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离心铸造国内专利技术现状研究

发布时间:2010-06-09 02:08:00 浏览次数:0来源:
王冠、薛纪二
中国农业机械化科学研究院
一、引言
离心铸造是将液态金属浇入旋转的铸型里,在离心力作用下充型并凝固成铸件的铸造方法。离心铸造用的机器称为离心铸造机。按照铸型的旋转轴方向不同,离心铸造机分为卧式、立式和倾斜式3种。卧式离心铸造机主要用于浇注各种管状铸件,如灰铸铁球墨铸铁的水管和煤气管,管径最小40毫米,最大可达8000毫米。此外可浇注造纸机用大口径铜辊筒,各种碳钢、合金钢管以及要求内外层有不同成分的双层材质钢轧辊。立式离心铸造机则主要用以生产各种有高致密性要求的环形铸件和小型非圆形铸件,广泛应用于航空、航天领域的钛合金零件铸造。 
离心铸造所用的铸型,根据铸件形状、尺寸和生产批量不同,可选用非金属型(如砂型、壳型或熔模壳型)、金属型或在金属型内敷以涂料层或树脂砂层的铸型。铸型的转数是离心铸造的重要参数,既要有足够的离心力以增加铸件金属的致密性,离心力又不能太大,以免阻碍金属的收缩。尤其是对于铅青铜,过大的离心力会在铸件内外壁间产生成分偏析。一般转速在每分钟几十转到1500转左右。   
离心铸造的特点是金属液在离心力作用下充型和凝固,金属补缩效果好,铸件外层组织致密,非金属夹杂物少,力学性能好;不用造型、制芯,节省了相关材料及设备投入。铸造空心铸件不需浇冒口,金属利用率可大大提高。因此对某些特定形状的铸件来说,离心铸造是一种节省材料、降低能耗、高效益的工艺,但须特别注意采取有效的安全措施。  
离心铸造可以获得无缩孔、气孔、夹渣的铸件,而且组织细密、力学性能好。当铸造圆形中空零件时,可以省去型芯。此外,离心铸造不需要浇注系统,减少了金属的消耗。但离心铸造铸出的筒形零件内孔尺寸不准确,有较多气孔、夹渣,因此需增加加工余量,而且不适宜浇注容易产生比重偏析的合金。
二、离心铸造专利技术现状
(一)???? 样本构成
本文采用中国专利文摘数据库(CPRS)中收录的专利文献作为数据来源,将检索时限限定为截止2010年7月。其中,由于专利文献从提出申请到向公众公开有时间的延后,因此,会存在2009年和2010年的样本不完整的问题。离心铸造涉及的国际专利分类主要为B22D。
检索的方式采用关键词结合分类号的方式进行,在CPRS中共检索到750篇专利文献,以此作为样本量。
(二)???? 专利技术状况分析
1、专利申请时间分布状况
图1表示1985年-2010年在中国申请的有关离心铸造专利的申请量统计结果。从专利申请量的变化趋势可以看出,离心铸造专利申请呈现出逐步增长的态势,其发展基本分为三个阶段:第一阶段是1985年-1991年,由于当时国内技术人员主要关注于气缸缸套离心铸造的研发,另外,专利意识比较淡薄,故无论是专利申请的数量还是增长速度都比较小,每年的申请都仅有几件,处于专利技术的萌芽阶段;第二阶段是1992年-2004年,中国开始引进国外的离心铸造技术,进行研究和效仿,专利申请的数量开始增长,但增长速度较小,属于专利技术的初步发展阶段;第三阶段是2005年至今,研发人员在吸收国外先进离心铸造技术的基础上,开始自主研发,专利申请量呈迅速增长趋势,使国内技术进入快速发展阶段。由于专利申请延迟公开的特点,2009年的大部分申请至今尚未公开,但从图中可以预见,离心铸造领域的专利申请在一段时间内仍将快速增长,该领域将进入技术活跃时期,处于技术生命周期中的重要发展阶段。
1 离心铸造领域专利申请量的年份分布图
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2、专利申请的领域分布状况
从检索所得样本可以看出,离心铸造领域的专利申请主要分布在国际专利分类B22D、C22C、F04D、B22C、B21B下。在B22D(金属铸造领域)中,B22D13/00(离心铸造;利用离心力的铸造)以及下点组下面的文献多达341篇,即关于离心铸造的工艺以及设备是目前专利申请的热点。
1:专利申请的领域分布状况
分类
涉及的技术内容
申请量/件
B22D
金属铸造(管件、缸套等);用相同工艺或设备的其他物质的铸造(复合材料管或铸件)
