《铸造》杂志

  201704期

面向2030的中国铸造技术新材料·新工艺铸造论坛专题综述压力铸造熔模铸造计算机应用应用技术经验交流
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  • 面向2030的中国铸造技术
    大型薄壁铝合金减震塔砂型铸造技术研究
    阮 明1,刘海峰2,姚 红3,石 飞1,冯志军1,李宇飞1
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    铸造技术路线图:消失模铸造
    樊自田 蒋文明 郭 鹏等
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    新材料·新工艺
    关于球墨铸铁球化率评定方法的初步探讨
    王泽华,徐飞龙,张 欣,邵 佳,汪米琪
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    金属化合物MgAg和MgY在压力下力学性能的第一性原理计算
    杨 阳,毛萍莉,刘 正
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    Fe、Mn、Ce对压铸Al-Mg和Al-Mg-Si合金组织和性能的影响
    陈 超1,刘 勇2,张振富2,冯 浩2,陈晓磊2,徐翔合2,李德江1,曾小勤1
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    陶瓷颗粒增强SiCp/Al铝基复合材料制备和性能研究
    郝世明1,毛建伟2,谢敬佩3,刘佳斌1
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    铸造论坛
    升液管材料和制造研究进展
    郭新力,于 波,苏贵桥,孙 逊,刘孝福,李 彪
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    专题综述
    挤压铸造对过共晶Al-Si-Cu-Mg合金组织与性能的影响
    李润霞,刘兰吉,史原脊,孙 菊,张立军,郑 黎,于宝义
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    自孕育凝固技术及其研究进展
    李元东1,2,李 明1,毕广利1,2,马 颖1,2,黄晓锋1,2,陈体军1,2
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    压力铸造
    溶质偏析对铸造铝合金疏松缩孔缺陷的影响
    左 强,洪润洲,周永江,杨守杰
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    盐芯开发及其在高压铸造中的应用
    张文光1,刘海峰2,张宏奎2,陈晓明2,刘伟华3,刘煊宇3,宋 来3
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    熔模铸造
    充芯连铸铜包铝复合材料界面层厚度数值模拟
    张建宇1,李河宗1,初 娣2,吴春京2
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    重型燃机涡轮叶片精铸工艺研究
    谭 巍1,金文光2
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    计算机应用
    铝合金熔炼炉用铝硅质浇注料的侵蚀行为研究
    宋聪聪1,李富朝2,叶方保1,2,尹坤宝2,周国录2
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    应用技术
    宝珠覆膜砂在缸体铸造中的应用
    聂 越,刘增林,苏 鹏,赵发辉
