《铸造》杂志

  201709期

面向2030的中国铸造技术新材料·新工艺专题综述熔模铸造计算机应用试验研究应用技术标准化
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主编:曲学良

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  • 面向2030的中国铸造技术
    ZL114A支架凝固成形曲面结构控制工艺研究
    樊振中1,2,齐向军3,施晓雪3,李 娜3,李 仁3,王胜强1,2
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    铸造技术路线图:反重力铸造
    冯志军李宇飞 王 伟 石 飞 吴 江 阮 明
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    新材料·新工艺
    等温淬火球铁研发工作的进展与发展趋势
    曾艺成1,李克锐2,张忠仇2,徐明君1,卫东海2
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    动态合成对制备新型Al-Ti-B-RE细化剂第二相粒子的影响
    王正军1,刘蒙恩1,黄永德2,朱 磊1,张 欣1
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    铸造奥氏体不锈钢强磁性原因及解决措施
    贾 华1,黄 琴1,孙 奇3,刘海波1,何 涛1,常占东1,范学东1,刘海英2,邓德伟2, 3
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    新型高温合金热处理及长期时效过程中组织稳定性研究
    孙乃荣,熊江英,杨金龙,冯干江
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    专题综述
    熔模铸造
    铝合金后轮罩真空压铸工艺优化设计
    陈学美,朱仁举
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    计算机应用
    蠕墨铸铁中石墨的三维空间结构表征
    马志军1,文 琼2,冯云鹏3,杨 雨3,杨 忠1,李建平1
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    虚拟环境下机体铸件的优化设计制造技术
    李耀宗,陈志林
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    试验研究
    商用车等温淬火球墨铸铁支架铸件的开发
    王东旭,王成刚
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    铝合金轮毂失效分析
    谭 莹,莫明珍,李小敏,李成明
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    搅拌摩擦焊工艺参数对铸造AlSi14合金焊接接头性能的影响
    赵丽敏,蔡 亮
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    碳含量对ZG31Mn2Si组织和性能的影响
    司岸恒1,魏世忠1,申振芳1, 2,张国赏1, 2
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    机械振动对变质Fe-B-C合金组织和性能的影响
    郑开宏1,张 琦1, 2,王海艳1,王 娟1,郑志斌1
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    己内酰胺改性冷芯盒树脂高温性能研究
    崔 刚,韩 文
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    应用技术
    ISO 2892:2007《奥氏体铸铁》国际标准解读
    张 寅
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    模具壁厚对铸件凝固状态的影响
    叶 珍,张川吉,朱大智
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    降低干式缸体渗漏率的工艺措施
    梁加芳,张孟琨,郑翠华,何帅伟,李 甜
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    耐磨低铬铸铁米辊的研制
    陈育新,颜红芹
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    热等静压对ZL205A壳体铸件缺陷及力学性能的影响
    曲银辉1,姚 红2,车洪艳3,苏 鑫1
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    铸铝件防粘砂措施的探究与应用
    傅 旭,唐志强
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    铸造工艺对球墨铸钢轧辊热裂纹和夹砂的影响
    郭建设,徐贵宝
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    标准化
    铸造技术路线图:造型材料
    尹绍奎 周静一 谭 锐 李 玲 李延海 于志勇 张海东 刘加军 于瑞龙
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    行业标准《铸造铝合金金相 第1部分:铸造铝硅合金变质》解读
    葛素静1,宗福春1,刘 闯2,霍会娟3
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  • 面向2030的中国铸造技术
    ZL114A支架凝固成形曲面结构控制工艺研究
    樊振中1,2,齐向军3,施晓雪3,李 娜3,李 仁3,王胜强1,2
    应用于某型号航天卫星的ZL114A支架铸件选用开放式浇注系统,结合不同铸型材料与结构设计,在低压充型下实现了自下而上与自内向外的顺序凝固,铸型温度呈现出先上升后下降的变化趋势。聚乙二醇65 ℃下淬火可有效缩短薄膜传热时间,提高淬火冷却速度且降低淬火热处理变形,T6热处理后在-120 ℃液氮下保温2 h后,本体剖切试样平均抗拉强度、屈服强度、伸长率与布氏硬度分别为336 MPa、281 MPa、5.8%与87.5。初生α-Al基体铸态晶粒尺寸约为86 μm,铸态沿晶界分布的初生与共晶Si相呈现为板片状与短棒状,经T6热处理后,Si相形貌转变为球状,断裂机制由沿晶断裂转变为韧窝断裂。
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    铸造技术路线图:反重力铸造
    冯志军李宇飞 王 伟 石 飞 吴 江 阮 明
