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汽车铸铁业四类模式五大材料 适宜发展趋势
2015-08-27 14:32

中国汽车行业连续10多年快速发展,促发汽车铸造业快速结构调整和技术升级。伴随着汽车轻量化的日益深入,汽车铸铁企业怎样满足其发展需求?成了行业思考的热门课题,本文就此方面做些探讨。

 

  一、中国汽车业连续快速发展,对汽车铸铁件需求市场巨大

 

  中国汽车行业连续10多年快速发展,2013年汽车销量2198万辆,突破2000万辆。2014年,上半年销量1168万辆,同比增长8.4%,预计2014年汽车市场总量将达到2378万辆。2015年,我国汽车市场总量预计将超2500万辆。有多位专家根据韩国、日本汽车的发展历程预测,2020年以前,我国汽车仍处于快速发展时期,增长率相当于GDP增长率的1.5倍左右。从汽车保有量来看,2013全国汽车保有量已达到1.37亿辆,2014年将超越1.4亿辆。

  据中铸协统计发布, 2011年,我国汽车铸件产量1030万吨, 2012年1080万吨。2013年,我国汽车铸件产量达到1180万吨,占全国铸件总产量4450万吨的26.5%,比例超过1/4 ,较2012年增长4.7%,汽车产量及结构的变化对国内铸件总产量影响非常大。2011-2013年,不同材料铸件产量都呈现出不同程度的增长,其中,以球墨铸铁件和铝合金铸件产量增长最为迅速,2013年其产量分别为1160万吨和520万吨,较上年同比增长分别为6.4%和16.9%。就各类材质铸件占比情况来看,以球墨铸铁件和铝合金铸件的占比为最多。从2013年的情况来看,球墨铸铁铸件和铝合金件占比继续增加,分别为26.1%和11.7%,保持快速增长态势。2013年,球墨铸铁和灰铸铁的占比比例为1:1.77。

  从上述数据来看,我国汽车铸造业伴随着汽车的快速发展在快速发展,汽车铸铁件,尤其球墨铸铁紧随着快速发展。

依据某大汽车集团各类车型的铸铁件使用量(中重卡车铸铁铸件用量为2.2吨/辆,轿车铸铁铸件用量为0.08吨/辆,微型车铸铁铸件用量为0.1吨/辆)初步估算,未来汽车铸铁件的市场需求仍然巨大。

 

  二、汽车的节能减排和激烈竞争,对汽车铸铁件提出了新要求

 

  2014年5月,工信部发布了《关于加强乘用车企业平均燃料消耗量管理的通知(征求意见稿)》,按照规定,到2015年我国生产的乘用车平均燃料消耗量百公里要降至6.9L,2020年要进一步降至百公里5.0L。汽车行业日益紧迫的节能减排要求和行业的激烈竞争,使汽车降低价格、减少排放、降低油耗、提高可靠性、增加舒适性、个性化越来越向极端发展。汽车极端发展的核心是汽车轻量化。据文献报道,汽车减重10%,可减少油耗8%。每节省1升油耗,可减少2.4kg二氧化碳排放。所以,汽车的各个部件日益追求轻量化,例如:发动机日益向排量更小、更高效、节能、环保的方向发展或采用新能源取代发动机。

  汽车的日益轻量化体现在铸件上,就是要求汽车铸件逐步实现高强度、高韧性、精确、一致、健全、轻量、洁净。汽车铸件的高强度、高韧性是轻量化的基础,铸件提高强度和韧性后,可以降低铸件壁厚或采用中空减轻重量,这也是铸铁件抵御铸铝件的重要因素。铸件的精确、一致、健全是铸件质量可靠性的衡量指标,是铸件轻量化的重要保证。

  目前,汽车铸件轻量化的主要途径:

  一是产品减重优化——即通过零部件优化设计、集成与合并,减轻零件重量,减少生产工序,降低成本。

  二是轻合金应用——加大铝镁合金在汽车零部件上的应用比例,实现轻量化。这也是对铸铁件市场的最大威胁。

  三是高性能材料研发与应用——高强韧性球墨铸铁、等温淬火球墨铸铁、蠕墨铸铁、高强度铝镁合金、复合材料等研发与应用。

  四是近净型铸造技术——推进熔模铸造、消失模铸造、V法铸造等近净型技术发展与产品生产;特种铸造技术——压铸/低压/差压/挤压等铸造技术。

  从汽车轻量化发展看,铝镁等轻合金应用是趋势,但由于铸铁的成本比较低,粗略估算,以铝代铁每减重35%,成本需要增加4倍。再加上其固有的一些材料性能、铸造性能优势,在商用车、低端乘用车等主流汽车上,铸铁件仍是首选。所以,未来汽车铸铁件的发展空间还很大。例如:发动机缸体,铝合金代替铸铁是发展趋势,并已在大量应用。但在高性能大马力的发动机或者涡轮增压发动机,由于铸铁具有良好的抗热变形能力和稳定性,目前仍是应用的主流。

