沈阳市铸缎工业园失效的铸锻件产品的测试分析服务.docx

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沈阳市铸缎工业园失效的铸锻件产品的测试分析服务

沈阳市铸锻工业园铸锻件及热处理件的质量问题

（失效）测试分析服务

1.背景和意义

1.1项目所属技术领域的确切含义

沈阳铸锻工业园是由沈阳铸造研究所及铁西所有企业的铸造、锻造、热处理等车间，搬迁到沈阳铁西开发区集中建设占地1.5平方公里的铸锻工业园。

其中沈重合沈矿的铸钢、锻压、热处理部分，沈阳铸造厂、压缩机厂、水泵厂铸铁铸钢部分分别组建成二个共同体，为使生产进一步专业化、集约化，这两大共同体又联合组建沈西铸锻工业公司。

沈阳铸锻工业有限公司（以下简称沈阳铸锻公司）于2007年2月26日注册正式成立。

铸锻工业园区形成后,整合优化技术力量了，提高了生产能力。

铸锻工业园区形成后,年冶炼能力达15万t,最大钢液浇注量达400t,铸件年产量达6万t,锻件年产量达4万t,最大铸件达250t,热处理能力提高到2万t,最大淬火件达100t,配置3.5万t的模锻压力机、1万t的护环压力机和1万t的锻造水压机。

铸锻工业园区内铸锻工业公司立足于巩固强化主导优势产品，重点向高附加值、新技术产品方向延伸，生产火电、水电、风电、核电类大型铸锻件，重型燃汽机、水轮机、汽轮机、石化、船用、泵用铸钢件，鼓风机等铸铁件和各种热处理件产品。

随着铸锻工业园内各种铸锻件生产能力的提高及热处理件的增大，铸锻件的形状复杂化，产品质量的问题也时常出现。

解决这些问题，不仅需要技术人员的缜密分析更需要先进的精密仪器作为检测手段参与其中。

为此，沈阳铸锻工业园的沈阳铸锻工业有限公司和沈阳工业大学展开合作，利用沈阳工业大学先进的大型精密仪器对铸锻工业园内出现问题的各种铸锻件及热处理件进行测试分析，包括选用原材料的成分检验和产品的微观组织观察及性能测试等，经综合分析提供产品质量出现问题的原因。

沈阳工业大学入网的大型精密仪器扫描电子显微镜和与其配套的能谱分析仪完全具备原料成分检验功能和制品微观组织观察分析功能，本着大型仪器设备共享服务的宗旨，服务于社会、服务于企业的目标，与沈阳铸锻工业园的沈阳铸锻工业有限公司开展了此项目的合作。

该项目的顺利实施，能够有助于沈阳铸锻工业园健康发展，会给我市乃至全国铸锻产业以及我国装备制造业带来新的发展契机，也会促进我国装备制造业进入世界先进行列。

同时，该项目的顺利实施，能推动大型仪器设备为全社会共享服务为目的而实施的服务网络体系建设更上一层楼。

1.2项目的需求分析，对行业进步和我市经济社会发展的推动作用

在机械产品制造中，铸锻工艺是机械制造业最重要的基础工序，铸锻件的共献率在60%以上。

沈阳市铁西工业区作为国家重要老工业基地和国家重要装备制造业基地,随着我国经济的快速发展,对终端制造业的产品提出越来越高的要求,如机床、汽车、重矿机械、冶金装备、工程机械等产品,需要技术含量高、产品性能好、生产效率高、供货能力强的以铸锻产品为主的相当数量的基础零部件。

在未来的10～15年将是我国推进工业化的关键时期，电力、石化、冶金、交通运输等行业都将继续快速发展，孕育着对大量铸锻件的空前需求。

在核电装备领域，根据我国核电中长期发展规划，到2020年核电装机容量将达到4000万千瓦。

近两年已经或即将开工建设的二代改进型和三代百万千瓦级核电机组在20台以上。

法国在其核电建设高峰期最多年份开工建设10台左右，我国每年开工建设量将会创造世界核电发展史上新记录。

一套百万千瓦压水堆核电机组核岛部分的反应堆压力容器、蒸汽发生器和稳压器的壳体及管板、主管道锻件按3亿元计算，平均每开工建设10台核电机组，大型铸锻件市场就在30亿元以上。