387
C22C
合金
60
F04D
非变容式泵
49
B22C
铸造造型
47
B21B
金属轧制
38
B02C
破碎、研磨或粉碎;碾磨谷物
13
F16C
轴;软轴;曲轴机构的元件;除传动元件以外的转动部件;轴承
11
B23P
金属的其他加工;组合加工;万能机床
10
3、主要申请国家、国内省市及主要申请人、发明人的专利申请分布状况
(1)?主要申请国家的专利申请分布状况
图2给出了国内离心铸造领域专利申请人的国别分布情况,从图中可以看出,有关离心铸造的中国专利申请中,申请人主要以国内申请人为主,其次为日本、美国、德国申请人。国内申请人的专利申请量随年代的变化趋势基本与关于离心铸造的中国专利申请量随年代的变化趋势一致,国内专利申请主导了国内离心铸造技术的发展方向。
2: 离心铸造领域专利申请人国别分布图
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(2)?国内各省的专利申请分布状况
如图4所示,关于离心铸造领域的中国专利申请中,专利申请量较多的省市为江苏、辽宁、北京,其次为河北、河南、浙江和广东。上述省市关于离心铸造的研发和生产主导了离心铸造技术的发展方向。
4: 离心铸造领域国内各省的专利申请量分布图
(3)?主要申请人的专利申请分布状况
如图5所示,离心铸造领域专利申请人中,企业申请最多,占整个申请量的45%,其次为个人申请(申请内容较为零散),研究院所关于离心铸造的专利申请最少。图6给出了排名前十的离心铸造领域主要专利申请人的专利申请分布状况,可以看出,中国科学院金属研究所的专利申请量最多,其次为新兴铸管股份有限公司、北京科技大学、钢铁研究总院。在申请量排名前十的专利申请人中,主要以企业和大学为主。
针对离心铸造的工艺以及设备专利申请,如图6所示,中国科学院金属研究所的专利申请量最多,其次为新兴铸管股份有限公司、大连万通工业装备有限公司、北京科技大学、钢铁研究总院。在申请量排名前十的专利申请人中,依旧主要以企业和大学为主。
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5: 离心铸造领域主要专利申请人类型分布状况
6: 排名前十的离心铸造领域主要专利申请人的专利申请分布状况
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(4)?主要发明人的专利申请分布状况
图8给出排名前十的离心铸造领域主要发明人的专利申请分布状况,可以看出,符寒光的专利申请量多达24件。在离心铸造领域中,图8所示10人的技术研发能力较强,他们的研发成果代表中本技术领域的发展方向,应重点关注。
8: 排名前十的离心铸造领域主要发明人的专利申请分布状况
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4、主要申请人的专利技术状况分析
现选取离心铸造领域专利申请量居前两位的中国科学院金属研究所、新兴铸管股份有限公司作为主要竞争对手,分析其专利申请特点,从中挖掘他们在离心铸造领域的技术路线和研究热点。
(1)?中国科学院金属研究所
如图9所示,中国科学院金属研究所关于离心铸造领域的专利申请大致分为三个阶段:第一阶段是1992年-1999年,每年的专利申请量约为1-2件;第二阶段是2001年-2004年,每年专利申请量约为2-3件;第三阶段是2008年,专利申请量为2件。
9:中国科学院金属研究所关于离心铸造的专利申请量对比图
如表2所示,金属所关于离心铸造的专利申请主要集中在铸造设备、铸造工艺、制管工艺以及所得产品方面,具体技术内容主要涉及电磁离心铸造工艺以及相关设备、制管工艺以及所得产品(如,复合管)。其中,关于电磁离心铸造技术共申请了8项专利,目前具有3项发明专利权。关于制管工艺以及所得产品共申请了8项专利,目前具有2项发明专利权。
表2中还给出了金属所关于离心铸造的专利申请的法律状态数据,金属所申请的20项专利中,共有15个发明,5个实用新型。其中,目前具有专利权的发明共有5个,9个发明专利因各种原因目前已不再具有专利权;实用新型全部因各种原因已不再具有专利权。由此可以看出,金属所在电磁离心铸造以及制管工艺方面的研发力量较为雄厚,专利申请量较多,但是,因各种原因,金属所具有专利权数量并不多。
