《铸造》杂志

  201712期

面向2030的中国铸造技术新材料·新工艺压力铸造半固态成形复合材料计算机应用试验研究应用技术人才培养
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主编:曲学良

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  • 面向2030的中国铸造技术
    硅树脂粘结球形SiO2陶瓷型芯的制备及性能研究
    宋宗成1,杨治刚2,余建波1,邓 康1,任忠鸣1
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    铸造技术路线图:数字化、网络化、智能化铸造
    许庆彦 熊守美 周建新 沈厚发 康进武 殷亚军 计效园 闫学伟
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    新材料·新工艺
    变质处理及挤压铸造对过共晶Al-Si-Cu-Mg合金组织与性能的影响
    李润霞1,孙继鸿1,郝建飞1,王顺成2,于宝义1,李荣德1
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    氟锆酸钾变质对ZL104合金组织和性能的影响
    胥晓强1,董立新1,刘力菱1,吴成辉2,魏善涛2
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    多元稀土对半固态A356铝合金梯度细化的研究
    孙梦桐1,刘 政2,陈志平2,陈 涛1
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    稀土Er对铸态Mg-6Al合金显微组织和力学性能的影响
    崔红卫1,张甜甜1,余 晖2,贾秋荣1,崔晓丽1,陈洪美3,翟慎宝4,柴韶春4,闵光辉5
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    压力铸造
    电磁搅拌半固态铝合金磁感应强度的优化
    陈志平1,刘 政1,陈 涛2
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    铝合金压铸件后处理过程中的“机器换人”
    杨文健,于革刚
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    变速器拨叉用过共晶铝硅合金压铸性能研究
    陆从相,周鹏飞,李天景
    [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
    半固态成形
    亚微米SiC颗粒对Al-5Mg合金组织和性能的影响
    胡 坤1,2,唐 鑫1,2,胡清华2,熊 斯2,龙 胜2
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    复合材料
    基于层次分析法与数据挖掘的砂铸工艺自评价模型及应用
    豆义华,计效园,周建新,叶 虎,张明珠
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    计算机应用
    45#钢管激光熔覆不锈钢粉末的参数研究
    张美美,白培康,刘 斌
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    基于ProCAST的云溪环保砂铸造工艺
    骆祎岚1,夏春礼1,范金辉1,白云峰1,朱世根1,2
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    试验研究
    机车轮心铸造工艺优化及生产控制
    付海昌1,杨 军2
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    奥氏体球墨铸铁超低温冲击断裂行为研究
    张新宁1,姜 珂2