此外，核电常规岛部分也需要大量的铸锻件。

在火电装备领域，虽然我国放缓火电建设速度，但是未来若干年每年火电装机也都会维持在大约5000万千瓦。

按每台大型燃煤机组需要大型锻件200吨计算，预计每年火电锻件年均需求量在2万吨左右。

在水电装备领域，按水电发展规划，国内15年内将新增单机容量50万千瓦及50万千瓦以上大型水电机组近400台，每年平均新装30台50万千瓦及50万千瓦以上大型水电机组，每台大型水电机组需要大型锻件200～240吨，年锻件市场需求在6000～7200吨。

在石化装备领域，我国原油加工能力2010年达到4亿吨，2020年将达到5亿吨左右。

为此，将新建和改造20多个千万吨级大型炼油厂，预计每年需锻焊结构的厚壁重型容器30台左右，其中千吨级以上加氢反应器占1/3。

在煤化工装备领域，神华集团已在内蒙古开工建设我国第一座年产油品500万吨的煤液化工程，一期工程第一条线为100万吨/年。

每套100万吨/年的装置需要加氢反应器12台，其中2000吨级超大型加氢反应器就有4台。

此外，煤制烯烃、甲醇、二甲醚、合成气等煤化工项目也都需要大量的反应容器。

在冶金设备领域，随着钢铁工业的技术升级和结构调整步伐进一步加快，在“十一五”期间，每年冷热连轧机新建和配件所需锻钢支承辊约700支左右，毛坯锻件约5万吨（每支毛坯锻件重70吨）；每年中厚板轧机锻钢支承辊新建和配件约150支（每支毛坯锻件重100吨），毛坯锻件约1.5万吨。

热轧工作辊每年需要毛坯锻件约3万吨。

合计起来，每年需在万吨级水压机上生产的大型轧辊毛坯锻件接近10万吨。

在船舶装备领域，2007年中国承接新船订单已占世界市场份额42.5%，成为世界造船史上第一个订单量超亿吨的造船大国，未来几年，我国造船能力也会成长为全球第一。

2010年以后，国内每年需要大型船用曲轴300根以上，平均每年需要在万吨级水压机上生产的毛坯锻件需求量超过2万吨。

在国家“十二五”规划中：

高端装备制造业作为国家战略的重要支柱，其“十二五”规划的目标要更远大。

计划到2015年，我国高端装备的销售产值占装备制造业的比例达到20％以上，力争通过10年左右的努力，使高端装备制造业成为国民经济的支柱产业。

沈阳装备制造业09年实现增加值967.4亿元，增长18.6%，占全市规模以上工业增加值的48.0%。

规模以上工业实现高新技术产品产值3216.2亿元，增长19.1%。

在沈阳"十二五"规划中明确了沈阳经济社会发展的三大目标，分别是，建设国家中心城市、先进装备制造业基地、生态宜居之都，进而率先实现老工业基地的全面振兴。

铸锻工业是装备制造业发展的基石。

铸锻件产品质量也是装备制造业发展的保证。

铸锻工业园是为聚集区各大型企业集团提供大型关键铸锻件的产业园区，承担着全沈阳市80%左右的铸锻件生产任务，铸锻件产品的质量极为重要。

把大型精密仪器扫描电子显微镜应用到铸锻件产品跟踪、检测服务以及参与产品的科技攻关是确保铸锻工业园生产出高质量铸锻件产品的保证。

而且对沈阳市的经济社会发展具有重大的推动作用。

因此，把大型设备共享服务扩展到沈阳铸锻工业园是非常必要的。

1.3项目的重要性和紧迫性分析

铸锻件制造业是一个非常特殊的行业，既是我国经济建设、发展国民经济的关键性行业，也是我国重大装备制造业的基础，更是我国国防建设必需的行业；是关系到国家安全和国家经济命脉的不可或缺的战略性行业，也是国家能力的重要组成；铸锻件行业的发展水平是衡量一个国家综合国力的重要标志。

