一.鑄件的主要用戶--汽車業(yè)
全球汽車的總產(chǎn)量，1950年為1000萬輛，1998年為5190萬輛，其中：中國為163萬輛，居世界 第10位。21世紀，亞洲對汽車需求的增長將位于世界之首。汽車誕生已有百年，現(xiàn)在全世界有6億7千萬輛汽車在服役之中，而且全球汽車保有量增加勢頭未減。據(jù)分析，下世紀初，亞洲地區(qū)汽車需求量每年將平均增長約7%。大大高于世界平均增長速度。而中國是極具發(fā)展?jié)摿Φ钠囀袌?，是世界上最大的潛在的汽車市場。中國汽車工業(yè)早晚將成為世界最大的汽車工業(yè)之一。
汽車工業(yè)帶動其它產(chǎn)業(yè)的能力很強，汽車工業(yè)的發(fā)展必將推動冶金、能源、材料、化工、機械、電子等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進公路、城市的建設及金融、保險、貿易、運輸、信息等第三產(chǎn)業(yè)的繁榮。據(jù)統(tǒng)計，德國每七個工作崗位中，就有一個與汽車業(yè)有關。汽車業(yè)對促進消費、擴大就業(yè)、提高人民的生活水平、帶動經(jīng)濟發(fā)展的作用是顯而易見的。因此，我國在大力發(fā)展載貨卡車的同時，轎車發(fā)展也很快，近來，又鼓勵私人購車，銀行發(fā)放私人購車信貸，車輛稅費也在改革，隨著公路的增加及城市向遠郊及衛(wèi)生城的發(fā)展，中國汽車的需求量必將更快提高。
第63屆世界鑄造會議于1998年在匈牙利舉行，會議的報告中指出，全世界鑄件的最大買主是汽車制造業(yè)。美國是世界上鑄件產(chǎn)量最高的國家，美國鑄件的最大用戶是它的汽車制造業(yè)。我國的汽車產(chǎn)量還不高，但我國的汽車制造業(yè)出正在成為我國鑄件的主要用戶。據(jù)不完全統(tǒng)計，1998年，我國汽車鑄鐵件的產(chǎn)量約為70萬噸，汽車鑄鋁件的產(chǎn)量約為8萬噸。汽車工業(yè)的發(fā)展，是刺激制造業(yè)發(fā)展的重要因素。中國的很多大型鑄造廠，都是我國汽車鑄件的供應廠家。
二、年輕的中國汽車鑄造業(yè)
作為有數(shù)千年鑄造歷史的鑄造古國，中國的汽車鑄造業(yè)卻只有四十幾年的歷史。如此年輕的中國汽車鑄造業(yè)，基本上是在計劃經(jīng)濟體制下建立起來的隸屬主機廠的自給自足式的鑄造廠。這也是由于汽車工業(yè)本身就是中國的新興幼稚產(chǎn)業(yè)，全社會能為汽車工業(yè)協(xié)作供貨的能力、水平，在當時極度為有限。因此，汽車鑄造廠當年的“大而全”，“小而全”亦屬不得已而為之。汽車鑄件比傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的鑄件復雜，質量要求較高，供貨節(jié)拍較快，因此須采用具有一定水平的較高生產(chǎn)率的鑄造設備、設施，資金的投入也較高。但由于隸屬主機廠，又不是主機廠的主體專業(yè)，所以，所能安排的實際投入又是很有限的。