在说矿物铸件的应用之前，首先我们要搞清楚，什么材料为矿物铸件？
我们知道复合材料的组成分为两大部分：基体与增强材料。基体：构成复合材料连续相的单一材料。如玻璃钢中的树脂就是基体。增强材料：复合材料中不构成连续相的材料。如玻璃钢中的玻璃纤维就是增强材料。
复合材料按其基体材料不同，可分为三大类：聚合物基复合材料：树脂基复合材料归属此类。金属基复合材料：如铝合金材料，制造方法包括粉末冶金。无机非金属基复合材料：如陶瓷基复合材料。
以环氧树脂做为基体，以天然的非金属矿物、岩石为主要原料，通过物理化学反应，在模具中铸造成型而制成的成品或半成品我们称之为矿物铸件。
矿物铸件复合材料的研究已有很久的历史，自1923 年CRESSON获得了关于聚合物混凝土的第一个专利，不同国家对矿物复合材料进行了大量的研究并迅速投入应用。我国关于矿物复合材料及矿物铸件的研究始于20世纪70年代，当时主要应用在建筑业的地下结构件，如树脂排水沟、电缆沟及桥梁的结构件等，进入21世纪随着中国加入WTO，国外企业在中国建厂开始生产矿物铸件的机床床身等结构件，应用于机床机械和能源等行业的设备基座和支撑结构才正式开启了中国矿物铸件在机床行业的应用发展。
一、矿物铸件材料的性能特点表1 各种机床用材料性能对比
矿物铸件材料用做机床零部件，其主要性能及应用优势体现在以下几个方面：（1）釆用科学的骨料级配和高分子粘连剂，抗压强度达到120 MPa以上,压缩弹性模量可达40 GPa以上， 力学性能完全能够达到大多数机床床身等结构件的要求；（2）减震性约是铸铁的6倍，如图2所示。 机床的动态稳定性高，利于提高加工精度和速度，延长工作寿命。通过ANSYS对机械加工设备床身动态性能进行仿真模拟，也证明了矿物铸件的动态性能均优于铸件材料。图2 矿物铸件与铸铁的振动衰减曲线对比
（3） 矿物材料在搅拌过程中由环氧树脂包裹后固化成型，没有吸放水的孔结构，几乎没有吸湿性；尺寸稳定性好，抗老化、抗冻融性也很好；耐蚀性和耐化学介质性均比铸铁铸钢等金属材料高，热传导率低，热阻隔性高，比热容量大，热稳定性好；（4）安装螺丝孔、 紧固件、管路、线缆等可以预埋在产品结构中（如图3所示）， 直接浇铸成最终的制品，减少了后期加工及组装成本。图3 模具预装镶件、管路
（5）对于有特殊要求或材料性能无法满足的局部，可通过矿物铸件与钢件结合的方式浇铸成型（如图4所示），既满足了局部需求，又充分展现了矿物铸件材料的性能。图4 矿物铸件导轨安装面镶钢
（6）由于矿物铸件的密度是铸铁的1/3,对于一般正常结构的机床床身，矿物铸件的制造成本，可以比传统灰铸铁的成本更低。目前市场灰铸铁的采购成本大概10-15元/KG，在使用矿物铸件的床身以后，机床动态稳定性提高的同时，成本还可能下降。
（7）对于环保的贡献。矿物铸件替代铸铁的使用，将对我国实现碳中和的目标意义重大。
二、矿物铸件材料组份与性能矿物铸件材料的组份一般包括骨料、填料和粘接剂三部分，此外还可根据其实应用添加适当的增强材料，如增强纤维、纳米碳化硅等。