    第一节 概 述  反重力铸造(Counter-gravity casting,简称CGC)一般指液态金属在与重力相反方向力的作用下完成充型、补缩和凝固过程的铸造方法,是20世纪初发展起来的一种铸造成形工艺。起初主要是低压铸造,之后随着工艺的进一步发展,形成了差压铸造、调压铸造、真空吸铸等多种工艺形式。反重力铸造工艺适用性广,可用于铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、高温合金等多种合金材料,铸件重量由几十克到几吨,铸型可使用砂型、金属型、熔模壳型、石膏型及石墨型等。  经过多年的研究,我国反重力铸造技术取得了众多研究成果。在民用领域,低压铸造是国内应用最为广泛的反重力铸造技术,工艺趋于稳定和成熟。其中,汽车轮毂、高压开关大型壳体、医疗设备结构铸件等一系列民用铝合金铸件技术水平已接近国外先进水平。在军用领域,国内反重力铸造技术主要以低压铸造为主,对于具有特殊要求的铸件采用差压铸造或调压铸造技术。在低压铸造工艺方面,已成功开发出一批接近国际先进水平的铸件,如可达到美军标要求的导弹舱体铸件、总体长度达到4 m的变截面薄壁复杂油箱铸件、军用航空发动机机匣铸件等。在差压铸造工艺方面,国内主要研制一些大型、厚壁铸件。但由于差压铸造设备昂贵,工艺技术复杂,生产成本高,因此,应用受到限制。在调压铸造工艺方面,近20年来,我国一些高校及科研院所针对大型薄壁铸件或壁厚差大的铸件展开了大量应用研究,目前在石膏型、壳型、砂型铝合金铸件方面均有应用报道。真空吸铸主要用于小型高端优质铸件的生产,如汽车增压器叶轮、机载电气控制箱等。在反重力铸造装备方面,我国目前已开发出容量3 t的大型铝合金砂型低压铸造机,可以单次浇注铝合金铸件重量2.5 t以上,液面控制精度达到国际先进水平。此外,镁合金保护气体反重力铸造以及集低压、差压和调压于一体的多功能反重力铸造装备也颇具特色。  高温合金、钛合金、铜合金等高温金属材料的反重力铸造技术与装备及反重力与离心、反重力与挤压、反重力浇注翻转凝固、反重力液面悬浮充型重力补缩等创新形式的反重力铸造技术及满足大批量生产方式的高质量金属液制备和传送模式、模具高效冷却及控制技术、液面位置自动检测系统等反重力铸造辅助技术与主机技术的同步研究将得到重视。自动化、智能化、高效节能的反重力铸造技术和装备是我国今后的发展趋势。  国外反重力铸造技术具有更多创新性和成套性特征。如英国公司开发的Cosworth工艺,它是一种精确树脂自硬砂的组芯造型,在可控气氛、压力下充型的铸造工艺,利用该工艺西方发达国家开发出汽车发动机缸体、缸盖、排气管等多种精密铸件产品[1]。另外,Aloca公司开发了一种真空无冒口铸造/压力无冒口铸造(VRC/PRC)工艺。实现了“自顶向下”的定向凝固顺序,获得批量接近零缩孔的铸件,并缩短循环周期。此外,保加利亚开发了一模多件的差压铸造技术,并成功用于汽车转向节批量生产;德国库兹开发出具有先进模具冷却及金属输送、分配技术的高精度、高效率汽车转向节低压铸造装备,产品性能达到差压铸造水平,而前者更具成本和效率优势[2]。在军工领域,美国HICHCOCK公司开发出反重力冷硬树脂砂精密铸造技术,利用该技术可生产出整体壁厚2 mm的薄壁复杂铝合金铸件,如导弹薄壁壳体铸件、油箱类铸件、军用航空发动机机匣铸件、战斗机结构铸件等,替代传统的机加、铆接工艺。  除铝、镁等低熔点合金外,高温合金、钛合金等高熔点易氧化合金材料的多种反重力铸造技术已经在部分军工企业得到成功应用。另外,铜合金小型五金铸件反重力铸造已得到大批量成熟应用。上述技术国内还近乎空白。  当前,工业发达国家正在开展工业智能化、信息化革命,国外反重力铸造技术未来的发展趋势将向着主辅机高度配套及高可靠性方向发展,新形式及复合模式的反重力铸造技术将会不断涌现,而生产过程的智能化、信息化是总的发展趋势。  近年来,国内反重力铸造技术取得了长足的进步,在大型和多功能反重力铸造技术与装备方面具有优势和特色。但与国外相比,尚存在较大差距,主要表现在:(1)在差压铸造、调压铸造、真空吸铸等特种反重力铸造技术方面开展的研究尚不够充分,特别是在应用技术研究方面较为落后,缺乏工艺适应性选择的支撑数据和国际先进水平典型产品批量生产的应用示例。(2)以复杂缸体为代表的“组芯”反重力铸造技术缺乏,对于部分采用反重力铸造成形的铸件产品质量、技术指标和生产效率,无法达到如国外开发的Cosworth工艺大批量生产的水平。(3)满足汽车高要求结构件(如转向节、副车架等)的金属型反重力铸造技术和装备缺乏,该类产品生产装备和模具主要还依靠进口。(4)高温合金、钛合金、铜合金等高温或易氧化合金材料的反重力铸造装备和技术研究较少,满足不了市场需求。(5)反重力与离心、反重力与挤压、反重力浇注翻转凝固、反重力液面悬浮充型重力补缩等创新形式的反重力铸造技术的研究不够深入,反重力铸造技术与国外相比不够系统和完善。(6)满足大批量生产方式的高质量金属液制备和传送模式、模具高效冷却及控制技术、液面位置自动检测及补偿控制系统等反重力铸造辅助技术与主机技术的同步研究较少,高效节能的自动化及智能化反重力铸造技术和装备缺乏。  形成国内外反重力铸造技术差距的主要原因是由于国内的反重力铸造技术研究力量分散,工艺、机械、液压、电气控制协同不畅,成套技术薄弱,结果造成装备技术研究与工艺技术研究脱节,主机制造与辅机配套脱节,针对特殊要求的产品,成套解决方案创新能力不足。  为了解决国内反重力铸造工艺缺乏应用技术系统研究和应用不足的问题,可以采用如下解决措施:首先,组织国内反重力铸造工艺、机械、液压、电气控制、产品应用等方面具有优势的研究和生产单位组成联合体,针对国内反重力铸造技术、装备及应用存在的问题,借鉴国外先进的反重力铸造技术,采用效仿、研究、再开发的思路,尽快缩小与国外发达国家的差距。其次,开展特种反重力铸造技术系统研究工作,通过不同类型铸件的开发,积累相关工艺经验,并总结出工艺的特殊性和规律性,形成具有自己特色的特种反重力铸造工艺应用技术体系,扩大工艺的应用范围, 从工艺技术上提高铸件的质量。最后,进一步提升国内反重力铸造设备的可靠性、主辅机及模具配套和自动化、智能化能力,达到高效、低耗和高性能目标。第二节 关键技术  一、高质量薄壁复杂铝、镁合金铸件反重力铸造技术  1. 现状  高质量复杂薄壁铝、镁合金铸件是典型的高质量要求特殊铸件,如航空发动机机匣类铸件、飞机舱门类铸件等。由于具有薄壁(整体壁厚最小达到2 mm)、复杂(具有多个空腔、曲面、凸台等结构)等特点,对于铸件的完整充型和内部质量控制提出了较高的要求。此外,该类铸件不断向集成化和大型化方向发展,对铸造技术提出前所未有的挑战。国外针对该薄壁复杂铸件的特点,开展了较为系统的研究工作,先后开发出了多种反重力成形技术,从最初的低压铸造工艺开始,随着铸件壁厚越薄、结构越复杂、技术指标要求越高,逐渐增加了真空吸铸、调压铸造等特种反重力铸造技术。目前,国外利用反重力铸造技术可实现整体最小壁厚2 mm铝合金铸件以及整体最小壁厚4 mm的镁合金铸件的完整成形,且铸件内部质量均可达到相关标准Ⅰ类铸件要求,并形成了稳定的批量生产能力。  在国内相关型号需求的牵引之下,我国利用低压铸造工艺对薄壁复杂铸件也开展了相关开发工作,取得了一定的成果,解决了部分铸件产品“有无”问题,满足了相关型号配套的急需。但是,国内只是针对具体型号铸件进行了开发工作,研究工作零散,只是解决了有无问题,尚未形成共性铸造工艺技术,导致铸件经常出现欠铸、呛火、缩孔、缩松等缺陷,质量不稳定、合格率偏低,无法满足高端装备制造业,特别是航空装备制造业对其配套铸件高稳定性和可靠性的要求。另外,国内在该类铸件成形工艺上较为单一,尚未形成国外多种工艺形式并存的局面。  2. 挑战  国内以低压铸造工艺为主要手段的成形技术已近于充型和凝固控制的极限,无法完全满足更大尺寸和技术指标需求,需选择真空吸铸、差压铸造或调压铸造等特种反重力铸造技术进行提高,当前面临的挑战是:(1)现有低压铸造工艺质量提升。