即使引進了某些國外設備，也因資金有限只能引進部分主要設備，而無能力引進全套設備，從而導致了鑄造專業(yè)廠比同樣隸屬于主機廠的機械加工、裝配等專業(yè)廠的技術水平要落后，生產(chǎn)效率較低，往往成為制約主機廠的“瓶頸”。在艱難地渡過了起步階段之后，中國汽車鑄造業(yè)又面臨其用戶--汽車業(yè)對鑄件的越來越高的要求，面臨社會對鑄造業(yè)越來越嚴的要求。為了實施可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，必須使汽車達到節(jié)能、環(huán)保的目標。因此，汽車要努力提高燃料的經(jīng)濟性，要嚴格控制排放。歐共體已著手開發(fā)油耗低于3升/百公里的汽車，美國提出的目標是80英里/加侖汽油，(即34公里/升汽油)。為達到這樣的目標，減輕汽車自重是重要措施，汽車每減重100公斤，百公里可以節(jié)省汽油0 .3升，每降低10%的汽車重量，就可減少10%的汽車排放。為使汽車減輕自重，便要求汽車鑄件必須輕量化、薄壁化、精確化、強韌化。所以，汽車的鑄件不斷被重量輕的鋁鑄件取代。近十年，美國汽車鋁鑄件增加1.7倍，到2007年，美國轎車發(fā)動機缸蓋的95%將采用鋁鑄件，缸體的50%將采用鋁鑄件。歐洲的每車鋁鑄件，1990年為55公斤，2006年，將達98公斤。比重比鋁合金輕三分之一的鎂合金鑄件在轎車上的應用更呈大幅度提高之勢。近幾年，轎車鎂鑄件的應用以每年20%的速度增長，1996年，通用公司生產(chǎn)的轎車，每車采用45個鎂合金鑄件，1998年美國汽車鎂合金鑄件年產(chǎn)已高達1.3萬噸。我國轎車發(fā)展是與世界的潮流一致的，我國對汽車排放的要求是，一步就達到歐共體的排放標準(先執(zhí)行歐1號標準，2003年達到歐II號標準……)，而且北京已開始執(zhí)行，其它城市也陸續(xù)執(zhí)行。因此，對汽車鑄件的要求也同世界趨勢是一樣的。對汽車鑄件的輕量化、薄壁化、強韌化的要求，給我國汽車鑄鐵件的鑄造工世水平、設備與模具的水平和鑄造原、輔材料的水平的提高，形成了巨大的壓力。而我國汽車鋁鑄造，只是近幾年隨著轎車工業(yè)的興起才剛剛開始，汽車鎂鑄造幾乎從零開始。足見我國汽車鑄造業(yè)壓力之大。另一方面，社會已經(jīng)再不能原諒鑄造業(yè)這個能源消耗大戶和污染大戶的放任自流。對資源的保護，對環(huán)境的保護已是大家的共識。1998年的63屆世界鑄造會議上，已開始頒發(fā)鑄造環(huán)境保護獎，世界上十家率先通過ISO14000認證的鑄造廠獲獎。而我國的環(huán)境污染總水平已相當于發(fā)達國家歷史上最嚴重的程度，我國汽車鑄造業(yè)必須走高效、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保之路，走綠色鑄造之路，別無選擇。年輕的中國汽車鑄造業(yè)任重道遠。 三.幾種典型汽車鑄件
縱然我國汽車鑄造業(yè)還年輕，但國內很多鑄造工作者已經(jīng)很贊賞具有大量流水生產(chǎn)能力的我國汽車鑄造業(yè)的裝備狀況。而事實上，我國轎車用的典型鑄件，如缸體、缸蓋等，至今有的汽車廠還未實現(xiàn)國產(chǎn)化，還在靠進口鑄件。我們必須把我國汽車鑄造業(yè)的水平盡快搞上去。下面就從一些典型汽車鑄件入手，對汽車鑄造業(yè)作進一步分析。
