鑄造成形是機(jī)械行業(yè)基礎(chǔ)制造工藝。自2000年開(kāi)始，我國(guó)已連續(xù)十六年占據(jù)世界鑄件產(chǎn)量首位，是世界鑄造大國(guó)，為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了積極貢獻(xiàn)，但我國(guó)在某些高端鑄件鑄造技術(shù)上仍然落后，造成我國(guó)相關(guān)高端裝備發(fā)展滯后。鑄造行業(yè)中數(shù)量眾多的中小鑄造企業(yè)存在管理粗放、產(chǎn)能落后等情況，對(duì)我國(guó)生態(tài)環(huán)境造成損害，因此在能耗控制和環(huán)境保護(hù)方面需要更大投入。

近三十多年，世界鑄造技術(shù)發(fā)生了很大的變化，機(jī)械化、自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化技術(shù)不斷發(fā)展及深入融合，人類(lèi)對(duì)可持續(xù)發(fā)展環(huán)境的要求越來(lái)越高，這些因素促進(jìn)了世界鑄造技術(shù)的進(jìn)步。未來(lái)15年是我國(guó)鑄造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的結(jié)構(gòu)調(diào)整期和戰(zhàn)略機(jī)遇期，發(fā)展“優(yōu)質(zhì)、高效、智能、綠色”鑄造技術(shù)已成行業(yè)共識(shí)。

當(dāng)前我國(guó)鑄造技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)是，大幅度提高我國(guó)裝備制造業(yè)發(fā)展所需高端鑄件自主設(shè)計(jì)和制造的創(chuàng)新能力，在先進(jìn)鑄造技術(shù)、重大工程特大型及關(guān)鍵零部件的鑄造成形技術(shù)、數(shù)字化智能化鑄造技術(shù)、綠色鑄造技術(shù)等方面形成一批世界一流的創(chuàng)新成果，為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要部門(mén)的裝備制造提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，使我國(guó)從世界鑄造大國(guó)發(fā)展成為世界鑄造強(qiáng)國(guó)。

2發(fā)展現(xiàn)狀

鑄造技術(shù)主要包括鑄造材料、鑄造成形方法、鑄造裝備與檢測(cè)以及環(huán)保與安全等內(nèi)容，鑄造技術(shù)的發(fā)展與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢(shì)和全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大環(huán)境緊密關(guān)聯(lián)，我國(guó)鑄造產(chǎn)業(yè)在經(jīng)過(guò)多年持續(xù)快速發(fā)展之后，近幾年受全球制造業(yè)大環(huán)境影響增速放緩，目前處于結(jié)構(gòu)調(diào)整升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期。

從相關(guān)機(jī)構(gòu)發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中可以洞察近年來(lái)我國(guó)鑄造產(chǎn)業(yè)和鑄造技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)。我國(guó)目前鑄造廠點(diǎn)總數(shù)約26 000家，廠均年產(chǎn)鑄件1 777 t，遠(yuǎn)低于世界第一的德國(guó)（8 818 t），在世界鑄件產(chǎn)量前十位國(guó)家中列倒數(shù)第一，眾多經(jīng)濟(jì)規(guī)模較小的鑄造企業(yè)在技術(shù)進(jìn)步和裝備提升方面投入乏力。根據(jù)中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)2016年5月發(fā)布的數(shù)據(jù)，2015年中國(guó)各類(lèi)鑄件總產(chǎn)量4 560萬(wàn)t，較2014年下降1.30%，是自1999年開(kāi)始連續(xù)增長(zhǎng)多年之后首次出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。2015年鋁合金鑄件增長(zhǎng)4.27%，球墨鑄鐵件增長(zhǎng)1.61%，其中，鋁/鎂合金鑄件產(chǎn)量占比13.4%（2014年為12.7%），球墨鑄鐵/灰鑄鐵=1：1.60（2014年為1：1.68），說(shuō)明我國(guó)附加值較高的鑄件產(chǎn)品產(chǎn)量小幅增加。根據(jù)對(duì)海關(guān)進(jìn)出口數(shù)據(jù)中列為鑄制品的商品統(tǒng)計(jì)（隨同零件、組裝產(chǎn)品進(jìn)出口的鑄件在海關(guān)進(jìn)出口商品中無(wú)法分離出來(lái)），2015年中國(guó)各類(lèi)鑄件出口量為194.43萬(wàn)t，出口均價(jià)為1 484美元/t，各類(lèi)鑄件進(jìn)口量為1.74萬(wàn)t，進(jìn)口均價(jià)為7 214美元/t，說(shuō)明我國(guó)少部分高技術(shù)附加值鑄件仍需進(jìn)口。