（1）骨料骨料又称集料，是矿物复合材料的基础组分，通常选择鹅卵石、花岗岩或玄武岩碎石颗粒作为矿物复合材料的骨料。按粒径的大小，骨料可分为粗骨料（d>5mm）和细骨料（d<5mm）,粗骨料的最大粒径很大程度上决定了矿物铸件的性能, 一般来讲，最大粒径越大，矿物铸件的细骨料、填料和粘接剂的用量就会越少，但最大粒径过大容易使铸件离析，强度不能得到保证，一般设计要求骨料的最大粒径尺寸不超过矿物铸件壁厚的l/3。在矿物复合材料中，骨料含量基本都在80%以上，因此骨料自身的特性和质量对铸件的性能影响很大，选用时骨料应满足 如下要求：含水率<1%，对树脂固化无不利影响， 强度尽可能高，适当的颗粒形状和配比，以使致密度 最大。
（2）填料矿物铸件材料中，通常需要加入适当填料，以减少树脂用量来降低成本，改善热膨胀系数和收缩率， 提高尺寸稳定性，消除固化中的成型应力，避免发生空穴、裂纹，增强机械强度，增加使用寿命和改善浇铸流动性等。填料本身应基本不含水分，.对树脂或单体以及其他液体组分吸收量少，对聚合反应和固化反应没有有害影响等。常用的填料有粉煤灰、硅和煤渣等工业废料，以及氧化铝和钙粉等材料。
（3）粘接剂在矿物铸件材料中，树脂系统除了有机树脂作为主要的胶结料外，还包括固化剂、稀释剂、增韧剂、消泡剂等辅助材料。有机树脂分为热固性树脂和热塑性树脂两种类型，热固性树脂包括环氧树脂（EP）和不饱和聚酯树脂（UP）；热塑性树脂主要是双酚A型环氧树脂。辅助剂的性能对铸件成品的质量有很大的影响，固化剂用于促进和调节环氧树脂的固化反应，是产生固化胶结所必需的原料。稀释剂的作用是降低环氧树脂的黏度，增加环氧树脂的流动性， 使得环氧树脂在浇铸时更好地渗透到骨料和填料的内部，延长固化时间，达到更好的胶连效果：增韧 剂用来提高环氧树脂的韧性，防止环氧树脂在承受冲击时因脆性较大而容易发生开裂，消泡剂是抑制固化反应过程中产生的气泡，辅助溶剂的添加会破坏环氧树脂的力学性能和耐热性等，因此要严格控制用量。表5为矿物铸件改性环氧树脂的配方。表5 矿物铸件用环氧树脂配方
（4）其他增强材料
增强材料一般是指为增强强度而加入的纤维、纳米材料等。在实际的矿物铸件生产中，使用的纤维类型一般分为3种：钢纤维、玻璃纤维和碳纤维。玻璃纤维和碳纤维都能增强纤维的长径比和含量对矿物铸件的强度和阻尼影响很大，纤维过短或含量过少都起不到增强效果，过长或过多则容易绞结成团，强度下降。矿物复合材料的阻尼比随纤维含量的增加一直增大，因为在纤维含量较多时，成团的纤维增加了矿物铸件内部的空隙，有助于提高阻尼比。提高矿物复合材料的强度和韧性，且碳纤维的增强效果更明显。钢纤维对阻尼的提高主要是通过本身 的扭曲变形复位消耗能量引起的，由于钢纤维本身的阻尼性能较矿物复合材料基体要差，因此钢纤维对阻尼性能的提高没有其他两种纤维那么显著。
三、矿物铸件的工艺及模具
（1）矿物铸件产品结构设计。
参照一般铸件的设计原则，除要满足机器设备本身的要求和机械加工的工艺性要求外，还应遵循的原则如下：
(a)合理设计铸件壁厚，壁厚要均匀，厚壁与薄壁间采用逐渐过渡， 防止突变；
(b)尽量使用平面为分型面，大平面铸件采用合理加强筋；
(c)保证良好的受力状态，防止应力集中；
(d)便于模具制作，拨模方向要有一定的斜度，便于脱模。
设计好矿物铸件的结构，根据使用条件和性能要求，选择骨料、填料、树脂类型和增强材料配合比， 釆用一定的生产工艺来完成浇铸。矿物铸件的成型工艺如图6所示。图6 矿物铸件工艺流程
（2） 生产配方