1.缸體
汽車上最重要、最復雜的鑄件位于汽車的心臟--發(fā)動機上。為防止汽車有“心臟病”，發(fā)動機上的主要鑄件的質量尤為重要。缸體便是發(fā)動機上最大、最復雜的鑄件，其壁厚最薄處往往不到3mm，大多用高強度灰鑄鐵鑄造，也有蠕墨鑄鐵的。由于汽車輕量化的進展，采用鋁合金的也越多，有的汽車制造廠家甚至開始考慮用鎂合金鑄造缸體。生產(chǎn)缸體所用的鑄造方法因材質不同，因各廠家條件不同而有多種選擇，包括濕砂造型中的氣沖造型，靜壓造型、高壓多觸頭造型、無箱擠壓造型、震壓造型等，對于鑄鋁缸體，則采用低壓鑄造、消失模鑄造、擠壓鑄造(用鋁基復合材料的預嵌缸套)，壓鑄(用抗鋁液沖擊的DOULER砂芯等)以及半固態(tài)鑄造等，還有采用砂型鑄造的(如DISA造型工藝)。
目前，對于鑄鐵材質的缸體而言，應用最廣的仍然是濕砂造型，尤其是氣流預緊實的靜壓或氣沖造型的出現(xiàn)，更體現(xiàn)出很多優(yōu)越性--能耗低、噪聲小，污染少、效率高、運行可靠。近來，國外設備制造廠家對造型機又不斷改進，先后出現(xiàn)氣沖壓實，氣流增益氣沖加壓實，靜壓加壓實、主動多觸頭壓實、成型擠壓壓實等改進方式，使砂型硬度更加均勻化。隨著大功率半導體元器件及計算機，微電子技術的發(fā)展，采用電伺服系統(tǒng)代替造型線慣常所用的液壓、氣動驅動，使造型線節(jié)拍進一步加快，并且運行可靠性大大提高，同時明顯地簡化了液壓控制系統(tǒng)，使維護保養(yǎng)工作量也相應減少。造型線采用雙筒式落砂機，則可使鑄件和澆冒口在落砂的同時得到預清理。造型線的澆注往往制約全線的開動率，應采用自動澆注設備。有的廠家采用氣壓澆包和接觸式澆注工藝，有利于節(jié)約鐵水，保證質量和保護砂箱，澆注過程中采用隨流孕育的較多，有的采用型內孕育與過濾相結合。
缸體是采用砂芯最多的汽車鑄件。除了水套砂芯薄而復雜，依各廠條件不同，分別采用冷芯盒制芯，熱芯盒制芯或殼芯制芯外，其它的砂芯--包括曲軸箱砂芯-、缸筒與頂端砂芯、前后端面前砂芯等大多采用冷芯盒制芯，以保證尺寸精度和節(jié)能，冷芯盒應用越來越廣泛。冷芯制芯以ISO CURE三乙胺硬化法居多(新近，美國又開發(fā)出更先進的ISO MAX)，SO2法硬化另有其優(yōu)點。而溫芯盒制芯法則是節(jié)能和環(huán)保兩種優(yōu)點兼而有之。加強制芯單元的密封和通風很有必要，而開發(fā)與應用無毒、無污染的環(huán)保型樹脂粘結劑更顯重要。為提高鑄件內表面質量和內腔清潔度，砂芯應涂料。用水基涂料取代醇基涂料有利于防污染。涂料后采用微波烘干效率高、節(jié)能，砂芯質量也比傳統(tǒng)的用煤氣、天燃氣烘干好。傳統(tǒng)的烘干使砂芯涂料的水汽向砂芯內部擴散，使砂芯強度下降，而微波烘干則無此弊端。采用KCY-CORE工藝，利用砂芯上開設的工藝孔，二次填砂固化，使多個砂芯為一個整體組合砂芯，然后整體涂料、烘干，這樣鑄件尺寸精度可大大提高，總體尺寸誤差可〈0.3mm。采用計算機控制的“制芯中心”可使全部制芯過程實現(xiàn)自動化。缸體的砂芯甚多，為了減少芯砂對型砂性能的影響和加強對環(huán)境保護，應大力推行芯砂再生回用。尤其采用熱法再生，可使石英砂經(jīng)焙燒相變后，高溫膨脹率大為下降，用這樣的再生砂來制芯，比新石英砂更能保證鑄件質量，再生砂的使用也降低了生產(chǎn)成本。