 

  三、中国汽车快速发展对汽车铸铁业的影响

 

  根据调研和掌握的资料,中国汽车铸铁业发展模式可以分为四类:

  第一类,是有大型整车整机集团为依托的大型汽车铸造企业。其主要是进行产品结构调整,改变原来主机厂的很多铸件自己要生产的固有模式,只生产缸体缸盖等主导产品,将非主导产品外委生产,从而改变专业化不足,人员精力分散,铸件成本高等问题。并根据汽车发展对铸件质量的要求,纷纷投巨资新建或改造其铸造企业,其工艺装备大多引进国外最先进的装备,其水平达到或超过国进先进水平。例如:对铸铁件来说,采用中频炉或大型热风冲天炉熔炼、静压造型线、制芯中心、自动化清理单元、机器人取件等装备。熔炼及配砂等关键工序的在线控制、无损检测装备的应用等已成为这些企业的主流。同时,这些企业非常重视铸件的研发和快速试制,多家企业已建成汽车铸件的研发和快速试制中心。并且这些企业充分认识自己的社会责任,花巨资投入环保和节能减排,具有较高的通风除尘和废弃物再利用水平。例如:一汽铸造有限公司,潍柴、玉柴的铸造中心,济南重汽铸造中心,东风汽车有限公司的铸造厂都是此类企业。

  第二类,是有整车整机厂为依托的一般汽车铸造企业,情况类同第一类。但由于资金受限,在选用工艺装备时,采用关键工艺设备国外进口,其他装备国内生产配套的方式,在很大程度上降低了固定资产投资的同时,同样可生产缸体缸盖等汽车复杂铸件,满足主机厂需要。例如:扬州柴油机厂的铸造厂。

  第三类,是无整车整机厂为依托或主机厂参股的大型汽车铸造企业,此类企业大多是近10多年来兴建起来的独资、合资或股份制企业。其工艺装备大多引进,具有装备先进、产品专业化和体制机制灵活的优势,可以满足汽车铸件的生产和质量需要。例如:山西三联铸造、镇江泰克西种铸造等。

  第四类,是伴随汽车发展而快速发展的中小铸造企业,这类企业水平参次不起,但绝大多数存在以下问题:

  (1)工艺技术落后,检测手段不健全,产品质量低。一是废品率偏高,大约在5%~10%。二是产品表面精度差,加工余量大,带来的后果是能耗和原材料消耗严重,加工周期长,生产效率低。三是铸件的内在质量低,化学成分和金相组织不合格,导致铸件的性能不合格。内在的渣眼、气孔导致铸件提前损坏失效,这些都是当前汽车铸件,尤其汽车配件铸件质量过低的表现,对汽车的安全性构成威胁。

  (2)环境污染严重、作业环境恶劣,经营者社会责任感缺失。部分中小汽车铸造企业经营者的素质偏低,缺失起码的社会责任感,环保意识淡薄,缺乏环保措施,铸造废弃物任意排放,对环境造成了较大的破坏。不注意改善员工的工作环境,减轻员工的劳动强度,造成了对员工身体的伤害。再就是一些铸造企业的经营者不考虑汽车铸件安全性的特殊要求,以次充好,制造假冒伪劣产品,严重威胁汽车用户的生命安全。

  (3)人力资源缺乏、管理粗放、资源浪费严重。中小汽车铸造企业技术及管理人员数量偏少,素质不高。致使管理无规章,技术无规范,操作仅靠一两个人的经验,新技术得不到应用,自己不开发新产品,而是仿制别人的产品。企业普遍存在材料以次充好、材料利用率低,废品率高,能源消耗高的现象。

  这类企业中,有一部分企业逐步向前三类企业看齐,基本完成结构调整和技术升级换代,成长为大型现代化的汽车铸造企业。例如:西峡排气管公司,烟台胜地公司等。还有一部分企业正在进行此类工作。但绝大多数水平还比较低下,发展也缓慢,产品也只是供应配件市场。

 

  四、汽车铸铁件的发展

 

