日本2001年铸造新产品、新材料、新工艺 - 文章

日本2001年铸造新产品、新材料、新工艺

作者：鼎文译整

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铸件是机电产品的主要结构件，也涉及到各工业部门和日常文化生活。因此，铸造行业必须根据用户发展的要求不断的提高质量、发展新产品、采用新工艺和新材料，还应进一步为配合用户的产品提升（提高性能、寿命，降低成本）提供新的铸件。而且还应积极提出建议，促进服务对象产品的提高和发展。因而，不断的发展新产品，新材料和新工艺，结合铸造行业生存和发展是非常重要的环节。必须引起各有关方面充分重视。

日本一位经济学教授曾经说过；日本出口的机电产品有三分之二是以铸、锻件为毛坯的。因此铸、锻件的水平是决定，日本出口兴衰重要的一环，日本由于整体经济低迷，铸件连年减产，但仍然是铸、锻件生产的强国之一，而且不断有新的发展，日本的素形材每年第一期都刊登新产品的展示，介绍各厂家的新产品、新材料和新工艺。现将2002年第一期"素形材"刊登的有关铸造方面的新产品，择要译介，目的是引起各方面的重视。

一．固定土壤用球铁框架

固定土壤用框架主要用于稳定土方工程的斜坡面，防止自然坡面的崩塌和滑坡，过去的施工法现场都是在坡面上，现场造型混凝土、井形梁，近年来为缩短工期，提高质量改用混凝土予制框架，并在此基础上为轻量化而广泛用树脂，钢铁等为材料的杠架。另一方面，近年来由于重视环保和施工后的景观，希望不给人们?quot;人工"的感觉而将杠架隐蔽起来，并尽可能使坡面绿化。此次研究的目的，就是要利用球铁的高强度和自由成形的特点，开发一工艺既适应绿化的要求，又有重量轻易于施工的优点，而且还是特别可靠的高性能产品。框架有底板和正立的筋骨，便于绿化覆土和设置土袋，底板的附近有贯通的孔，既便于给排水又可使草木根部向下伸入土壤中更好地生长。与框架配用的，还有球铁球座，使之有能自由调正地脚，角度功能。

球铁型框架图
技术指标：
设计力学性能
248KN~62KN
重量
330kg~700kg
受压面积
1.66-3.3

调整固定角度示意图

二．奥氏体球铁的大型定子压板

为使超大型发电机提高发电效率并使其结构简单化，用非磁性材料制造将定子紧定的法兰是一项良策。为使法兰具有必要强度和比磁场导率，内外质量均达到要求，用奥氏体球铁制造，但此种铸件制造有以下难点。

◇ 石墨及基体组织对壁厚的敏感比灰铸件高；
◇ 要确保本体的力学性能和物理性能比较困难；
◇ 需要用铸钢件一样的昌口，使保证本体性能更为困难；
◇ 由于是无磁性材料，只能用射线探伤以确认内部健全；

要确保宏观组织的健全，不允许有内部缩孔和表面皱皮，在壁厚部分凝固时容易产生块状石墨体和碳化物，在设置冒口部位由于冷却更为缓慢，这种倾向会更强。这是整个铸件强度及比磁导率恶化的主要原因；铸态时保持单一γ相是困难的，必须进行热处理，为保证本体强度和比磁导率，防止因应力引起的磁性变态、变形，必须γ化和γ层稳定化；消除应力的退火会使基体组织变化

紧定定子的法兰主要壁厚：130mm 铸态时重量：7000kg

三．高速柴油机用的双层汽缸套-长尺寸双层铸造技术和特殊堆焊设计相结合

高速柴油机口径较小的薄壁缸套，采用长尺寸铸造双层管的毛坯，以实现复层化。外层材料为高强度铸钢，具有高强度、高可靠性，内层用高磷铸铁，以保证历来的滑动磨耗的特性。用离心铸造成形，采用特殊的双层管铸造技术，使内外层完全结合成一体。缸套内径280，最大外径390，长650。铸件毛坯长250mm，双金属交界面直径的误差控制在2mm以内。缸套的法兰部，在铸件外侧，用特殊的堆焊制成，设计堆焊条件时，控制其热影响对双层毛坯管产生恶影响。