多年來(lái)，經(jīng)過(guò)各級(jí)政府科技項(xiàng)目支持、產(chǎn)學(xué)研用合作發(fā)展，國(guó)內(nèi)鑄造技術(shù)與國(guó)外鑄造技術(shù)發(fā)展差距逐步縮小，表現(xiàn)在行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中技術(shù)升級(jí)和準(zhǔn)入審核取得進(jìn)展、與主機(jī)裝備制造配套能力有所突破、優(yōu)秀鑄造企業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力不斷增強(qiáng)等諸多方面。例如，輕合金和高溫合金精密鑄造成形技術(shù)的發(fā)展?jié)M足了我國(guó)多種新型先進(jìn)國(guó)防裝備需求；大型耐熱耐蝕承壓不銹鋼材料和鑄造成形技術(shù)的發(fā)展?jié)M足了我國(guó)新型發(fā)電設(shè)備部件制造需求；大型鋼錠宏觀偏析和縮松控制技術(shù)的發(fā)展提高了我國(guó)機(jī)械設(shè)備大型鍛件用坯的內(nèi)部質(zhì)量；新型含Nb高溫鈦合金研發(fā)取得突破；汽車(chē)用鑄件鑄造技術(shù)的發(fā)展不僅帶動(dòng)了我國(guó)鑄造企業(yè)大批量鑄件生產(chǎn)機(jī)械化、自動(dòng)化、數(shù)字化和先進(jìn)鑄造技術(shù)應(yīng)用水平的不斷提高，也為我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)；鑄造過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用提高了我國(guó)鑄造企業(yè)的鑄造工藝設(shè)計(jì)水平，先進(jìn)的數(shù)字化鑄造技術(shù)在個(gè)別優(yōu)秀鑄造企業(yè)中得到有效運(yùn)用。

盡管近三十年我國(guó)鑄造技術(shù)取得顯著進(jìn)步，并且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，但是應(yīng)該清醒看到，當(dāng)前我國(guó)鑄造產(chǎn)業(yè)大而不強(qiáng)的局面并未發(fā)生根本改變，鑄造領(lǐng)域不同技術(shù)方向上與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家存在或大或小的差距，產(chǎn)生差距的原因也各不相同，分別簡(jiǎn)述如下。

2.1鑄造黑色金屬及成形

鑄鐵方面，高性能球墨鑄鐵件鑄造技術(shù)不穩(wěn)定不可靠，關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)不到發(fā)達(dá)國(guó)家水平。超大斷面球墨鑄鐵件鑄造技術(shù)不過(guò)關(guān)，百?lài)嵓?jí)大型乏燃料貯運(yùn)容器不能自主制造。高檔數(shù)控機(jī)床精度保持性不佳的主要原因之一是機(jī)床床身鑄件尺寸穩(wěn)定性差，該問(wèn)題仍未解決，導(dǎo)致高檔數(shù)控機(jī)床長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口。

鑄鋼方面，我國(guó)海工裝備用耐海水腐蝕雙相鑄造不銹鋼材料體系不完整，鑄造工程應(yīng)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏，鑄造成形過(guò)程某些機(jī)理問(wèn)題不清晰。國(guó)內(nèi)特大型合金鋼鑄錠熔鑄過(guò)程內(nèi)部缺陷控制技術(shù)和極端工作條件下服役過(guò)程可靠性仍需攻關(guān)。國(guó)內(nèi)鑄鋼企業(yè)高端產(chǎn)能緊缺，新型發(fā)電設(shè)備用大型高端鑄鋼件鑄造技術(shù)落后于歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家，部分核電設(shè)備用大型不銹鋼鑄件和新型火電設(shè)備用耐高溫鑄件依賴(lài)進(jìn)口，個(gè)別產(chǎn)品被國(guó)外壟斷，鑄鋼企業(yè)低端產(chǎn)能過(guò)剩。大型復(fù)雜曲面異形工件電渣熔鑄技術(shù)及工程應(yīng)用有待拓展。

鑄造耐磨材料方面，我國(guó)鋼鐵耐磨材料體系研發(fā)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家差距不明顯，新近推出的鑄造耐磨材料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌。但部分高錳鋼鑄造企業(yè)鑄件技術(shù)指標(biāo)不滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求和使用要求，鑄造工藝和鑄件質(zhì)量落后于世界發(fā)達(dá)國(guó)家水平。國(guó)內(nèi)鑄造耐磨材料生產(chǎn)過(guò)程中先進(jìn)鋼鐵液熔煉、精煉和過(guò)濾技術(shù)應(yīng)用水平落后，具有我國(guó)特色的鋼鐵液爐前孕育與變質(zhì)處理技術(shù)仍需發(fā)展。用于鑄造耐磨材料成形的可顯著改善耐磨材料使用壽命的先進(jìn)砂型鑄造技術(shù)和特種鑄造技術(shù)有待進(jìn)一步研發(fā)和推廣應(yīng)用。發(fā)展鑄造耐磨材料熱處理技術(shù)，提高耐磨鑄件硬度韌性和使用壽命，減少合金元素用量，防止厚大耐磨件開(kāi)裂以及減少耐磨鋼鐵件表面脫碳也是努力方向。