  1.汽车灰铸铁件

  在汽车上有代表性的灰铸铁件是汽缸体,其发展方向是薄壁高强度,其实现方式主要有两类:一是低碳当量工艺:主要是通过降低灰铸铁的的C、Si含量,提高铸铁的强度。其主要优点是:通过改变炉后配料,容易实现,可靠性较高;不用或少用合金元素,成本较低;对炉前处理及其操作要求较松。其缺点也较明显:碳当量低,铸造性能不好,容易造成缩孔(松)废品和增加铸造应力;铸件的加工性能、断面均匀性较差,铸件导热性受到影响。二是高碳当量、合金化工艺:主要是保持灰铸铁的的C、Si含量在较高水平(wC>3.3%)的条件下,通过加入合金化元素如铬、铜等,提高铸铁强度,目前,正在向多元微合金化提高强度的方向发展。。其优点是,合金化工艺比较成熟,提高强度作用明显;铸造性能较好,形成缩孔(松)废品的倾向小;铸件的加工性能、导热性能较好。缺点是,合金化元素加入较多,铸件成本不仅较高,处理不好还可能影响铸件的加工性和渗漏性;对炉前处理要求比较严格。

   随着发动机功率的提高,对灰铸铁的性能要求进一步提升,国内外发动机的一些缸体已采用HT300甚至HT350来制造。一汽铸造公司已稳定地采用HT300来生产6DL、道依茨发动机缸体,同时,也储备了HT350的生产技术。为了满足轿车缸体高速切削加工的需要,通过优化熔炼工艺、材料及合金化工艺等措施,成功解决了缸体材质高性能与高速切削问题。

 

  2. 球墨铸铁件的发展

  球墨铸铁在汽车上,有代表性的主要是曲轴、凸轮轴、中后桥壳、各类支架、壳体等零件。目前,正向铸态高强度珠光体基体球墨铸铁(QT700-2、QT800-2、QT800-5)与铸态高韧性铁素体球墨铸铁(QT400-18、QT400-15、QT600-10)发展。主要通过优化熔炼工艺,严控原铁液中的S、P含量和微量元素含量,选取适宜的球化剂、孕育剂、合金元素及加入方式,严格随流孕育工艺等措施获得。

  一汽铸造有限公司具备各种牌号球墨铸铁的生产技术,为满足载重车中后桥壳的需要,开发了铸态QT600-5工艺,为满足轿车曲轴需要,开发了铸态QT800-2工艺,为满足轿车转向节的需要,开发了铸态QT400-18、QT400-15工艺,并在生产中获得应用。

  近几年,硅固溶强化铁素体球墨铸铁逐渐引起国内重视,其最早由瑞典开发应用,1998年成为瑞典国家标准(SS140725),随后在2004年纳入国际标准(ISO1083),2009年我国国家标准GB/T 1348—2009)将其纳入到规范性附录。国际已发布固溶强化铁素体球墨铸铁牌号QT 450- 18,QT 500-14,QT 600-10,在汽车上已成功应用。一汽铸造有限公司研究所已研制出底盘类铸件,目前正在试车验证中。

 

  3. 蠕墨铸铁件的发展

  蠕墨铸铁在汽车排气管、大马力发动机缸盖等汽车铸件上获得了广泛应用。采用蠕墨铸铁制造中、大功率发动机缸盖,一方面可以通过设计减轻缸盖重量,另一方面也可以提高缸盖的使用性能,提高发动机的功率。目前,蠕墨铸铁在大功率发动机缸体上的应用日益增多,可以减薄壁厚,取消加强筋,减重可达25%左右,在福特、奥迪等国外公司的大功率发动机缸体上已成功应用,国内一汽、济南重汽等也有成功应用的报道。

  蠕墨铸铁应用主要受其生产过程难于稳定控制的限制。SinterCast公司是瑞典一家专业从事蠕墨铸铁技术研究与生产设备制造的股份制公司,其产品(SinterCast蠕铁生产控制系统)在世界三个大洲(美欧亚)均得到应用,向世界10个最大的汽车制造厂中的8家提供蠕墨铸铁生产技术支持,全球每月约有2万个缸体或缸盖产品采用蠕墨铸铁制造。SinterCast公司宣称全球有95%以上的蠕墨铸铁产品是由其公司提供的控制系统进行生产的 。

 

  4. 等温淬火球墨铸铁(ADI )

  等温淬火球墨铸铁具有强度、塑性和韧性都很高的综合机械性能,大体上分为两类,即强度为1200 ~1600 N/mm2的高强度型和900~1200 N/mm2、伸长率为10%左右的高韧性型 。由于其材料性能优异,在欧美发达国家取得迅速发展,在卡车底盘、发动机和轿车曲轴等都成功应用了ADI产品。近年来,在欧洲的市场上,ADI在小轿车上的应用量越来越多,占整个ADI市场32%。在美国市场上,重型和轻型卡车ADI件占整个ADI市场的比重达到51%。

