綠色制造技術概述

內容目錄

1.綠色制造的概念

2.綠色制造的內涵和特征

3.綠色制造的研究現狀

4.綠色制造技術的內容

5.綠色制造的發展趨勢1.綠色制造的概念

20世紀高速發展的工業經濟給人類帶來了高度發達的物質文明，同時也帶來了一系列嚴重的環境污染問題（溫室氣體,霧霾,水污染）,并制約了人類社會的持續發展。

制造業是最大的污染源之一，據統計，造成環境污染的排放物70%以上來自制造業，制造業每年產生大量的溫室氣體和有害物。

傳統的制造業一般采用“末端治理”的方法無法從根本上解決制造業及其產品產生的環境污染，而且投資大、運行成本高、消耗資源和能源。國內外經驗證明，要消除或減少工業生產環境污染的根本出路在于實施綠色制造戰略。

綠色制造，又稱為環境意識制造或面向環境的制造，最早起源于20世紀30年代，到1996年才由美國工程師學會（SME）比較系統的提出“綠色制造”的概念。從20世紀90年代以來，綠色制造技術在綠色浪潮和可持續發展思想的推動下，迅速發展并在發達國家得到了廣泛的應用。

綠色制造是一個綜合考慮環境影響和資源效率的現代制造模式，其目標是使得產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個周期內，對環境的影響（負面影響）為零或者極小，資源消耗盡可能小，并使企業的經濟效益和社會效益協調優化。綠色制造模式是一個閉環系統，也是一種低熵的生產制造模式，即原料－工業生產－產品使用－報廢－二次原料資源，從設計、制造、使用一直到產品報廢回收整個壽命周期對環境影響最小，資源效率最高，也就是說要在產品整個生命周期內，以系統集成的觀點考慮產品環境屬性，改變了原來末端處理的環境保護辦法，對環境保護從源頭抓起，并考慮產品的基本屬性，使產品在滿足環境目標要求的同時，保證產品應有的基本性能、使用壽命、質量等。1.綠色制造的概念---中國背景

《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006～2020年）》明確提出“積極發展綠色制造，加快相關技術在材料與產品開發設計、加工制造、銷售服務及回收利用等產品全生命周期中的應用，形成高效、節能、環保和可循環的新型制造工藝，使我國制造業資源消耗、環境負荷水平進入國際先進行列”；

《國民經濟和社會發展第十二個五年規劃》提出建設資源節約型、環境友好型社會作為加快轉變經濟發展方式的重要著力點；

《國家“十二五”科學和技術發展規劃》將“綠色制造”列為“高端裝備制造業”領域六大科技產業化工程之一，提出“重點發展先進綠色制造技術與產品，突破制造業綠色產品設計、環保材料、節能環保工藝、綠色回收處理等關鍵技術。開展綠色制造技術和綠色制造裝備的推廣應用和產業示范，培育裝備再制造、綠色制造咨詢與服務、綠色制造軟件等新興產業。”2012年科技部發布了《綠色制造科技發展“十二五”專項規劃》，提出“面向汽車、機械、家電、流程工業等國民經濟支柱產業以及廢舊家電與電子產品折解與資源化、裝備再制造等循環經濟新興產業需求，以制造業綠色化為目標，開展綠色制造基礎理論和共性技術研究、典型綠色新產品、新工藝、新裝備研制，形成綠色制造理論、技術和標準體系，開發出一批具有典型創新性和示范性的產品、工藝和重點裝備，實施應用工程和產業示范，帶動傳統產業資源節約和環境友好提升，支撐節能環保戰略性新興產業的發展，增強量大面廣出口產品跨越綠色貿易壁壘的基礎能力。”

中國制造2025，提出了“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本”的指導方針，加快我國從制造大國向制造強國轉變。2.綠色制造的內涵

綠色制造具有非常深刻的內涵，主要有：

1）綠色制造涉及制造技術、環境影響和資源利用等多個學科領域的理論、技術和方法。具有多學科交叉、技術集成的特點，是廣義的現代制造模式。

2）綠色制造考慮兩個過程：

a.產品的生命周期過程；

b.物流轉化過程.

即從原材料到最終產品的過程。

通過綠色制造要實現兩個目標：

a.減少污染物排放，保護環境；

b.實現資源優化。

3）綠色制造技術綜合考慮了產品在整個生命周期過程中對環境造成的影響和損害，內容十分廣泛，包括：綠色設計、清潔生產、綠色再制造等現代設計和制造技術。

4）資源、環境、人口是實現可持續發展要面臨的三大主要問題，綠色制造是一種充分考慮資源、環境的現代制造模式。綠色制造技術是制造業可持續發展的重要生產方式，也是實現社會可持續發展目標的基礎和保障。

綠色制造與傳統制造模式的區別：

1）綠色制造是面對整個產品生命周期過程的廣義制造，要求在原材料供應、產品制造、運輸、銷售、使用、回收的過程中，實現減少環境污染、資源優化的目標。

2）綠色制造是以提高企業經濟效益、社會效益和生產效益為目標，強調以人為主體，集成各種先進技術和現代管理技術，實現企業經濟效益、社會效益和生態效益的協調與優化。

3）綠色制造致力于包括制造資源、制造模式、制造工藝、制造組織等方面的創新。鼓勵采用新的技術方法、使用新的材料資源用于制造工程。

4）綠色制造模式具有社會性。相對于傳統制造模式，綠色制造需要企業投入更多的人、財、物來減少廢物排放，保護生態環境。3.綠色制造的研究現狀

a.外國政府在綠色制造方面的計劃:

世界主要經濟體積極推進綠色計劃，促進社會的可持續發展;

美國政府提出了可持續制造促進計劃（SustainableManufacturingInitiative,SMI）,并出臺了可持續制造度量標準。

歐盟第7框架計劃設立了“未來工廠（TheFactoriesoftheFuture）”重大項目，開展新型生態工廠模型（NewEco-FactoryModel）和綠色產品研發是其中的重要內容。

日本公布《綠色革命與社會變革》的政策草案，提出至2015年將環境產業打造成日本重要的支柱產業和經濟增長核心驅動力量。

綠色制造成為各國重振傳統制造業、培育和發展新興產業的發力點。b.國外跨國公司在綠色制造方面的設想:

通用電氣于2005年在全球推出了“綠色創想（Ecomagination）”行動，承諾研發投入倍增，開發更多綠色創新產品以及減少公司運營中的溫室氣體排放量并提高能源效率和增加企業透明度與公眾保持信息暢通。

2010年8月25日，豐田公司宣布《第五套豐田環境行動計劃》“FifthToyotaEnvironmentalActionPlan”,為2011到2015年的行動落實制定了詳細的計劃。

到2011年，西門子環境友好型產品和解決方案將實現250億歐元的收入，業務范圍包括發電、輸電及用電——建筑、照明、運輸和工業——以及有關的環境技術，如水凈化技術和空氣污染防治技術等。

索尼公司推出了“RoadtoZero/走向零負荷之路”環境計劃，到2050年實現環境負荷為零。

卡特彼勒公司大力發展再制造業務，2007年再制造業務部門銷售額超過20億美元，年處理200萬舊件能力，年超過1億磅的廢舊金屬的再制造和循環適用，再制造過程保留了原產品附加值的85%,近于“零棄物”排放。c.國內科研院校研究現狀:

國內一些高等院校和研究院所在國家科委、國家自然科學基金會和有關部門的支持下對綠色制造技術進行了廣泛的研究探索;

機械科學研究院已完成了國家科委“九五”攻關項目－－清潔生產技術選擇與數據庫的建立、機械工業基金項目－－綠色設計技術發展趨勢及對策研究。圍繞機械工業中九個行業對綠色技術需求和綠色設計技術自身發展趨勢進行了調研，在國內首次提出適合機械工業的綠色設計技術發展體系，同時還進行了車輛的拆卸和回收技術的研究。還在開展國家自然科學基金項目“環境綠色技術評價體系的研究”。以環境保護綠色技術評價體系為研究載體，將ETV評價技術導入機械制造業的綠色設計、綠色制造，建立制造業的綠色概念、描述方法和ETV評價體系。

清華大學為創建綠色大學，已將綠色工程技術列為優先發展和支持項目，在美國“ChinaBridge”基金和國家自然科學基金會的支持下，已與美國“TexasTechUniversity”先進制造實驗室建立了關于綠色設計技術研究的國際合作關系，對全生命周期建模等綠色設計理論和方法進行系統研究，取得一定進展。

上海交通大學針對汽車開展可回收性綠色設計技術的研究，與Ford公司合作，研究中國轎車的回收工程問題；與內貿部中國物資再生利用華東分公司合作，撰寫了“探討中國汽車銷售、維修、二手車交易及回收利用一條龍管理模式的可行性報告”；與法國柏林工業大學IWF研究所建立了合作關系，在廢棄工業品回收方面展開了研究工作。