2.2造型材料

造型材料方面，國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家生產(chǎn)的呋喃樹(shù)脂粘結(jié)劑存在毒性大、高溫退讓性差、性能不穩(wěn)定、用于鑄鋼件時(shí)熱裂傾向嚴(yán)重、用于低碳鋼鑄造時(shí)鑄件表面滲碳滲硫等問(wèn)題，國(guó)外已采用環(huán)保型生物質(zhì)呋喃樹(shù)脂，具有毒性小、強(qiáng)度大、硬化速度快、成本低的優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)自硬砂應(yīng)用占比小，黏土砂應(yīng)用占比大，且大量使用毒性較大的煤粉黏土砂，國(guó)外主要采用酯硬化堿性酚醛樹(shù)脂砂或環(huán)保型呋喃樹(shù)脂自硬砂，鑄件表面質(zhì)量好且作業(yè)環(huán)境好。國(guó)內(nèi)冷芯盒制芯工藝還存在溶劑毒性大和粘模嚴(yán)重問(wèn)題。國(guó)產(chǎn)涂料品種單一、污染大、成本高、刷涂工藝落后、涂料混制批量小和自動(dòng)化程度低，質(zhì)量不穩(wěn)定。國(guó)內(nèi)舊砂再生回用率為30%～60%，很多小型鑄造企業(yè)舊砂全部排放，國(guó)外舊砂的再生回用率可達(dá)80%～90%.歐洲一些國(guó)家已將低成本環(huán)保的無(wú)機(jī)粘結(jié)劑砂成功用于復(fù)雜壁薄精確的高端鑄件大批量生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)剛開(kāi)始探索試驗(yàn)。

2.3鑄造有色合金及金屬基復(fù)合材料

鑄造高溫合金方面，第三代高溫合金單晶已在發(fā)達(dá)國(guó)家航發(fā)復(fù)雜單晶葉片獲得應(yīng)用，批量產(chǎn)品合格率在80%以上，第四代和第五代單晶材料正在預(yù)研中，國(guó)外主流地面重型燃?xì)廨啓C(jī)一級(jí)和二級(jí)渦輪葉片也已普遍采用柱晶/單晶高溫合金；我國(guó)目前已具備小批量航發(fā)用復(fù)雜單晶葉片生產(chǎn)能力，但產(chǎn)品合格率不足60%，第三代航發(fā)單晶葉片鑄造技術(shù)處于預(yù)研階段，地面燃?xì)廨啓C(jī)用大型柱晶/單晶葉片處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

鑄造鋁合金方面，國(guó)內(nèi)鋁合金熔體精煉技術(shù)創(chuàng)新能力較差；新型鑄造鋁合金的基礎(chǔ)理論研究較多，工程應(yīng)用偏少；對(duì)鋁合金鑄造新技術(shù)缺少系統(tǒng)全面的研發(fā)，包括合金系列、設(shè)備、控制、軟硬件開(kāi)發(fā)等與國(guó)外差距更大。

鑄造鎂合金方面，我國(guó)開(kāi)發(fā)了多種高性能稀土鎂合金材料，航空航天用高強(qiáng)耐熱Mg-Gd-Y-Zr系鎂合金材料在性能方面已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，但在大型復(fù)雜高強(qiáng)耐熱鑄造鎂合金鑄件凝固理論及成形工藝方面遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。迄今為止，國(guó)際上只有美國(guó)和前蘇聯(lián)有鎂鋰系合金牌號(hào)，國(guó)內(nèi)關(guān)于鎂鋰合金的研究還很有限，尤其是對(duì)超輕鑄造鎂鋰合金的相關(guān)研究非常缺乏，這與鎂鋰合金在航空航天及電子工業(yè)等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景不相稱(chēng)。

鑄造鈦合金方面，以鈦鋁化合物為基的高溫鈦合金在美國(guó)已經(jīng)開(kāi)始批量生產(chǎn)和應(yīng)用；國(guó)內(nèi)自行開(kāi)發(fā)的高Nb鈦鋁合金也開(kāi)始嘗試應(yīng)用，新近研發(fā)的Ti-45Al-8Nb單晶合金，將承溫能力提高了150℃～250℃以上，優(yōu)于世界同類(lèi)合金，取得重大突破。但目前國(guó)內(nèi)攻關(guān)高溫鈦合金生產(chǎn)仍未擺脫對(duì)國(guó)外關(guān)鍵熔煉設(shè)備的依賴(lài)。我國(guó)在低溫鈦合金技術(shù)方向起步較晚，目前以跟蹤仿制為主并有所突破。

鑄造銅合金方面，銅合金材料工藝性研發(fā)不系統(tǒng)不完善，致使船用銅合金承壓泵閥類(lèi)鑄件內(nèi)部質(zhì)量不穩(wěn)定、成品率較低。世界上船用大型螺旋槳制造技術(shù)相對(duì)保密，我國(guó)已經(jīng)掌握超大型船用銅合金螺旋槳的制造技術(shù)，但鑄件化學(xué)成分控制技術(shù)、耐腐蝕性能等均有很大進(jìn)步空間。