需结合铸件特点对现有低压铸造工艺进一步开展系统的研究工作,在薄壁铸件充型及凝固规律研究、铸造工艺设计、铸造工艺参数选择、所用造型材料等方面开展研究,并找出影响质量的主要因素,制定控制方案,提升质量稳定性,满足铸件批量生产的需要。(2)特种反重力铸造工艺充型及缺陷控制。合金液充型及凝固规律与常压环境下有一定的区别,通过开展不同种类合金液在不同工作压力环境下的流动特性、凝固补缩特性,工艺参数对内部质量影响规律以及不同铸型种类成形特点等系统的研究工作,为铸件铸造工艺的设计,以及相关工艺参数的选择提供支撑。(3)特种反重力铸造成形装备的液面加压精确实时控制。对于成形装备的液面加压精确实时控制就显得尤为重要,特备是装备的响应速度,如响应速度较慢,将无法实现预定的工艺过程,导致铸件无法按预定的工艺过程充型及凝固,从而降低铸件的质量,甚至导致铸件报废。特种反重力铸造成形装备的液面加压实时精确控制技术主要包括控制策略、算法、气路布局、气路执行机构(电磁阀和调节阀的优选)、传感器及控制器界面设计等。(4)特种反重力铸造技术工程化应用。需在基础工艺研究的基础上,针对不同种类铸件的特点开展应用技术研究,并在研究过程中对工艺技术和成形装备进行进一步优化改进,使之满足工程化应用的要求,实现特种反重力铸造技术的大规模工程化应用。  3. 目标(1)预计到2020年,要达到的目标:现有低压铸造工艺质量稳定性得到较大提升,生产的铸件产品质量稳定性可满足大批量生产要求,在铸造工艺设计、工艺参数选择、所用造型材料等方面形成一批成熟稳定的工艺技术。(2)预计到2030年,要达到的目标:以真空吸铸、差压铸造及调压铸造为代表的特种反重力铸造技术的工艺稳定,可实现高难度高质量大型薄壁复杂铸件的规模化开发及生产。具备工程化应用要求的特种反重力铸造成形装备得到广泛应用。  二、高效率反重力铸造技术  1. 现状  由于反重力铸造工艺自身的技术优点,该工艺已被大量应用于高质量要求铸件的生产,如何提高该工艺的生产效率,形成高效率反重力铸造技术,已成为工业发达国家开展反重力铸造技术研究的热点。为此,工业发达国家开展了系统的研究工作,无论是砂型铸造,还是金属型铸造,均实现了反重力铸造技术的高效率应用。特别是在汽车制造领域,利用反重力铸造技术已实现了汽车发动机缸体、缸盖、轮毂、汽车底盘等铝合金铸件的大批量生产,在生产效率方面可以完全满足汽车工业所要求的大批量、高效率的要求。  国内在高效率反重力铸造技术开发方面尚处于起步阶段,只是在汽车铝合金轮毂铸件等少数铸件上实现了反重力铸造技术的高效率生产应用。为提高差压铸造生产效率,国内也开始推出不同类型的自动化差压铸造设备。如为上罐配备了可以自动升降与平移的机构,使设备的自动化程度得到很大程度的提高。同时,为了解决金属型差压铸造机只能水平分型的局限,有学者提出可以实现上下、前后、左右开模的金属型差压铸造机,同时,借助非金属型差压铸造机的结构设计理念,可以进一步提高这类设备的同步工作压力,为进一步提高铸件质量提供硬件保障[3]。  2. 挑战  目前,国内高效率反重力铸造技术急需解决主要技术难题如下:(1)高品质、高效率、大容量合金制备及传输。在熔体处理技术方面,集精炼、变质、细化为一体的新型高效率熔体处理技术将是未来大容量熔体处理的技术发展方向。另外,为了进一步缩短合金液的制备时间,也需开发出快速熔炼设备,以满足大吨位合金锭的熔炼需要。最后,如何在合金液运输过程中,保证合金液的品质不发生变化,也需开发出合金液传输设备及配套工艺,满足批量生产过程中,大批量合金液传输的需要。(2)高效率反重力铸造铸型翻转及合金液切断。铸型翻转及合金液切断是高效率反重力铸造技术中的关键,采用该技术可实现铸型内的金属液在自重力的作用下结晶凝固,不仅提高了生产率,而且还可利用翻转后浇道中过热的金属液对铸件进行补缩,从而提升铸件的内部质量。铸型翻转技术主要涉及铸型翻转方式和机构的设计,合金液节流技术主要涉及到充型控制系统的设计,节流装置的设计以及与翻转机构之间的联动配合等。(3)批量铸件产品质量稳定性控制。在开发高效率反重力铸造技术的同时,需针对所开发的工艺技术进行典型铸件的质量稳定性控制技术研究,获得关键控制工艺,固化相关工艺参数,保证铸件的质量稳定性,满足高效率生产的需要。另外,在金属型高效率反重力铸造技术中,模具温度的控制不仅影响铸件的质量稳定性,而且对于提升生产效率也有重大意义,该技术需进行高效冷却技术、控温原理、控温装置、控温系统等研究开发工作。(4)反重力铸造自动化及智能化集成。国内在智能铸造生产方面尚处于空白阶段,高效节能的自动化及智能化反重力铸造技术和装备缺乏,为了实现反重力铸造技术的自动化及智能化生产,提高反重力铸造铸件产品的生产效率,需在反重力铸造设备可靠性提升、主辅机智能化控制元件开发、智能化生产线规划设计、智能化管理系统设计开发等方面开展工作。(5)大数据的收集与应用。反重力铸造工艺的非标性较强,在铸件的整个生产过程中会涉及到大量数据,快速收集和分析这些数据,并且将分析结果反馈给生产现场,不但能够提高生产效率,而且对提高铸件质量和合格率具有重要的现实意义。  3. 目标(1)预计到2020年,要达到的目标:  完成Cosworth工艺、汽车高要求结构件金属型反重力铸造工艺等高效率反重力铸造技术的仿制及研究工作,形成大部分主辅机装备、工艺技术及模具的自主开发能力,部分典型铸件在产品质量、技术指标和生产效率等方面达到用户要求。(2)预计到2030年,要达到的目标:  形成具有我国特色的高效率反重力铸造技术,完成仿制、研究、再开发的过程,具备高效节能自动化及智能化反重力铸造技术和装备的自主开发能力,在国内建成具有自动化及智能化特征的反重力铸造生产线,满足相关制造领域对铸件高效率生产的要求。  三、复合反重力铸造技术  1. 现状  由于反重力铸造工艺在金属液充型方面具有的独特优势,与其他工艺相结合,形成复合铸造工艺技术,将是反重力铸造工艺重要的发展方向。国外在复合反重力铸造工艺开发方面开始较早,并已形成了多种工艺形式,如美国Hitchiner公司发明的离心真空吸铸工艺技术,将离心铸造较强的补缩能力和真空吸铸优良的充型能力结合在一起,显著提高了金属液的充型能力,而且铸件组织致密,缩松及缩孔缺陷较少[4];日本日立公司将反重力铸造工艺与挤压铸造工艺相结合,实现了金属液的定量精确浇注,而且金属液在升液过程平稳、无夹杂,在合金品质方面保证了铸件的质量[5]。另外,国外公司为满足特殊质量要求铸件开发及生产的需要,开发出反重力浇注翻转凝固、反重力充型后液面悬浮重力补缩等系列复合反重力铸造工艺形式,也获得了很好的应用效果。  我国在复合反重力铸造工艺开发方面目前处于起步阶段,部分工作尚处于实验室研究阶段。如西北工业大学开展了离心真空吸铸工艺的研究工作,自行设计了离心真空吸铸设备,并利用该设备进行了部分基础工艺研究工作,获得了一定的研究成果[6];沈阳铸造研究所开展了反重力挤压铸造一体化设备及工艺的开发工作,获得了一系列实验数据,为后续实现设备及工艺的工程化应用奠定了良好基础。另外,在反重力浇注翻转凝固、反重力充型后液面悬浮重力补缩等工艺形式方面,国内只有少数厂家进行了试探性试验,相关试验数据极度缺乏。  2. 挑战  目前,国内复合反重力铸造技术面临的挑战是:(1)复合反重力挤压铸造合金液充型过程参数优化。复合反重力铸造过程较单一形式的反重力铸造技术更为复杂,需要考虑两种不同工艺方式的“无缝衔接”。对于反重力挤压铸造,不但要考虑输液管温度损失、升液平稳、定量准确,同时还要平顺及时过渡到挤压工作状态。