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    热疲劳上限温度对球墨铸铁抗热疲劳性能的影响
    陈 丹,吴素珍,吴令宪,王朋坤,闫明辉
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    含Ti铸造双相不锈钢组织与耐腐蚀性能研究
    滕铝丹,曹 静,张 拓,杨弋涛
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    一种镍基合金铸件高温拉伸性能的研究
    冯 微1,赵会彬1,周同金1,2,孟 宇1
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    应用技术
    构建面向解决复杂工程问题的铸造卓越工程师培养体系探索
    张建军,魏晓伟,丁士华
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    C11下缸体铸造工艺分析及断芯解决措施
    黄 渊,税国红,高 翌
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    地铁转向架关键铸钢件失效分析及质量改进
    陈红圣,徐贵宝,李平平
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    人才培养
  • 面向2030的中国铸造技术
    硅树脂粘结球形SiO2陶瓷型芯的制备及性能研究
    宋宗成1,杨治刚2,余建波1,邓 康1,任忠鸣1
    以球形SiO2颗粒为基体、硅树脂为粘结剂,通过干压法制备多孔SiO2陶瓷型芯,研究了硅树脂添加量和烧结温度对陶瓷型芯性能的影响。研究结果表明:硅树脂作为粘结剂通过交联、裂解从而实现对球形SiO2颗粒的包覆和粘结,明显改善了球形SiO2颗粒的烧结性能。在1 350 ℃烧结温度下,随着硅树脂含量增大,型芯样品的失重率不断增大,收缩率反而不断减小;在硅树脂含量为20%时,收缩率仅为0.42%,能较好地保证型芯的尺寸精度;硅树脂含量为10%时,在1 300 ℃烧结2 h,陶瓷型芯室温抗弯强度为11.8 MPa、线性收缩率为0.49%、显气孔率为30.9%,综合性能最佳。
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    铸造技术路线图:数字化、网络化、智能化铸造
    许庆彦 熊守美 周建新 沈厚发 康进武 殷亚军 计效园 闫学伟
    第一节 概 述  中国已经连续16年铸件产量世界第一。2015年各类铸件总产量达到4560万t。虽然我国铸造行业近年来取得了长足进步,但大而不强,已严重影响自主创新能力的提高。在某些领域铸件质量已经成为整个装备制造中的瓶颈问题。当前我国正面临着从铸造大国向铸造强国迈进的历史课题[1]。  《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》指出,制造业是国民经济的主要支柱。我国是世界制造大国,但还不是制造强国;制造技术基础薄弱,创新能力不强;产品以低端为主;制造过程资源、能源消耗大,污染严重。并提出要重点研究数字化设计制造集成技术,建立若干行业的产品数字化和智能化设计制造平台。开发面向产品全生命周期的、网络环境下的数字化、智能化创新设计方法及技术,计算机辅助工程分析与工艺设计技术,设计、制造和管理的集成技术[2]。  可见,数字化、网络化、智能化在先进制造技术领域占有举足轻重的地位,也是铸造学科的发展前沿,符合“中国制造2025”的国家重大战略需求[3]。“中国制造2025”的主线是工业化和信息化的融合,把智能制造作为主攻方向,促使制造业数字化、网络化和智能化。加快推动新一代信息技术与制造技术深度融合,着力发展智能产品和智能装备,培育新型生产方式和产业模式,全面提升企业产品、生产和服务的智能化水平。“数字化、网络化和智能化”可以从根本上提高产品功能、性能,从而提高产品的市场竞争力;全面提升企业的设计、制造和管理水平,大幅度提高制造效益、降低产品成本和资源消耗,同时可以从容面对瞬息万变的市场,快速响应市场的变化。  