铸锻件产品是电力、冶金、石化、造船、铁路、矿山、航空航天、军工、工程等装备的基础部件，其经济带动性强，辐射作用大，是产业链上不可缺少的重要一环。

近年来，随着我国产业政策的扶持以及我国重工业化的进程推进，机器设备需求量急剧增加。

据有关部门统计，在近几年中我国包装机械的需求量将以每年4%的速度增长，同样，由于全球经济的快速发展对矿产资源的需求也迅速提升，对矿用机械设备就提出了双重需求，一是改造的需求，二是新勘探的需求，矿用机械设备无疑需求量会增加。

与此同时，基础设备的投资，尤其是我国高速铁路客运专线、高速公路网的投资等，也会牵引着机械设备的需求，据统计资料显示，2008年1-2月混凝土机械产量和叉车产量同比分别增长了89.8%和82.3%，而铲运机械也保持了29.2%的增长，增速都有所加快，2008年相关产品仍将保持高速增长。

如此的数据就显示出机械设备需求量快速增加，这势必带动铸锻件需求量的快速增加。

因此铸锻件制造业发展是非常紧迫的。

在2010年10月18日发布的《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中，确定高端装备制造产业为我国现阶段重点培育和发展的战略性新兴产业，到2020年将发展成为国民经济的支柱产业。

高端装备制造产业的发展需求对铸锻件提出了更高的要求，大型铸锻件产品成为急需，如：

重点发展大型核电设备铸锻件，百万千瓦级超临界/超超临界火电机组铸锻件，70万千瓦以上等级大型混流式水轮机组铸锻件，石化、煤化工重型容器锻件，冷热连轧机铸锻件，大型船用曲轴、螺旋桨轴锻件，大型轴承圈锻件等。

目前，键铸锻件生产能力和质量难以满足高端装备制造产业的发展需求，这已成为装备制造业发展的瓶颈。

发展铸锻制造业，生产出高质量的铸锻件产品是高端装备制造产业的发展的基础保证。

因此，此项目的开展是非常紧迫和急需的。

2.项目实施内容

2.1项目实施过程中每项任务的具体内容以及经费需求

1）调研、查阅和检索相关资料；费用2.5万元。

2）初步设计新的刀具的材料并熔炼合金；用新的刀具的材料制成刀具；费用5万元。

3）工厂试验，材料的组织观察，性能测试，对刀具出现的问题进行失效分析，调整材料成分，费用5万元。

4）确定最优的刀具材料成分，制成成品刀具，小批量生产，5万元。

5）总结资料，写总结报告，撰写论文，申请专利，准备结题，2.5万元。

2.2采用主要技术手段的先进性、创新性

扫描电子显微镜是近十几年来获得迅速发展的一种新型电子光学仪器。

它的成像原理与光学显微镜不同，不用透镜放大成像，而是以类似电视摄影显像的方式，利用细聚焦电子束在样品表面逐点扫描，与样品发生相互作用产生各种物理信号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图象。

与光学显微镜相比，扫描电镜的优点是：

①分辨率高。

扫描电镜的分辨率能达到几纳米。

②放大倍数高。

它的放大倍数一般在10～30万倍之间连续可调，③景深大。

有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构。

④试样制备简单。

在配备能谱仪的扫描电子显微镜上不仅可以对样品进行三维形貌的观察和分析同时可以进行微区的成分分析。

正是由于扫描电子显微镜具有上述优点和功能，所以已广泛用于材料科学（金属材料、非金属材料、钠米材料）、冶金、生物学、医学、半导体材料与器件、地质勘探、病虫害的防治、灾害（火灾、失效分析）鉴定、刑事侦察、宝石鉴定、工业生产中的产品质量鉴定及生产工艺控制等。