合肥工業大學開展了機械產品可回收設計理論和關鍵技術及回收指標評價體系的研究。

重慶大學承擔了國家自然科學基金和國家863/CIMS主題資助的關于綠色制造技術的研究項目，主要研究可持續發展CIMS（S－CIMS）的體系結構研究、清潔化生產系統和體系結構及實施策略、清潔化生產管理信息系統等。

華中理工大學、浙江大學、北京航空航天大學等高院校也開展了綠色制造技術研究。

國內已形成了一支從事綠色制造技術研究的專業隊伍，為我國發展綠色制造技術奠定了基礎。4.綠色制造技術的內容

綠色設計技術

在綠色制造實施過程中，綠色設計是關鍵，因為在產品的全部生命周期中，雖然設計費用僅占產品全部成本的5%左右，卻決定了80%～90%的產品生命周期的全部消耗。綠色設計技術包括:

輕量化設計技術---節約材料

節能性設計技術--節約能源消耗

面向資源循環的設計技術--可折解技術技術、可回收設計技術、可再制造設計技術

低碳設計技術

無害化設計技術

生命周期設計技術

………

綠色制造的材料選擇:

①優先選用可再生材料，盡量選用回收材料，提高資源利用率，實現可持續發展；

②選用原料豐富，低成本，少污染的材料代替價格昂貴，污染大的材料；

③盡量選擇環境兼容性好的材料，避免選用有毒、有害和有輻射性的材料。這樣有利于提高產品的回收率，節約資源，減少產品毀棄物，保護生態環境。綠色制造工藝技術

綠色制造工藝技術是指在產品加工過程中盡量節約能源、減少污染的制造技術。綠色制造工藝技術包括綠色新型工藝技術、傳統工藝綠色化技術、綠色替代工藝新技術、生產過程綠色化技術等。

機械行業典型的綠色制造工藝技術有：

1.綠色鑄造技術，包括：

消失模鑄造；

v法鑄造；

水玻璃自硬砂工藝等。

2.綠色鍛造技術，包括：

精密鍛造；

多向模鍛；

回轉塑性成型鍛造技術等。

3.綠色熱處理技術，包括：

真空熱處理；

高能束熱處理；

氮基保護氣氛熱處理技術等。

4.綠色表面涂裝技術，包括：

水性涂料；

高固體份涂料；

粉末涂裝；

電泳涂裝等。

5.綠色切削加工技術，包括：

高效數控加工；

干式切削；

低溫切削；

硬態切削等。

6.特種加工技術，包括：

激光加工技術；

超聲波技術；

高壓水謝流切削等。

7.現代制造技術，包括：

3D打印技術；

虛擬制造技術；

網絡化制造技術等。綠色工程設計技術

1.綠色動能技術，包括：

余能回收利用技術；

新能源應用技術；

能源集中管理技術。

2.綠色室內環境調控技術，包括：

地（水）源熱泵技術；

空氣源熱泵技術；

高大空間分層空調技術；

輻射采暖技術；

車間通風技術。

3.綠色建筑技術，包括：

綠色建材技術；

建筑保溫隔熱技術；

遮陽技術；

采光照明技術。

4.綠色水系統技術，包括：

循環冷卻技術；

中水回用技術；

雨水收集利用技術。

5.隔音降噪技術及粉塵治理技術，包括：

隔音降噪技術；

廢氣粉塵治理技術。

綠色再制造技術，包括：

再制造折解技術；

再制造清洗技術；

再制造檢測技術；

再制造加工技術等。

資源回收利用技術，包括：

報廢汽車產品回收折解及利用技術；

廢棄機電產品回收折解利用技術。綠色制造共性技術

綠色制造共性技術可以為綠色制造實現節能減排、提高資源的綜合利用率提供技術支持,主要有：

1.綠色設計與生命周期評價方法及技術，重點研究產品的輕量化設計、節能降噪設計、資源節約性設計等面向產品全生命周期的綠色設計方法，建立綠色設計基礎數據庫和知識庫，開發支持生命周期評價技術的綠色設計工具平臺，促進綠色產品設計的推廣和應用，推動產品資源性能和節能性能的大幅提升。

2.綠色制造技術標準及信息平臺，構建綠色制造技術標準體系，開展綠色制造技術標準研究以及標準協調、標準化服務活動，制訂與國際接軌的綠色制造技術規范和標準，針對制造企業產品的設計、制造、使用、回收及再制造等全生命周期的綠色化，建立統一的標準基礎數據及信息平臺。3.潔凈切削加工理論與技術，開展干切削、新型綠色切削介質、準干切削等相關切削機理、刀具技術與工藝實現方法研究，實現加工方式從傳統的大量使用切削液向綠色少、無切削液使用轉變，達到高效切削、節能減排、綠色環保的目標。

4.綠色制造過程碳效優化理論與關鍵技術，研究制造過程碳效分析模型及評估，能耗產需預測、測量、監控與評估，以及制造過程資源和能量利用率優化、廢棄物排放最小、制造過程碳效協同平衡與綜合優化、管網模擬、機電系統能耗測量、節能減排監控及其支持系統等技術。

5.退役產品逆向回收物流與再資源化技術，開展退役產品回收、拆解、分選、回收利用、再制造、廢棄物處理在內的逆向物流設施布局、自動分揀與跟蹤技術、廢舊物資庫存控制等逆向回收物流技術研究；對退役產品破碎、材料分選以及破碎殘余物的資源化和能源化關鍵技術進行研究，提高退役產品回收利用率。6.再制造基礎理論及關鍵技術，針對制約再制造技術應用中的關鍵基礎科學和技術瓶頸問題，重點突破再制造對象剩余壽命演變規律，可再制造性評價理論；再制造毛坯綠色清洗技術；再制造成型過程的高效控形、控制理論；再制造產品壽命預測及其可靠服役。構建再制造基礎理論方法和關鍵技術體系，促進我國再制造產業的快速和健康發展。

7.再制造產品壽命預測與安全服役關鍵技術，針對再制造產品壽命的不確定性問題，對再制造毛坯的損傷檢測技術、再制造零件初始質量評價與控制技術、再制造零件動態健康監測的傳感技術、再制造產品在強耦合條件下的服役安全與綜合驗證技術，開發相關應用裝置，在重載車輛及關鍵部件發動機等典型再制造產品和零部件上進行試驗驗證。5.綠色制造的發展趨勢

1.全球化——綠色制造的研究和應用將愈來愈體現全球化的特征和趨勢

2.社會化——綠色制造的研究和實施需要全社會的共同努力和參與，以建立綠色制造所必需的社會支撐系統。

3.集成化——綠色制造涉及到產品生命周期全過程，涉及到企業生產經營活動的各個方面，因而是一個復雜的系統工程問題。

4.并行化——綠色設計今后仍將是綠色制造中的關鍵技術。綠色設計今后的一個重要趨勢就是與并行工程的的結合，從而形成一種新的產品設計和開發模式綠色并行工程。

5.智能化——人工智能和智能制造技術將在綠色制造研究中發揮重要作用

6.產業化——綠色制造的實施將導致一批新興產業的形成

謝謝，祝大家身體健康，工作順利!前言

鑄造：將液態金屬液體澆入預先準備的型腔里，金屬液在重力場或外場（如壓力場、電磁場等）的作用下凝固后獲得一定形狀和性能鑄件的成形方法。利用鑄造工藝形成的毛坯或零件就叫鑄件。鑄造的方法很多，主要有砂型鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、離心鑄造以及熔模鑄造等，其中以砂型鑄造應用最為廣泛。目前，對于形狀復雜的機器結構零件，鑄造仍然是最可行和最經濟的加工方法。鑄造為機械工業提供毛坯，機械工業是其他工業的基礎，因此，鑄造是基礎的基礎。如果取消鑄造，有一些行業就難以生存，如機床行業、汽車行業、冶金行業、礦山行業等。

鑄件在一些機器中所占的比重：

機床80～90%拖拉機50～70%內燃機70～90%.

