日本铸造的新技术推介

日本铸造的新技术推介
日本铸造的新技术推介
2017-02-24发动机技术
日本素形材杂志每年的第一期都专门介绍上一年的新技术发展，称之为'杂志上的新素形材展览'。

2002年铸造方面共介绍了22种，其中有2种获得了政府及有关部门的奖赏。

现简介如下：
一.利用铸铁特性制成的高音质扬声器
扬声器的构成主要有：扩声部分、电路和外壳。

特别是在外壳方面，为了彻底控制其达到不振动，利用了下述三种铸铁。

◆ 高碳片状石墨铸铁。

石墨含量高，且石墨片长的铸铁。

◆ 共晶石墨铸铁。

用连续铸造法制造的共晶石墨铸件，从内部到外部都具有细密组织。

◆ 铸铁粉。

铸件抛丸清理的废弃物。

外壳部分用铸铁制成的部件有三项：
1.安装低音喇叭用的铸铁环。

在喇叭与前板之间装高碳片状石墨铸铁环，既提高刚性又可减振。

2.铸铁制竖振子和铸铁制减振杆，在项板上装共晶石墨铸铁棒形振子，并用减振杆固定前板、侧板和里板。

3.铸铁粉夹层板。

将铸铁粉制成片状夹在两配线板之间。

由于在
以上三种构造上下了功夫，抑制了外壳的有害共振，低音喇叭振动板忠实按输入信号动作，从而使低音分辨能力达到前所未有的水平。

二.大型矩形球铁隧道结构段
采用矩形断面的框架，与圆形断面框架相比，隧道内空间可以有效利用，掘土量也可以减少。

但比圆形结构段的弯矩大，因而要求有高的强度，也会有由于形状复杂而致费用高的问题。

为了解决这个问题，日本京都地铁东西线上首先采用了大型矩形断面框架结构段。

隧道由无中柱的连接部分(57米)和有中柱的一般部分(703米)构成。

一般部分采用球铁铸造的结构段。

有中柱的矩形断面结构段，中柱与框架外围接连部有很大的弯矩。

据此断面力来决定整体的断面是不经济的。

因此仅在中柱的结合部用抗弯曲强度高的波形断面，其他部位用经济的四柱梁断面。

经过实物的环形载荷试验，弯矩、轴向力及变形分布等实测值与分析值基本相近，证明构造是安全的。

三.耐磨的高合金麻口细晶粒铸铁轧辊
带材热轧机用的工作辊，前段到中段台架都可用耐磨性好的低合金钢轧辊。

但后段台架用低合金钢轧辊就有可能发生事故的问题。

现在也使用耐事故性好的高合金麻口细晶粒铸铁轧辊。

为保持其耐事故性同时进一步提高其耐磨性和保持表面质量的能力，开发了新型的高合金麻口细晶粒铸铁轧辊。

新型轧辊的金相组织(面积比)是：30-40%的渗碳体，2-5%的石墨，其余为硬度HV480-520的基体。

新型轧辊中加入了原先高合金麻口细晶粒轧辊中没有、而低合金钢轧辊中含有的合金，并调整了化学成分。

低合金钢中的合金，能和碳结合结晶出高硬度的MC型碳化物。

另一部分固溶于基体中，强化基体。

基体的硬度由原来的HV512提高到新开发的HV568，提高了11%。

为提高耐磨性而添加的低合金钢中含有的合金，是白口形成元素，因而会阻碍石墨结晶析出，而石墨又是保持其耐事故所必需的，因此对成分进行了调整。

新开发的轧辊(轧钢2000吨)与过去的轧辊(轧钢1250吨)轧钢后，对表面进行了检查，确认新开发轧辊的磨损比过去的轧辊要少。

而且过去的轧辊表面粗造度为11.9μm，新产品为Rmax6.9μm,表面质量也有了改善。

耐磨性用每磨损1mm的轧辊量来评价，新轧辊是过去轧辊的130‰。

四.可焊接、可热处理的薄壁压铸摩托车架
摩托车的车架此前多是用板材、挤压的型材或者锻材制成的部件和重力铸造的铸件焊接组装构成的。

但是，用板材和型材作出自由曲面受到一定的制约，重力铸造在大型化和薄壁化方面也受到限制。

从车架设计方面说来，最好能作出理想的自由曲面，在强度上必要的部分厚一些，不必要的部分尽可能薄些，达到轻量、高刚性构造。