沈阳工业大学的扫描电子显微镜，其型号为日立S-3400N。

它是当今最新型的钨灯丝扫描电子显微镜，在东北是第一家装机使用。

目前沈阳市只有两台此型号的设备，另一台为沈阳金属研究所所有。

日立S-3400N扫描电子显微镜的特点为：

①采用涡轮分子泵抽真空，只需6分钟即可达到工作状态，更换样品只需90秒钟；②图像分辨率高，二次电子像可达3.0nm，背散射电子像可达10.0nm。

③有低真空系统，对生物样品，非导电样品可直接进行观察。

④配备的美国产能谱仪，精度高，可直接进行微区成分分析。

该设备迄今为止已为科研院所、各大企业提供很多服务，如金杯汽车零件的失效分析、沈阳有色研究院的矿石鉴定以及沈阳星光陶瓷厂陶瓷材料的质量鉴定等。

沈阳机床集团勒管机刀具在使用过程中出现质量问题。

我们对沈阳机床集团提供的失效刀具进行了扫描电镜的组织观察和能谱分析，发现刀具失效的原因与其材质有着密切的关系。

材质决定了刀具最后性能，材质的选择是非常关键的。

通过前期的刀具失效分析，发现常规的刀具材料不能满足沈阳机床集团勒管机刀具的使用要求。

为此，决定把扫描电镜的测试分析功能应用到新材料开发上，研制出适合勒管机新的刀具材料。

2.3项目实施进度及阶段目标

2011.0l…2011.03：

初步设计出材料成分，熔炼出材料合金，制成刀具。

2011.04…2011.06：

工厂试验，材料的组织观察，性能测试，调整新材料成分。

2011.07…2011.09：

确定最优的刀具材料成分，制成成品刀具，小批量试生产。

2011.10…2011.12：

总结资料，写总结报告，撰写论文，申请专利，准备结题。

2.4项目总体目标，预计取得的成果及其表现形式（数据量化）

研发出符合使用要求的勒断机刀具材料，并制成刀具产品，刀具在实际使用过程中寿命能达到原刀具寿命三倍以上，切割质量高于原来要求。

申报2项以上新材料专利。

国内行业内核心期刊以上的论文至少1篇；

2.5各单位承担内容的具体情况（合作项目填报）

沈阳工业大学负责材料成分的设计、各种性能测试及刀具的失效分析。

沈阳机床集团单位负责刀具的制作及提供刀具试用的设备及场地。

3.保障措施

3.1项目单位现有工作基础、水平及条件

1）气体保护合金熔炼炉1台（德国Strik0-westofen公司：

CMHC-N300MG）

2）各种规格的热处理炉数台

3）原子吸收光谱l台（日本：

Z5000）

4）日立S-3400N型扫描电子显微电镜，美国EDX公司生产的能谱仪

5）力学性能测试、硬度测试等设备

6）Olympus显微镜一台和江苏捷达公司的定量金相分析系统一台

3.2现有大型仪器设备资源入网状况

本单位现有大型仪器入网设备全学校达到百余台，仅我们材料学院就有20～40余台。

大部分的入网设备都实现了资源共享。

以扫描电子显微镜为例，它是2005年开始入网的，从入网至今先后与科研院所、大中型企业以及民营企业进行合作，开展了共享服务，其中有铸造研究所的多个项目的检测服务；有色研究院矿石的检验；金杯有限公司多个产品的失效分析并为其提供合理建议；还有合资及民营企业的产品的质量检验等，这些共享服务都取得了很好效果，提高设备的利用率。