对于反重力浇注翻转凝固及反重力充型后悬浮重力补缩等工艺形式也有类似复杂性特点。由于以上工作近于空白,因此需要对工艺规律进行系统探索,对工艺参数组合进行优化。(2)复合反重力铸造工艺参数精确控制。复合反重力铸造液面加压及工艺形式转换需要自动控制完成。为提高合金液充型及工艺方式转换的控制精度,需在液面加压控制算法、数学模型、液面位置自动等方面进行系统的研究,并对关键控制执行元器件进行优选,开发出与生产工艺相适应的成熟控制软件,满足复合反重力铸造需求,从而共同发挥出两种工艺形式的优势,体现出复合反重力铸造工艺的先进性。  3. 目标(1)预计到2020年,要达到的目标:  建成一批复合反重力铸造工艺试验平台,完成基础工艺研究工作,获得大量试验数据,为后续工程化生产设备的研制,以及典型铸件产品的开发提供工艺数据基础。(2)预计到2030年,要达到的目标:  形成一批具有我国特色的复合反重力铸造技术,具备一体化复合反重力铸造技术和装备的自主开发能力,并在多种典型铸件生产方面实现工程化应用。  四、高温及易氧化合金材料的反重力铸造装备和技术  1. 现状  反重力铸造工艺大多集中于轻合金材料领域,对于高温合金、钛合金等易氧化合金材料的反重力铸造工艺研究较为缺乏。由于反重力铸造工艺在高质量铸件成形上的优势,高温及易氧化合金材料反重力铸造装备和工艺将成为反重力铸造技术未来重要的组成部分。国外高温合金、钛合金、镁合金的多种反重力铸造技术已经在部分军工企业得到成功应用。如美国Hitchiner公司利用反重力铸造生产的镍基Inco718扩散器机匣,铸件外径达到889 mm,高635 mm,内部质量和性能得到显著提升[7]。另外,在镁合金反重力铸造工艺中,工业发达国家已大部分采用气体保护替代传统的熔剂保护,消除了保护熔剂对镁合金液的污染。  我国高温及易氧化合金材料的反重力铸造装备和技术开发尚处于起步阶段,高温合金和钛合金材料仍停留在实验室基础工艺研究阶段,镁合金反重力铸造工艺虽有一定的应用,但成套化方面与国外先进水平还有很大差距。在高温合金反重力铸造技术研究方面,国内部分高校进行了实验室研究工作,如西北工业大学用集总参数法导出了考虑到耦合传输条件下反重力充型工艺参数的计算公式,为高温合金反重力铸造提供了一定的理论基础[8];在钛合金反重力铸造技术方面,西北工业大学利用真空吸铸和钛合金水冷铜坩埚感应熔炼技术,实现了简单钛合金构件的真空吸铸工艺[9];在镁合金反重力铸造技术方面,国内主要集中在低压及差压铸造工艺方面,调压及真空吸铸研究的较少,而在镁合金液保护方面还停留在熔剂保护阶段,与国外气体保护技术还有很大差距,造成铸件质量与国外差距较大。  2. 挑战  随着我国高端装备制造业的不断发展,特别是将航空发动机列为国家战略重点发展领域,对于高温及易氧化合金高质量要求铸件的需求将不断增加,也将推动国内高温及易氧化合金材料反重力铸造技术的发展。目前,国内高温及易氧化合金材料反重力铸造技术面临的挑战是:(1)耐高温、抗热震、高惰性材料。浇注高温合金要求有耐高温、高抗热震性好的坩埚,而且浇注时相应地要求升液管具有良好的耐高温、抗热震、高惰性。铸型、坩埚、升液管及其附属装置等合适材料的缺乏是阻碍反重力铸造技术在高温易氧化合金铸造设备发展应用的关键之一。(2)复杂条件下的冷却、密封性技术。浇注高温易氧化合金需要有大功率特殊加热装置。为保证设备正常工作和合金的凝固控制,需要配备必要的冷却系统。高温易氧化合金通常在真空或惰性保护气体环境下浇注,要做好设备的上下室之间、上室与铸型之间、铸型与升液管接口的高温密封。实现复杂条件下设备冷却和密封是高温易氧化合金低压铸造设备研制面临的另一挑战。(3)高性能铸型。高温易氧化合金铸型不但要耐高温、高惰性,同时还有一定力学性能,保证铸型和升液管之间压实密封和较大压差条件下不爆裂。高性能铸型材料是高温易氧化合金反重力铸造重要研究课题之一。(4)精确控制系统。反重力铸造设备的气压控制系统是整个设备的核心,主要实现不同罐体气压(真空度)和保护气体浓度控制和调节。由于高温易氧化合金材料密度较大,充型时需较大的压力,加之设备结构的特殊,对于气压调节控制系统的稳定性、及时性与可控性提出了更高的要求。(5)铸件反重力铸造浇注系统设计。由于高温合金及易氧化合金材料反重力铸造技术在我国提出时间并不长,对于浇注系统和浇注参数的设计、选择还缺乏足够的积累,也有一个探索过程。  3. 目标(1)预计到2025年,要达到的目标:  完成现有反重力铸造设备的优化改进以及新实验设备的开发,完成高温合金及易氧化合金材料反重力铸造基础工艺研究工作,获得基础工艺数据,为后续工程化生产设备的研制,以及典型铸件产品的开发提供工艺基础。(2)预计到2030年,要达到的目标:  完成可满足工程化应用需要的高温合金及易氧化合金材料反重力铸造设备开发,并掌握较为成熟的铸造工艺设计技术,部分典型铸件具有工程化批量生产能力。第三节 技术路线图参考文献:[1] 董选普,黄乃瑜,吴树森. 一种铝合金精确成形工艺——Cosworth Process [J]. 特种铸造及有色合金,1999(5):45-47.[2] J Jorstad,D Apelian. Pressure assisted processes for high integrity aluminium castings [J]. International Journal of Metalcasting,2008,2(1):19-39.[3] 佘瑞平,黄敏,赵拴勃,等. 差压铸造与装备轻量化 [J]. 热加工工艺,2014,43(11):82-83.[4] Farkas,Attila P. Centrifugal countergravity casting:United States,6499529B1 [P]. 2002-12-31.[5] S. Okada,徐志昌. 全自动挤压铸造机的发展 [J]. 模具技术,2000(1):45-58.[6] 陈善贤,郝启堂,李新雷,等. 离心真空吸铸工艺对铸件力学性能的影响 [J]. 铸造,2013(5):369-373.[7] Hesur M G. Processing of In-718lattice block casting [J]. Process and Properties of Lightweight Cellular Metals and Structure,2002:85-96.[8] 余志文,李发国,张佼. 高温合金大型薄壁铸件反重力铸造技术进展 [J]. 特种铸造及有色合金,2012,32(12):1103-1107.[9] 李强,郝启堂,介万齐. 钛合金构件真空吸铸成形控制技术的研究 [J]. 铸造,2009,58(8):784-787.  编撰组   组 长:冯志军  成 员:李宇飞 王 伟 石 飞       吴 江 阮 明(本文原载于2016年出版的《铸造技术路线图》,中国科学技术出版社出版)
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    新材料·新工艺
    等温淬火球铁研发工作的进展与发展趋势
    曾艺成1,李克锐2,张忠仇2,徐明君1,卫东海2
    论述了近年来等温淬火球墨铸铁(ADI)及含碳化物的等温淬火球墨铸铁(ADI)产业的发展状况。介绍了铸态奥铁体球墨铸铁研究的新动向。指出了ADI产业发展存在的问题。分析了当前国家对制造业、汽车节能环保、轻量化政策的实施,为ADI材料带来了极好的发展机遇并预测了ADI在我国的发展趋势。
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    动态合成对制备新型Al-Ti-B-RE细化剂第二相粒子的影响