四．切削性好的低热膨胀铸钢

因瓦合金（Invar）和超级因瓦合金，由于其线膨胀系数低适用于微细，精度的领域，但都有切削差的缺点。因而决定开发一种热膨胀低的铸钢，要求其切性有改善，并能制成形状复杂的铸件，其常温线膨胀系数在4X10-6/K以下。选择MnS和石墨作为易切削的介在物质。为了铸造复杂形状的铸件，在其成分设计中必须考虑其铸造性能。要保持低热膨胀特性，在基础成分中必须作好平衡，生产的铸件必须抑制的铸态的微偏析。

五．耐热铝复合材料制成的汽车制动用转盘

汽车的制动系统主要是铸铁件，其中转盘占了很大比重，如能用铝材代用就可以轻量化，但经过多年研讨由于存在耐热性和成本等问题，只能用于部分特种车辆，为此，开发了用陶磁予成形料的铝复合材料的转盘，以达到耐磨损和提高耐热性目的。
以前用粒子分散型复合材料制造转盘，是先将强化剂在金属液中分散的铝合金铸造的，因而转盘整体是由于强化剂的，但是在这种情况下，由铝复合熔融材料的流动性和分散性看来，强化率只能达到20%左右。此次新开发的工艺方法是将强化材料放置在金属型中固定的位置，再浇注铝合金熔液并加压，强化材料中渗透了铝合金，强化率可合乎要求的特性，且可使所需要的部位强化。此项新产品是仅在滑动面强化的部分强化铝合材料转盘，考虑到耐热性，耐磨损性及切削加工性，强化率选择在30%左右。以前的转盘强度上升400℃是耐热界限温度，此项新开发产品，超过500℃也未发现白色纹班，由于未出现局部软化，而使强化剂脱落。但是超过500℃后，表面粗糙，磨擦系数下降，在此温度区域，全部铝基体软化，因此这是铝基复合材料的极限温度。
此项开发比过去的铝复合材料转盘耐热性提高了100℃，制动性能试验表明，在560℃时也可确保实用的摩擦系数，一般车辆都可采用。

六．大型铸造铝轮毂

汽车的铝轮毂有整体结构一次成形的，也有分成二次、三次制造的。作法简单整体一次制造的占90%以上。此前制造的轮毂尺寸为18″以下。市场小货车用的轮胎尺寸要到22″。发展大型铝轮毂，由于用低压铸造法受到熔液充填方法的限制，采用自由度大的倾倒铸造法。
为了适应市场需要，大直径轮毂的需求将会增加，而且作为安全部件要适应TUV标准的要求，轿车采用22″轮毂的也会增多，此后将在制造22″的基础上再开发23″、24.5″的大规格铝轮毂。

七．高强度、高延性铝合金压铸薄壁汽车悬挂部件

由于压铸件存在气孔，缩孔、浇注不良和硬点等缺点，要求力学性能（特别是延性）的部件过去很少采用，新开发的氧气置换法，层流充填法，减压法，半固态，铸造等方法也还不能完全解决问题。新开的?quot;NIES"法可批量生产具有高强度延性的铸件可适应悬挂部件的要求。

NIES法是日产公司开发的，以高强度，高延性合金和高真空铸造机为中心的系统，其特点是：可制得能热处理，能焊接的高强度高延性的铸件。主要内容有1.用真空压力使铝液迅速定量供应；2.用隔热脱模润滑材料使铝液保温；3.由于真空度的控制使气体卷入最小；4.用开发新的合金，材料的潜在优势大。

这项新技术已用于日产的Skyling轿车的后悬挂的下连杆，重量减轻23%。

八．用挤压铸造生产长尺寸肘形转向器

用挤压铸造，铸件的机械性能，比用其他铸造方法都高。这是由于对金属铸液施以高压补给熔液的同时可进行方向性凝固，从而得到没有孔和气泡的细微结晶的铸件。为新型日琒KY Line 型轿车连接前悬挂上采用的肘形转向器，开发了批量生产的技术。此项肘形转向器长约600mm，有延伸的转向节臂一体化的上臂和下面悬挂环节两个部分，全长约为过去的产品的3倍，重量为1.3倍。研究开发的内容有：1.确保铸液的流动性，通过流动性分析采用了铸液到达长的上臂的尖端时温度仍高的方案；2.确保方向性凝固，通过凝固分析，实现了各臂位的方向性凝固；3.缩短铸造机的作业循环周期；4.改造现有铸造设备。