3.3项目管理协调机制及运行机制

本项目在实施中，沈阳工业大学负责材料成分的设计及各种性能测试；

沈阳机床集团负责刀具的制作及刀具的试用实验等。

沈阳机床集团选派一名人员与项目负责人紧密联系，协调两个单位的工作，负责项目合作单位的试验工作，如刀具的制作及刀具的试用实验等。

3.4项目服务对象对项目的参与和配合程度

沈阳机床集团选派一位技术人员与项目负责人联系沟通，同时负责试验刀具的制作、提供刀具试用的设备及场地，并对每次试验的结果进行反馈。

4.投资估算与资金筹措

钢管勒断机刀具材料的研制项目总投资额估算为30万元。

（因是自选项目，没有经费来源，为此特申请市科技计划项目资金30万元。

）

4.1项目实施期间计划投资额，已完成投资额，需新增投资额（须对各投资分项说明资金来源及主要用途）

项目实施期间计划投资额30万；需新增投资额30万元，政府扶助资金，用于项目开展。

4.2项目经费的具体使用和安排计划

1）印刷费、检索资料费用1.8万元，其中，查新、相关资料检索，平均每次0.15万元,需10次以上，相关印刷费用0.3万元；

2）试验及原材料费8.5万元，用于购买实验用原材料及熔炼和热处理实验相关试验材料费；

3）扫描电镜耗材费用0.5万元，用于购买电镜灯丝、导电胶带等；

4）各种性能及其他测试费3.5万元，包括拉伸、冲击、硬度、磨损等性能测试，还包括其他测试费；

5）差旅费1万元，用于调研等差旅费用；

6）申报专利、发表文章费用1.4万元，申报专利2相，每项0.5元，发表文章至少1，每篇0.2元左右；

7）鉴定、验收费用1.5万元，项目完成后组织鉴定等费用。

8）人工费1.8万元，研究生科研补助费1.2万元（500元/月/人，共2人、一年），非课题参加人员为课题服务的劳务费0.60万元。

9）管理费用5万元，学校按进款额的20%收；

10）其他费用0.5万元，应用于各种不可预见及突发事件的准备金用。

5.项目经济效益、社会效益分析

首先，本项目得以完成，托辊生产线能顺利投入使用，将打破国外在切断机床行业的垄断。

国产机床以及国产刀具的使用必定能降低产品的生产成本。

仅以研制的国产刀具为例，日本生产线上的刀具价格为1500元／个，而国产刀具的价格仅为日本生产线刀具的60%左右，每年每台机床需要刀具300个，刀具一项每台机床年节约额就达18万元以上，如果算上全国的机床，年节约额至少达百万元以上。

这还不算提高刀具寿命节约的钱。

另外，国产托辊生产线整个生产线的价格与日本比大大降低，仅为日本的50%，每个生产线能节约4000万人民币。

其次，引进国外托辊生产线的厂家，它们使用的刀具都是靠进口。

由于刀具是消耗品，每年都要使用大量的刀具产品，在完全靠进口的情况企业成本非常高。

如果研使用国产的刀具材料，必定能降低这些企业的生产成本，提高经济效益。

再次，托辊生产线投入使用，能降低劳动强度和提高劳动生产率，这能增加生产工人的休闲时间、娱乐时间，增加生产工人的自我满足感，更好地享受生活带来的乐趣，这些都是社会效益的良好体现。

再有，我国目前在能源、冶金、建材、码头等行业获得极大的发展机遇，而输送机械产品与这些行业的发展息息相关，输送机械产品成本的降低，会使得这些行业的运行成本下降，提高了这些行业的经济效益，这些行业涉及社会的方方面面，这也使得全社会的经济和社会效益得以提高。

最后，国产托辊生产线投入使用，打破了国外垄断，对我国机床行业的发展具有重要意义，对振兴民族工业也非常重要，同时也提高了民族自豪感和荣誉感，这些都是社会效益提高的主要体现。

6.相关附件说明

6.1现有大型科学仪器设备入网证明复印件

6.2联合开展的项目必须提交合作意向书