發動機80～90%重型機器70～90%農業機械40～70%

鑄件也與日常生活有密切關系。例如經常使用的門把、門鎖、暖氣片、上下水管道、鐵鍋、煤氣爐架、熨斗等，都是鑄件。鑄造行業作為中國制造業的一個重要組成部分，在快速發展的同時也暴露出了極大的能源和環境問題。由于能源消耗和環境污染給中國經濟的可持續發展帶來了巨大的壓力，國家將節能減排、綠色制造和循環經濟作為國家社會和經濟發展的重點，面向21世紀的鑄造技術也將朝著綠色鑄造工藝方法和材料裝備的方向發展。

砂型鑄造是鑄造工藝的主要方法，占整個鑄件產量的80%～90%。在鑄造生產中，由砂型鑄造的造型材料帶來的粉塵污染、空氣污染及固體污染最為嚴重。因此，實現砂型鑄造的綠色清潔生產對實現綠色鑄造具有重要的意義。要實現砂型鑄造的綠色清潔生產，應盡量采用綠色的無機粘結劑，并盡量降低粘結劑的加入量（最好不加粘結劑），這樣對解決舊砂的再生回用問題大有益處，對環境的壓力也將大大減小。

在目前涉及的砂型鑄造的各種方法中，采用無粘結劑干砂造型的消失模鑄造和V法鑄造、采用有粘結劑的有機酯水玻璃砂自硬砂鑄造是最可能實現綠色鑄造生產的工藝方法。無粘結劑的消失模鑄造被譽為“21世紀的鑄造新技術”、“鑄造中的綠色工程”等；有機酯水玻璃砂被國內外的許多專家稱為最有可能實現鑄鋼件綠色鑄造生產的型砂；而V法鑄造也因其具有節能、高效、環保、高品質的工藝特點而廣受好評，在21世紀將有廣闊的應用前景。1.消失模鑄造工藝

01.工藝簡介

02.主要特點

03.關鍵技術

04.與粘土砂對比

05.應用狀況、存在問題和發展方向

06.消失模鑄造設備

07.工藝的典型案例和應用

消失模鑄造工藝簡介

消失模鑄造（又稱實型鑄造）是將與鑄件尺寸形狀相似的泡沫模型粘結組合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振動造型，在負壓下澆注，使模型氣化，液體金屬占據模型位置，凝固冷卻后形成鑄件的新型鑄造方法。

在國外，消失模工藝已經有了五十年的發展歷史，但是應用于大規模生產還是在最近的二十幾年。前幾年我國消失模鑄造技術應用雖然進展緩慢，但是在近五年來得到了快速發展。特別是由于消失模鑄造設備投資少、工藝路線短、工序簡化、占地面積小、鑄件尺寸精度和外觀精度高，許多原有的中小鑄造企業也越來越多地采用該項技術。

消失模鑄造的工藝過程包括制造模樣、模片及澆注系統粘合、噴（或浸）涂料、填砂緊實、澆注、取出鑄件等步驟，與普通砂型鑄造工藝步驟相比要簡單許多。

消失模鑄造的主要特點

與普通砂型鑄造相比，消失模鑄造除了上述兩個優點之外，還有以下四個特點：

（1）消失模鑄造生產線可以一線多用，不僅可以做鑄鐵、球鐵，還可以同時做鑄鋼件，而且同時適用與各種批量的鑄造件，轉項靈活，適用范圍廣。

（2）消失模鑄造沒有飛邊毛刺，清理工時可以減少50%以上。

（3）消失模鑄造勞動強度低，作業環境好。

（4）簡化了工廠設計，固定資產投資能夠減少30-40%，占地面積和建筑面積可減少30-50%，動力消耗可減少10-20%；消失模鑄造關鍵技術

消失模鑄造的關鍵技術包括：

（1）泡沫模樣材料及成形技術（2）型砂振動緊實技術

原始模樣質量鑄件廢品率

（3）真空度（4）型砂水分

鑄型強度型砂流動性

（5）涂料及涂敷技術（通用）（6）工藝設計（通用）

鑄件表面質量鑄件成品率消失模鑄造與砂型鑄造對比項目消失模鑄造粘土砂型鑄造鑄件質量表面精度比粘土砂高2級，不容易出現內部缺陷，容易出現氣孔標準工藝出品率約90%72%制芯無需制芯復雜鑄件需要鑄件成本下降10%-30%無下降砂處理型砂可全部重復使用，取消了型砂制備工部和廢砂處理工部；標準粘土砂處理模具采用金屬模，初始投資大，金屬膜可使用10萬次以上金屬模型或木模適用范圍不僅適用于鑄鋼、鑄鐵，更適用于鑄銅、鑄鋁等鑄鐵為主輔料添加耐火涂料粘結劑、陶土、鎂粉等總結除個別方面不如砂型鑄造，其他方面均勝過砂型鑄造傳統方法，污染較大、效率高，工藝簡單消失模鑄造技術的應用狀況、存在的問題及發展方向

我國鑄鐵件的消失模鑄造生產技術在我國已基本成熟，鑄鋼件（除低碳鋼件的滲碳缺陷控制外）的消失模鑄造技術在我國也基本掌握。

鋁合金的消失模鑄造，仍然還有許多技術上的難關沒有完全攻克，在工業發達國家（如:美國等）消失模鋁合金鑄件占主導地位，就是已鋁合金消失模鑄造為主；在我國則是以黑色金屬尤其是鑄鐵為主，近年來有不少國內鑄造企業已具有生產優質鋁合金和鋼合金鑄件的能力，盡管與發達國家仍存在差距，但已走出了消失模生產有色精鑄鑄件的第一步，今后大力發展鋁合金消失模鑄造成為我國消失模鑄造行業的一個方向。消失模鑄造設備

消失模鑄造的專用設備主要分白區和黑區兩大類：白區指的是泡沫模型的制作區、黑區指的是造型及砂處理區，白區（模樣制作）設備，主要有間歇式預發泡機、成型機、蒸缸和電熱絲切割機以及涂料攪拌機；白區工作環境相對較好，一般為單獨的車間。

發泡機

泡沫模樣

消失模鑄造生產線

黑區設備主要有振實臺、負壓系統和EPC生產線（包括專用砂箱、砂箱輸送系統、砂處理和砂冷卻系統等）。消失模鑄造生產線主要指黑區設備，現國內黑區設備主要分為三類：

單機或簡易型鑄造生產線

通常在鑄造車間設置1臺（造型時用）三維振動臺，10多個專用砂箱，砂箱吊運或設有輥（軌）道的砂箱簡易輸送線，干砂一般是自然冷卻或設有簡易型砂冷卻裝置，另加一套抽真空系統和砂除塵篩分設備。

國產型消失模鑄造流水線

采用機械、液壓、氣動和電控方式，自行設計的國產型生產線，其砂箱數在30-50余個不等；均設有比較齊全的砂處理生產線；生產規模在區間2000―30000t，投資較少。

引進消失模鑄造流水線

從國外引進單機、主要設備和鑄造生產線，投資少則1000萬元人民幣，多則（累計）8000萬元人民幣，一般在4000—5000萬元人民幣。消失模鑄造典型案例

某鑄鍛公司

自九十年代末從美國及德國引進消失模鑄造生產線及技術。配置全進口自動預發機、成型機、模型粘結機；并在2012年建成投產第二代生產線，新線設計中在真空系統參數、砂冷卻系統、膜片烘干等關鍵技術參數及系統改進；進一步優化工藝流程；相關輔助裝備配套采用了如柔性涂膠機械手、半自動澆注機、取件機械手等先進設備設施。主要生產變速箱箱體、減速器殼等鑄件，生產能力達到6000t/a。

2.V法鑄造工藝

01.工藝簡介

02.工藝特點

03.關鍵技術

04.與砂型鑄造對比

05.應用狀況、存在問題和發展方向

06.V法鑄造設備

07.工藝的典型案例和應用

V法鑄造工藝簡介

V法造型（VacuumProcessMoulding）又名真空密封造型。其原理是將干燥原砂（不加粘接劑，無需混制）填入已放置好模型的砂箱內。兩端用塑料薄膜覆蓋密封，然后自砂箱內抽出空氣使鑄型內外有壓力差促使干砂密實，從而形成所需的鑄型。這是一種國際上公認的最先進的物理造型方法之一。

V法鑄造是日本人發明的專利。經過近40年不斷的研究與發展，V法鑄造目前廣泛應用于鋁合金，鑄鐵，鑄鋼及其他特種合金材質，它以尺寸精度高、表面粗糙度低、鑄造缺陷少、成本低廉、型砂無需混制等優點越來越受到國內鑄造行業青睞。

V法鑄造有著較為簡單的工藝流程：

V法鑄造工藝特點

（1）型砂一般采用干燥石英砂，不加粘接劑，不需混碾，故無需濕法鑄造用的型砂、混制、磁選、松砂等設備。

（2）鑄型在適當的真空度下，砂的緊實度及表面硬度都高于多觸頭高壓造型，故能保證鑄件有高的尺寸精度。

（3）型腔采用塑料薄膜成型，故鐵水流動性較好，鑄件表面質量高。

（4）開箱、砂處理及鑄件清理工序均比濕法鑄造簡化，設備投資也較省。V法鑄造關鍵技術

真空度：真空度影響到鑄型的硬度，影響真空度的主要因素有真空泵的抽泣能力、負載砂箱的大小、數量及真空管道的漏氣情況。（同消失模）

加熱軟化溫度：EVA塑料薄膜的軟化溫度為90℃，一般是當面膜鏡面由中央擴散到邊緣時（鏡面下垂250-300mm）即可覆膜，加熱溫度80℃左右。

型砂水份：應嚴格控制在0.5%-1%區間以下，否則砂型中會出現“蜂窩”，澆注時容易塌箱。（同消失模）

微振緊實時間：在加砂量達1/3左右時開始微振，振動時間根據砂的多少及工件大小不同來選擇。（同消失模）

保壓釋壓時間：根據鑄件結構和大小來確定。實際生產中，通常大件澆注后保持真空1.5-2.5h，再減壓1.5h，然后解除真空，冷卻和保溫時間由材料和鑄件尺寸決定。（同消失模）

