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不锈钢精密铸造的发展现状与趋势

不锈钢商圈 2021-04-30 10:22:44

        不锈钢精密铸造行业不同于传统的铸造行业,我国虽然是铸造大国,但是精密铸造处于发展阶段,与发达国家还存在较大的差距。近年来,我国大力推进工业化,科技水平不断提高,在精密铸造方面已经有一些相对成熟的技术手段。与此同时,我国对精密铸造产品的需求也在不断增加。因此,精密铸造(特别是不锈钢精密铸造)在我国将具有广阔的发展空间。

不锈钢精密铸造发展前景广阔

不锈钢精密铸造又叫作熔模精密铸造。该工艺在铸造过程中尽量减少或者根本不进行切削,是一种少切削或无切削的铸造工艺,是铸造行业中一项优异的工艺技术。其应用范围非常广,不仅适用于各种类型、各种合金的铸造,而且生产出的铸件尺寸精度、表面质量比其他铸造方法要高。同时,耐高温、不易于加工的铸件,均可采用熔模精密铸造方式。这种铸造方式由于铸造过程中并不处于超高温状态,更适于铸造航空航天、国防等高精尖产业的元件。

最早的不锈钢精密铸造可以追溯到上世纪三四十年代,美国最早用不锈钢精密铸造法对其当时科技领先的航空发动机中的涡轮叶片进行铸造,成品受到了各方面的好评,进而使这种方法得到推广。我国对不锈钢精密铸造的研发和使用则是在新中国成立之后,随着我国国防工业的发展,辽宁、贵州、北京、陕西、湖南等地都开设了不锈钢精密铸造研究所或铸造厂。不过,客观地说,我国不锈钢精密铸造行业仍然在发展阶段,尚不能满足我国航空航天、国防工业等行业的发展需求。

不锈钢精密铸造行业不同于传统的铸造行业,因为不锈钢精密铸造的产品附加值较高。根据相关统计(2013年数据),在欧美国家的航空航天设备和优秀发动机中,精密铸造原件的产品附加值将近占总附加值的70%,但是我国的占比则不足35%。我国目前虽然已经是铸造量最大的国家,但是铸造价值仍然处于中上游水平,尚不能达到顶尖水平。因此,发展不锈钢精密铸造的根本意义,一是国防和科技的根本需求,二是发展经济的必由之路。

技术不断成熟,但亟待改进

目前,在不锈钢精密铸造方面,已经有多种成熟的技术和工艺。

硅溶胶型壳工艺。硅溶胶制壳工艺普遍应用于较为尖端的内燃机零件铸造行业。该方法使用的涂料稳定性较好,不需要化学硬化过程,并且耐高温,具备更好的抗变形能力。但是,该技术的缺点就是对蜡模的温润性较差,虽然可通过添加表面活性剂进行改善,但会在一定程度上增加投入。

水玻璃型壳工艺。水玻璃型壳工艺发明时间很早,我国也在上世纪五六十年代从苏联引进了该技术。该技术成本低,操作相对简单,同时对原材料的要求也不高,在不锈钢精密铸造中使用较为广泛。不过,该技术相比于硅溶胶制壳工艺的最大问题是所得铸件的表面质量一般,尺寸精度较低。但因其成本具有优势,我国在部分民用或者低精度的内燃机上仍然沿用这一技术。该技术自引进以来,我国科研人员对其进行了比较大的改进,主要表现在改善型壳涂料、优化硬化剂、采用复合型壳等方面。

改善型壳涂料的主要改进是在型壳的背部涂料中加入了一定量的耐火黏土,让型壳的强度有了较大的提高,实现了单壳焙烧和烧注。在优化硬化剂方面,传统硬化剂多用氯化铵,但是这种材料在铸造过程中会释放大量氨气和氮氧化物气体,对大气造成污染。所以,硬化剂改用氯化铝溶液,进一步改用氯化铝结晶,这种硬化剂效果与氯化铵类似。

在采用复合型壳方面,因为水玻璃涂料型壳的表面质量存在一定的缺陷,所以很多原件的铸造都采用多层模复合的形式进行铸造,一方面节约了成本,另一方面也提高了铸件的表面质量。