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    铈及冷却速率对铬锰氮不锈钢定向凝固稳态区组织的影响
    张慧敏,赵莉萍,贺建新
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    热处理工艺对Cr26型高铬铸铁组织和性能的影响
    史 磊,张凤营
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    改善废铝再生中Fe相析出形态的工艺试验
    孙德勤1,2,周自强2,费有静3,杨敬军1,朱 苏1
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    Mg-10Gd-3Y-2Nd-0.5Zr合金显微组织和力学性能
    严景龙1,李全安1,2,陈晓亚1,陈 君1,2,张 清1,2,周 耀1
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    经验交流
    铸造技术路线图:快速成形
    周建新 计效园 闫春泽 等
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    列车箱体铸铁件表面气孔缺陷的消除
    鲍 梦
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    基于MAGMA的地铁电机端盖铸造工艺优化设计
    黄永欢1,季火绩2,丁 杰2,雷卫宁1,于 赟1,赵金权2
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
  • 面向2030的中国铸造技术
    大型薄壁铝合金减震塔砂型铸造技术研究
    阮 明1,刘海峰2,姚 红3,石 飞1,冯志军1,李宇飞1
    针对减震塔铸件结构特点,分析了减震塔铸造工艺难点及要点,开展了A357合金成分控制、合金熔体净化、合金晶粒组织细化、薄壁件完整充型、尺寸精度控制及内部质量控制研究。研究结果表明:通过合金成分控制,合金熔体净化、合金变质及晶粒组织细化,获得本体各向同性、力学性能优异的A357铝合金减震塔铸件;铸件采用精密砂型调压铸造方法,优化浇注系统,在筋条交接厚壁处进行激冷的铸造工艺,高过热度浇注,并结合保温涂料及增强砂型排气,获得充型完整、内部质量优良的减震塔铸件,达到设计要求;另外,通过减震塔分模设计及优化,整体外型及内芯分型面阶梯齿状配合,定位销与定位套镶嵌固定的方式,并结合热处理防变形工装,使铸件尺寸满足设计要求。
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    铸造技术路线图:消失模铸造
    樊自田 蒋文明 郭 鹏等
    第一节 概 述  消失模铸造,又称实型铸造。它是采用泡沫塑料制作成与铸件形状、尺寸一样的实体泡沫模样,经涂挂耐火涂料干燥后,进行散砂振动紧实或有粘接剂型砂紧实,然后浇入金属液使模样受热气化消失,得到与模样形状一致的金属零件的铸造方法。实体泡沫模样可采用模具发泡成形、加工组装成形获得[1]。总体看,消失模铸造技术特点明显,在理论上,它可用于各类铸件,一些铸件采用该技术颇有优越性,但它不是万能的,有一定的适用性。何种铸件产品适于消失模铸造工艺,须经过技术上的可行性及经济上的合理性认证,不宜盲目从事。目前,我国能够大量生产的消失模铸件种类包括:各类铁质变速箱体、飞轮壳、离合器壳体、电机壳、管件、耐磨衬板(件)、机床床身、歧气管件、水泵和阀门壳体等,部分企业已成功生产发动机缸体、缸盖等。  我国于20世纪90年代开始消失模铸件的生产。进入21世纪以来,我国的消失模铸造技术发展进入了快速发展期。据不完全统计,2015年我国的消失模铸件产量约160万t,主要合金仍是铸铁。目前,我国能够大量生产的消失模铸件种类包括:各类铁质变速箱体、飞轮壳、离合器壳体、电机壳、管件、耐磨衬板(件)、机床床身、歧气管件、水泵和阀门壳体等,部分企业已成功生产发动机缸体、缸盖等。