V法鑄造與砂型鑄造對比

以某雙頭鏤機鑄件為例，其材質為HT200，下表是V法鑄造和砂型鑄造對比：項目V法鑄造砂型鑄造筋板拔模斜度0～1.5°2°外壁拔模斜度0°2°外壁加工余量（mm）01～2大平面加工余量（mm）1～22～3輔料添加覆完膜后在表面刷醇基涂料粘結劑、陶土、煤粉等尺寸精度為CT7～9級CT10～12級毛坯重量（kg）300370產品重量（kg）290290

鑄件對比V法鑄造技術的應用狀況、存在的問題及發展方向

應用狀況

中國自1983年引進V法鑄造技術以來，V法鑄造工藝已在國內取得了飛速發展，據全國消失模與V法學會統計，截至2012年7月，全國有超過450余家V法鑄造企業，并擁有V法鑄造專利超過40多項。

存在的問題

（1）造型操作復雜，小型鑄件造型生產率不高。

（2）V法造芯技術還不成熟，必須采用樹脂砂或水玻璃砂芯才能制造內腔復雜的鑄件。

（3）從造型、合型、澆注直到鑄件落砂，都要對鑄型保持負壓，這對機械化流水生產帶來一定困難。

（4）受到塑料薄膜的伸長率和成形性的限制，不適合生產外形復雜的鑄件。

發展方向

大型化、機械化、智能化。V法鑄造設備

（1）單機V法造型線

單機V法造型線有兩臺造型機組，分別造上下箱。采用覆膜器烤膜覆膜，固定震實臺震實，起模機或行車起模。干砂一般自然冷卻或設有簡易型砂冷卻裝置，另加一套抽真空系統和砂除塵篩分設備；設備布置靈活，投資少。

（2）小車穿梭式V法造型線

穿梭式Ｖ法線由兩臺造型機組分別造上下箱。每個機組由加熱覆膜工位、填砂振實工位、起模出型工位及穿梭小車組成，穿梭小車在三個工位穿梭間行進將各工位工作連接起來，使Ｖ法造型實現了自動化造型線生產模式，提高了生產效率和產品質量。穿梭式V法造型線設備投資較小，生產靈活，生產效率也較高，國內目前應用此種類型的生產線較多。

V法鑄造生產線

（3）轉臺式V法造型線

轉臺式V法造型線占地面積小。造型效率高，核心的轉臺造型將造型各工步環形分布，通過一轉盤實現模樣在各工步間的移動。轉臺的形式有兩工位、四工位、六工位、八工位等多種形式。工位越多，分工越細化，工序之間的干擾越小。造型的速率也就越高。

（4）機械化V法造型線

機械化V法造型線一般是大型開式自動化線，由造型圈、下芯線、澆注線、落砂線、推送緩沖裝置、轉運車、翻箱裝置、清掃裝置、安全護欄、真空連接裝置、砂處理、輔助的液壓、電控、氣動等部分組成，整條造型線呈開式布置。整條造型線采用機械、液壓、氣動和電控方式將各工序聯動作業，形成機械化自動化生產，整條線不但性能可靠、技術先進，而且機械化程度高，效率高，造型效率可達20型/小時。

V法鑄造典型案例和應用

某鑄鍛廠

該廠第四代V法造型線于07年投產。往復式雙工位造型機，采用液壓頂桿預取模，在線機械取模、翻合箱實現造型機械化作業。砂處理放入地下，采用輥道自動回箱，真空系統采用高、低壓分開設置等。主要生產叉車配套及相關工程機械、農機配件。并向薄壁、超大、強鐵、球鐵等附加值較高產品發展，實現產品技術升級。產品已拓展到小型挖機平衡重、農機配套件、一些薄壁件、結構件；汽車吊配重、起重機配套平板件、大型球鐵件；具備其它大型減速箱、QT橋、鑄鋼橋等產品V法工藝生產能力。

3.有機器水玻璃自硬砂鑄造工藝

01.工藝簡介

02.工藝特點

03.關鍵技術

04.與樹脂自硬砂對比

05.應用狀況、存在問題和發展方向

06.水玻璃自硬砂鑄造設備

07.工藝的典型案例和應用

有機酯水玻璃自硬砂簡介

有機酯硬化水玻璃砂工藝簡稱酯硬化水玻璃砂工藝，由美國在1967年開始首先使用；1972年我國上海滬東造船廠開始試驗，1984年通過中船公司組織的鑒定，開始在造船、重型、通用等行業的鑄鋼生產中推廣應用，目前已經在機車的搖枕、側架及重大鑄鋼件的生產中的到了廣泛的應用。有機酯硬化水玻璃砂工藝被認為是CO2水玻璃砂工藝發明以來，水玻璃砂技術的第二次大的突破。

有機酯硬化水玻璃砂具有水玻璃砂和自硬樹脂砂的綜合優勢：其硬化劑（有機酯）無毒、無氣味，符合綠色環保的要求；型砂的強度高、硬化速度可調，型砂的穩定性高；水玻璃加入量少，潰散性較好，鑄件的落砂清理較容易。該工藝已經在鑄造業受到普遍認同，被公認為最有可能實現鑄鋼生產綠色鑄造的型砂工藝。

典型鑄件——搖枕、側架、大型鑄鋼件有機酯水玻璃自硬砂的主要特點

（1）型砂流動性好，容易緊實，便于實現機械化操作。

（2）型砂透氣性好，澆注時排氣通暢。

（3）型砂不粘模（木模表面不可涂刷能在有機醋中溶解的油漆），造型時模具表面不必涂脫模劑。

（4）型砂硬化后強度高，有利于吊砂造型，減少砂芯，也有利于簡化芯骨。

（5）新配制的型砂具有粘附性，能較好地粘附在己硬化的砂型（芯）上，這一性能有助于修型。當砂型（芯）局部損壞時，只要去除浮砂，挖一溝槽或釘幾只圓釘，覆上新配制的型砂，待其硬化后即可使用。

（6）砂型（芯）在防止吸濕的條件下方可貯存，不然會發生反堿現象。

（7）型砂水分含量低，但砂型有一定的吸濕性，氣候干燥時，硬化后可直接合型澆注；如氣候潮濕，應經熱風干燥后澆注，避免鑄件產生氣孔缺陷。有機酯水玻璃自硬砂關鍵技術

（1）高性能水玻璃粘結劑。強度更高、性能更好且穩定的新型環保水玻璃粘結劑是實現水玻璃砂綠色鑄造的基礎。

（2）水玻璃砂的硬化工藝。水玻璃砂的應用及發展歷史表明，硬化工藝的更新會帶來水玻璃砂技術進步的飛越。

（3）新型水玻璃舊砂再生工藝技術。實現水玻璃舊砂的完全再生回用是實現水玻璃砂綠色鑄造的核心。在現有“水玻璃舊砂干法回用與濕法再生”認識基礎上，進一步研究環境溫度（或受熱溫度）和濕度對水玻璃舊砂粒上殘留粘結劑的影響，對開發新的水玻璃舊砂再生技術實現水玻璃砂綠色鑄造具有重要意義。有機酯水玻璃自硬砂與樹脂自硬砂對比呋喃樹脂自硬砂堿性酚醛樹脂自硬砂有機酯水玻璃自硬砂工藝配方樹脂:1.0-1.2%固化劑:0.5-0.6%硅烷:適量樹脂:1.5-2.0%固化劑:0.4-0.5%硅烷:適量水玻璃:1.8-3.0%有機酯:0.4-0.5%型芯存放性好,基本不吸濕好,吸濕少較好,吸濕少鑄件表面質量尺寸精度好好好型芯落砂潰散性極佳,極易清理較易清理,潰散性較好再生回用性干法回用性最好可干法再生,回用性較好可干法回用,回用性較好再生回用率>90%70-80%>80%勞動條件較差較好好環境保護有污染污染較小污染最小鑄造缺陷熱裂.氣孔.粘砂等缺陷小缺陷小型砂成本中較高較低有機酯水玻璃自硬砂的應用狀況、存在的問題及發展方向

（1）有機酯硬化水玻璃砂的應用狀況

有機酯硬化水玻璃砂在我國主要應用于鐵路機車裝備和特大型鑄鋼件領域。其中應用于鐵路機車裝備的主要產品是搖枕、側架。

（2）存在的問題

有機酯硬化水玻璃砂存在的問題是：自硬砂脆性大，復雜鑄件起模時邊角容易損壞；型砂流動性潰散性比不上樹脂自硬砂，落砂及再生較難。

（3）發展方向

提高脫膜效率,開發低水玻璃和固化劑加入量和改善潰散性的新助劑新工藝將是今后的研究方向。有機酯水玻璃自硬砂鑄造生產設備

有機酯水玻璃生產設備包括造型（芯）設備及舊砂再生設備，其重點在舊砂再生，熱法再生的其典型工藝流程為：鑄件——振動落砂——振動輸送——懸掛磁選——斗提——砂庫——振動給料——振動破碎——磁選——斗提——焙燒——一級再生——斗提——緩沖砂庫——二級再生——沸騰床——斗提——砂庫——砂溫調節——氣力輸送——（鉻鐵礦砂分離系統）——砂庫——（混砂機）。詳見下圖：