采用不同的配比方案，可使矿物铸件表现出不同的工作性能。不同的矿物铸件生产厂家根据不同原料和性能要求，研制出了多种矿物复合材料配方，如表7为DIN标准的基础配方。表7 DIN标准矿物铸件配方
矿物铸件是在常温下浇铸完成的，它不同于铸铁的浇铸方法，不需要温度控制和额外的加热措施，再加上矿物质本身的热稳定性较好，使得成型过程中热收缩性小(通常只有0. 1 ~0.3 mm/m),保证了矿物铸件的尺寸精度。可以浇铸结构复杂的零件， 一般釆用一步到位的浇铸方法，产品只需要一次浇铸就可以得到，但对于一些特殊结构的铸件，也可进行分次浇铸，对于铸件产品精度安装面，可以采取磨削或研磨的方式，也有工厂采取二次复印技术，但需求依靠特殊复印树脂及治具，成本偏高。矿物铸件生产周期比铸铁和铸钢要短，浇铸时紧固件、管路、线缆等可以预埋到结构中，镶件材料包括金属、陶瓷、塑料等。矿物铸件成型前的拌合物较黏稠，流动性差， 不易充满模具的整个型腔，在浇铸过程中应不断振动搅拌，来减少空隙、排除气泡，以提高制品的密实度，浇铸完成后在开模前要经过特殊的养护处理。
（3） 矿物铸件模具
矿物铸件批量生产一般使用的模具为钢模或铸铁模（见图8 ），产品研发或打样阶段会用到木模，模具表面需要进行抛光处理，以提高产品的精度。模具清理干净后，要在模具内壁喷涂上一层脱模剂以有利于脱模，因矿物铸件对冲击力比较敏感， 在后期加工中一般通过磨削来实现。因矿物铸件对浇铸模具的精度要求较高，模具的结构也都比较复杂，制作成本较高，动辄几十万的模具费用，是阻碍矿物铸件在机床行业替换铸铁或使用的一个重要因素，但目前也有生产厂家，在用钣金跟其它非金属材料设计制作模具，成本大概是铸件模具的1/3，取得了非常好的效果。图8 矿物铸件模具
四、矿物铸件的应用
矿物铸件已经在制造、电子等行业获得广泛应用，用于制造精密设备，如磨床床身等。在机械工程行业内，由于对加工精度和速度的要求越来越高，对机床本身的性能提出了 更高的要求，矿物铸件做的机器台座和机架由于具有 较好的减震性，以及耐油耐冷却液浸渍的性质很好地 满足了这一要求。这类机床具有动态性能好、加工精度高的特点，相较于传统机床具有相当大的优势。
矿物铸件的应用
制造业 铣床，磨床，钻床，切割机，数控加工
电子业 自动装配机，PCB钻机，检测设备，显影设备
医疗业 CT和X光，核磁共振，牙科手术
测量业 三坐标测量机，平衡机
能源业 电动机，发电机，汽轮机，泵
轻工业 铝塑包装设备，纺织设备，木工机械图9 矿物铸件的应用示例图10 矿物铸件的应用示例
五、展望
矿物铸件在机床上的应用，大大提高了机床的静、动态稳定性，热特性以及阻尼性能等，是提高机床加工精度和速度的有效途径。以矿物复合材料代替铸铁等传统材料作为制造精密机床构件的研究仍然处于发展阶段，其研究热点主要体现在：
(1) 进一步优化矿物复合材料的配方，开发出力学性能和减震阻尼综合性能优良的矿物铸件， 增加矿物复合材料的弹性模量、弯曲和拉伸强度等， 提高矿物铸件的使用性能。
(2) 改进矿物铸件的生产工艺，在满足使用要求的前提下，减少生产过程对环境造成的影响，研究无缺陷浇铸成型及表面处理技术，使产品浇铸出来就能直接使用。
(3) 对矿物铸件内部组分作用机制的基础研究，应用相关的力学原理建立矿物复合材料内部各组分的数学模型和材料的本构模型。