数字化、网络化和智能化也是提高铸造成形技术水平的重要手段,可实现铸件成形制造过程的工艺优化,预测铸件组织、性能与使用寿命,确保零件的质量,显著缩短产品研发周期,降低生产费用,大量节约资源与能源。数值模拟、互联网+、人工智能、智能装备、数字化工厂、物联网与在线检测等则是铸造成形信息化的核心技术。因此,铸造行业对数字化、网络化、智能化技术有迫切需求,铸造过程的数字化、网络化、智能化是我国铸造行业进一步发展壮大、成为世界铸造强国的重要保障。  欧美工业发达国家均将铸造过程数字化、网络化和智能化作为优先资助和发展的领域,相关研究全面而深入,技术开发环境好,资金投入大,软件市场占有率高[4]。紧紧追随世界的脚步,我国在铸造过程的数字化、网络化、智能化方面也已经开展了大量的工作,在政府加强引导、加大经费支持以及企业积极参与等共同作用下,极大地提高了铸造成形技术水平。但总体来说,与国际水平尚有较大差距。  虽然数字化、网络化、智能化在国内铸造行业获得了一定应用,但与国外相比仍有较大差距[5]。国内自主研发软件资金、技术、人员投入较少,自主开发商品化铸造模拟软件能力仍很弱,软件市场占有率不高,更缺乏世界影响力。国内铸造企业应用铸造过程数值模拟软件和快速铸型铸造技术不够普及,应用水平相对较低,机器人应用很少,物联网+等技术的应用刚刚开始,与国外先进铸造企业还有很大差距。在具备规模的铸造企业中一般都购置了铸造过程数值模拟软件,在新产品开发中一定程度上采用了模拟技术,模拟结果为新产品开发的工艺制定和优化发挥了一定的作用。但是对模拟的认识还比较粗浅,模拟应用人员的层次还比较低,模拟配套的性能参数数据库还很缺乏,软件自带数据库与企业的情况不完全一致。因此对模拟还存在很多误区,如有的认为模拟出来的结果和实际差别大,不问青红皂白就全面否定模拟,也有的片面迷信模拟结果,不加深入分析和判断就直接采用指导生产。这些都影响了模拟技术在铸造行业中的普及和深入。  智能制造(Intelligent Manufacturing)通常泛指智能制造技术和智能制造系统,它是人工智能技术和制造技术相结合后的产物[6]。在中国《智能制造科技发展“十二五”专项规划》中,定义智能制造是“面向产品全生命周期,实现泛在感知条件下的信息化制造,是在现代传感技术、网络技术、自动化技术、拟人化智能技术等先进技术的基础上,通过智能化的感知、人机交互、决策和执行技术,实现设计过程智能化、制造过程智能化和制造装备智能化等。智能制造系统最终要从以人为主要决策核心的人机和谐系统向以机器为主体的自主运行转变”。当然智能制造还有其他的不同定义。但无论从哪个方面来说,我国铸造行业离智能化尚有非常大的差距。随着技术的进步,很多企业都使用了机械手或机器人,铸造企业的造型、制芯、落砂等工序的设备已经实现了半自动化和自动化生产。但到目前为止,仍有很多铸造企业装备落后,沿袭传统的手工生产方式,与建设智能化的铸造工厂的目标相比,有相当大的差距。建设数字化铸造厂的前提条件之一,就是企业所装备的设备必须具备自动化和智能化的特性。第二节 关键技术  一、大型铸锭及铸件的数值模拟技术  1. 现状  大型铸件多指重大技术装备中的大型铸造产品,性能要求高,以铸钢件为主。大型铸锭通常是指需要进一步采用大型液压机才能最终成形的金属模铸锭。其质量直接影响到重大装备的整体水平和运行可靠性,是发展电力、船舶、冶金、石化、重型机械和国防等工业的基础,是发展先进装备制造业的前提,是衡量一个国家重工业发展水平和国家综合国力的重要标志之一。  数字化、智能化、网络化技术在我国大型铸锭及铸件相关研究中的应用仍处于初步阶段,与国外先进水平仍存在较大差距,目前大多数研究只是针对大型铸锭及铸件生产过程中的某一环节,如针对大型铸锭/铸件凝固过程缩孔缩松等缺陷的形成,针对大型铸锭 / 铸件热处理微观组织的演变等。随着计算机技术的快速发展,多尺度、全过程数值模拟技术的思想已开始被相关学者和研究机构采用。  清华大学针对300 t大型钢锭,集成考虑浇注过程和凝固过程,耦合宏观尺度上的传热、传质等传输现象和微观尺度上的晶粒形核、长大,研究多包合浇工艺对钢锭宏观偏析形成过程的影响,实现了宏微观的耦合模型的集成[7]。