有機酯水玻璃自硬砂案例

某重型機器冶鑄廠

在改造之前，公司一直采用傳統的CO2水玻璃砂工藝生產冶金、礦山、電站、船用等特大型鑄鋼件，由于該工藝潰散性差，舊砂不能再生回用和廢砂排放引起的環保問題，已經不再適合當前經濟形勢下綠色制造的理念，公司通過技術改造，采用了有機酯硬化水玻璃自硬砂。經過技改，目前已成功澆注出16500t油壓機上橫梁、動梁、下橫梁；600MW汽輪機缸體；4300mm厚的板扎機機架等特大型鑄鋼件，其中上橫梁鑄件重達453t，澆注總鋼液重630t。

某車輛有限公司

2008年投產“酯硬化水玻璃自硬砂造型生產線及水玻璃自硬砂舊砂再生線各一套”，2009年2月正式投產運行。該項目設計年產量為2萬t機車搖枕側架鑄鋼件，建成投產后基本達到設計能力，為公司創造了極大的經濟效益。該項目采用目前較先進的有機酯水玻璃砂鑄造工藝，配置舊砂熱法再生裝置，使有機酯水玻璃砂的回用率達到85%以上，每年可減少廢砂排放量約4萬t，創造了極大的社會效益。

總結

作為最能夠實現綠色鑄造的三種工藝，與傳統的粘土砂工藝相比，三種工藝在鑄件產品方面均有不同程度的優勢，在此不再贅述。其中，消失模和V法鑄造的主要優勢在于砂處理的簡化，減少了空間，節省了投資，改善了環境；有機酯水玻璃自硬砂的主要優勢在于型砂強度高、潰散性好，勞動條件好、有害氣體少。

企業一般會根據自身產品的特點來選擇鑄造工藝，本次介紹的三種工藝基本覆蓋了所有的鑄件種類，在提倡綠色發展,推動綠色革命,創建資源節約型和環境友好型社會的今天，推動綠色鑄造在產業中的應用已是刻不容緩。前言

高效、節能、環保是綠色鍛造的最具體體現，節約能源、節約材料、節省人力、符合環保、穩定質量、提高效率、節省投資都是綠色鍛造的范疇。綠色鍛造技術，最直接的方法是采用精密鍛造、特種鍛造成形工藝及設備。

區別于普通鍛造的主要特點：

1）變形力小，實現小設備干大活

2）鍛件精度高，加工余量小，材料利用率高。

3）工序簡單、生產效率高，能滿足零件的特殊要求

此外，采用特種鍛造工藝設備還有噪音低、振動小、勞保條件好等。目錄

前言

1.精密鍛造

2.特種鍛造

1.精密鍛造

1.工藝特點及分類

2.主要應用領域

3.冷鍛成形

4.溫-冷、熱-冷聯合成形

5.精密鍛造設備、模具

6.精密鍛造的發展趨勢

工藝特點及分類

特點

精密鍛造成形技術——近凈鍛造成形技術，是指零件成形后，只需要少量

加工或不再加工，就可用作機械構件的成形技術，即鍛造接近零件形狀的工

件毛坯。橫鍛名稱精度尺寸精度表圖粗糙度普通橫鍛±0.5mmRa12.5um精度橫鍛一般精度較高精度Ra0.8-3.2um±0.10-0.25mm±0.05-0.10mm分類

按成形溫度不同分：冷精鍛、溫精鍛、熱精鍛、復合精鍛、等溫精鍛等。

按成形原理不同分：擠壓、多向模鍛、精密輾壓、等溫鍛造、超塑性成形等。主要應用領域

批量生產的零件，如汽車、摩托車、兵器、通用機械上的一些零件，特別復雜的零件。

航空、航天工業的一些復雜形狀零件，特別是一些難切削的復雜形狀零件，鈦合金、高溫合金等難切削的貴重材料零件，高性能、輕量化結構零件。

冷鍛成形

主要優點：

成形精度高，后續機加工量少；

內部組織致密，產品疲勞強度高；

材料利用率高；

生產率高，每分鐘達幾十次甚至上百次；

容易實現自動化。

歐美和日本等汽車工業強國一輛汽車的冷鍛零件已有70余種，零件總重量超過50kg，最重的冷鍛件達到2.3kg，齒形精度可達IT7級。

一些典型的汽車零部件冷鍛毛坯

一個典型的汽車零部件冷鍛工藝流程

多工位冷鍛取消了單機冷鍛工序間的退火和磷、皂化處理，將幾個冷鍛工序集中在一臺壓機上，實現工位間的自動搬送，縮短生產周期。

溫-冷、熱-冷聯合成形

溫—冷、熱—冷聯合成形，以溫鍛或熱鍛工藝完成毛坯的大變形加工，再以冷精整的方法獲得最終精度，解決大規格產品冷鍛成形的模具和設備能力不夠的問題，并解決中、高碳合金鋼溫鍛和熱鍛成形精度不高、而冷鍛成形受到變形量制約的問題。

采用溫鍛、冷精整成形的萬向節外套

等速萬向節殼體的溫—冷聯合成形溫—冷聯合成形與冷鍛成形、熱鍛—機加工成形的比較成形精度可成形尺寸材料利用率生產周期自動化綜合制造成本生產效率冷鍛成形高小高長容易中高溫-冷聯合成形高，較高較大高短容易低高熱鍛-機加工低大低最短較容易高低備注包含鍛后切削加工包含鍛后切削加工聯合成形生產布局（以等速萬向節殼體為例）

采用流程化生產模式，將零件生產設計在一個車間內完成全過程。每個工序的生產能力，按多工位壓機生產節拍來設計，工序間采用輸送帶。鍛件從下料到出廠，生產周期可控制在8小時之內；采用快速換模，在制品存量小，生產成本低。

溫—冷聯合成形，可減小壓機噸位，采用高分子材料潤滑，取代非環保的磷皂化處理。

選用高速鐓鍛機熱鍛成形，冷精整。與傳統的閉塞冷鍛相比，生產率高、單位能耗低、生產周期短。傳統冷鍛工藝，從原材料下料、軟化退火到冷鍛成形，至少要72小時，中間還需要磷皂化處理。

采用高速鐓鍛機熱—冷聯合成形，鍛后控制冷卻替代軟化退火，只需要8小時。

優勢：效率極高，成本較低。

劣勢：熱鐓鍛機價格昂貴，只有國外極少的幾個公司如瑞士的哈特貝爾、日本的坂村等能提供這一類設備。因此，只有年產量達到1000萬件的鍛件才適合考慮采用這個方案。

錐齒輪的高速熱鐓鍛成形歐洲某公司高速熱鐓鍛機上進行錐齒輪的高速熱鐓鍛成形。

節拍90—150件/min。齒形模具與工件接觸時間極短，很好地解決了高效率生產與模具壽命間的矛盾。

行星齒輪的溫鍛—冷精整，與磷酸鹽處理告別

熱-冷聯合成形的變速箱結合齒坯

精密鍛造設備

目前，用于生產高精度產品的壓力機都靠進口。據統計，我國鍛造行業現有大型冷鍛壓機的90%，冷鍛模具的50%是從德國、日本和瑞士進口的，價格昂貴。序號設備型號、名稱制造廠家用戶廠家價格1MSF-1000型10MN冷鍛液壓機日本MOR公司江蘇飛船齒輪廠1500萬元RBM2KB2-1000型10MN立式上驅動多工位冷擠壓機德國Schuler公司國內某廠350萬USD3KB2-1000型10MN肘桿式自動冷擠壓機中德合資天津南德壓力機有限公司天津汽車鍛件有限公司1200萬RBM4KB2-1600型16MN肘桿式自動冷擠壓機德國Schuler公司上海納鐵福傳動軸有限公司投資1億元RBM建線2.特種鍛造

1.多向模鍛

2.回轉塑性成形

2.1輥鍛

2.2輾環成形

2.3楔橫軋

多向模鍛

工藝特點

是在多向模鍛液壓機上進行分模模鍛的一種精密鍛造技術，用一個或幾個沖頭使坯料在可分凹模中成形的模鍛工藝，其變形原理實質上是復合了擠壓與模鍛，且以擠壓變形為主。其特殊形式是分模模鍛、閉塞鍛造。