缸體造型所用的型砂，其混砂設備有碾輪式、擺輪式、葉片式等。有的廠家采用雙盤碾輪式連續(xù)混砂機，有的采用逆流轉子式混砂機，混砂效率都較高。同時安裝有型砂性能在線控制儀來保證混砂質量。在型砂系統(tǒng)中，尚有舊砂磁選設備、砂塊破碎設備和篩分設備及舊砂冷卻設備來保證回用舊砂的質量。同時對新砂、煤粉、膨潤土等添加材料，準確定量，按工藝確定的比例給料，并根據(jù)實時控制的數(shù)據(jù)隨時調整加水量，確保型砂性能。也有采用對全系統(tǒng)型砂的性能進行閉環(huán)實時控制或型砂質量計算機在線專家系統(tǒng)控制的。應注意，型砂系統(tǒng)的型砂周轉量較大，惰性較強，型砂性能的調整應以趨勢來判斷，采用有預見性的調整措施，以保證型砂系統(tǒng)的質量穩(wěn)定。為了環(huán)保，應著手舊砂再生和廢砂的綜合利用。 對于鑄鐵材質的缸體，所用的熔煉設備大多為沖天沖--感應爐雙聯(lián)熔煉，也有采用感應爐--感應爐雙聯(lián)熔煉。用電弧爐作為保溫爐的在減少，而變頻感應爐作為保溫爐的在增加，為了節(jié)能和環(huán)保，沖天爐宜采用水冷熱風除塵沖天爐，熱風可以提高鐵水溫度與質量及熔化率。用具有高發(fā)熱值的鑄造焦取代冶金焦對提高鐵水溫度，保證鐵水質量，提高熔化效率是很必要的。爐料的預凈化處理是必須的。沖天爐的熔化過程控制可采用微機集散式控制系統(tǒng)。沖天爐熔煉鐵水的檢測采用測溫儀、碳當量檢測儀和化學成分直讀光譜儀等。清潔、長壽命的耐火材料有利于提高沖天爐襯壽命和環(huán)保。沖天爐熔煉的廢渣的綜合利用有利于減少排放污染。
缸體鑄件經(jīng)去除澆冒口后，在清理線上磨各面，然后經(jīng)鼠籠式拋丸室清理。對于多品種缸體宜采用夾持式高效拋丸清理機進行拋丸。然后手工對缸體逐個精整及吹凈水套內腔殘留物。經(jīng)尺寸檢查、氣密性試驗、銑加工定位點及終檢后進行涂漆或其它防銹處理，成為用戶要求的合格缸體鑄件。
2、缸蓋
缸蓋也是汽車上既復雜又關鍵的鑄件，發(fā)動機的燃燒室、進氣口、排氣口都位于缸蓋上。缸蓋的材質可以是高強度灰鑄或蠕墨鑄鐵，但應用最廣的還是鋁合金缸蓋，而鎂合金缸蓋也開始使用。缸蓋的鑄造方法較多，諸如：砂型鑄造、金屬型重力鑄造、低壓鑄造、消失模鑄造、壓鑄(采用DOULER砂芯等)和新興的半固態(tài)鑄造等。
今以金屬型重力鑄造鋁缸蓋為例。缸蓋的外形皆由金屬型形成，可采用計算機自動控制金屬型的型溫。部分內腔由砂芯形成，砂芯的制造工藝與前述缸體的制芯過程基本相同，主要是芯砂粘結劑和砂芯涂料不同。