华中科技大学针对某铸钢件,模拟铸件铸造的充型过程及后续凝固过程,预测最终凝固过程的铸件缩孔缩松分布,对比分析不同冒口补缩工艺方案,设计了该铸钢件冒口优化方案,实现了工艺流程上的集成[8]。清华大学针对马氏体不锈钢铸件铸造与热处理中组织转变,考虑铸件铸造过程和热处理过程,建立水轮机铸件铸造与热处理全过程热应力分析系统,对实际生产的水轮机铸件的应力和变形进行研究,实现了铸造和热处理关系的集成[9]。  2. 挑战  由于国家对能源、国防工业的继续加大投入以及新兴产业发展中的高端装备对大型铸锭及铸件的需求,尤其是高端紧缺大型铸锭及铸件的国产化需求,我国大型铸锭及铸件生产技术水平亟需重大突破。然而大型铸件多为单件生产,生产过程复杂、周期长、成本高,而且形体巨大,制造难度大,服役条件严酷,加上大型铸件生产过程对能源和材料等消耗大,不适于用实物进行研究。  针对不同用途的大型铸件,从材料选择到材料优化设计,熔炼精炼调控到其工艺设计,以及利用更为精准的模型在宏微观尺度来对其铸造过程及后续热处理过程进行数值模拟,然后开发工艺集成工具把各个生产阶段工艺整合,最终达到工程系统的性能和寿命的预测。  3. 目标(1)预计到2020年,要达到的目标:  实现大型铸件及铸锭铸造过程的数值模拟以及对缺陷的预测,如缩孔缩松、宏观偏析及裂纹等;实现模型内的宏微观耦合,针对不同尺度范围内的物理现象进行建模,建立不同尺度模型之间的链接关系。(2)预计到2025年,要达到的目标:  实现铸造过程工艺性评估和对组织结构的预测,如浇注工艺、模型设计、等轴晶柱状晶转变等;实现材料和熔炼工艺与铸造过程的模型耦合,针对不同的材料或成分范围给出模型的输入参数,建立不同工艺下的模型初始条件。(3)预计到2030年,要达到的目标:  实现大型铸件性能的预测和寿命的评估,给出特定使用环境下的工程寿命。实现铸造和热处理过程数值模拟的耦合,针对不同的铸造工艺来初始化热处理过程的参数,建立宏微观组织演变、组织缺陷遗传演化的关系。  二、轻金属材料铸造过程建模与数值模拟技术  1. 现状  铝、镁是典型的轻金属材料。铝合金具有相对较轻的重量、较高的比抗拉强度和比弹性模量,越来越广泛地应用于汽车工业和航空航天等领域。镁合金是目前工程应用中密度最小的金属结构材料,在实现汽车轻量化中应用潜力巨大,受到了越来越多的关注。  现代成形制造技术和产品研发中,一个十分重要的发展趋势是越来越多地运用计算机建模与数值模拟技术[10],采用模拟技术已成为开发成形加工产品新工艺、实现技术创新的重要方法手段。近20年来,在工业发达国家,成形制造模拟技术不断向广度、深度发展,模拟技术已成为国际公认的材料及制造科学的重要前沿领域。模拟技术用于轻金属材料铸造成形领域,可以缩短轻合金铸件的研发周期并大大降低研发成本[11]。  近几年来,我国数值模拟技术在轻金属材料铸造成形方面的研究和发展势头强劲。清华大学面向汽车、军工等行业对高性能轻金属结构件铸造成形技术的需求,开展铝、镁合金铸造及凝固过程宏/微观建模与数值模拟研究,建立了铝、镁合金压铸、挤压铸造成形实验基地。在多项国际科技合作、“973”计划、国家自然科学基金、以及企业科研合作项目的支持下,围绕铸造镁合金“工艺-组织-性能”建模与数值模拟、铝镁合金铸造成形宏/微观建模与数值模拟等进行了比较系统、深入的研究[12]。中国第一汽车集团十分重视铸造模拟技术的研究与应用,将协同优化和数字建模与数值模拟应用于汽车发动机缸体的设计和制造过程,建立了汽车发动机缸体智能化生产单元,将发动机缸体制造多个复杂工艺过程整合起来进行数字化设计,生产效率和质量都得到了大幅度的提高。  2. 挑战  尽管我国数字化、网络化、智能化取得一定发展,但其在轻金属铸造领域的发展还面临一系列的问题。轻金属铸造过程的数值模拟涉及跨越不同长度与时间尺度的复杂物理现象,现有的模型还需要发展和完善;目前大部分模拟工作还主要集中在宏观尺度,多尺度、多学科数理建模及轻金属成形零部件的组织、性能和使用寿命预测研究亟待加强[13];企业技术水平参差不齐,模拟技术的应用水平有待提高,对于数字化、网络化、智能化等先进理念、方法和工具还缺乏足够重视;政府和产业界对研究和开发投入不足。  