与先进国家相比,我国消失模铸造产品的形状和品种基本类似,不过复杂程度和质量水平相比差距较大[2-4]。在消失模铸造生产的合金种类上,铸铁件的消失模铸造生产技术在我国已基本成熟,铸钢件(除低碳钢件的渗碳缺陷控制外)我国也基本掌握。但我国铝合金消失模铸件的产量还不到总产量的0.5%,在规模、技术、专用设备、自动化等方面都明显滞后。铝合金消失模铸件受到一些缺陷(主要是针孔、缩松)的困扰,废品率居高不下。而对镁合金消失模铸造技术的研究,我国的起步较早。上海交通大学和华中科技大学于2000年前后开展镁合金消失模铸造技术研究。  欧美发达国家的消失模铸造技术应用,开始于20世纪70年代,快速增长期是20世纪90年代以后,目前已经进入快速增长后的成熟期。目前,国外消失模铸造技术研究及应用的重点是铝合金及镁合金消失模铸造技术与材料。在国外,铝合金消失模技术的大规模应用开始于20世纪80-90年代,尤其在美国、德国等发达国家的汽车行业应用广泛。2009年美国的铝合金消失模铸件产量达到22万t[5]。总体上,西方发达国家的铝合金消失模铸造技术,在基础理论研究和实际生产应用上都领先于我国,特别是在泡沫模样材料[6-9]、金属液充型和凝固过程[10-14]以及消失模铸件缺陷控制[15-20]等方面,有许多的先进技术值得我们借鉴。而国内外对于镁合金消失模铸件的生产基本都停留在试制阶段。  目前我国消失模铸造生产存在的主要难点及其解决思路概括如下:(1)消失模铸造工艺设计理论及过程准确模拟。消失模铸造工艺复杂,目前还没有较为准确的设计、计算消失模铸造工艺参数(浇冒系统)的理论依据,并且我国还没有成熟好用的消失模铸造模拟软件。因此,进行必要的消失模铸造工艺设计理论基础研究,开发实用的消失模铸造模拟软件仍具有重要的理论与实际意义。(2)适用于铝(镁)合金消失模铸造的泡沫模样材料及特种工艺。铝(镁)合金消失模铸造浇注温度要求高,铸件易产生浇不足、针孔、夹渣、缩松等缺陷。必须从新的泡沫模样材料、涂料、特种工艺与装备等方面采取措施,以提高消失模铸造铝(镁)合金零件的内在质量。(3)复杂铸件泡沫模样的散砂振动紧实理论、技术与装备。我国用于消失模铸造的多维振动紧实理论研究还不够深入,振动装备相对简单,无法满足复杂铸件泡沫模样的紧实要求。深入研究复杂铸件泡沫模样的散砂振动紧实理论,开发新型多维振动紧实装备是提升消失模铸造技术水平的先决条件。(4)适于不同金属消失模铸造的涂料。目前我国消失模铸造涂料的整体质量不高,较大地影响了消失模铸造技术水平。研发适于不同合金消失模铸造的高性价比的涂料,是我国消失模铸造技术进步的重要方向。(5)泡沫塑料精确加工的高速加工方法与空心刀具。目前机械加工的泡沫模样表面质量差,组装成形精度低。研发泡沫塑料精确加工的高速加工方法、装备与专用空心刀具,是采用消失模铸造方法快速铸造高品质的单件、小批量铸件的装备保障。(6)适于消失模铸造的零件结构、材料种类。消失模铸造技术特点明显,但它有一定的应用范围,必须经过技术上的可行性及经济上的合理性的充分认证。有组织地研究、归类适于消失模铸造的零件结构、材料种类等,对我国现阶段消失模铸造技术的推广应用与发展具有指导意义。(7)预发泡沫模样成形设备与质量控制。国内的成形设备仅能生产质量要求不高的模样,对于发动机缸体、缸盖,双层水冷电机壳等高难度的薄壁零件难以达到其成形要求;另外,国内泡沫模样成形设备的自动化程度也较低。因此,开发图形界面、成形工艺自动化监测控制的预发泡机及成形机是提升国内消失模铸造水平的重要基础。  当前,消失模铸造用于钢、铁铸件的生产技术已趋于成熟,研究重点已转入铝、镁合金。随着消失模铸造关键技术以及相关智能化装备的不断突破和发展,消失模铸造精密成形技术在航空航天、汽车、军工、机械等行业具有较大的应用前景,尤其是针对一些具有复杂形状、复杂内腔、异形的铝、镁合金铸件具有更大优势,如:铝合金或镁合金发动机缸体、缸盖、歧气管,复杂航空铝合金或镁合金机匣等,利用消失模铸造技术可实现此类高性能、高精度的复杂铝、镁合金铸件的大批量工业化生产;同时结合泡沫模样快速精确加工的快速成形技术,也可实现航空航天、汽车、军工等行业高精端、高性能复杂铸件的快速试制和小批量生产。因此,随着消失模铸造技术的不断革新和进步,它对推动我国的国防、航空航天和汽车工业的发展具有非常重要的实际意义。