鋁合金熔化可采用反射爐，但氧化、吸氣嚴重，燒損失、溫度難控、浪費能源、污染環(huán)境。采用感應電爐時，鋁水在爐內的翻騰有利于成份均勻化，但感應爐磁場對測溫儀有干擾，感應爐的維修較難，值得廣為采用的是連續(xù)高效燃氣爐，可實現(xiàn)爐料預熱、連續(xù)熔化、成份均勻、溫控精確、節(jié)約能源、適于大量生產(chǎn)。應注意爐料要潔凈，除用一般的鋁液清煉，變質處理方法外，可采用鋁合金熔劑噴吹綜合處理裝置--使精煉、變質、品粒細化一步完成。缸蓋的傳統(tǒng)澆注方式為底注式，便于鋁液的平衡充型?，F(xiàn)在多采用頂注式，與鑄型的冷卻系統(tǒng)相配合。更便于順序凝固的形成，從而顯著提高鑄件的致密性。澆注過程中鑄型的排氣要通暢，多采用自動澆注--包括單機式，雙機組式以及多機組直列式。而多工位轉盤式澆注機更適合大批量生產(chǎn)，但投資大。多機組旋轉式澆注機則投資較少。用長效鍶變質劑時，采用定量保溫澆注爐效果更佳。鋁液鑄型的維護保養(yǎng)很重要，可定期用噴射小顆粒干冰的方法來清除鑄型的積垢，此法簡便易行，不污染環(huán)境。 澆注后的鋁缸蓋鑄件在清理線上鋸掉澆冒口、銑平面，經(jīng)滲漏試驗后，往往經(jīng)粗加工和銑加工定位點之后再發(fā)往用戶。
3、變速箱殼體
卡車變速箱殼體材質多為灰鑄鐵，也有用蠕墨鑄鐵的，普遍采用砂型鑄造。而轎車變速殼體，則是典型的大型、復雜的薄壁殼體鑄件，材質多為鋁合金，采用鎂合金的正在增加，一般都采用壓鑄工藝。為提高壓鑄件質量，可采用低速中壓填充壓鑄、雙壓射沖頭壓鑄、真空壓鑄、加氧壓鑄生產(chǎn)中的噴涂料、澆注和取件都是自動的，并且有校正壓鑄機和鑄件形成狀況的在線檢測裝置。
變速箱殼體所用鋁合金的熔化和精煉與前述的鋁缸蓋基本相同。壓射參數(shù)對壓鑄件氣孔的影響頗大，必須合理調整之。采用閉合壓射結束時間控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)無飛邊壓鑄。壓鑄件質量的檢測可采用X光探傷、超聲波測試等。壓鑄型的材料的延性和韌性對防止壓鑄型熱裂和龜裂十分重要。改善模具工作狀態(tài)和良好的操作與保障都有助于延長壓鑄型的使用壽命。若為鎂合金壓鑄，則應采用真空金屬型。近來開發(fā)的半固態(tài)鎂合金壓射成形技術，可使鎂合金充填平穩(wěn)，不紊流，防止氫氣卷入，避免合金一，鑄型間反應，是注“塑”成形與壓鑄成形的復合工藝。
4、進氣歧管
進氣歧管的不規(guī)則的變截面的進氣道內腔形狀一直是汽車鑄造業(yè)的難題。而近年來發(fā)動機電子噴射技術的發(fā)展，使進氣歧管更加復雜。因此，很多廠家選擇消失模工藝為進氣歧管的鑄造方法是理所當然的。卡車用的進氣岐管多為灰鑄鐵，普遍用砂型鑄造。而轎車的進氣岐管材質為鋁合金，所采用的鑄造方法包括消失模鑄造、金屬型重力鑄造，也有用壓鑄的(砂芯為DOULER工藝)。
采用消失模工藝鑄造鋁進氣岐管，其熔化及精煉過程與本文前述的缸蓋的鋁合金熔化及精煉一樣。要采用小粒徑的EPS珠粒，以保證預發(fā)泡和成型。成型模片的膠合必須按工藝規(guī)定進行。裝配好的消失模模樣的涂料工藝很重要，要控制好涂料的性能和涂層厚度，這對澆注時模樣熱解產(chǎn)物的排除，對鋁液的充填速度和消失模鑄件的質量至關重要。涂料烘干后的模樣經(jīng)填充干砂，震實后即可澆注。所獲得的消失模進氣歧管鑄件在清除澆冒口之后，還應做滲漏檢查，如有滲漏，可按合同規(guī)定進行浸滲補漏。