特點：

1）可以獲得無飛邊、無模鍛斜度（或有局部小斜度）、帶有多個枝丫、凸臺和孔腔的復雜形狀鍛件。

2）鍛件內在質量高。

3）坯料形狀簡單，成本低。火次少，通常為單模腔、一火成形，能耗低，模具投入少，生產率較高。

4）應用范圍擴大到溫度窄、塑性低的材料。

5）模具結構簡單、使用壽命長。

傳統模鍛，飛邊達鍛件質量的15～30%。以閥體為例，改用多向模鍛，不僅能大大降低飛邊的金屬消耗，還可鍛出無模鍛斜度或斜度很小（1～3°）的深孔件，公差和余量可減少1/3～1/2，并能鍛制其他難以成形的復雜形狀的精密鍛件，材料利用率從25～70%提高到50～85%。

材料利用率提高、鍛件尺寸精化，切削加工量減少40～60%，能耗降低。

模鍛工步少，生產率提高25～50%。

不需要切邊工序，易于實現機械化和自動化。

多向模鍛件與普通模鍛件的經濟效益對比鍛件名稱模鍛類型完成鍛件工序/道零件重量/kg鍛件重量/kg坯料重量/kg材料利用率/%機械加工工時/h下套筒普通模鍛190.768.8010.07.603.08ˊ多向模鍛85.055.1214.92.38ˊ噴管普通模鍛132.06.108.8922.53.52ˊ多向模鍛74.224.3246.33.12ˊ大外筒普通模鍛1.7510.3010.8016.334ˊ多向模鍛5.025.2033.732.30ˊ小外筒普通模鍛0.835.105.3515.534ˊ多向模鍛3.133.2025.932.30ˊ球形接頭普通模鍛220.973.475.1318.945ˊ多向模鍛92.02.0547.319ˊ缸體普通模鍛0.4513.715.229.6多向模鍛8.18.751.7典型零件

多向模鍛壓機核心結構圖

機架采用整體框架結構，上橫梁裝有垂直缸，工作臺兩側各裝有一個水平缸。根據多向模鍛工藝的需要，有的壓機還裝有垂直穿孔缸、頂出缸。國外多向模鍛壓機

美國CameronIron公司的180MN板框組合結構多向模鍛水壓機正在生產核電設備上的大型三通鍛件。

美國CameronIron公司的100MN多向模鍛壓機

在美國除了CameronIron公司外，其他公司還安裝了36MN、72MN、315MN多向模鍛水壓機各1臺；在前聯邦德國安裝了1臺單缸300MN多向模鍛水壓機，在前蘇聯安裝了20MN、50MN、100MN、500MN多向模鍛水壓機各1臺。

前蘇聯成系列生產了1.6MN、3.5MN、4MN、6MN、10MN、20MN小型多向模鍛液壓機。

美國Ellwoodtexasforge公司的110MN多向模鍛壓機以及該壓機生產的模鍛件。我國最新研制的多向模鍛壓機

清華大學與中冶京唐合作研制的40MN、120MN多向模鍛壓機，以及6”核燃料真空閥體。經檢測，主要機械性能提高30%，節約加工工時50%以上。

3）二重的200MN多向鍛壓機，主要用于航空領域多向模鍛件的生產。

4）南京迪威爾已訂購一臺200MN多向模鍛壓機，主要用于陸地及水下采油樹鍛件的生產。該壓機由weipuke-panke設計，機械部分國內制造，液壓系統、電氣系統系weipuke-panke總包，2016年年底投產。

5）天鍛28MN多向模鍛壓機，2012年出口美國，主要用于石油鉆桿接頭的生產。

28MN多向模鍛壓機以及石油鉆桿接頭回轉塑性成形

工藝特點

回轉塑性成形——在材料塑性成形過程中，模具與工件兩者均回轉，或其中一方回轉使零件坯料變形的方法。由連續的局部變形累積完成全部成形。

分類

回轉成形工藝包括：輥鍛、輾環、楔橫軋、螺旋孔型斜軋、擺動輾壓等。

回轉塑性成形——輥鍛

輥鍛

金屬坯料在兩個相對旋轉的扇形模中通過而產生塑性變形，是成形軋制（縱軋）的一種特殊形式。

輥鍛前輥鍛后

前梁

曲軸

連桿具有高效、節能、環保等特點，屬于國家重點推廣的新技術之一，尤其是精密輥鍛技術，主要特點包括：

1）生產率高。

2）勞動條件好，容易實現機械化與自動化。

3）節約材料～20%，降低成本15～20%。

4）實現小設備上干大活。

5）設備重量輕、沖擊、噪聲振動小、不需要高大廠房和龐大的基礎。

6）模具壽命高，可達5萬件。

7）鍛件金相組織、纖維流線好、疲勞壽命高。

國外在汽車、拖拉機以及日用五金等行業，對連桿、曲軸、前梁、葉片、板手等長軸類鍛件，廣泛采用輥鍛工藝制坯。輥鍛機

按鍛輥結構分：懸臂式輥鍛機、雙支承式輥鍛機、復合式輥鍛機三類。

懸臂式輥鍛機——剛性差，適合于制坯輥鍛。

雙支承式輥鍛機——剛性好，用于各種目的的輥鍛。

復合式輥鍛機——將上述兩種結構類型的輥鍛機結合在一起，具有兩者的特點。

懸臂式輥鍛機雙支承式輥鍛機經典案例——轎車連桿的精密輥鍛

本田轎車連桿的工藝流程：

下料——中頻感應加熱——4道次精密輥鍛制坯——預鍛——終鍛——切邊——熱處理——噴丸——熒光探傷——精壓——檢驗。

采用雙支承輥鍛機4道次精密輥鍛制坯，與傳統的模鍛工藝相比，節約原材料15%，能耗降低60%，鍛件成本降低10%。

80年代在山東淄博建成第一條連桿輥鍛自動線，兩班年生產能力80萬件，節省材料10%，勞動生產率提高2倍，單位成本降低35%。經典案例——鉤尾框

鉤尾框特點：

1）鍛件重～100kg，展開長度～2000mm，鍛造工藝復雜，需要大噸位模鍛設備；

2）主軸線上下部分不對稱，前后部分對稱，形狀復雜；

3）屬于異形長件，局部很薄，形狀難以控制，兩端難以充滿；

4）縱向起伏變化多，高度落差大。

采用自由鍛制坯與精密輥鍛、模鍛復合工藝相比：

1）原材料下料重量由原來的143kg減少為135kg，節省6%，每件產品節省原材料費用～80元。

2）輥鍛制坯，感應加熱，平均每件加熱成本～58元/件，僅為原來的41%，節省加熱費用～82元/件。

3）精密輥鍛成形，工人勞動強度降低，生產率提高。每件節約人工費～60元。

每件節約綜合成本～222元。回轉塑性成形——輾環成形

工藝特點

輾環又稱環形件輾壓成形或擴孔，采用輾環機將環形件直徑擴大、壁厚減小、截面輪廓逐漸成形的塑性加工工藝。

1）精度高、無加工余量，材料利用率高。可實現異形截面環形件近/凈成形。

2）內部質量好、組織性能均勻，流線分布合理完整。

3）設備噸位小、投資少、鍛件直徑范圍大。

4）生產率高。最大生產率達1000件/h。

5）生產成本低。材料利用率高、加工工時少、能耗低、孔型壽命長等優點。

據報道，德國制造￠3500x110x90mm的碳鋼環形鍛件，自由鍛比輾環成形

生產成本高77%。

據統計，輾環與自由鍛相比，材料消耗降低40～50%，成本降低75%。

典型產品

軸承環、齒輪環

航空發動機機匣、密封圈及安裝邊國內外環形鍛件機械加工余量、公差和材料利用率對比環形鍛件外徑/mm單面機械加工余量/mm雙面公差/mm外徑最大誤差/mm高度最大誤差/mm材料利用率國內＜10005～7±3～5533～5%1000～20007～13±4～8752001～30008～20±7～10107國外＜10003～5±2～31125～30%1000～20004～6±3～421.32001～30005～8±5～631.5注：1、表中該數據來源于矩形截面環形鍛件；

2、外徑最大誤差和高度最大誤差欄內的數據根據最大實際尺寸與最小實際尺寸之差。輾環設備

按照輾環設備結構特點，可分為立式輾環機、臥式輾環機。

臥式輾環機

適用于大型、特大型環件的輾壓成形

立式輾環機

適用于中小環件的輾環成形

發展趨勢

1）大型化

直徑范圍Φ40～10000mm，高度15～4000mm，壁厚16～48mm，重量0.2～82000kg。

2）高速化生產率達到300～1000件/h。

3）精密化：直徑尺寸精度可達到1/1000。

4）截面多樣化、異形化

5）柔性化

6）材料多樣化

常規的碳鋼、合金鋼拓展到了鋁合金、銅合金、鈦合金、鈷合金、鎳基合金等。

經典案例

某企業2.5m軋機環件生產線

某企業4.5m軋機環件生產線

某企業的全自動環件生產線

美國魯科特公司的大型輾環生產車間，主要生產大直徑軸承。

回轉塑性成形——楔橫軋

工藝特點

是一種高效軸類零件的成型新技術——圓柱形坯料在兩軋輥模具間或在兩平板模具之間發生連續局部變形，將軋制等截面的型材技術發展成軋制變截面的軸類零件，將整體而斷續的塑性成形，發展成局部而連續的塑性成形。