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    新材料·新工艺
    关于球墨铸铁球化率评定方法的初步探讨
    王泽华,徐飞龙,张 欣,邵 佳,汪米琪
    球墨铸铁是一种重要的工程材料,球化率是评定球墨铸铁质量的关键指标,但至今没有统一的国际标准。本文综述了球化率对球墨铸铁抗拉强度、断后伸长率、冲击韧性、疲劳性能以及磨损性能和腐蚀性能的影响。介绍了国内外标准中对球化率定义及相应的评定方法,指出了现有标准中对球化率评价方法存在的差异和矛盾,提出建立球墨铸铁评定方法的设想和建议。
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    金属化合物MgAg和MgY在压力下力学性能的第一性原理计算
    杨 阳,毛萍莉,刘 正
    采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算,计算了镁合金中金属化合物MgAg和MgY在0~20 GPa压力下力学性能。计算在0 GPa压力下MgAg和MgY的晶胞参数、体模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比等数据。结果表明:MgAg和MgY均满足力学性质稳定性,MgAg的抗剪切能力、抵抗变形能力、刚度、延展性均比MgY强;而MgY塑性好于MgAg。在0~20 GPa压力作用下MgAg和MgY的晶胞晶格常数和晶胞体积均随压力增加而变小,并且MgY比MgAg的变形率更大,二者的抗变形能力和抗剪切能力均有所增加;MgAg和MgY的脆性在减弱,延展性在逐渐增加,二者塑性均随着压力增加而增加,二者的结合力均表现为中心原子力,各向异性也均随压力增加而增加。
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    Fe、Mn、Ce对压铸Al-Mg和Al-Mg-Si合金组织和性能的影响
    陈 超1,刘 勇2,张振富2,冯 浩2,陈晓磊2,徐翔合2,李德江1,曾小勤1
    研究了几种主要合金化元素Fe、Mn、Zn以及稀土元素Ce在AlMg4.5和AlMg4.5Si2.6压铸合金中的存在形式,比较了显微组织中第二相种类和形貌对合金力学性能的影响。结果表明AlMg4.5Si2.6压铸合金中主要存在α-Al相、多边形状Al8(Fe, Mn)2Si相、层片状Al-Mg2Si共晶相和短棒状Al(Si)Ce相,AlMg4.5压铸合金中主要存在α-Al相、少量Al-Al3Mg2共晶相、长条状Al6(Fe, Mn)相以及不规则的小块状Al4Ce相,微量Zn主要固溶于合金基体中。在两种合金金相组织中都有剪切带的存在,溶质原子在该区域富集,第二相含量更高。相比于AlMg4.5合金,AlMg4.5Si2.6合金强度和硬度更高,但是塑性较低。AlMg4.5Si2.6合金中层片结构的Al-Mg2Si共晶组织在拉伸过程中容易形成解理台阶,表现为明显的脆性断裂。AlMg4.5压铸合金在拉伸过程中表现为穿晶断裂和沿晶断裂的混合断裂机制,长条状的Al6(Fe, Mn)粒子尖端处很容易造成应力集中,加速了合金的断裂。
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    陶瓷颗粒增强SiCp/Al铝基复合材料制备和性能研究
    郝世明1,毛建伟2,谢敬佩3,刘佳斌1
    采用液态搅拌铸造工艺制备了体积分数为15%和20%的SiCp/ZL108两种铝基复合材料,通过拉伸测试、组织观察和耐磨性能实验,研究了增强颗粒SiC对基体合金的显微组织、力学性能与耐磨性能的影响。结果表明,在基体ZL108中加入不同体积分数的SiCp后,颗粒分布均匀,组织致密,增加了复合材料中的位错密度,力学性能、弹性模量得到提高,材料的磨损性能有大幅度的改善,SiCp的良好支撑作用、导热性能和高体积分数是复合材料耐磨性能优良的主要原因。