    王正军1,刘蒙恩1,黄永德2,朱 磊1,张 欣1
    为进一步优化铝中间合金细化剂的组织,提升细化性能,采用动态合成工艺制备新型Al-5Ti-1B-1RE中间合金晶粒细化剂,并与常规制备工艺进行对比,对所合成的中间合金的微观组织、细化工业纯铝的效果及力学性能进行了分析。试验结果表明:动态合成工艺制备的新型Al-5Ti-1B-1RE中间合金细化剂中的第二相粒子在Al基体中分布更具有细小均匀性;细化工业纯铝时,细化效果更好,细化后工业纯铝的极限拉伸强度和伸长率得以提高。
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    铸造奥氏体不锈钢强磁性原因及解决措施
    贾 华1,黄 琴1,孙 奇3,刘海波1,何 涛1,常占东1,范学东1,刘海英2,邓德伟2, 3
    铸造奥氏体不锈钢有强磁性,因此无法满足客户要求。采用OM、SEM和XRD对铸造奥氏体不锈钢的显微组织进行观测,研究了铸造奥氏体不锈钢有强磁性的原因,并依据凝固理论和Schaeffler 模型分析,提出解决措施。结果表明:铸造奥氏体不锈钢由奥氏体、网状或小块状的δ铁素体和铬的碳化物组成,铁素体含量过高导致其具有强磁性。通过调整元素含量,降低Cr、Si、Mo、Nb等铁素体形成元素,增加Ni、C、N、Mn、Cu等奥氏体形成元素,可以减少铁素体含量。通过理论计算尽可能减少Ni含量,进而控制铸造成本。
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    新型高温合金热处理及长期时效过程中组织稳定性研究
    孙乃荣,熊江英,杨金龙,冯干江
    主要研究了三种新型高温合金在铸态热处理后,再经750 ℃/2 700 h和850 ℃/2 700 h长时间时效后的组织稳定性。结合相图计算探讨了不同合金设计对长期时效过程中针状组织演变规律的影响。结果表明:Nb+Ti+Ta总含量对铸态偏析组织及其后热处理及时效过程中的析出相演变具有重要影响,高Nb+Ti+Ta含量合金拥有较高的共晶体积分数,并易于在其附近形成不稳定的η相;随时效时间延长和温度升高,共晶体积分数减少,η相的体积分数降低,在组织中逐渐析出更为平衡的TCP相。
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    专题综述
    熔模铸造
    铝合金后轮罩真空压铸工艺优化设计
    陈学美,朱仁举
    根据铝合金后轮罩的结构特征及性能要求,进行了真空压铸工艺设计,主要包括铸件结构、分型面、浇注系统、排溢系统、真空阀数量的确定、模具设计及压铸工艺参数的设定。使用MAGMA软件进行工艺分析改进,针对分析中容易产生缩孔铸造缺陷的厚大部位采用局部挤压工艺。
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    计算机应用
    蠕墨铸铁中石墨的三维空间结构表征
    马志军1,文 琼2,冯云鹏3,杨 雨3,杨 忠1,李建平1
    石墨空间结构形貌的准确表征,对于预测和改善蠕墨铸铁的性能至关重要。以蠕化率61.0%、68.9%、82.0%和92.2%蠕铁为研究对象,采用X射线三维扫描技术重构石墨的三维空间结构形貌,定量描述石墨的三维连通性,并建立连通性与蠕铁力学和导热性能之间的关联。结果表明,蠕铁中尺寸越大的石墨,珊瑚状特征越明显,随着蠕化率的提高,蠕铁中石墨的连通性也越来越高,连通性相对于蠕化率这一石墨的二维表征参数,能够更准确全面地评价蠕铁中石墨的形貌,这对制备高性能蠕铁具有重要参考价值。
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    虚拟环境下机体铸件的优化设计制造技术
    李耀宗,陈志林
    在机体零件的设计阶段,在虚拟环境下分析机体铸件的可制造性、工艺性,基于分析结果对机体的不合理结构进行改进优化,经设计、制造、验证的循环改进后,获得符合要求的铸造工艺和生产过程控制参数,可以指导后期机体铸件生产。在虚拟环境中完成铸件的设计、制造、验证、改进等工作,评估、提高铸件设计的可制造性,节省研制成本、缩短研制周期。
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    试验研究
    商用车等温淬火球墨铸铁支架铸件的开发
    王东旭,王成刚
    概述了一汽集团商用车等温淬火零部件应用现状。详细介绍了三种底盘支架铸件的设计优化过程,由原来的QT450-10材质改为等温淬火球墨铸铁,三种支架分别减重18.32%,15.22%,19.94%,并成功应用在商用车上。
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    铝合金轮毂失效分析
    谭 莹,莫明珍,李小敏,李成明
    某汽车铝合金轮毂在使用一年后发现裂纹,通过断口宏观和微观分析、金相组织分析、化学成分和力学性能检测等。结果表明:轮毂材料因变质不良,组织中残留较多的条块共晶硅和细长针状β相;这种组织缺陷易割裂金属连续性,引起应力集中,降低材料力学性能,特别是塑性显著降低,导致轮毂在安装和使用过程中不能承受内外应力的共同作用而开裂。
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    搅拌摩擦焊工艺参数对铸造AlSi14合金焊接接头性能的影响
    赵丽敏,蔡 亮
    研究了采用不同焊接工艺参数时铸造AlSi14高硅铝合金搅拌摩擦焊接头的微观组织、力学性能及断口形貌。结果表明,焊核区组织由于发生动态再结晶,晶粒非常细小;热力影响区紧靠焊核区,在较高转速时出现被拉长的组织;热影响区基体α相及共晶Si晶粒尺寸相对于母材均有所增加。在搅拌头转速为1 300 r/min、焊速为100 mm/min时,获得的接头抗拉强度可达到母材的92%;断裂发生在前进侧热影响区,断裂方式是韧性与脆性的混合型断裂;接头显微硬度近似呈“马鞍”形分布,在热力影响区附近硬度低于母材硬度。
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    碳含量对ZG31Mn2Si组织和性能的影响
    司岸恒1,魏世忠1,申振芳1, 2,张国赏1, 2
    作为新型低合金耐磨钢,根据其硬度和冲击韧度,硅锰钢一定程度上可替代高锰钢,用作圆锥衬板材料,以提高衬板性能并降低成本。研究了ZG31Mn2Si在890 ℃正火预处理+890 ℃淬火+200 ℃回火的热处理条件下,含碳量在0.2%~0.55%之间时对其显微组织和力学性能(硬度和冲击韧度)的影响。结果表明:当合金的含碳量逐渐增加时,组织中的残余奥氏体量逐渐减少,板条马氏体中逐渐出现少量针状或片状马氏体;随含碳量增加,合金硬度逐渐提高,而冲击韧度整体呈下降趋势。ZG31Mn2Si碳含量为0.30%时,最大硬度值HRC 47,冲击韧度值33 J/cm2,综合性能最优。
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    机械振动对变质Fe-B-C合金组织和性能的影响
    郑开宏1,张 琦1, 2,王海艳1,王 娟1,郑志斌1
