日本铸造的新技术推介（上）
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x26quot;杂志上的新素形材展览x26quot;。2002...
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。
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。
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(Mpa)抗拉强度(Mpa)伸长率(%)夏氏冲击值(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%）
CSiMnPSNiCaMoV碳当量PCM0.4-0.160.25-0.50.8-1.250.005-0.0060.004-0.0061-2.10.1-0.40.15-0.250.09-0.11≦0.50≦0.30
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