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    铸造论坛
    升液管材料和制造研究进展
    郭新力,于 波,苏贵桥,孙 逊,刘孝福,李 彪
    升液管是反重力铸造的关键部件之一,对铸件质量的控制具有非常重要的作用。综述了升液管升液的原理、材料的分类和近年来制造工艺的国内外研究进展。重点叙述了升液管在熔点较低的轻质合金以及熔点较高的钢铁材料和高温合金等反重力铸造方面的研究进展和应用情况,并对升液管今后的发展进行了展望。
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    专题综述
    挤压铸造对过共晶Al-Si-Cu-Mg合金组织与性能的影响
    李润霞,刘兰吉,史原脊,孙 菊,张立军,郑 黎,于宝义
    研究了比压对挤压铸造Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg-0.1Mn合金的显微组织和力学性能的影响规律。结果表明,在压力下凝固时,合金的显微组织发生明显改善,力学性能大幅提高。且在一定压力范围内,随着挤压力的增加,α(Al)枝晶明显细化,枝晶间距减小,共晶Si相、Al2Cu相等强化相尺寸减小,力学性能提高;但当挤压铸造比压达到850 MPa时,合金的硬度和强度反而略有下降。与此同时,合金的伸长率却随着挤压铸造比压的增大持续升高。因此,比压为670 MPa时,挤压铸造Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg-0.1Mn合金获得较好的组织与性能。
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    自孕育凝固技术及其研究进展
    李元东1,2,李 明1,毕广利1,2,马 颖1,2,黄晓锋1,2,陈体军1,2
    自孕育凝固技术是一种新型凝固组织控制技术。采用自孕育法制备半固态浆料,工艺流程短,效率高,设备简单,适用性强,并且成本低廉,适于规模化、商业化生产。文中针对自孕育法的特点,结合已完成的部分工作,总结各参数对自孕育凝固组织的影响规律,分析各参数间的交互作用对自孕育凝固过程的影响,并探讨需要解决的问题及后续研究方向。 
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    压力铸造
    溶质偏析对铸造铝合金疏松缩孔缺陷的影响
    左 强,洪润洲,周永江,杨守杰
    研究了溶质偏析行为对铝合金凝固过程中缩孔疏松缺陷的影响。分析不同偏析模型(杠杆定律、Scheil模型、逆扩散模型)下合金的溶质再分配与热物性参数;采用ProCAST有限元模拟软件包的Niyama判据预测不同偏析模型下凝固缩孔疏松缺陷的形成趋势,并结合试验结果给出溶质偏析对凝固缺陷的影响。
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    盐芯开发及其在高压铸造中的应用
    张文光1,刘海峰2,张宏奎2,陈晓明2,刘伟华3,刘煊宇3,宋 来3
    具有空腔结构的铸件可以进一步提高铸件的结构刚度和降低部件重量,满足车辆轻量化的使用要求。通过应用盐芯技术,可以使目前广泛使用的高压铸造生产技术满足空腔结构铸件的铸造要求。本文综合论述了目前应用于高压铸造过程中的盐芯制备技术,测试方法,相关研究进展以及典型的应用案例,并对可能的应用前景进行了讨论。
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    熔模铸造
    充芯连铸铜包铝复合材料界面层厚度数值模拟
    张建宇1,李河宗1,初 娣2,吴春京2