鑄造金屬基復(fù)合材料方面，為了降低金屬基復(fù)合材料的制造成本并滿(mǎn)足民用需要，從1980年代以來(lái)研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向以顆粒為代表的顆粒、晶須、短纖維增強(qiáng)的非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。目前，液態(tài)鑄造法制備的金屬基復(fù)合材料占據(jù)了半壁江山，國(guó)外已大批量工程應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)研究較多，工程應(yīng)用較少。金屬基復(fù)合材料的制備過(guò)程中存在兩個(gè)共性問(wèn)題，一是如何實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體在合金基體中均勻分布，二是如何實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體與基體金屬界面之間的良好結(jié)合，因此制備工藝技術(shù)是金屬基復(fù)合材料發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。鋁基復(fù)合材料綜合性能仍需要繼續(xù)提高，并實(shí)現(xiàn)材料的可設(shè)計(jì)性和穩(wěn)定制造，以降低制造成本并加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。鎂基復(fù)合材料在制備、鑄造成形加工技術(shù)等方面仍不成熟，應(yīng)用仍然有限。銅基復(fù)合材料的制造工藝還比較復(fù)雜、性能還達(dá)不到要求、生產(chǎn)成本偏高。鈦基復(fù)合材料把鈦的延展性、韌性與陶瓷的高強(qiáng)度、高模量結(jié)合起來(lái)，從而獲得了更高的剪切強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度以及更好的高溫力學(xué)性能，在某些領(lǐng)域逐漸取代了傳統(tǒng)的鈦合金材料，目前己處于應(yīng)用前沿，優(yōu)化技術(shù)及降低成本將成為該材料市場(chǎng)穩(wěn)定應(yīng)用的重要因素。2.4特種鑄造成形方法

熔模鑄造方面，美、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的熔模鑄造行業(yè)中，應(yīng)用于航空航天、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、軍工等領(lǐng)域高附加值的高溫合金、鈦合金、鋁合金等鑄件產(chǎn)值占比超過(guò)70%，我國(guó)高附加值熔模鑄造鑄件產(chǎn)值占比尚不足30%.我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和地面燃?xì)廨啓C(jī)用高溫合金柱晶/單晶渦輪葉片定向凝固鑄造成形技術(shù)落后西方發(fā)達(dá)國(guó)家十到二十年，高性能工業(yè)化定向凝固設(shè)備主要依賴(lài)進(jìn)口。大型薄壁復(fù)雜熔模鑄件近凈成形技術(shù)配套工藝裝備、鑄件內(nèi)部和外觀質(zhì)量控制方法、高穩(wěn)定型殼涂料體系面臨挑戰(zhàn)。鈦合金熔模鑄造面層型殼體系的工藝穩(wěn)定性仍需改進(jìn)，新型大容量鈦合金熔煉設(shè)備有待開(kāi)發(fā)。熔模鑄造用復(fù)雜陶瓷型芯成形、型芯脫除性能改善、陶瓷型芯脫除工藝和裝備均需深入研究和解決。

高壓鑄造方面，汽車(chē)結(jié)構(gòu)件用壓鑄鋁、鎂合金基本依靠進(jìn)口，壓鑄鋁、鎂合金回收利用技術(shù)落后。國(guó)外高真空壓鑄件可進(jìn)行后續(xù)熱處理和焊接，國(guó)內(nèi)高真空壓鑄工藝和裝備不成熟，鑄件內(nèi)部仍存在孔洞缺陷，對(duì)高真空壓鑄件的熱處理和焊接技術(shù)研究處于探索階段。國(guó)外已開(kāi)發(fā)出適合具有復(fù)雜孔或內(nèi)腔形狀零件壓鑄的可溶型芯材料，并將壓鑄技術(shù)用于可溶型芯制備，可溶型芯材料及制備技術(shù)研發(fā)和工業(yè)應(yīng)用處于起步階段，國(guó)內(nèi)尚未進(jìn)行相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)展智能壓鑄技術(shù)用傳感器研發(fā)和應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，并在近幾年建立了用于工藝參數(shù)分析的專(zhuān)家系統(tǒng)和用于工藝參數(shù)調(diào)整的智能控制系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)在壓鑄過(guò)程傳感器研發(fā)和工藝參數(shù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面有所發(fā)展，但在專(zhuān)家系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)研發(fā)方面仍為空白。

反重力鑄造方面，我國(guó)高質(zhì)量薄壁復(fù)雜鑄件低壓鑄造成形技術(shù)和高效率鑄造工藝技術(shù)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。國(guó)內(nèi)用于優(yōu)質(zhì)復(fù)雜銅合金泵閥類(lèi)鑄件鑄造成形的先進(jìn)低壓鑄造技術(shù)和裝備缺乏。國(guó)內(nèi)用于高溫合金、鈦合金等高溫易氧化合金材料的反重力鑄造技術(shù)或復(fù)合反重力鑄造技術(shù)及裝備處于探索階段，國(guó)外已大批量工程應(yīng)用。差壓鑄造、調(diào)壓鑄造和真空吸鑄技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究較少，未達(dá)到國(guó)外大量應(yīng)用的水平。國(guó)產(chǎn)反重力鑄造設(shè)備實(shí)現(xiàn)工藝流程的能力、效率和控制精度仍需改進(jìn)。