九．铸造出引擎毛坯的油道

农用拖拉机，发电机等产业机械用的柴油发动机，油循环道路，过去都是412mm、260mm的长钻头开出，φ8-10的孔，因而有加工时间，精度、毛刺等问题。铸造出这种油道是多年来研讨的课题，现已通过用壳芯解决在砂芯方面。再次对砂子进行全面研究，对排气涂料种类，干燥方法以及运搬方法等都逐项进行了研究。铸孔不用芯撑，为避免变形和折断，将向曲轴颈部供油的φ6-8孔用芯子做出口，油道残留的砂子为零是基本的项目，清理的最后工序是用手动喷枪向铸孔中喷砂，使残留砂为零。组装前用专用工具检查铸孔进行确认。

十．用直冷铸造法制造高强度缸盖

为使缸盖轻量化使用铝合金，缸盖有冷却水路和进排气孔等，形状复杂，还要对爆发压和高温耐久性。特别是压缩比高使用环境严峻的柴油发动机，要确保其耐久性，必须使缸盖高强度化。

铸件的强度与材料，铸造工艺、热处理等条件有关，首先要使铸件内的夹杂和内部气孔减少，还要使其组织致密。为此，铝液以层流方式平稳地充填铸型后要急冷凝固。

直冷铸造法如图所示，由下金属型和上砂型构成。脱气后的洁净铝液，用倾注法从冒口上方浇注，其后由铸件内包芷的导管水冷，并以喷注方式冷却下部的金属型，使铸件整体急剧冷却，这是可得到高强度的铸造法，现行的低压铸造法和重力铸造法等金属铸造，由于要保持方向性凝固必须控制金属型温度，从而使冷却受到限制。冷却缓慢难以得到高强度的质量。欧美等一部分采用"消失模法"基本上是砂型铸造法，凝固非常迟缓，强度质量不高。

直冷铸造法中用最佳倾注条件以确保层流充填，可减少铸件内的氧化膜等夹杂，使缸盖燃烧室表面和内部急冷，缸盖整体强比现用的金属型铸造法高。

此外，由于采用凝固CAE，使铸件形状和铸造工艺优化，金属的抗拉强度比金属型铸造的高30%以上，耐久性必有大幅度提高。

直冷铸造法示意图

十一．用新铸造法生产铝锻造用毛坯---不用切断、近净形的锻造毛坯

锻造用毛坯勿论是连铸的轧制的一般都要进行切断。从降低锻造成本分析：1.锻材重量误差极小化可提高锻模寿命（50%以上）；2.使用近净形的毛坯可减少块料； 3.简化锻造作业，因而开发出用铝合金液直接铸成接近成品的形状，可连续地铸造出重量精度高的锻坯的铸造法。铸造的装置见图：熔化炉中铝液通过液槽流到坩埚内，坩埚底部装有开闭装置，使一定量的铝液充填到铸型内。铸型内的铝液由冷却板从下而上定向性凝固，最后的凝固面是铸件的上部，内部凝固不留缺欠。凝固完后淋水箱下落，从铸机中取出冷却板上的铸块。如此反复，就可连续铸造。铸件没有冒口，铝液全部用于制品，利用率非常高。由于坩埚内的铝液有冒口作用铸型内的铝液定向凝固，没有压铸和砂铸时常见的孔洞和卷入氧化物等缺欠，铸块的气体含量也与连铸材和轧材有同等水平。锻件经T6处理后也不会起泡。多台铸机并联连续铸造时，铸块的重量误差只有切断品的三分之一（VTR盘料φ62X9t）。由于冷却板和铸型可自由组合，因而，可制出多种不同形状与锻造方案配合，省掉预锻。

铸造装置略图

十二．铸入管子以形成油路的铸造方法

船外机用的倾料和调平以及呼叫部件的外壳，为了减掉油路的加工，采用铸入中管子的高压压铸法。为此，要解决三个问题。

1．管子压型中固定的方法：上型中装有磁铁，管子插入口呈锥形以便于将管子装进上型并固定住。下型同样设有锥形固定孔，下型按所列的位置移动时，管子即可在型中固定。
2．管子压坏和错位：用外径φ8mm壁厚1mm铁管。按照拟铸产品的铸造结果，未发生压坏位置错移在0.5mm以下。
3．管子和铸入的铝的界面之间漏油：管子与铝不能完全熔合有10μmm间隙，从这个缝隙曲管口向外渗漏。加上一密垫就可解决。
采用这个方法，重量可降低33%，成本降低30%。