    研究了充芯连铸铜包铝复合材料的界面层微观组织及其形成机理,结果表明,在连铸过程中,铜与铝界面结合为非等温固-液反应扩散过程控制,铜铝界面层厚度与纯铜溶解的厚度成正比。可采用叠加原理求得铜的溶解厚度,其计算过程如下:首先获得铜包铝复合材料界面温度-时间冷却曲线;冷却曲线被分成若干时间间隔,在每个时间间隔内,铜的溶解可看成是等温过程;将每个温度间隔铜溶解的厚度累加起来得到总的溶解厚度。计算结果和实验结果相吻合,可为实验过程提供指导。
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    重型燃机涡轮叶片精铸工艺研究
    谭 巍1,金文光2
    浇不足、疏松和夹渣等缺陷是铸件浇注时常出现的问题。针对这一问题,以某重型燃机Ⅰ级涡轮叶片无余量精铸工艺作为研究对象,介绍了陶瓷型芯制备与烧结工艺、蜡模与组合方案设计、陶瓷型壳制备工艺和铸件浇注工艺、铸件脱芯工艺等几个关键方面,较好地解决了此类问题。在此基础上,制备出了符合设计要求的合格叶片铸件,并通过了试车考核。
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    计算机应用
    铝合金熔炼炉用铝硅质浇注料的侵蚀行为研究
    宋聪聪1,李富朝2,叶方保1,2,尹坤宝2,周国录2
    采用坩埚法研究了铝合金液对4种铝硅质耐火浇注料的侵蚀行为,用XRD、SEM和能谱对侵蚀后的坩埚试样进行了物相和显微结构分析。结果表明:在本实验温度范围内,从气孔率判断,在1 200 ℃热处理后试样有一定程度的烧结,常温抗折和耐压强度均随处理温度的上升而增大;浇注料的抗铝液侵蚀性与其Al2O3含量和显气孔率密切相关,Al2O3含量越高、气孔率越低的试样抗渗透和抗侵蚀性能较好;铝合金液在850 ℃时与耐火材料中的SiO2反应生成Al2O3和Si,伴随体积收缩,导致耐火材料开裂损毁;耐火材料反应层中颗粒和基质均被侵蚀,侵蚀后气孔被填充变得更加致密,在间歇式工况条件下容易产生结构剥落。同时,侵蚀过程中,铝合金液中的Zn蒸汽逸出,在过渡层富集。
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    应用技术
    宝珠覆膜砂在缸体铸造中的应用
    聂 越,刘增林,苏 鹏,赵发辉
    介绍了宝珠覆膜砂的性能特点及适用场合。利用宝珠砂为原砂,制作覆膜砂,解决了缸体油道芯变形、缸筒缺口、粘砂、气孔和壁厚超差等铸造缺陷。生产实践表明,利用宝珠砂可以有效减少铸件缺陷,提高缸体铸件品质。
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    铈及冷却速率对铬锰氮不锈钢定向凝固稳态区组织的影响
    张慧敏,赵莉萍,贺建新
    采用电磁感应定向凝固生长炉制备了铬锰氮不锈钢定向凝固试样,研究了凝固速率和稀土铈含量对试样稳态区凝固组织的影响。结果表明,当凝固速率为12 μm/s时,试样稳态区的凝固组织是胞状组织,随着凝固速率增加到120 μm/s和500 μm/s时,试样稳态区的胞状组织向枝晶状组织转变,且随冷速的增加,枝晶臂来不及长大。当冷速为12 μm/s时,随铈含量增加到0.067%时,枝晶尖端的成分过冷增加,凝固组织也由胞状向枝晶状转变,晶粒形态发生变化,晶粒界面增多,从而提高了铬锰氮不锈钢的硬度。
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    热处理工艺对Cr26型高铬铸铁组织和性能的影响
    史 磊,张凤营
    研究了热处理工艺对Cr26型高铬铸铁显微组织和力学性能的影响。结果表明:高铬铸铁铸态组织是由珠光体+奥氏体+马氏体+碳化物组成。热处理促使奥氏体向马氏体转变,热处理后组织主要为马氏体+碳化物。在热处理温度范围内,显著提高高铬铸铁的硬度和冲击韧度,同时均随淬火温度增加而增高,在950 ℃达到最大值,分别为HRC62.2和8.3 J·cm-2。