擠壓鑄造方面，國(guó)外最大鑄件成形尺寸已達(dá)1200 mm×400mm×300mm，成形鑄件重量達(dá)50kg，國(guó)內(nèi)最大鑄件成形尺寸934 mm×550 mm×247 mm，成形鑄件最大重量35 kg.我國(guó)適用于擠壓鑄造的合金材料體系還不完善，模具材料壽命短，擠壓鑄造工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化手段比較落后，高效率高精度環(huán)保型擠壓鑄造技術(shù)和裝備有待發(fā)展。

消失模鑄造方面，發(fā)達(dá)國(guó)家采用消失模鑄造工藝生產(chǎn)鑄鐵、鑄鋼、鋁合金等材質(zhì)零件的技術(shù)已較為成熟。國(guó)內(nèi)應(yīng)用主要集中在鑄鐵和鑄鋼上，鋁合金消失模鑄造應(yīng)用還相對(duì)較少，采用消失模鑄造的鋁、鎂合金鑄件質(zhì)量不穩(wěn)定，現(xiàn)有消失模鑄造工藝設(shè)計(jì)理論和應(yīng)用基礎(chǔ)不完善，未實(shí)現(xiàn)不同金屬材質(zhì)消失模鑄造的泡沫模樣材料系列化及標(biāo)準(zhǔn)化，復(fù)雜高精度泡沫模樣加工技術(shù)和裝備落后。

半固態(tài)鑄造方面，適合半固態(tài)鑄造的高性能合金材料種類(lèi)不全，合金綜合力學(xué)性能較低。新型半固態(tài)漿料制備及流變成形技術(shù)基本上被歐美和日本壟斷，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的具有工業(yè)應(yīng)用前景的相關(guān)先進(jìn)技術(shù)很少，研制的半固態(tài)流變成形鑄件成本高、效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定。用于半固態(tài)漿料成形的普通壓鑄或擠壓裝備難以滿(mǎn)足半固態(tài)金屬成形需要，國(guó)產(chǎn)多功能一體化半固態(tài)鑄造裝備在穩(wěn)定性、密封元件耐用性、精度重復(fù)性等方面落后于國(guó)外先進(jìn)裝備。國(guó)內(nèi)對(duì)半固態(tài)鑄造的工藝基礎(chǔ)理論研究不成熟，半固態(tài)鑄造成形過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)依賴(lài)于國(guó)外軟件，且計(jì)算精度和多因素耦合計(jì)算仍不能滿(mǎn)足實(shí)際工程需要。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的半固態(tài)鑄造技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段，國(guó)內(nèi)仍處于試驗(yàn)或小批量研制階段，對(duì)于半固態(tài)鑄造缺陷控制技術(shù)的研究較少。

2.5數(shù)字化和智能化鑄造技術(shù)

數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化鑄造技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)鑄造企業(yè)應(yīng)用鑄造過(guò)程數(shù)值模擬軟件不夠普及，配套的鑄造材料熱物性參數(shù)、缺陷判據(jù)參數(shù)和邊界條件數(shù)據(jù)庫(kù)不系統(tǒng)不完整，影響計(jì)算精度和工程應(yīng)用水平。大型鑄錠和鑄件從冶煉到熱處理全流程的集成計(jì)算材料學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)和工程應(yīng)用仍需發(fā)展。輕金屬和高性能鑄鐵鑄造過(guò)程數(shù)值模擬還主要集中在宏觀尺度，多尺度多物理量耦合數(shù)理建模及鑄件微觀組織、力學(xué)性能和服役壽命預(yù)測(cè)研究和應(yīng)用亟待加強(qiáng)。國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和地面燃?xì)廨啓C(jī)用高溫合金單晶/柱晶葉片數(shù)值模擬軟件研發(fā)水平和工程應(yīng)用水平落后。國(guó)內(nèi)少數(shù)幾家鑄造企業(yè)采用兩相流數(shù)值模擬技術(shù)優(yōu)化制芯工藝，但所采用商業(yè)化專(zhuān)用軟件為國(guó)外公司開(kāi)發(fā)。國(guó)內(nèi)僅少數(shù)鑄造企業(yè)實(shí)現(xiàn)了單件全生命周期可追溯，多數(shù)鑄造企業(yè)信息化實(shí)力薄弱，上下游企業(yè)信息集成與協(xié)同管控較少，需要建設(shè)數(shù)字化鑄造工藝、生產(chǎn)、質(zhì)量集成軟件平臺(tái)，夯實(shí)我國(guó)鑄造企業(yè)滿(mǎn)足工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。機(jī)器人以及傳感器數(shù)據(jù)采集—專(zhuān)家系統(tǒng)分析/決策—工藝參數(shù)調(diào)控的智能化鑄造技術(shù)目前在我國(guó)鑄造企業(yè)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用很少。