十三．新一代造型机

迪砂公司新开发的DISA230垂直分型无箱造型机，可使用此前的迪砂垂直分型无箱造型机用的模板和芯罩。可以生产非常薄壁的复杂铸件，与此前的机型相比可以缩短制造时间，维修简单并保持高效率。设计时利用计算模拟使每个部件都最佳化，为使各部件的动作协调制造了动作模型并经过反复改善。

新一代造型机错箱精度可达0.1mm，从而可不再加工或最小限度加工。二个模板，可以造型室内填砂缝为中心按型的高度调整位置而且选取在砂充填时设置真空填砂辅助机构。每小时造型能力可达500型（无芯）。维护简单。

主要规格及生产能力

	DISA230A	DISA230B	DISA230C	DISA230X	DISA250B	DISA250C
砂箱尺寸高（mm）幅（mm）高（mm）	480 600 120-395	480 600 120-395	550 675 120-395	535 750 120-395	600 775 200-510	650 850 200-510
造型能力(箱/时) 有芯（箱/时）	500 440	500 440	500 440	500 420	420 410	420 410

十四．铸钢用泡沫陶磁过滤片

铸钢件质量问题主要是由于非金属夹杂物引起的。夹杂物可分为外因性的（来自炉衬、浇包的耐火材料、型砂、涂料等）和内因性的溶炼、出钢、脱氧等过程中产生的，铸造都在设法使这些杂质尽量防止其卷入铸件中用滤渣芯是措施中的一种，在浇口的底部节流，使钢水流动保持一定。

泡沫陶磁过滤片，由于其中三次无结构而直接将杂质去掉，可使钢水平衡流动，对防止二次氧化很有效果。在铸铝、铸铁方面已证实了其效果，铸钢方面已从精铸开始推广，期待今后适用于砂型铸件。

铸钢用泡沫陶磁过滤片，80年代中叶用氧化锆，氧化铝等材料滤片在精铸方面开始应用。在精铸条件下采用，因浇注前加以预热，没有导致钢水温度下降的问题，也没有影响浇注速率的问题。1990年以前也曾将氧化锆滤片用于砂型铸件，由于未预热，特别凝固范围比较窄的碳钢和低合金钢件都出现了影响浇注速率的问题。对此，在提高性能、稳定过滤网材质和改进使用方法进行了研究，以使其用于所有钢种。

滤片的品种有：

1．Stixex ZR主要成分是氧化锆。高温下的耐热性、蠕变的特性，化学熔损性都好。可用于高速度钢等高合金钢、高锰钢，所有钢种都可适用。
2．Stinex CS主要成分为SIC。热容量比Stizex尺寸要小得多，可用于碳钢和Mn〈1.2%锰钢铸件。应用方法：尺寸大小可按滤过重量，浇注时间选择。
浇注温度：氧化锆型在液相线温度+80℃以上
SIC型，1530℃-1600℃
过滤片位置：氧化锆型，装在浇口的底部
SIC型，为使温度下降少，尽可能装在接近铸件位置。

十五．发热树脂覆盖砂----用壳芯机成形的发热冒口套

铸造用发热材料的成型方法，一般是用水玻璃为粘结剂的CO2法和从大量的水中吸引成形的湿式法。这些方法有长处也有短处，世界各国多以湿式法为主力的。CO2发热材料有吸湿性，用于潮模时必须考虑其吸湿性。湿式法的材料是铝氧的硅酸盐等无机纤维，认为是肺癌的因素，因而在求取新的制造法以取代。

开发了以烷为结合剂的新成形方法并取得专利。由于完全没有无机纤维，不用提心肺癌的问题；可以完全省掉除去水分的干燥工序；从而没有由于烧油干燥而产生的环境问题。

发热材料用铝粉、氧化铁、硝酸盐等氧化剂混合的，用树脂覆膜时有着火的危险，为此又开发了新的树脂，及覆膜方法。用壳芯机成形，只要有壳芯机和模具就可以生产出来，不需要增加新设备。

此项新的开发不需要特殊的技术，能批量生产强度高，尺寸精度好、表面平滑的发热材料。发热成形物燃烧后，由于强度高在铸型溃散时也不破损，可不与型砂在一起完全分离出来，从而使型砂管理简单化。由于用纯度达99%的铝的粉剂完全氧化发热量极高，可使冒口大小减少，提高铸件的成品率。用工量大为减少，CO2法成型要4-5人，现在一人即可，从而可降低成本。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/22/2005)


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