3. 目标(1)预计到2020年,要达到的目标:  针对汽车、航空航天、交通运输等行业的轻量化需求,对铝、镁合金的先进铸造成形技术,如高压铸造、挤压铸造、半固态铸造等,开展宏观建模与数值模拟研究,实现单体技术开发与验证。(2)预计到2025年,要达到的目标:  通过对液态金属的传热、流动、传质和铸件/铸型应力的模拟,以及微观建模与验证,从而可以准确预测铸件中的组织和缺陷的形成,实现铸件质量控制。(3)预计到2030年,要达到的目标:  在耦合宏观模拟的基础上,对铸件组织、性能等开展数值模拟研究,进而预测铸件力学性能和使用寿命,揭示工艺-组织-性能之间的关系,实现从产品设计、材料开发、制造工艺优化、服役评价等全生命周期的数字化、网络化、智能化。  三、航空发动机高温合金叶片数值模拟技术  1. 现状  单晶高温合金是先进燃气涡轮发动机最主要的叶片材料。我国在单晶合金及其工艺研制方面已取得显著成绩,但是仍远远落后于国际先进水平。由于生产工艺的复杂性和不稳定性,以及研制周期长、费用昂贵和成品率低,我国单晶叶片的研制过程缓慢,制约了其在先进航空发动机上的实际应用[14]。针对这一技术瓶颈问题,将数字化、网络化、智能化引入到高温合金涡轮叶片的制造过程中,利用计算机模拟技术有效模拟定向凝固叶片的凝固微观组织演变过程,分析固液界面前沿的溶质扩散、熔体流动和温度分布规律,预测晶体缺陷的产生,最终实现优化生产工艺、缩短试制周期、降低试制成本、提高单晶叶片的质量和成品率的目的[15]。  研究数字化、网络化、智能化在航空工业中应用的目的在于推动铸造技术走高端化道路。目前,我国铸件产量已稳居世界第一,但大而不强、重量不重质,许多高端铸件产品仍然依赖于国外进口,尚没有完全掌握如航空发动机热端部件等高端铸件的成形制造技术,合格率低。究其原因,除了部分是归因于原材料以外,对高温合金定向凝固过程缺乏有效的预测与控制手段也是重要原因之一。多年的研究工作表明,通过把计算流体力学、计算传热学、计算材料学和组织性能模型有机集成起来,能够综合预报铸造成形过程的各物理量演变规律,预判铸造成形过程中材料微观组织和各种缺陷的变化,全息地反映工艺参数的作用效果,为优化铸造成形工艺和提高产品质量提供有力的工具。这种技术发展的可行性已经在研究领域得到比较充分的验证,有望从根本上改变高温合金叶片定向凝固生产技术水平的现状,促进我国航空工业制造技术水平的进步[16]。  2. 挑战  尽管数字化、网络化、智能化在航空工业有着大幅降低成本、加速新产品研发的巨大潜能,但为更好地使其在航空工业领域广泛采用,以下问题需加以解决:(1)多尺度、多物理量、成形制造全流程模拟的集成。  对高温合金定向凝固叶片的多尺度耦合模拟可以有从时间尺度和空间尺度两个方面来理解。从时间尺度上来讲,一方面是定向凝固工艺-微观组织-力学/使用性能之间的耦合关系模拟;另一方面是不同成形工艺之间、也即制造全流程的耦合,对叶片的制造而言,存在着铸造(定向凝固)-热处理-激光打孔-陶瓷涂层等复杂制造工艺。从空间尺度上来讲,主要是从微观尺度-介观尺度-宏观尺度上的耦合模拟,不同尺度对应着不同的模拟手段和方法、工具,模拟手段/工具之间的耦合及数据调用、边界条件信息传递等则是存在的主要问题。  多物理场耦合是指在高温合金涡轮叶片定向凝固过程中涉及到的多物理场之间相互作用,这些物理场主要包括:流场、温度场、溶质场、组织场、应力/应变场等。这些物理场中有些是一一对应关系,有一些是两两之间的相互影响,也有一些是三者或三者以上的耦合关系,如何建立耦合关系模型,并寻找合理的解耦方法是研究的重点。(2)实验技术和数据库是数字化、网络化、智能化的重要保障。  材料基础数据、微结构以及性能模型既有基于理论的,也有基于现象的,但无论哪种模型都不是十分完善,都需要更多的实验数据来修正,同时,模型也需要覆盖更多的实验数据[17]。研究表明,数字化、网络化、智能化工具50%~80%的开发费用与实验研究有关。实验手段不仅是建立理论模型的前提,也可以弥补理论上的不足。实验的重要性还在于可以确保模拟软件的准确性。  3. 目标(1)预计到2020年,要达到的目标:  建立完善的单晶高温合金材料热物性参数数据库,实现晶体生长与枝晶生长的数值模拟和缺陷预测,实现高温合金叶片定向凝固工艺的优化。