快速成形技術(shù)方面，快速原型制造（增材制造）技術(shù)是近20年世界范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)，將快速原型制造技術(shù)用于鑄造模樣/模具的快速制備并與傳統(tǒng)鑄造工藝結(jié)合可顯著縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。我國(guó)鑄造領(lǐng)域快速原型制造技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用水平整體處于國(guó)際第一陣營(yíng)，但與國(guó)際先進(jìn)水平比較，制模材料和造型材料體系研發(fā)不系統(tǒng)不完整，熔模鑄造蠟?zāi)５饶又苽渚炔荒芡耆珴M(mǎn)足高端鑄件生產(chǎn)需求，快速制備的砂型/砂芯的尺寸范圍、成形效率和成形精度指標(biāo)落后。砂型/砂芯的高效數(shù)控銑削成形技術(shù)在加工機(jī)理、加工刀具、排砂系統(tǒng)、目標(biāo)損傷以及裝配精度等理論和工程應(yīng)用基礎(chǔ)方面有待完善和加強(qiáng)。

2.6普通砂型鑄造裝備與檢測(cè)技術(shù)

熔煉裝備與技術(shù)方向，國(guó)外發(fā)展大容量、外熱風(fēng)、長(zhǎng)爐齡和環(huán)保熱循環(huán)資源利用沖天爐熔煉裝備，國(guó)內(nèi)絕大部分鑄鐵鑄造企業(yè)目前采用的短爐齡冷風(fēng)沖天爐技術(shù)落后，資源浪費(fèi)和污染嚴(yán)重，熔煉控制自動(dòng)化水平低。中頻感應(yīng)熔煉電爐噸耗電指標(biāo)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家水平。電爐熔煉平臺(tái)機(jī)器人操作技術(shù)有待發(fā)展。

制芯裝備與技術(shù)方向，混砂均勻性等問(wèn)題需要解決，射砂制芯過(guò)程工藝應(yīng)用基礎(chǔ)及智能化控制水平需要提高。

黏土砂造型裝備與技術(shù)方向，采用機(jī)器人操作的潮模砂柔性生產(chǎn)線(xiàn)已在國(guó)內(nèi)個(gè)別鑄造企業(yè)應(yīng)用，但所用技術(shù)和裝備從發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)，國(guó)內(nèi)柔性技術(shù)和故障自診斷及遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)有待發(fā)展；國(guó)產(chǎn)垂直分型無(wú)箱射壓造型機(jī)設(shè)備可靠性和造型精度差、配套輔機(jī)不全；國(guó)產(chǎn)水平分型脫箱造型裝備的應(yīng)用基礎(chǔ)研究缺乏，核心主機(jī)以進(jìn)口為主；國(guó)內(nèi)水平分型有箱造型裝備存在低水平重復(fù)引進(jìn)問(wèn)題，自主創(chuàng)新少。

鑄造自硬砂裝備與技術(shù)方向，發(fā)展智能化子母式面背砂連續(xù)混砂機(jī)無(wú)人操作系統(tǒng)和大型多功能柔性抓取合箱鑄造裝備，可顯著改進(jìn)我國(guó)大型鑄件用砂型自動(dòng)化制備水平。

砂處理、砂再生裝備與技術(shù)方向，國(guó)內(nèi)與高效自動(dòng)造型線(xiàn)相匹配的高效混砂機(jī)以進(jìn)口為主，國(guó)外廢砂處理與混砂工藝一體化的真空混砂技術(shù)和裝備能耗少效率高，國(guó)內(nèi)尚未研發(fā)相關(guān)技術(shù)和裝備。砂輸運(yùn)、砂再生和廢棄物綜合利用的綠色環(huán)保技術(shù)落后。砂處理和砂再生的自動(dòng)化智能化水平有較大提升空間。

清理打磨裝備與技術(shù)方向，國(guó)內(nèi)在鑄件落砂清理時(shí)大多采用低效率、高成本、污染大、占地面積大的單機(jī)離線(xiàn)拋丸設(shè)備，國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家采用高效環(huán)保占地面積小的在線(xiàn)拋丸設(shè)備。國(guó)內(nèi)用于鑄件打磨的感知近形加工技術(shù)未見(jiàn)成熟應(yīng)用設(shè)備，國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家處于初中級(jí)應(yīng)用階段。國(guó)內(nèi)切割打磨自動(dòng)化集成化技術(shù)處于探索階段。

澆注裝備與技術(shù)方向，目前我國(guó)鑄造企業(yè)所用澆注設(shè)備如感應(yīng)澆注爐的加熱方式存在加熱不均衡問(wèn)題。國(guó)內(nèi)鑄造企業(yè)與造型生產(chǎn)線(xiàn)配套的自動(dòng)澆注機(jī)的智能化控制水平有較大提升空間。

檢測(cè)技術(shù)與裝備方向，我國(guó)鑄造企業(yè)熔體質(zhì)量離線(xiàn)檢測(cè)和在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)不系統(tǒng)不完整，與鑄造合金工藝性相關(guān)的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)技術(shù)和裝備的研發(fā)與應(yīng)用總體薄弱。造型（芯）材料質(zhì)量離線(xiàn)檢測(cè)和在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的技術(shù)和裝備發(fā)展緩慢，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)參數(shù)和監(jiān)測(cè)目標(biāo)不全面。國(guó)內(nèi)鑄造企業(yè)實(shí)驗(yàn)室較少擁有完備的鑄件質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)設(shè)備。國(guó)內(nèi)鑄造企業(yè)熔體澆注和凝固過(guò)程在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)與裝備尚未被關(guān)注，“智能化鑄造車(chē)間”構(gòu)想的實(shí)施基礎(chǔ)有待加強(qiáng)。鑄件缺陷在線(xiàn)無(wú)損監(jiān)測(cè)需要探索新方法。