在国内汽车领域,ADI零件也得到了初步的应用。湖北汽车齿轮厂为康明斯发动机生产ADI正时齿轮等。东风汽车有限公司开发了用于军用越野车底盘悬架,17个悬架类零件由铸钢改成ADI,该系列零件总重量由630.62Kg,减少到380.66kg,减重率达39.6%。一汽集团载重汽车的后钢板弹簧支架和军车齿轮壳罩盖(羊角)和齿轮壳等已用ADI代替。目前,国内在长春、苏州等地已建造了等温淬火的热处理基地。

 

  5. 特殊铸铁的发展

  随着发动机性能的提高,排气管等一些铸件的耐热性要求越来越高,高硅钼球铁、中硅钼蠕铁、高镍球铁相续出现。一汽集团合资的道依茨发动机已批量应用高硅钼球铁排气管,一汽大众的部分增压发动机上已批量应用高镍球铁排气管,在一汽部分自主品牌发动机中,这三类铸铁也已开始应用。

 

  五、汽车铸铁件的实用生产技术

 

  1. 适宜发展趋势的铸铁熔炼技术

  铸造厂家应根据生产汽车铸件牌号、铸件订单、本地能源和材料来源及质量、地区环保要求等因素,选择铸铁熔炼装备和熔炼方式。生产多品种、小批量、高牌号材质要求的铸件(包括球铁铸件)的铸造厂,宜选用中频感应电炉单独熔炼的生产方式,对主机厂所属的大型专业化铸造厂,宜选用大型热风除尘冲天炉与大型保温炉双联熔炼方式或中频炉双联熔炼方式。在确定铸件化学成分时,要充分考虑铸件牌号及客户要求、铸件内部质量要求、铸件订单及其价格。相关文献介绍球铁中化学成分精度碳±0.05%、硅±0.10%等。要优化炉前添加剂及加入量,选择喂丝球化,随流孕育等添加剂加入方式。一般应经过反复试验和小批量生产验证。为加快铸件的开发,对关键铸件,要与主机厂开展同步开发,同时进行铸件工艺设计和铸件材质工艺的试验开发。

  要严把原材料和主要添加剂的质量和产地来源,每一批进料都要分清批次,进行严格质量检测和必要的生产验证。对于中频炉熔炼要尽量少用生铁(一般加入量控制在5%~10%)或不用生铁。例如:一汽铸造公司特铸厂生产球铁曲轴,采用中频炉熔炼,一直采用全废钢熔炼工艺,不加生铁。

  对于中频炉熔炼生产高牌号铸件,应配备炉前热分析仪、光谱仪等检测仪器,要定期采用碳硫分析仪校正碳等辅助检测仪器。炉前要有能随时掌控炉况和调整炉料配比的高级熔化工,要建立必要的异常情况处理制度及报告流程,保证熔炼正常,符合熔炼工艺要求。

  同时,要有合适的浇注随流孕育工艺和合适的落箱时间。要重视铸件本体的质量检测,对于重要件,应配备能反映铸件材质质量的附体试块和必要的无损检测设备。

 

  2. 适宜发展趋势的铸铁造型技术

  汽车铸铁件的主流造型技术仍采用粘土砂,或静压或挤压造型技术,发展也只是体现在加砂加压的方式和检测方面,主要是让砂型紧实更均匀,强度更高。随着汽车轻量化的要求,一些近净型的造型技术也得到快速发展,例如覆膜砂壳型技术生产曲轴,采用壳型机生产上下壳,合壳粘壳后,运装到自动线的砂箱里,填铁丸紧实,然后浇注。一汽特铸厂采用此种技术生产曲轴,供应一汽大众,满足了轿车发动机的需要。再例如,为了满足汽车集成化的需要,水玻璃复合壳熔模铸造工艺正在蓬勃发展。消失模工艺在汽车铸件上的应用范围正在扩大等。

  目前,汽车铸件的芯子,大多采用冷芯制芯技术,例如汽缸体,大型铸造企业大多采用全自动的冷芯制芯中心。铸铁件的清理已开始采用机器人清理或自动化的清理单元等。

 

  3. 适宜发展趋势的铸铁工厂发展思路

  首先要客观认识汽车及汽车铸造的发展趋势,并采取与之相适应的产品、质量、技术创新等战略;二要围绕“轻量化、薄壁化、精确化、强韧化”和质量一致性的汽车铸件发展目标,开展技术研究和项目攻关;三要练好企业内部基本功,提高产品的质量竞争力和成本竞争力。

 

  总之,汽车铸铁件在未来仍有很大的性能优势和成本优势,在汽车轻量化极端发展的趋势下,仍会有很大的市场需求。

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