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    改善废铝再生中Fe相析出形态的工艺试验
    孙德勤1,2,周自强2,费有静3,杨敬军1,朱 苏1
    废铝再生原料中往往混杂较多的铁质材料,在熔炼与铸造过程中容易出现以粗大片状形态析出的富Fe相,降低再生产品的使用性能。开展了熔剂法改善废铝熔体中富Fe析出形态的工艺试验,以硼砂、氯化锰和AlTiBRE(质量比为2:2:1)等组成熔剂,在730~750 ℃加入废铝熔体中,加入量为2%,并在30 min内完成浇注,富Fe析出相以较为规整的形状析出,颗粒较细小且分布较为均匀,铝合金性能明显提高。
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    Mg-10Gd-3Y-2Nd-0.5Zr合金显微组织和力学性能
    严景龙1,李全安1,2,陈晓亚1,陈 君1,2,张 清1,2,周 耀1
    以Mg-10Gd-3Y-2Nd-0.5Zr合金为研究对象,采用OM、XRD、SEM、TEM、拉伸试验对合金的显微组织和力学性能进行了研究。结果表明:铸态和时效态合金显微组织均由α-Mg、Mg5Gd、Mg24Y5、Mg41Nd5相组成,时效态合金组织分布更加均匀。室温(25 ℃)到350 ℃范围内合金的抗拉强度呈先升高后降低的趋势,且在250 ℃时达到峰值309.5 MPa,出现明显的反常温度效应。该合金具有优异的高温力学性能,在 300 ℃时抗拉强度为283.5 MPa,远高于目前商用稀土镁合金WE54。
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    经验交流
    铸造技术路线图:快速成形
    周建新 计效园 闫春泽 等
    第一节 概 述  快速成形铸造技术主要涉及增材制造、数控加工和铸造三个领域。  快速成形(Rapid Forming,RF)是基于数字化技术,利用增减材制造方法实现快速制模、制型和制芯等的一种成形工艺。  采用增材制造(Additive Manufacture,AM)原理,可以直接利用三维CAD数据,无需模具直接制造出空间形状任意复杂结构,它是近20年来制造技术领域的重大突破,是先进制造技术的重要组成部分[1-4]。将增材制造技术与铸造技术相结合,可以扬长避短,使设计—修改—再设计—制模—造型—浇注这一冗长的传统铸造过程得到大大简化,显著缩短铸件的生产周期,是一种通过缩短制模周期来实现快速成形的方法。  数控铣削砂型(芯)技术是将现有成熟的数控加工技术,结合现代先进制造理念,满足了铸件制造速度快、表面质量好、加工成本低这一现实需求。其制备的铸件尺寸精度及表面质量均有较大的提高,已成为一种新型的特种铸造方法[5-6]。另外,数控铣削技术同样可与消失模铸造技术结合,实现消失模白模的快速精密成形,该成形工艺利用CAD模型驱动在数控机床上加工出用于浇注的消失模原型[7-8],特别适合单件小批量大型铸件的快速精密铸造。  近年来,数控铣削技术在铸造领域的应用对快速成形的定义进行了扩充。过去,快速成形所涉及的三个领域,没能形成一个完整的体系,各自的优势体现不明显,因此将三者进行有机结合,拓展铸造的支撑技术,需要进行更多共性技术研发和应用。  目前,我国的铸造企业在生产技术、设备、管理水平及精密铸件质量等方面与发达国家相比还存在较大差距。如何通过铸造生产流程的创新设计,实现多种类铸件的高效、敏捷制造,满足日益多样化的铸件产品定制需求,已成为我国铸造学术界和工业界共同面临的课题。西安交通大学自1993年起就在国内率先开展SLA系统的研究,并将其应用于快速成形;华中科技大学快速制造中心将SLS与铸造工艺相结合,形成了以SLS为基础的铸造熔模、砂型、陶瓷芯快速制造方案。北京隆源自动成型系统有限公司以快速成形为应用对象开展了SLS装备与工艺开发[9]。此外,机械科学研究总院先进制造技术研究中心在解决砂尘防护及废砂回收利用问题,佛山市峰华自动成形装备有限公司在大型砂坯制备,西北农林科技大学在精加工刀具方面都各自取得了较大进展[6]。  