2.7環(huán)保與安全

據(jù)推算，目前我國(guó)鑄造行業(yè)年排放粉塵200多萬(wàn)t、廢渣約1 400萬(wàn)t、廢砂4 000萬(wàn)t左右、廢氣700億立方米左右，單位鑄件產(chǎn)量綜合能耗是發(fā)達(dá)國(guó)家的1.5～2倍，大量鑄造小企業(yè)在危害環(huán)境的同時(shí)，還對(duì)企業(yè)員工身體健康造成損害。國(guó)內(nèi)目前在有助于減少鑄造行業(yè)污染的綠色鑄造廠房、環(huán)保原輔材料、固體廢棄物循環(huán)利用、節(jié)能環(huán)保裝備等領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用水平落后，鑄造合金熔煉煙氣治理能力有待加強(qiáng)。鑄件后處理工序是對(duì)企業(yè)員工安全危害最大的區(qū)域，是滿(mǎn)足《鑄造企業(yè)清潔生產(chǎn)綜合評(píng)價(jià)辦法》（JB/T 11995—2014）規(guī)定的一級(jí)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的難點(diǎn)。

3發(fā)展趨勢(shì)

近三十年來(lái)，世界范圍內(nèi)鑄造技術(shù)取得巨大進(jìn)步，鑄造技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)和趨勢(shì)。

1）優(yōu)質(zhì)：鑄件品質(zhì)得到不斷提升，復(fù)雜化、高性能、全周期壽命等成為發(fā)展趨勢(shì)。高溫合金定向凝固、輕合金和高溫合金精密鑄造、金屬基復(fù)合材料鑄造及大型鋼錠熔鑄等成形技術(shù)得到發(fā)展和應(yīng)用，鑄件性能顯著改善。

2）高效：企業(yè)的規(guī)?；?、專(zhuān)業(yè)化、人均產(chǎn)量不斷增加。鑄造企業(yè)的設(shè)備系統(tǒng)自動(dòng)化水平日益提高，從單機(jī)自動(dòng)化發(fā)展到單元自動(dòng)化，直到全系統(tǒng)自動(dòng)化以及機(jī)器人的應(yīng)用，顯著提高了鑄件生產(chǎn)效率和鑄件質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。

3）智能：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造、集成計(jì)算材料工程、快速原型制造技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器數(shù)據(jù)采集—專(zhuān)家系統(tǒng)分析/決策—工藝參數(shù)調(diào)控技術(shù)等數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化制造技術(shù)在鑄造企業(yè)各工序獲得普遍應(yīng)用，使鑄造新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期顯著縮短，鑄造工藝設(shè)計(jì)和實(shí)施更趨科學(xué)合理。

4）綠色：鑄造是機(jī)械制造行業(yè)中高能耗、高污染的行業(yè)，發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視開(kāi)發(fā)新的節(jié)能、清潔、低排放、低污染的鑄造材料并投入生產(chǎn)使用，在生產(chǎn)全過(guò)程中以循環(huán)經(jīng)濟(jì)的減量化、再利用、再循環(huán)、再回收為行業(yè)準(zhǔn)則，重視在企業(yè)的全體員工中樹(shù)立“環(huán)境—健康—安全”的意識(shí)，強(qiáng)調(diào)“以人為本”，同時(shí)加大對(duì)企業(yè)中環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排的設(shè)備投入。

4存在問(wèn)題

從對(duì)我國(guó)鑄造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外差距的剖析中可以看出，我國(guó)鑄造技術(shù)發(fā)展目前主要存在以下四方面共性問(wèn)題。

1）鑄造技術(shù)創(chuàng)新能力薄弱。

我國(guó)鑄造產(chǎn)業(yè)大而不強(qiáng)的根本原因是創(chuàng)新能力不足，研發(fā)基礎(chǔ)薄弱，原創(chuàng)技術(shù)少，仿制和跟蹤仍然是鑄造技術(shù)的主要來(lái)源，鑄造共性技術(shù)和鑄造工程應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)支撐缺乏，鑄造新產(chǎn)品研發(fā)周期長(zhǎng)，大批量中小鑄造企業(yè)低檔次無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重，一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)鑄造企業(yè)處于半工半農(nóng)狀態(tài)，發(fā)展后勁嚴(yán)重不足。

2）先進(jìn)鑄造工藝應(yīng)用基礎(chǔ)需突破。

高端裝備所需精密鑄件鑄造技術(shù)不穩(wěn)定不可靠的原因是工程耦合影響因素復(fù)雜，難以精確控制，更深層次的原因是合金材料鑄造成形的工藝應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)不過(guò)關(guān)、鑄造材料特性和鑄造工藝性研究不系統(tǒng)不完善、未完全掌握鑄件成形規(guī)律性。鑄造材料及鑄件成形的理論基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用基礎(chǔ)研究并重和協(xié)作是鑄件生產(chǎn)穩(wěn)定可靠的前提條件。