5.氣歧管
由于汽車發(fā)動機的排氣溫度較高，因此，排氣歧管材質基本上是灰鑄鐵、球墨鑄鐵或蠕墨鑄鐵。排氣歧管也是形狀較復雜的薄壁鑄件，多為砂型鑄造，也有采用消失鑄造的。今以球墨鑄鐵材質的砂型鑄造的排氣歧管為例，其造型與制芯過程與前面所說的缸體的造型、制芯工藝基本相同。
在球鐵熔化方面，很多廠家采用沖天爐---感應爐雙聯(lián)熔煉。為了保證球鐵質量，除了采用球鐵用生鐵，采用鑄鐵焦之外，還應對沖天爐的出爐的出爐鐵水進行脫硫處理，多采用氮氣多孔塞底吹脫硫包連續(xù)脫硫，采用抗潮、防爆的顆粒狀脫硫劑。球化處理多為蓋包法，近來已將治金行業(yè)的包芯線法引入鑄造業(yè)作為球化處理工藝，這對提高球化合金的吸收率、穩(wěn)定球化質量、降低成本、減少環(huán)境污染都是有利的。孕育方式則以隨流孕居多，也有采用型內球化和型內孕育的，還有采用珠粒狀球化劑的，可延長球化劑失效時間，并可隨時補加球化劑，以保證鐵水的球化狀態(tài)。國外還有采用脫硫-----球化----孕育一次完成的新工藝，可減少鎂和孕育劑的消耗，提高球化率、節(jié)能。爐前的碳當量檢測，快速碳、硫測定和快速金相分析對控制球鐵鐵水質量是很重要的。 排氣歧管為鑄態(tài)球墨鑄鐵件，無需熱處理。對球鐵鑄件的球化率的檢測，可采用超聲波法。
由于蠕墨鑄鐵有良好的耐熱疲勞性，因此很適于生產(chǎn)排氣歧管。嚴格的化學成分控制和良好的蠕化劑，是穩(wěn)定生產(chǎn)蠕鐵鑄件的關鍵。
6、曲軸、凸輪軸
曲軸、凸輪軸是典型的汽車軸類鑄件，屬既要求韌性、耐疲勞性、又要求在摩擦副部位的表面具有耐磨性的高速回轉運動的厚斷面汽車鑄件。所用材質多為球鐵，包括奧貝球鐵。凸輪軸材質有時還用合金鑄鐵、激冷鑄鐵或合金鋼。
所用造型方法，陳了各種砂型鑄造方法外，采用殼型(包括鐵型覆砂)鑄造的很多。也有采用自硬砂造型和消失模鑄造的。
7、活塞
活塞頂部是發(fā)動機燃燒室的一部分，活塞的圓柱面通過塞環(huán)緊貼缸筒內壁做高速的往復運動?；钊切纬砂l(fā)動機動力關鍵急汽車鑄件，其材質為鋁合金，包括纖維增強復合材料鋁合金。鑄造方法包括金屬型重力鑄造、低壓鑄造、擠壓鑄造和新興的半固態(tài)鑄造。
8、車輪輪轂
輪轂是回轉運動類的汽車鑄件，轎車車輪輪轂材質為鋁合金，有幾種鑄造方法一低壓鑄造，擠壓鑄造(包括旋轉式垂直擠壓)、金屬型重力鑄造、差壓鑄造和半固態(tài)鑄造。
當然，汽車上的鑄件的種類很多，不一一列舉。近年來，很多種轎車鑄件開始采用鎂合金，以適應汽車輕量化的要求。這些鎂合金鑄件、包括：離合器外殼、變速箱外殼、變速箱上蓋、發(fā)動機罩蓋、方向盤、座椅支架、儀表盤框架、車門內板、輪輞、轉向支架、剎車支架、氣門支架等，甚至還有缸蓋和缸體。
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