    在变质Fe-B-C合金凝固过程中施加机械振动,研究了机械振动频率对其凝固组织和力学性能的影响。结果表明:Fe-B-C合金组织由铁素体、珠光体和沿晶界呈连续网状分布的硼化物组成;经钛变质处理后,金属基体和硼化物均得到细化,部分硼化物出现缩颈和断网现象。对变质合金施加机械振动后,铸件外层组织明显改善,晶粒得到细化,硼化物网进一步断开,随着振动频率的增大,晶粒更加细小且均匀,硼化物断网更加明显;铸件心部基体组织形貌得到改善,但晶粒出现粗化现象。合金的力学性能随着振动频率的增大而提高,当振动频率为30 Hz时,合金硬度为HRC 44.5,冲击韧度为7.3 J/cm2。
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    己内酰胺改性冷芯盒树脂高温性能研究
    崔 刚,韩 文
    采用己内酰胺改性剂对三乙胺冷芯盒法树脂进行合成改性,检测并对比改性前后冷芯盒树脂高温热失重、高温热形变、高温残留强度、溃散性、发气量等高温性能。结果表明,己内酰胺改性冷芯盒树脂高温性能整体优于未改性树脂。
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    应用技术
    ISO 2892:2007《奥氏体铸铁》国际标准解读
    张 寅
    介绍了ISO 2892:2007标准中规定的奥氏体铸铁材料的基本性能,奥氏体铸铁具有优良的耐热性、耐蚀性、低温抗冲击性、抗氧化性、低的热膨胀性能和无磁性的优点。奥氏体铸铁基体组织为稳定的奥氏体组织,不能通过热处理来改善其性能,但通过热处理可以去除残余应力和高温稳定化,从而保证铸件在机械加工过程中不发生变形,确保其尺寸稳定性。奥氏体铸铁的性能取决于其化学成分,特别是铬、锰、钼和硅含量。奥氏体铸铁具有一定的断面敏感性,与灰铸铁和球墨铸铁断面敏感性的表现有所不同。
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    模具壁厚对铸件凝固状态的影响
    叶 珍,张川吉,朱大智
    通过建立简单的模具壁厚与铸件的数学模型,数学模型为金属型模具的A356铝合金铸造,运用模拟分析软件对多种模具壁厚状态下的铸件凝固状态进行分析。结果表明:铸件从初始温度700 ℃到达液相线温度613 ℃的时间非常短,且是个定值,与模具壁厚无关;铸件从液相线温度613 ℃到达固相温度557 ℃的时间随模具壁厚的增加而减少,且逐渐趋近于某一定值,这一定值与铸件厚度和模具初始温度有关;金属型模具存在一个经济壁厚,超出这一壁厚时铸件凝固状态将不会再发生变化。
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    降低干式缸体渗漏率的工艺措施
    梁加芳,张孟琨,郑翠华,何帅伟,李 甜
    针对干式六缸体渗漏缺陷问题进行分析,探究了缸体铸件渗漏产生的原因。通过在热节处采取放置内冷铁、涂刷碲粉涂料及产品结构优化等一些列工艺措施后,热节处缩松缺陷大大降低,该缸体的渗漏率由22%降低到的5%。这为公司开发干式缸体解决渗漏问题积累了经验,同时对解决缸盖渗漏问题也有一定参考价值。
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    耐磨低铬铸铁米辊的研制
    陈育新,颜红芹
    通过对米辊的材质选型、成形工艺、性能测试,确定了米辊的材料组成和成形工艺方法,获得了一种组织致密、韧性较好、硬度高的耐磨低铬铸铁米辊。试验结果表明,该米辊具有良好的耐磨性和韧性,解决了原来的冷硬铸铁米辊容易生锈和耐磨性差的问题。
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    热等静压对ZL205A壳体铸件缺陷及力学性能的影响
    曲银辉1,姚 红2,车洪艳3,苏 鑫1
    研究了热等静压(520 ℃±10 ℃,120 MPa,2 h)对ZL205A合金壳体铸件缺陷、组织及力学性能的影响。结果表明:铸件缩松缺陷等级为4级,热等静压后经X光检测未见缺陷;T5处理后,铸件本体抗拉强度由428 MPa提高到477 MPa,伸长率由2.3%提高到6.8%;热等静压后铸件晶粒度无变化。
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    铸铝件防粘砂措施的探究与应用
    傅 旭,唐志强
    以EA211汽车发动机铝合金缸盖铸件为对象,试验研究了不同原砂、树脂和涂料种类对铸铝缸盖铸件粘砂行为的影响。结果显示,铸件热节部位和冒口部位由于长时间处于高温状态而极易粘砂;宝珠砂比再生硅砂有更为优异的防粘砂性能;综合考虑防粘砂效果和成本,砂芯采用涂料流涂方式,效果最佳。
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    铸造工艺对球墨铸钢轧辊热裂纹和夹砂的影响
    郭建设,徐贵宝
    针对球墨铸钢轧辊的热裂纹和砂眼缺陷问题,通过分析产生的原因,研究了不同工艺铸造轧辊的缩松、热裂纹和砂眼问题。结果表明:宜选择稀疏排布的大冒口而不宜选择密集排布的小冒口,S形横浇道比半圆形横浇道减少内浇口热裂纹效果更好,增加耐火陶瓷管和陶瓷片使用可显著减少砂眼缺陷。
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    标准化
    铸造技术路线图:造型材料
    尹绍奎 周静一 谭 锐 李 玲 李延海 于志勇 张海东 刘加军 于瑞龙
    第一节 概 述  造型材料质量的好坏是决定铸件质量的重要因素,特别是对于大型、精密、薄壁和复杂的铸件。面对21世纪我国铸件优质精化及环境保护等方面的要求更加严格,改进现有粘接剂体系和开发新型环保型粘接剂系列,已迫在眉睫。  目前,铸件用砂型分为以湿型砂为主的普通砂型和以化学粘接剂为主的精确砂型,其中大批量生产中小型铸件采用湿型砂型,大型铸件采用自硬砂型。由于湿型砂型优点较多,特别是近年来高密度造型等许多新设备、新工艺的开发,使湿型砂的制型效率、砂型精度和表面质量得到了大幅度的提升,应用前景广阔。  目前,我国湿型砂工艺还存在如下三个问题:(1)湿型砂中抗黏砂煤粉,在金属液浇注时,会分解出大量有毒气体,污染作业环境[1]。(2)在大批量生产中湿型砂性能的在线控制用仪器十分短缺,有些还依靠进口。(3)混掺树脂芯砂的黏土混合旧砂的再生工艺与设备还没有彻底解决,再生砂的质量很不稳定。  由于湿型砂生产的铸件质量差、效率低、污染重,化学粘接剂砂应运而生,不仅能提高砂芯的尺寸精度,而且缩短制芯周期,节省能源,已成为我国制造各种薄壁、精密和复杂砂芯的主要方法。  树脂砂可提高铸件质量,但作业环境更加恶化。于是,20世纪90年代初,德国已将无机粘接剂砂成功地应用到大批量生产的汽车铸件上,既解决了污染问题,又降低了成本,同时提高了铸件的质量。目前,我国也开始了这方面的试验研究。  大型铸件是国家重大装备制造业的基础部件,在国民经济发展中起着十分重要的作用[2]。大型铸件的特点是尺寸大、壁厚、浇注金属液多,热容量大,凝固时间长,这对造型材料提出了越来越高的要求。目前,我国采用呋喃树脂砂生产大型铸铁件,质量高,周期短,经济效益显著。但是,将其应用于大型铸钢件和铝合金铸件,存在着一些关键性技术问题,且都未能获得较好地解决。因此开发新型环保型呋喃树脂,具有极大的生产应用价值。  获得表面质量优异铸件的重要措施之一是,在型芯工作表面涂敷一层铸型涂料[3]。近年来,随着我国机械工业的发展而对铸件质量的要求也日益提高,这促进了我国铸造涂料的研究与应用快速发展,品种日益增多,性能不断提高,涂敷工艺日趋完善,基础研究逐渐深入,涂料的功能作用也得到了充分的发挥。  