此外,在新工艺发展方面,目前较为成熟的新工艺有自吸铸工艺、泡沫塑料模和熔模型壳铸造等工艺。不过,这些工艺在某些方面都具有明显的优缺点,未来仍需要科技工作者不断改进。

多技术交叉和融合发展趋势明显

在今后的发展方向中,不锈钢精密铸造技术的交叉与融合会越来越明显,新一轮科技和产业革命的发展方向不会仅仅依赖于一两类学科或某种单一技术,而是多学科、多技术领域的高度交叉和深度融合。因此,不锈钢精密铸造也要与相关技术融合发展。

与快速成型技术的交叉使用。科学技术的交叉使用多半是为了互补。不锈钢精密铸造的蜡模制作过程中的设计和模具制造较为复杂,并需要耗费大量时间。而快速成型技术则能很好地弥补这一缺点。不过,受材料限制,单独使用快速成型技术则无法达到要求。因此,近年来,很多工作者首先使用高分子技术获得铸件的原型,进而制造蜡模,从而投入到不锈钢精密铸造行业使用。

例如,光固化立体造型技术(SLA)和选择性激光烧结技术(SLS)是目前与熔模铸造术联合使用较为成熟的技术。SLA技术能够提供较高的尺寸精度,尤其是零件外表面的精度;而SLS的原材料价格相对较低,精度也低于SLA技术。这两项技术在使用过程中,必须注意控制好快速成型技术与不锈钢精密铸造技术的关键结合点,包括成本控制和零件的铸造精度问题的综合考虑等。选择合适的平衡点是快速成型技术与熔模铸造术有机结合的关键问题。

与计算机技术的交叉融合。不锈钢精密铸造过程中的方案设计和优化工作是一项较为耗费人力和时间的工作。近年来,随着计算机技术的不断发展,很多需要大量计算和精度计算的行业都引入了计算机技术,并开发了各种相应的计算软件,如ProCAST、Auto CAD、AFSolid、Anycasting等多种软件。这些软件可以对不锈钢精密铸造的设计和铸造过程进行计算或者模拟,通过数据计算的方式来实现方案优化,对不锈钢精密铸造的发展起到了良好的推动作用。

清华大学在常规的通用模拟软件开发上已经走在了世界前列,更是针对航空发动机零件铸造模拟软件、TiAi合金涡轮叶片等高端铸造中的计算机模拟软件进行了研发;哈尔滨工业大学已经对空间站、火箭等航空铸造中的重要结构进行了实验室软件模拟铸造的研究工作;华中科技大学则是针对中高端的熔模铸造开发出华铸CAE系统,具备更加广泛的适用面,也是我国当前较为领先的计算机技术与熔模铸造术交叉使用的典范。

但是,在当前的使用过程中,我们还应当注意计算机软件的建模适用性、材料本身的热物性参数等问题,这些问题良好的解决能够在大大缩短不锈钢精密铸造的研发时间。

稳健发展需多路齐进

长久以来,我国不断对产业结构进行调整,高新技术板块在我国科技和经济发展中越来越重要。在这样的大环境下,未来不锈钢精密铸造前景广阔,其稳健发展需多路齐进。

首先,应当坚持自主研发,坚持自力更生。虽然技术引进和改进的方式能够极大地缩短我国与先进国家的科技水平差距,但是这种引进方式仍然是一种“走别人的路”的方式,并且受其他国家的掣肘。因此,在新形势下,我国应当坚持以发展具备自己特色的科技为主,掌握核心科技,才能让我国的精密铸造行业不断发展、不断进步。

其次,应当坚持发展理念,树立企业榜样。不锈钢精密铸造行业是一个较为尖端的行业,应当在众多企业中选出龙头和榜样,通过它们带动我国不锈钢精密铸造的发展。

最后,应当加强研发与生产的结合。我国当前从事不锈钢精密铸造研究的高等学府并不多,并且往往与各大生产厂商的联系不紧密,只是在学校实验室进行研发。这对于我国的不锈钢精密铸造行业大批量生产和大范围推广来说是一个弊端。因此,生产厂商可以和高校建立联合研发生产的合作机制,让技术不仅仅生存在实验室里,更能够投入到生产线上。

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