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2:金属所关于离心铸造领域的专利申请概况
序号
申请号
专利类型
法律状态
名称
技术领域
1
92113851
发明
1997年视撤
电磁离心铸造工艺
铸造工艺
2
93111035
发明
1999年视撤
电磁场离心铸造金属基复合材料工艺
铸造工艺
3
93227848
实用新型
1998年因费用终止
电磁场离心铸造金属基复合材料装置
铸造设备
4
95217370
实用新型
2005年专利权有效期届满
一种离心铸造机
铸造设备
5
97119079
发明
授权
高合金无缝变形管材加工方法
制管工艺
6
97120229
发明
2004年因费用终止公告
一种颗粒增强铝基耐磨管材及其制备
产品+制管工艺
7
98121098
发明
2006年因费用终止
一种合金无缝钢管的制造技术
制管工艺
8
99250635
实用新型
2003年因费用终
一种电磁激励离心铸造装置
铸造设备
9
01113848
发明
2005年驳回
颗粒增强铝合金基功能负梯度复合管的制备方法
制管工艺(复合管)
10
01113849
发明
2008年驳回
内外层同时强化的颗粒增强铝基功能梯度复合管及制备法
产品(复合管)+制管工艺
11
01241167
实用新型
2007年因费用终止
内外层同时强化的颗粒增强铝合金基功能梯度复合管
产品(复合管)
12
02133203
发明
2006年因费用终止
一种轻质耐高温钛铝基合金排气门的制备方法
铸造工艺
13
02156943
发明
2006年视撤
一种钛铝基合金汽车排气阀的制备方法
铸造工艺
14
02158871
发明
授权
正压立式离心真空感应熔铸炉
铸造设备
15
02292151
实用新型
2007年放弃
一种正压立式离心真空感应熔铸炉
铸造设备
16
03111202
发明
2006年视撤
一种制备高合金变形无缝管材新工艺
制管工艺
17
200410100467
发明
授权
真空电磁离心铸造铸管的工艺
铸管工艺
18
200410100468
发明
授权
卧式真空电磁离心铸造炉
铸造设备
19
200810010287
发明
授权
一种高速钢复合轧辊及其铸造方法
产品+铸造工艺
20
200810010288
发明
未知
一种轧辊用高钼高钒微偏析铸造高速钢
产品(铸钢)
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(2)?新兴铸管股份有限公司
如图10所示,新兴铸管股份有限公司关于离心铸造领域的专利申请主要集中在2002年以后,尤其值得注意的是,2009年关于离心铸造的专利申请突增,该年共申请了6项专利。
10:新兴铸管股份有限公司关于离心铸造的专利申请量对比图
如表3所示,新兴铸管股份有限公司关于离心铸造的专利申请主要集中在铸管设备及其工艺、复合管及其制管工艺方面。其中,关于铸管设备及其工艺共申请了9项专利,其中共有8个发明,仅有1个实用新型。在这9项专利中,除了目前尚未得知审查结果的4项专利申请外,目前具有4项发明专利权。关于复合管及其制管工艺共申请了3项专利,申请时间均为2009年,说明离心铸造复合管技术是新兴铸管股份有限公司目前的研发重点。
从表3中给出的新兴铸管股份有限公司关于离心铸造的专利申请的法律状态数据可以看出,申请的14项专利中,发明比率为93%,除尚未得知法律状态的7项专利外,其专利授权率达86%,充分说明了新兴铸管股份有限公司关于离心铸造制管技术的创新能力。
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3:新兴铸管股份有限公司关于离心铸造领域的专利申请概况
序号
申请号
专利类型
法律状态
名称
技术领域
1
02247919
实用新型
授权
带铸字机构的离心铸管承口芯盒
铸造设备(铸管)
2
200410003078
发明
授权
柔性接口灰口铸铁管热模离心铸造铸模喷涂工艺
铸造工艺
3
200410003079
发明
授权
水冷金属型离心铸管机