變形方式主要是徑向壓縮和軸向延伸，又稱為軸類零件軋制。

與模鍛相比，特點：

1）生產率高。達4～16件/分，比模鍛高3～8倍。

2）工作載荷小。是模鍛的幾分之一到十幾分之一，設備投資小。廠房、設備和面積均可以大幅度下降，由此帶來成本的大幅度下降。

3）材料利用率高。可以形成直角的臺階，除料頭外沒有飛邊損失，材料利用率提高10～20%，與切削加工方法相比提高20～40%。

4）精度高，偏差小。精度可達到鋼質模鍛件國家標準中的精密級，直徑方向±0.3mm，長度方向±0.5mm。

5）噪聲低、振動小。液壓靜壓成形，噪聲低于60dB。

6）模具壽命長。可達到10～15萬件。

7）無需復雜的操作機就可實現生產過程的全自動化。

中型卡車變速箱中間軸的技術經濟性比較公稱壓力（kN）設備重

（t）生產率

（件/min）材料利用率（%）模具壽命（萬件）工作噪聲（dB）楔橫軋600586～8858＜60模鍛400002852～3701＞100應用范圍

主要適用于帶旋轉體的軸類零件的生產，如汽車、拖拉機、摩托車等變速箱中的各種齒輪軸、發動機中的凸輪軸、球頭銷等。

一般一種產品的經濟規模批量應達到年產7萬件以上。

綠色熱處理技術

目錄

前言

一真空熱處理

二高能束熱處理

三氮基氣氛熱處理熱處理是通過加熱-冷卻的方法控制金屬材料的相變或微觀組織，賦予工件所需服役性能的熱加工工藝,它是機械制造的重要工藝，同時也是機械制造過程中耗能較大的工藝之一，常規熱處理對環境會有一定污染。因此，積極發展并推廣應用綠色熱處理技術，在充分發揮材料的性能潛力、節約鋼材的基礎上，做到最大限度減少熱處理能源消耗，最大限度減少對環境的污染，這就是當今熱處理技術的發展方向，同時這也是綠色熱處理的內涵。

本節介紹的真空熱處理、高能束熱處理、氮基氣氛熱處理等3種熱處理技術符合綠色熱處理的內涵，并已成熟應用于裝備制造業，其應用前景廣闊。

一真空熱處理

1.真空熱處理簡介

2.真空熱處理特點

3.真空熱處理關鍵技術

4.真空熱處理與常規熱處理對比

5.應用狀況及發展方向

6.真空熱處理設備1、真空熱處理簡介

真空熱處理是在真空（負壓）條件下，通過對工件進行加熱、保溫、冷卻等方法，控制金屬相變、微觀組織、殘余應力等，賦予工件極限服役性能的熱處理技術。

真空熱處理所處的真空環境指的是低于一個大氣壓的氣氛環境，包括低真空（105～l02Pa）、中真空（102～lO-1Pa）、高真空（10-1～l0-5Pa）和超高真空（<10-5Pa）。

真空熱處理是真空技術與傳統熱處理技術相結合的先進技術。可以實現幾乎所有常規熱處理所能涉及的工藝，包括真空淬火、真空回火、真空退火、真空化學熱處理等。2、真空熱處理主要特點

與常規熱處理工藝相比，真空熱處理具有以下主要特點：

（1）無氧化、無脫碳

工件在真空爐中加熱，處于負壓環境下，氧化性和脫碳性成分很少,氣氛中的氧化性氣體分壓大大低于零件中的鐵、碳及合金元素的氧分解壓，因此，工件在真空加熱過程中不會發生氧化和脫碳，大大提高工件的服役性能和使用壽命。

（2）工件畸變微小

真空加熱的低溫階段升溫緩慢，工件表面和心部溫差極小;而且真空爐內溫度分布均勻，爐膛溫差≤±5℃，因此，工件加熱變形非常小。（3）真空加熱有脫脂、脫氣作用

工件加工過程中表面殘留的潤滑油、乳化液等油脂類雜質,主要為碳.氫.氧的化合物，加熱時可分解為水蒸汽、二氧化碳、氫氣等氣體，在真空中達到分解溫度可自行蒸發，被真空泵抽去，為此可獲得光潔的金屬表面。此外真空中加熱，能促使溶解在鋼中的各種氣體向表面擴散，使有害氣體釋放出來，排出爐外，起到脫氣作用，從而提高工件質量。

（4）真空熱處理環保無污染

真空熱處理無廢氣煙塵、無廢水廢渣、對人體無傷害，作業環境好。3、真空熱處理關鍵技術

（1）真空加熱技術

控制合適的真空度：真空度并不是越高結果越好，需要根據金屬元素的蒸汽壓確定合適的真空度。

真空度過高，加熱過程中合金的元素就會蒸發而造成表層元素貧化。為防止元素蒸發貧化，可以采取添加惰性氣體，調節爐內壓力，防止元素蒸發。

采用對流加熱技術：工件入爐后抽真空到規定的真空度，再充入一定壓力的惰性氣體，利用惰性氣體在爐內循環,實現對流傳導加熱，提高真空低溫區域的加熱速度和加熱的一致性。對流加熱技術有助于縮短加熱時間，改善加熱質量，提高加熱效率。

與常規熱處理工藝相比，真空熱處理具有以下四個特點：（2）真空冷卻技術

真空油淬冷卻、真空氣淬冷卻、真空水淬冷卻，這和常規熱處理類似，只是真空淬火冷卻是在冷卻室內，且淬火用油需要采用專用的真空淬火油，要求油的蒸汽壓低，在淬火冷卻時（真空度10-2至10-3托）不容易揮發。

（3）真空化學熱處理

真空爐中也可以實現實現滲碳、氮化、碳氮共滲等真空化學熱處理工藝，而且滲劑的耗量可大幅減少。4、真空熱處理與常規熱處理對比

真空熱處理與鹽浴熱處理對比表真空熱處理鹽浴熱處理說明表面氧化脫碳無基本無氧化脫碳工件變形小大如拉刀真空淬火變形僅為鹽浴淬火的1/6-1/8表面光亮度高一般工藝穩定性非常穩定,不受操作工人影響不穩定,受操作工人影響大爆炸危險無有爆炸危險鹽浴遇水會爆炸廢水廢氣排放無有鹽浴煙氣、清洗廢水、勞動環境清潔較差工件使用壽命長較短如搓絲板：真空淬火壽命是鹽浴淬火的3-4倍能耗一般較高鹽浴熱處理熱量損失大設備投資高低5、真空熱處理應用狀況及發展方向

國內真空熱處理的應用越來越廣泛，在基礎件（如高強度螺栓）、航空件（如飛機發動機葉片、起落架等）、汽車零部件（如變速箱齒輪）、工模具熱處理領域應用較為普遍。

主要存在問題是真空爐的性能不夠穩定，真空爐的結構設計和工藝水平同國外先進水平存在一定的差距；真空爐的附屬設備，如液壓系統、真空機組、真空閥門等質量不過關，附屬設備往往體積大、噪音大、密封性不好。

真空熱處理重點研究方向是真空爐的設計結構和相關零部件、附屬設備的研究，以提高真空熱處理爐的使用壽命和質量。6、常用真空熱處理設備

目前我國已具有自主開發設計制造各類真空熱處理爐的能力。在爐

型上已經形成了國產真空熱處理爐系列,包括單室、雙室、三室、半連續式真空熱處理爐。

二高能束熱處理

1.高能束熱處理簡介

2.高能束熱處理特點

3.高能束熱處理典型技術

4.與其他熱處理工藝比較

5.應用狀況及發展方向1、高能束熱處理簡介

當高能束發生器輸出的功率密度至少達到1kW/cm2以上的能束，定向作用在金屬的表面，能量被材料表面吸收，并轉換為熱能，使其產生物理、化學或相結構轉變，從而達到金屬表面改性的目的，這種熱處理方式稱為高能束熱處理。

高能束熱處理的熱源通常是指激光、電子束、離子束、太陽能和同步輻射等。

高能束熱處理不同于高能率熱處理，通常把加熱時提供的功率密度高于普通加熱爐的功率密度，即大于50W/cm2的熱處理方式稱之為高能率熱處理。2、高能束熱處理特點

（1）能量密度高、熱效率高

高能束的功率密度高，作用時間極為短暫，其加熱速度快、冷卻速度快、熱效率較高。

（2）工件變形小

高能束熱處理對金屬進行的是非接觸式加熱，沒有機械應力作用，不存在受力變形情況。

由于高能束加熱速度和冷卻速度都很快，熱影響區小、熱應力很小,因此工件變形也小。

（3）硬化效果好、疲勞強度高

高能束熱處理加熱速度可達5000度/秒以上,表面硬度高于常規熱處理5-10HRC,淬火硬化效果。

高能束熱處理金屬表面會產生200-800MPa的殘余應力，這可以明顯提高金屬表面的疲勞強度。（4）控制精度高

高能束熱源加熱范圍可精密控制、指向性較高，可以對大型、復雜、內孔等零部件材料表面實施局部熱處理，而且熱效應產生的殘余應力和結構變形較小，從而可實現精密熱處理，熱處理后也不再需要精加工。