我国造型材料已取得了举世瞩目的成就,但在质量上与国外产品存在较大差距,主要表现如下:(1)我国造型材料专业生产厂家过于分散,产品水平低、重复多,缺乏市场竞争力。(2)能耗和原材料消耗高,能耗约为发达国家的2倍。(3)作业环境污染严重。我国除少数大型企业外,多数铸造厂点生产设备陈旧、技术落后,一般很少顾及环保问题。(4)我国大多数厂家生产的呋喃树脂粘接剂是以糠醇为主,毒性大、成本高、性能不稳定。(5)我国自硬砂造型应用的比重太小,旧砂再生回用率低,一般在30%~60%,有的铸造企业,旧砂不回用,全部排放掉。(6)从涂料来看,国产涂料品种单一,生产自动化程度低,涂料质量不稳定,大型铸钢件仍然采用进口的锆英粉涂料居多;采用污染大、成本高的醇基涂料多;低质量、低效率的刷涂工艺多。(7)从造型方法的构成比来看,我国以手工造型为主;而国外高密度、高效率的静压造型,或气冲造型的流水线生产的比重逐年在增加。(8)欧洲一些国家已将水玻璃砂成功地应用到大批量生产复杂、壁薄、精确的高端铸件,而我国才刚开始试验。(9)我国增材制造快速成形技术用原辅材料专业生产厂家还未能建立,这些原材料主要依靠进口,由于价格太高,严重影响了我国新技术的推广应用。  为了改变我国现有造型材料生产的落后现状,逐步建立起一个质量高、污染少、相对稳定、有序供应、高度发达的中国造型材料市场,我国造型材料今后的发展趋势是:(1)实现产业结构调整,淘汰一批技术水平低,产品质量差,污染严重,经济效益不好的小厂,逐步实现产品“专业化、规模化”生产。(2)实现在增长方式上由劳动、资源密集型向技术资本密集型的转变,由粗放污染型向绿色集约型的转变,初步建成环境协调一致的中国造型材料产业系统。(3)逐步形成结构合理,整体水平高的产学研相结合的科研开发队伍,能不断向企业输送专业人才,不断开发出高质量、高档次造型材料新品种,满足对造型材料日益增长的需要。(4)不断开发无污染、节能源、可回用的各种造型材料新产品,如环保型生物基呋喃树脂和煤粉代用材料,水基快干铸型涂料和无污染、高强度、高回用率的铸造旧砂再生工艺及其装置。第二节 关键技术  一、大型铸钢件用造型材料及其造型制芯工艺的开发与应用  1. 现状  大型铸钢件广泛用于电站、石油化工、冶金、船舶等装备以及大型冶金设备中的关键零件,铸件质量将直接关系到国家重点工程项目的质量、安全及进度,意义十分重要。目前,我国生产大型铸钢件采用的常温自硬砂工艺,主要有如下三种:酸固化呋喃树脂自硬砂、酯硬化碱性酚醛树脂自硬砂和酯硬化水玻璃自硬砂。  酸固化呋喃树脂自硬砂工艺是我国铸造生产中应用最多、最广的一种树脂自硬砂,也是一种应用较成熟的树脂自硬砂工艺。由于它具有许多优点,在我国“一重”“天重”等大型铸钢生产中得到了应用。但是,采用呋喃树脂自硬砂工艺生产铸钢件时,由于树脂的发气量与发气速度大,铸型导热性差、高温强度高、退让性差等原因,铸钢件的皮下气孔、热裂、渗碳、渗硫以及环境污染等问题尚未彻底解决。  酯硬化碱性酚醛树脂砂是近年来开发出来的[4],由于其环保优势及其他独特的性能,如不含N、P、S等有害元素,铸件表面不渗碳、渗硫等。该树脂高温塑性好,热裂倾向小。而且铸钢件表面光洁,尺寸精确,在国内越来越多的铸钢厂采用了这一新工艺。但是,碱性酚醛树脂砂的强度较低,价格较高,树脂黏度大,尤其是其旧砂的再生性能较差,在国内大型铸钢件生产的厂家应用的还较少。  我国大型铸钢件采用CO2水玻璃砂工艺生产。但是,铸件质量差,不能满足用户对铸件日益增长的高质量要求,必须通过精整后处理,从而增加了铸件的成本,延长了生产周期。同时,CO2水玻璃砂还存在铸型残留强度高,溃散性差,出砂困难,铸件粘砂严重等问题。随着国家对环保要求越来越严,大量铸造废砂排放已成为铸造业非常严峻的问题。尽管近年来开发了酯硬化水玻璃自硬砂,水玻璃砂溃散性有所缓解。但是,仅局限于生产中小型铸钢件,而且铸件的表面质量和砂芯的溃散性,还是比树脂砂的差。  2. 挑战  目前,我国大型铸钢件生产采用的型砂工艺,都是企业根据自已生产的产品结构、工艺和质量要求来确定自己的工艺方案。所以,上述的几种不同的型砂工艺,在我国铸造企业中都有采用。不过上述的几种工艺都存在一定的问题,导致我国生产的铸钢件质量差,成本高,能源材料消耗多,生产环境污染大。为此,我国面临的挑战是,应根据我国的国情,铸造企业的特点,产品质量的要求,以粘接剂为重点,开发一两种适合于我国大型铸钢件生产需求的造型材料及其造型制芯工艺,为此,必须开展如下研究工作:(1)对已有的几种型砂工艺进行调研、分析,结合铸造产品质量的要求,来选定型砂工艺,例如普通铸钢件可采用水玻璃砂,而高端铸钢件采用树脂砂。进一步开展系统研究试验工作,克服其尚存在问题,如工艺、环保、旧砂再生和生产成本等问题。(2)以流变学和烧结理论为基础,开发出成本低、污染少,综合性能优异的大型铸钢件需要的烧结剥离型涂料,特别是采用刚玉粉取代锆英粉耐火骨料的涂料和防渗碳、渗硫和气孔等特种功能涂料。  3. 目标(1)预计到2020年,要达到的目标:  采用呋喃树脂砂时,由于其砂型退让性差,铸件热裂倾向严重,增碳增硫现象较大。因此,应研发一种气味低、热塑性好的自硬呋喃树脂。  采用碱性酚醛树脂砂时,应解决碱性酚醛树脂价格高、强度低、黏度大、保质期短、旧砂再生困难等问题。(2)预计到2030年,要达到的目标:  应开发并在生产中应用屏蔽型功能涂料,以解决采用呋喃树脂砂生产低碳、超低碳大型铸钢件时,铸件表面出现的增碳、增硫现象。  同时,开发和应用发热、加压保温冒口。因为这种冒口最适用于难以补缩的大型、复杂铸钢件,且具有发热、保温和加压三大功能,是目前大型铸钢件稳定生产的最为个性化的补缩产品。  二、环保型生物基呋喃树脂的开发及其在球铁件上应用  1. 现状  我国长期以来一直采用湿型砂造型(芯),存在生产周期长,劳动条件差,生产效率低,铸件质量差等许多问题。到20世纪50年代末我国开始采用CO2水玻璃砂法,该方法的生产成本低,设备简单,操作方便,使用灵活,当时受到了许多铸造企业的应用。不过该工艺在使用过程中暴露出铸件表面质量低,芯砂溃散性差,铸件清砂十分困难,旧砂还不能再生回用等许多问题。到了80年代,我国铸造工作者积极推广应用树脂砂工艺,尤其是呋喃树脂砂工艺,占我国树脂砂工艺的80%以上[5]。  尽管呋喃树脂砂工艺在铸铁件生产中获得了较好的效果和广泛的应用,但是,采用它生产铸钢件和铸铝件时,出现了许多问题亟待解决,从而导致呋喃树脂砂工艺在铸钢和铸铝件生产中的应用受到了一定的限制。对于铸钢件来说,由于呋喃树脂砂发气量和发气速度大、导热性差、高温强度高及固化剂含硫等问题,使铸钢件产生许多铸造缺陷,导致其质量难以控制。对于铸铝件来说,高温强度高,铝铸件热裂倾向严重,清砂十分困难。所以,呋喃树脂砂工艺亟待解决如下两个关键问题:(1)呋喃树脂的污染严重,原材料依靠短缺的石油资源。  目前在铸造生产中使用的呋喃树脂,是采用苯酚、甲醛、尿素和糠醇等材料缩聚而成的。由于树脂中含有苯酚、甲醛、尿素和糠醇等对人体有毒、有害的物质,在高温金属液浇注和铸件落砂清理时都会大量的释放出来,污染环境。为了解决呋喃树脂的污染和扩大原材料的资源,近年来,国外已采用(5-HMF)来取代糠醇,作为呋喃树脂的主要组分,不仅能大幅度减少糠醇用量,而且还能提高呋喃树脂砂的工艺性能。但是这一工艺还存在产出率低、耗能高、成本大等问题,还未能应用于生产。(2)磺酸硬化呋喃树脂砂对球铁件表层球化不良的影响。  球墨铸铁经过多年的发展,现已成为一种不可替代的金属材料,它的产量和所占铸件的比例逐年增加,而且,我国也是世界上球墨铸铁件产量最多的国家。  