铸造设备(铸管)
4
200510118310
发明
视撤
离心浇注具有熔合层双金属钢管或坯的制造方法
产品+铸造工艺(铸管)
5
200510127982
发明
授权
大口径水冷型离心铸管机
铸造设备(铸管)
6
200610113270
发明
授权
一种具有冶金结合的金属复合无缝管的制造方法
制管工艺
7
200810055230
发明
授权
热模法铸造钢管离心机
铸造设备(铸管)
8
200810117112
发明
未知
具有过渡层的双金属复合管坯、其生产方法及其生产设备
产品+工艺(铸管)+设备(铸管)
9
200910075109
发明
未知
一种水冷型管模的制造方法
铸管工艺
10
200910075111
发明
未知
耐腐蚀离心双金属复合管及其生产方法
产品(复合管)+制管工艺
11
200910075341
发明
未知
一种离心球墨铸铁管的浇注装置
铸造设备(铸管)
12
200910075885
发明
未知
离心铸管模具及其制作工艺
铸造设备+工艺(铸管)
13
200910077496
发明
未知
耐腐蚀双金属复合管坯及其生产方法
产品(复合管)+制管工艺
14
200910077497
发明
未知
锅炉用双金属无缝钢管的复合管坯及其生产方法
产品(复合管)+制管工艺
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4:金属所和新兴铸管股份有限公司关于离心铸造的创新能力对比
专利申请人
专利申请量
发明比率
专利授权比率
目前专利权数量
中国科学院金属研究所
20
75%
25%
5
新兴铸管股份有限公司
14
93%
43%
6
如表4所示,通过对比金属所和新兴铸管股份有限公司的发明比率、专利授权比率以及目前具有专利权数量,可以发现,金属所的研发主要集中在铸件方面,而新兴铸管的技术力量主要集中在管件方面,两者具有不同的研发重点。另外,尽管金属所在离心铸造领域拥有最多的专利数量,但与新兴铸管股份有限公司相比,其发明比率、专利授权比率以及目前实际具有专利权数量较低,在离心铸造领域的综合创新能力略低于新兴铸管股份有限公司,在离心铸造领域的市场竞争中,新兴铸管股份有限公司应为首要竞争对手。
四、结论
(一)???? 2005年以后,离心铸造领域的专利申请量呈迅速增长趋势,该领域将进入技术活跃时期,处于技术生命周期中的重要发展阶段。
(二)???? 目前关于离心铸造领域的专利申请主要集中在离心铸造工艺以及设备方面。
(三)???? 向国家知识产权局提交的有关离心铸造的专利申请中,申请人主要以国内申请人为主,专利申请量集中在华北地区、江浙地区以及辽宁省。离心铸造领域专利申请人中,企业申请总量最多,研究院所的专利申请总量最少。
(四)???? 在关于离心铸造领域申请量排名前十的专利申请人中,主要以企业和大学为主,中国科学院金属研究所的专利申请量最多,其次为新兴铸管股份有限公司。
(五)???? 离心铸造领域的发明人中,符寒光等10人在离心铸造领域的专利申请量较多,应重点关注他们的研发成果。
(六)???? 中国科学院金属研究所关于离心铸造领域的专利申请主要集中在2004年以前,申请内容主要集中在铸造设备、铸造工艺、制管工艺以及所得产品方面,具体技术内容主要涉及电磁离心铸造工艺以及相关设备、制管工艺以及所得产品(如,复合管)。目前具有专利权的发明共有5个。
(七)???? 新兴铸管股份有限公司关于离心铸造领域的专利申请主要集中在2002年以后,申请内容主要集中在铸管设备及其工艺、复合管及其制管工艺方面。关于铸管设备及其工艺共目前具有4项发明专利权,2009年提交了三项关于复合管及其制管工艺的专利申请,离心铸造复合管技术是新兴铸管股份有限公司目前的研发重点。
(八)???? 金属所的研发主要集中在铸件方面,而新兴铸管的技术力量主要集中在管件方面,两者具有不同的研发重点。另外,金属所在离心铸造领域的专利申请数量最多,但新兴铸管股份有限公司的发明比率、专利授权比率以及目前实际具有的专利权数量高于金属所,在离心铸造领域的市场竞争中,新兴铸管股份有限公司应为首要竞争对手。
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