因此，研究开发了薄壁大件也可成形，通过热处理可获得充分的强度和伸长率，而且可焊接组合的压铸件生产技术，并应用于摩托车车架。

压铸是通过柱塞和缸体将铝液高速注入压型，能复制精度好的薄壁铸件而且成形效率高的铸造技术。

不像板材、型材那样铸造后需要压伸、挤压等二次加工，压铸可以直接成形，从而可降低成本，能耗，对环境影响小。

但是，一般压铸时，烙液中易于卷入空气和氧化物，制品中含气量高、缺陷多，进行T6热处理和焊接有困难。

而且，薄壁部分凝固快，大型薄壁化时在填充性上也受到制约。

针对上述问题采用了以下措施。

1.压型密封和真空排气，压型内达到5Kpa程度的高真空时进行铸造，以抑制高速浇铸时卷入空气。

2.控制压型温度，薄壁时提高铝液流动性，可成形大件。

3.根据铸件的形状和壁厚，精确控制浇注速度，减少紊流。

4.铝溶液净化处理，减少活塞一缸体间的润滑剂，以极力控制产品中混入不纯物质。

5.用计算机对流动、凝固进行模拟分析以取得最佳的压型设计方案。

采用以上措施后，压铸件的含气量在3ml/100g以下，与重力铸造的铸件相当，可进行T6热处理和焊接。

一般铸件壁厚以2.5mm左右为界限，现在壁厚1.5mm的也可成形，最大尺寸可到1.5m。

五.与透平罩壳成一体的排气岐管。

在世界规模的竞争中，汽车零部件降低造价是重要的议题。

在铸造方面，重要任务之一就是从设计自由度着手，发展一体化、中空化，
以达到轻量化，降低造价的目的。

将汽车发动机的透平罩壳和排气岐管一体化，从而省掉两者相连结的法兰等零部件，使重量减轻20%，造价降低30%。

透平罩壳铸件要求有耐高温氧化性和耐生长性，而排气岐管则主要是热疲劳的寿命问题。

要解决这二个方面的要求。

在铸铁表面形成富硅层，可以提高耐高温氧化性，经试验加4%的硅即可达到此目的。

而硅量在3.8%以上时，也可满足耐生长性的要求。

热疲劳寿命受制品形状和使用环境影响很大。

大体上说，硅量在3.5-5%时(特别是最高时)在各种条件下均可达到提高热疲劳寿命。

球铁含硅在4%以上时，有过共晶的倾向，应注意铁水的流动性和产生石墨漂浮的问题。

对此，碳当量(C+1/3Si)宜在5%以下。

因此，硅量在4-5%，碳量在3-5%以下时，可满足两方面的要求，而达到透平顶罩壳与排气岐管整体铸造的目的。

六.纤维增强的发动机缸体
汽车的发动机要向轻量化、紧凑化、高性能化方向发展。

轻量化主要是发动机中最重的缸体使用铝合金，紧凑化主要是缩短缸体的各缸孔间的尺寸，以达到使缸体全长缩短。

高出力是同样的缸体使缸径扩大从而增大排气量，这与简洁化是兼容的。

高性能化是使缸体整体铝合金化，使缸孔的热传导好、变形小，从而提高发动机效率，节约能源。

原来的缸体多用铝合金压铸，镶铸铸铁缸套，不能满足上述要求。

因而开发了整体铝合金发动机缸体，缸孔部分用纤维增强金属。

缸孔部分用陶瓷纤维预制品，其间隙中浸入铝合金液体，置换空气而形成。

预制品在压型中定位，与过去用的铸铁衬套同样。

将预制品进行预热，固定在支撑物上，支撑物在压型中定位。

另外，为使预制品的纤维间隙易于浸入铝液，采用层流压铸法。

为防止铝液温度降低，向压射室涂敷粉状润滑剂，压型上涂敷粉状离型剂。

铸造后可将支撑物回收反复使用。

七.降低制动噪声的高衰减制动鼓材料
近来对汽车制动噪声的要求愈来愈严，在开发高性能制动材料时，在要求改善其可信赖性和耐久性的同时，也要提高其衰减性能。

首先在其化学成分的选定上要使其在衰减性、强度、耐热裂等方面都有优良性能。

材料的化学成分及力学性能
硬度HB
主要化学成分（%）抗拉
强度
Mpa
新开发材料 3.7C·2.05Si·Mn·Ca·Cu·Ni·Mo313 207
原用材料 3.2C·2.3Si·0.75Mn261 212
选定的化学成分如上表所示。