在发展增材制造技术方面,美国一直处于领先地位,美国Sandia国家重点实验室于1996年前后研究了基于聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)粉末的SLS技术,成功将其应用于熔模铸造。德国EOS公司和美国DTM公司分别于1998和1999年推出了以聚苯乙烯(Polystyrene,PS)为基体的SLS材料,适合熔模铸造工艺[9-12]。日本、德国、英国等竞相研究开发新型增材制造技术,通过在精密铸造中应用增材制造技术,解决了传统精密铸造中蜡模制造周期过长的瓶颈问题[13-14]。  在砂型(芯)的增材制造方面,德国EOS公司早在1996年就在宝马公司安装了其研发的EOSINT S 700砂质激光烧结系统[9];Voxijet公司开发了4 m行程大型砂型打印机和连续式打印机;ExOne公司开发了喷胶法砂型打印技术。  在砂型的数控铣削方面,德国Actech公司最先研发砂型数控直接铣削加工工艺设备,显著缩短了铸造的生产周期[7]。德国Metrom公司研制的P2000M型高速五轴数控并联机床铣削砂型设备首次采用5杆并联机构和5环伺服驱动主轴部件[15]。  MASTER系列的CNC还可以通过BACCI独特开发的数值模拟软件PITAGORA进行编程检查、优化及模拟实际加工,可实现加工砂型(芯)产品出错的风险降至为零。  随着研究的不断开展,与快速成形工艺相适应的铸型材料不断出现,如残留低于0.3%的光敏树脂和PS材料,发气量低的增材制造砂型材料;铸型表面质量和精度快速提高,首饰和义齿经快速成形后已不必进行人工处理;早前的快速成形技术是快速原型制造去适应铸造工艺,而随着两者的不断融合,适合快速成形流程的铸件结构设计也被提上了日程。  综上所述,复杂零件快速成形技术的研究,有着极为重要的现实意义。它可以解决复杂件制造的时间成本制约瓶颈,大大缩短新产品的开发周期,支撑新产品快速制造开发,能有效提升企业集团、国家关键行业的核心竞争力,对制造业的长期发展具有战略意义。  我国快速成形技术研究水平总体处于国际第一阵营,在铸造原型的SLA成形、铸型的SLS成形、高速数控铣削无模成形铸型及消失模等方面积累了大量自有知识产权,在部分设备成形尺寸、造型材料和后期工艺方面有独特优势。在应用层面,快速成形已成功用于航空航天关键零部件、发动机缸体缸盖等产品的生产和试制,成为我国汽车动力总成试制的标准方法,有效加速了小批量铸件试制及生产的流程。  在新工艺融入传统工艺的过程中,会产生很多技术难点,主要可以概括为以下几个方面。(1)新工艺的融入引入了新的工艺环节,传统的材料体系可能不能满足新的工艺要求,新的材料体系开发是一大难点。(2)新的工艺融入了粘合、烧结、切削等新工艺,会产生新的工艺标准。例如熔模铸造蜡模的制造,SLS技术的引入使得蜡模表面质量、尺寸受到限制,需要制订新的工艺标准。(3)在复杂小型、中型、大型铸件的快速试制、和小批量生产方面,设备大型化、精密化和高效化对相关设备的研发提出了更高的要求。
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    列车箱体铸铁件表面气孔缺陷的消除
    鲍 梦
    针对列车箱体铸铁件上表面存在的气孔缺陷,分析了原工艺存在的问题。应用大孔出流理论,重新设计了浇注系统,在铸件底部和顶部增加了内浇道,浇道面积加大1倍,结果气孔缺陷彻底消除。
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    基于MAGMA的地铁电机端盖铸造工艺优化设计
    黄永欢1,季火绩2,丁 杰2,雷卫宁1,于 赟1,赵金权2
    在电机端盖的生产过程中,铸件的厚大部位存在铸造缺陷。为消除此缺陷,使用MAGMAsoft凝固模拟软件对初始工艺进行了分析和优化,解决了铸件的缩松问题,最终得到了合格的铸件。
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