3）與上下游行業(yè)發(fā)展不協(xié)調(diào)。

鑄造產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造與高端主機(jī)發(fā)展不協(xié)調(diào)，某些高端鑄件需進(jìn)口，全流程和全生命周期設(shè)計(jì)還處于探索階段。

鑄造裝備發(fā)展與先進(jìn)鑄造工藝需求不協(xié)調(diào)，某些高端鑄件產(chǎn)品需要的高性能鑄造裝備也需從國(guó)外進(jìn)口，部分先進(jìn)設(shè)備仍受西方發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)封鎖，實(shí)施智能化鑄造工廠計(jì)劃的基礎(chǔ)不系統(tǒng)不完善。

鑄造廢棄物處理與環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展不協(xié)調(diào)，很多小企業(yè)廢砂廢渣費(fèi)耐火材料直接排放，成為環(huán)境污染源頭之一。

4）節(jié)能減排任務(wù)艱巨。

鑄造企業(yè)技術(shù)和裝備水平及管理水平參差不齊。工信部在2013年、2014年和2016年先后公布了三批共1 729家通過(guò)鑄造行業(yè)準(zhǔn)入條件審核的鑄造企業(yè)，約占全國(guó)鑄造企業(yè)總數(shù)的6.6%.為數(shù)眾多的小型鑄造企業(yè)管理水平和生產(chǎn)工藝落后，節(jié)能環(huán)保裝備及安全設(shè)施投入不足，全行業(yè)高能耗高污染態(tài)勢(shì)仍未發(fā)生根本改變。

5機(jī)遇與挑戰(zhàn)

中國(guó)經(jīng)濟(jì)目前進(jìn)入新常態(tài)，正在實(shí)施供給側(cè)改革等多項(xiàng)利國(guó)利民政策，處于世界經(jīng)濟(jì)大潮中的我國(guó)鑄造產(chǎn)業(yè)也面臨結(jié)構(gòu)調(diào)整，鑄造技術(shù)系統(tǒng)全面的升級(jí)換代正在孕育和發(fā)生，未來(lái)15年是我國(guó)鑄造技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略機(jī)遇期，主要表現(xiàn)在：

1）政策環(huán)境良好。

《中國(guó)制造2025》、《工業(yè)強(qiáng)基工程》、《鑄造行業(yè)準(zhǔn)入條件》（工業(yè)和信息化部2013版），《鑄造企業(yè)清潔生產(chǎn)綜合評(píng)價(jià)辦法》（JB/T 11995—2014）等相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和實(shí)施為鑄造產(chǎn)業(yè)和鑄造技術(shù)發(fā)展?fàn)I造了非常有利的政策環(huán)境。

2）未來(lái)高端市場(chǎng)需求旺盛。

我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)正在蓬勃發(fā)展，工業(yè)化信息化不斷融合，裝備制造業(yè)由大變強(qiáng)，產(chǎn)業(yè)國(guó)際化快速推進(jìn)，生態(tài)文明建設(shè)納入基本國(guó)策，形成了強(qiáng)勁的鑄造技術(shù)發(fā)展的市場(chǎng)推動(dòng)力。

3）先進(jìn)鑄造技術(shù)發(fā)展需求迫切。

先進(jìn)主機(jī)裝備向高性能、高效率、集成化、高可靠、長(zhǎng)壽命、輕量化、多樣化方向發(fā)展，推動(dòng)我國(guó)鑄造技術(shù)和裝備繼續(xù)向優(yōu)質(zhì)、高效、智能等方向發(fā)展。我國(guó)面臨的環(huán)境污染壓力推動(dòng)我國(guó)鑄造技術(shù)和裝備向綠色環(huán)?？裳h(huán)可持續(xù)方向發(fā)展。

未來(lái)15年我國(guó)鑄造技術(shù)發(fā)展存在機(jī)遇的同時(shí)，也面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：

1）先進(jìn)主機(jī)裝備發(fā)展和苛刻工況條件對(duì)高端鑄件綜合性能和鑄造工藝水平要求不斷提高。

2）能源消耗、大氣污染保護(hù)、固體廢棄物排放等法律法規(guī)的不斷推出和實(shí)施使鑄造行業(yè)準(zhǔn)入條件越來(lái)越嚴(yán)格。

3）在向高端鑄件鑄造市場(chǎng)邁進(jìn)的同時(shí)，面臨國(guó)際高水平同行的資金、技術(shù)、人才競(jìng)爭(zhēng)將日趨激烈。

4）鑄造技術(shù)發(fā)展同時(shí)還面臨其他先進(jìn)成形技術(shù)和先進(jìn)材料技術(shù)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，如金屬增材制造技術(shù)、先進(jìn)連接和鍛造成形技術(shù)及先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)等。

5）鑄造行業(yè)對(duì)系統(tǒng)完備的鑄件成形理論和工程應(yīng)用基礎(chǔ)、新型/環(huán)保的鑄造材料、高性能/綠色的鑄造工藝和裝備的依托和應(yīng)用日趨迫切。

編寫(xiě)組：

組長(zhǎng)：于波

成員：孫遜