但是,呋喃树脂砂型使用磺酸类作催化剂时生产球铁件,在铸件表层常出现变异组织,其表层硫含量大大高于铸件中心。铸件表层出现异常组织导致试件的冲击值等力学性能显著降低。因此,研究解决磺酸类固化剂硬化呋喃树脂砂对球铁件表层组织变异的问题,对于我国球铁件的今后发展有着积极的作用。目前,已开发的防渗硫涂料,技术还不成熟,也未成为商品出售。  2. 挑战  有机粘接剂在我国铸造生产中的使用,有力地推动了造型制芯方法的进步,其中以自硬树脂发展最为迅速,尤以呋喃系树脂砂,在型砂粘接剂中占有非常重要的地位,也是我国应用最多的一种树脂砂。由于呋喃树脂具有许多优点而获得了广泛的应用。随着呋喃树脂砂的应用日益广泛,不断研发出了许多不同需要的新型改性呋喃树脂。但是呋喃树脂存在的问题还很多,例如,生产出的铸件缺陷多(热裂、渗碳、渗硫、气孔等)、污染重,仍需进一步改进与提高。  为此,我国面临的挑战是,在系统研究呋喃树脂合成反应机理的共性技术的基础上,强化对呋喃树脂的改性,开发环保型呋喃树脂体系,降低生产成本,缩短固化时间,提高生产效率,改善作业环境,进一步扩宽呋喃树脂砂的应用领域。  3. 目标[6](1)预计到2020年,要达到的目标:  开发一种资源广、成本低、环保型生物基呋喃树脂及其在球墨铸铁件上应用的自硬砂工艺。目前,铸造用的改性呋喃树脂主要是以石油资源中获得苯酚、甲醛和尿素等为原始材料,随着石油等不可再生资源的大量消耗,原油价格不断上升,以石油为主导的化工工业的成本将不断地提高。同时,生物质,如5- 羟甲基糠醛(5-HMF),是一种可持续性资源,数量巨大,价格低廉,可被生物降解,并且可不断再生,采用它作为呋喃树脂生产的原始材料,是解决目前资源和能源危机的重要方法。(2)预计到2030年,要达到的目标:  开发应用与呋喃树脂配套使用的低硫磺酸固化剂和防增碳、渗硫涂料,以解决呋喃树脂砂使用磺酸类作催化剂生产球铁件时,铸件表层出现的变异组织,其导致铸件冲击韧性等力学性能显著降低。  三、增材制造铸型用造型材料的开发应用  1. 现状  增材制造技术[7]是一种以数字模型文件为基础,采用粉末状的可黏合材料,通过逐层堆积的方式来构造物体的一种最新铸型成形技术。采用该技术可在生产上实现结构优化、节约材料和节省能源。该技术适合于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具的设计与制造等,也适合于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反求工程等。因此,它是一个具有广阔发展前景的朝阳产业。  目前,用于快速砂型铸造的增材制造技术主要有两种工艺:激光选区烧结(简称为SLS)和三维印刷(简称为3DP)。其中激光选区烧结工艺是利用激光作为热源、选择性地烧结粉末材料(如树脂覆膜砂等)达到快速固化成形的一种方法。3DP是一种利用喷头的运动,将液滴选择性喷射在粉床表面,通过液体粘接剂与含固化剂的固体粉末的综合化学反应作用,将选定区域内的固体粉末固化成形的一种快速成形技术。3DP成形工艺与SLS比较,具有成形速度快,可以整体成形较大的零件,也无热应力残余以及设备成本和运行成本低等突出优点。因此,3DP成形铸造砂型(芯)有着更广阔的应用前景。  近年来增材制造技术得到了快速的发展,但其所用耗材已成为制约该技术发展的瓶颈。目前,我国增材制造技术用原材料还缺乏相关标准,国内有能力生产增材制造技术材料的企业很少,主要依赖进口,价格高,受人制约,这就造成增材制造的产品成本较高,影响了其产业化的进程。  2. 挑战  增材制造技术用材是该技术发展的重要物质基础,也是决定着该技术能否有更广泛应用的重要因素。其所用的这些原材料都是专门针对该打印设备和工艺而研发的,不同的增材制造技术对成形材料有不同的要求,但是均要有利于快速精确的成形,因此,成形材料决定了快速成形技术的成败。目前我国增材制造用耗材存在如下问题:(1)增材制造技术的耗材决定了该技术的发展,由于它与普通的材料有着很大的区别,必须根据打印设备的类型及操作条件的不同,来开发增材制造技术所使用的各种材料。  可是,目前我国增材制造技术还处于起步发展阶段,产业规模小,耗材生产的企业不多,耗材的相关标准还不完善。部分耗材国内还没有生产,或是质量较低,难以满足实际应用需要,只能依靠进口。(2)在增材制造工艺中,影响加工件质量的因素众多,其中以其耗材质量的影响更为重要。在耗材制备时应从两方面加以控制,即材料使用时的工艺参数和原材料的选用与特殊处理的工艺参数。但是,我国现今仅局限在对材料使用的工艺参数优化上,而对原材料的选用和处理工艺(包括覆膜砂的覆膜工艺参数和树脂的合成和固化等工艺参数)的影响等方面,还没有进行系统、深入的研究。  3. 目标(1)预计到2020年,要达到的目标:  开发出3DP喷射快速成形用呋喃树脂、碱性酚醛树脂和无机粘接剂等常用的主要耗材,并制定相关耗材的技术标准。(2)预计到2030年,要达到的目标:  加大对耗材研发力度,提高耗材质量,进而推动我国增材制造产业的发展,在铸造领域内3DP喷射快速成形技术的应用面扩展到30%~40%的铸造产品。第三节 技术路线图参考文献:[1] 曹玉亭. 用混配土代替煤粉配制型砂 [J]. 现代铸铁,2014(6):76-81.[2] 于洪岩. 呋喃树脂自硬砂生产大型铸钢件工艺控制要点 [J]. 铸造设备与工艺,2011(3):22-24.[3] 施风华. 铸造涂料的规模化生产和精细化管理举足轻重 [J]. 金属加工(热加工),2015(5):2.[4] 宋会宗. 碱性酚醛树脂砂在大型铸钢件上的应用及质量控制 [J]. 中国铸造装备与技术,2009(1):24-27.[5] 任韶安. 大型铸铁件的发展及对铸造材料的新需求 [J]. 铸造技术,2012(6):708-711.[6] 杨磊. 造型材料性能对铸件质量的影响及其控制 [J]. 中国铸造装备与技术,2015(3):57-59.[7] J F Bredt,T C Anderson,D B Russell. Three dimensional printing material system and method:US,6610429 [P]. 2003.  编撰组  组 长 尹绍奎  成 员 周静一 谭 锐 李 玲 李延海       于志勇 张海东 刘加军 于瑞龙(本文原载于2016年出版的《铸造技术路线图》,中国科学技术出版社出版)
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    行业标准《铸造铝合金金相 第1部分:铸造铝硅合金变质》解读
    葛素静1,宗福春1,刘 闯2,霍会娟3
    铸造Al-Si合金组织中存在粗大多边形初晶硅和长针状共晶硅,严重割裂合金基体,明显降低力学性能,尤其是降低塑性及耐磨性,还会使合金的切削加工性能变差。因此,改善共晶硅和初晶硅尺寸、形状是迫切需要解决的问题,解决这一问题的关键措施是变质,因此,对变质级别的判定是铝合金金相检测的重点。相比于行业标准JB/T 7946.1—1999《铸造铝合金金相 铸造铝硅合金变质》,JB/T 7946.1—2017《铸造铝合金金相 第1部分:铸造铝硅合金变质》,完善了标准适用范围,增加了规范性引用文件,修改了试样的切取和制备的部分技术内容;修改了磷变质的分级说明,并更换了相应的显微组织参考图片;增加了锶、锑变质的分级说明,本文有助于JB/T 7946.1-2017标准的宣贯和使用者对标准的理解。
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