（5）適應范圍廣

高能束熱源形式有激光束流、電子束流、離子束流以及近年來我們渴望直接利用的太陽能。它們以連續快速行進的光子、電子和離子所攜帶的能量直接作用加熱材料表面，可以適用于大多數鋼鐵、有色金屬的表面熱處理。

（6）性價比高、無污染

由于加熱部位針對性較強、加熱區域小、熱效率高，且無需淬火介質及回火，因此總體上能源得到節約、成本得到降低。同時，可以使傳統材料發揮更大的效能或能經受苛刻的使用環境，并延長其使用壽命，性價比很高。

高能束熱處理靠工件自身冷卻淬火，不需要任何冷卻介質，熱處理生產環境清潔、無污染。3、高能束熱處理典型技術

（1）激光束熱處理

激光熱處理是利用經過聚焦的激光,使工件的特定表面在毫秒或微秒的瞬間被加熱或熔化，熔化的薄層僅利用工件本體的熱傳導就可以獲得l04～l08K/s的冷卻速度。比傳統熱處理冷卻速度要快1000倍以上。

（2）電子束熱處理

電子束是電子槍中陰極發射的電子，經過高壓電場的加速、聚焦以及偏轉系統的定位后形成功率密度很高的電子束，撞擊到工件表面，高速電子能深入金屬表面一定深度，與基體金屬的原子核及電子發生相互作用，一個單獨的電子會在材料的晶格、單個原子、粒子之間運動，其結果是這些粒子的電場被破壞，產生原子和粒子的遷移，從而使金屬的表層溫度迅速升高。（3）離子束熱處理

采用高能量離子注入機將各種離子大劑量注入基材表面以后，將引起材料表層的成分和結構的變化以及原子環境和電子組態等微觀狀態的擾動，由此導致材料的各種物理、化學或力學性能發生變化。載能離子注入金屬表面后，由于能量傳遞及離化效應，形成了輻射損傷，由此形成大量空位和空位團及間隙原子。大量的位錯及位錯與注入離子的交互作用阻礙了位錯運動，增大了位錯密度，使表面強化。

離子束熱處理尤其適于難以進行相變強化的鈦、鋁、鎂等有色金屬材料。4、高能束熱處理與其他熱處理工藝對比

激光淬火、電子束淬火與感應淬火的比較表項目感應淬火激光淬火電子束淬火工件變形大小（齒輪變形是高頻淬火的1/3-1/10）較小自冷淬硬差良好中等淬硬深度較深較淺中等表觀質量中等良好良好表面氧化較大較小較小適應性差好好單件生產差好好批量生產好較好好可調控性一般好好工件壽命一般較長（軋輥提高1-2倍）較長（柴油發動機活塞環壽命提高3-5倍））構件可靠性一般好較好初始投資較小大大由此可見，高能束熱處理在工件變形、表面質量、適用范圍、可調控性，工件壽命、可靠性等方面均優于感應淬火。5、高能束熱處理的應用狀況及發展方向

（1）應用狀況

高能束熱處理是20世紀80年代開始發展起來的新型熱處理技術。這項新技術在工業中的應用發展迅速，特別是激光熱處理技術在汽車（發動機缸套、缸體）、冶金機械（軋機軋輥）、電力裝備（汽機葉片）制造中均獲得了成功的應用。

（2）高能束熱處理發展趨勢

高能束熱處理裝置朝穩定性和專業化方向發展。

高能束熱處理將朝著自動化、智能化發展。

高能束處理朝著與其它表面工程技術相結合的方向發展。

三氮基氣氛熱處理

1.氮基氣氛熱處理簡介

2.氮基氣氛熱處理特點

3.氮氣的制備方法

4.與其他熱處理工藝對比

5.氮基氣氛熱處理應用狀況

6.氮基氣氛熱處理設備1、氮基氣氛熱處理簡介

氮基氣氛是以氮氣為基體并加入適量的添加劑制備而成的一種可控熱處理氣氛，氮基氣氛熱處理就是采用氮基氣氛進行保護加熱的熱處理或進行化學熱處理的工藝。

氮基氣氛大體上可歸納為氮基中性氣氛和氮基碳勢氣氛2類。

氮基中性氣氛是指對鋼鐵不氧化、不脫碳也不滲碳的一種保護氣氛，實際上，這種氣氛還是具有一定的還原性。由于它對各種含碳量的鋼都保持中性，只要加熱周期相同，不同含碳量的鋼都可在同一爐中處理。它可用于高溫和低溫，包括退火、淬火和回火等加熱工序，最終都可獲得光亮的效果。常用氮基中性氣氛有N2十H2和N2+CO+H2兩種類型。

氮基碳勢氣氛是一種活性成分，包括CO、H2、CO2、H2O等含量較高的氮基氣氛，這種氣氛具有一定的碳勢。為了使所加熱的鋼表面含碳量不增不減，需要根據鋼的含碳量、合金元素含量以及熱處理工藝，調整爐氣成分，使碳勢與鋼的含碳量相平衡。通常，在氮氣中加入適量的添加劑,如碳氫化合物（丙烷）或烴的含氧衍生物可獲得碳勢氣氛。這種氣氛的碳勢可作任意調節，適用于中碳鋼、高碳鋼（如工具鋼和軸承鋼）的保護加熱和低碳鋼的滲碳。2、氮基氣氛熱處理特點

（1）節省能源

氮基氣氛和吸熱式氣氛比較，可節約25～85%的有機化合物原料，如采用N2十CH3OH十CH4進行中等深度滲碳，天然氣的消耗可節約25%。

在氮基氣氛熱處理爐中，其爐襯主要被N2所飽和，而N2的熱傳導率約為H2或空氣的1/7;可減少爐襯的傳導熱損失，從而降低能耗（約10～20%）。

（2）氣源豐富

氮以雙原子分子存在于大氣中，它占空氣的78%。因此，大氣是最大的制氮原料貯藏庫，它取之不盡，用之不竭，只要采用適當的空分方法，便可實現氧、氮分離，從而獲得氮氣。（3）安全經濟

氮基氣氛中，可燃成分較少，沒有燃燒和爆炸的危險。尤其是液氮，其貯存、運輸及使用等方面都很方便。

從運轉成本上看，氮基氣氛比吸熱式氣氛低約50%左右。

（4）適應性廣

氮基氣氛可應用于多種熱處理工藝，并適用于許多金屬材料（碳鋼、合金鋼、銅材等）。在氮基氣氛中CO2和H2較少，使鋼在加熱過程中產生內氧化和氫脆的傾向大大減少，因此，氮基氣氛對于氫脆敏感的鋼也能適用。3、氮氣的制備方法

氮基氣氛是以氮氣為基體的可控氣氛，因此解決氮氣源是應用氮基氣氛熱處理的關鍵。工業用氮氣的制取總是以空氣為原材料，將其中的氧和氮分離而獲得，主要方法有深冷法、變壓吸附法及膜分離法。

（1）深冷法：深冷法制氮是以空氣為原料，在深冷空分裝置（也就是制氧機）中，把空氣深冷液化，利用氧和氮的沸點不同，進行精餾分離而獲得。深冷法作為一種傳統的空分技術，它至今仍然是我國工業上氮氣供應的主要來源。

（2）變壓吸附法

變壓吸附制氮是以空氣為原料，用碳分子篩作吸附劑，運用變壓吸附原理和碳分子篩對氧和氮的選擇性吸附，把氧和氮分離，從而獲得氮氣。（3）膜分離法

膜分離制氮的基本原理是以空氣為原料，在一定壓力下，利用氧和氮等不同性質的氣體在中空纖維膜中的不同滲透率來使氧氮分離，制取氮氣。

深冷法、變壓吸附法、膜分離法制氮比較氮產量/m3.h-1深冷法變壓吸附法膜分離法氮產量/m3.h-1>5000<500010～5000氮純度（%）99～99.99998～99.9998～99.9啟動時間20h20min4min分離介質壽命國產8年，進口12年中空纖維3年以上工藝流程復雜一般簡單設備狀態一般為固定固定，移動式，室外固定，移動式，室外廠房面積最大較小最小冷卻水用量大用量很少（小設備沒有）用量很少（小設備沒有）外形尺寸體積最大體積較小體積最小隨意開/停車不能容易很容易基本投資需專用廠房，投資大投資少投資少操作工人4人以上可無人操作可無人操作4、氮基氣氛熱處理與其他熱處理對比

氮基氣氛熱處理與其它熱處理工藝比較見下表：比較內容氮基氣氛吸熱或放熱式氣氛鹽浴熱處理產品質量氧化或脫碳

變形

工件失效

光亮度無

小

無

好可以

小

無

好可以

大