C当量高，强度降低，因而添加少量Mn，Cr，Cu等元素补偿。

另外考虑了耐热裂性和耐热性，而加了Mo及Ni。

在控制片状石墨铸铁的组织方面，石墨形状为细长的A型石墨，石墨大小均一而且多。

在基体组织上为全珠光体，或者是珠光体和少量马氏体(M)或具氏体的混合组织。

这项材料的衰减率的测定结果表明，测定值是Fe250的三倍以上，从而降低了制动的噪声，在耐裂性方面，裂纹深度改善了40%左右，长度改善了15%左右。

并成功地用于工业用车的制动鼓的批量生产。

八.高强度、高延性的球墨铸铁
控制球铁的基体组织，可改变其强度和伸长率，但要使两者同时满足要求则比较难。

FCD700、800级高强度材料，延伸仅为2-4%。

基体为贝氏体的FCAD900，是两方面都具备的材料，但切削加工困难，难以推广。

如果有了强度和伸长率高、又可快速切削的球铁，就可代替锻钢，使现在的产品轻量化，又可降低成本。

过去也曾借助热处理得到二相组织的球铁，但有成本方面的问题。

此处介绍的新材料是用现有生产线生产，不经过热处理，或用成本低的热处理制得的球铁(高级球铁)。

以FCD450的化学成分为基础，仅添加Ni即可达到高强度，高伸长率。

新开发的合金与过去用的合金的力学性能比较
屈服强度MPa 伸长率硬度
材质名抗拉强度
MPa
开发合金
750-820 510-560 7-12 229-277
（D80AS）
FCD450A 470-530 300-340 12-20 140-212
FCD800A 800 480 2 201-331
FCAD900 900 600 8 277-311
铸铁中加入少量的Ni可改善其对壁厚的敏感性，Ni是促进铁素体的元素，约在5%(质量比)以上，即出现马氏体。

再增加Mn含量则析出贝氏体。

Ni含量调到3%、铸态下球状石墨周围残存有铁素体，在其周围为珠光体。

此时，特别是距石墨远的部分，组织变成细微的珠光体，而提高了强度，铁素体的存在可以确保适当的延性，而成为高强度、高延性，也就是由于Ni的铁素体的促进作用，Mn则促进粒界偏析而生成细微的珠光体，从而使基体复合化，是此项合金的特点。

由于冷却条件是铸态的，壁厚受到限制，抗拉强度800Mpa、伸长率10%时，冷却速度约在0.1-1.0℃/sec范围，也就是壁厚在7mm-90mm左右，很多汽车、电力机械的部件都可包括在内。

九.球状碳化物合金材料——具有高韧性、高耐磨性的金属材料
建筑、电力、炼铁、水泥等行业使用的机械和装置，为了提高其耐久性多使用耐磨材料。

此类耐磨材料的硬度愈高，耐磨性就愈好，过去多用白口铁和高铬铸铁，金属基体中有Fe—C系和Cr—C系高硬度碳化物析出。

但是，提高耐磨性的碳化物非常硬，因而有其脆的负面特性。

在金属基析出的碳化物也表现为网状和片状，这种材料其本质都是脆性材料，有冲击性能差的缺点。

因而要开发耐磨性和韧性兼备的新材料。

铸造工程中，对Fe—C—V系列或Fe—C—V—Si系的合金组成，适当加以控制，金属的基体中析出球状细小的(3—8μm)含V碳化物，可大幅度改善以前金属基体中所见到的碳化物。

改善了由于片状和网状碳化物引起的应力集中所产生的脆性。

此外，含V碳化物(VC)的硬
度也比原来碳化物高(威氏显微硬度计硬度约为2700)，耐磨性也更好。

这种金属基体可按要求而制出。

其耐磨性可以和铸态马氏体基体的高铬铸铁相当，而韧性可以高于高铬铸铁。

基体组织以贝氏体为主时，铸态的冲击韧度可达到20J/CM2以上。

十.建筑结构用高强度高韧性铸钢材料
建筑结构的柱、梁结合部位，通常用焊接结构。

为了减少焊接工时，缩短工期，提高机能和设计水平，接口部位多采用铸钢件。

近来，对这种铸钢接口部件的性能和轻量化要求日益严格，特别是阪神地震后，不仅要求强度，也要求有好的韧性。

因而研究开发了韧性强度都好的铸钢材料。

要兼有高强度和高韧性，对材质的化学成分，热处理条件都必须重新进行研讨。

如表1所示，建筑件用钢的力学性能与JIS焊接结构用铸钢件标准制定值相比，不仅0.2%屈服强度和抗拉伸强度高，0℃下的夏氏冲击值也是标准规定值的三倍以上。

这可能是从建筑结构的安全性着眼的。

为了保证表1中的要求性能，选定的化学成分见表2。

铸件应经切割、淬火和回火。

淬火时的冷却速度应不低于90℃/min。

回火后取样测定力学性能。

此材料已用于超大结构的柱梁结合部铸钢件，重6.9吨的中空结构，基本壁厚为100mm。

要使冷却速度为90℃/min，必须水淬。

表1 SCW620材料的力学性能的标准值和建筑用部件的要求值。

材料0.2%屈服强度抗拉强度(Mpa) 伸长率夏氏冲击值
(Mpa) (%) (0℃)(J)
JISG5102标准≧430≧620≧17≧27
要求≧441≧637≧17≧47（min）
≧94(Ave)表2 试验材料的化学成分范围(质量%)
C Si Mn P S Ni Ca Mo V 碳当量P CM
0.4-0.16 0.25-
0.5
0.8-
1.25
0.005-
0.006
0.004-
0.006
1-
2.1
0.1-
0.4
0.15-
0.25
0.09-
0.11
≦0.50
≦0.30
阅读。