(2)预计到2025年,要达到的目标:  建立完善的单晶高温合金高温力学本构模型,较准确地模拟热应力与应变,实现单晶高温合金铸件的再结晶预测,实现高温合金叶片热处理工艺的建模、模拟与工艺。(3)预计到2030年,要达到的目标:  争取实现单晶高温合金叶片的制备工艺-微观组织-使用性能的多尺度、全过程建模与数值模拟,实现叶片的力学性能与使用寿命预测。  四、高性能铸铁多尺度宏微观组织耦合数值模拟技术  1. 现状  铸铁在我国国民经济乃至世界制造业中占有极其重要的地位,是工业生产中应用最为广泛的一种铸造金属材料,在一般的机械制造、冶金矿山、石油化工、交通运输和国防工业等各部门中发挥着基础性的作用。虽然现代铸铁面临来自各方面的挑战,但是等温淬火球墨铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁及高强薄壁灰铸铁和各种性能(如抗磨、减磨、耐蚀等)铸铁仍还会有较大的发展虽然处于高速发展中的我国,铸铁将以比世界平均水平高得多的速度增长。但是我国高性能铸铁所占比例远低于工业发达国家,而且性能相比较差,如可锻铸铁产量虽然位居前列,但绝大多数为黑心可锻铸铁,白心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁产量不高。因此实现铸造大国向强国的转变,高性能铸铁性能研究较为重要[18]。  材料性能最终取决于其组织形态,因此研究铸铁的性能需重点考察铸铁组织(石墨+基体组织),特别是高性能的铸铁材料。如铸铁的性能很大程度上与石墨的数量、大小、分布和形态相关,尤其是石墨的形态。当基体为珠光体的铸铁,石墨由粗片状(灰铸铁)向球状(球墨铸铁)转变时,则抗拉强度、伸长率以及冲击韧性分别有大幅度的提高。又如:把铸件加热到奥氏体化温度,获得均匀的奥氏体组织之后,再将铸件淬入盐浴,并在盐浴中等温停留,奥氏体在等温停留过程中析出铁素体组织,从而形成等温淬火球磨铸铁。再如:石墨形态由蠕虫状与团球状以不同比例混合后,其力学-物理性能介于灰铸铁和球铁之间的蠕墨铸铁。因此,如何定量化研究与分析组织形态的是控制与提升铸铁性能的一条重要途径。数值模拟是实现定量化组织形态分析的重要方法与手段,具有实验适应性强、可重复性高、成本低等特点[19]。因此在“十三五”期间,需要重要研究高性能铸铁凝固与热处理等铸造工艺过程组织演变的数值模拟。  2. 挑战  高性能铸铁多尺度宏微观组织耦合数值模拟技术,主要是为了掌握高性能铸铁石墨与基体组织在凝固及热处理等铸造工艺的组织演变规律,从而达到定量化控制与提升铸铁材料性能的目的。对于等温淬火球铁,需要进行铸铁热处理高碳奥氏体及针状铁素体组织形成过程数值模拟研究;对于球墨铸铁,需要进行在球化剂与孕育剂作用下石墨球化形貌形成的数值模拟;对于蠕墨铸铁,则需要进行在蠕化剂作用下,蠕虫状石墨形成的多尺度数学模型及微观组织数值模拟。以这三种典型高性能铸铁为研究对象进行突破,掌握其规律后并推广至其余高性能铸铁组织演变过程的数值模拟中,从而形成高性能铸铁的多尺度宏微观组织耦合数值模拟的系统技术。  3. 目标(1)预计到2020年,要达到的目标:  实现等温淬火球墨铸铁的多尺度宏微观组织耦合数值模拟技术,掌握其凝固与热处理等铸造工艺过程的组织演变规律。(2)预计到2025年,要达到的目标:  实现球墨铸铁的多尺度宏微观组织耦合数值模拟技术,掌握其凝固与热处理等铸造工艺过程的组织演变规律。(3)预计到2030年,要达到的目标:  实现蠕墨铸铁的多尺度宏微观组织耦合数值模拟技术,掌握其凝固与热处理等铸造工艺过程的组织演变规律。  五、网络化智能化铸造工艺、生产、质量集成技术  1. 现状  铸造企业网络制造模式指铸造企业按照敏捷制造的思想,采用信息化技术,对企业订单、设计、生产和销售等资源进行灵活高效地整合,对产业链上下游企业进行协同集成,提高企业市场快速反应和竞争能力的新模式。具体来说,铸造企业推行网络制造就是推行信息化建设,加强两化融合。而当前随着近日李克强总理与默克尔总理签署了《中德合作行动纲要:共塑创新》,网络制造已经开始走入强调智能制造的工业4.0时代:整个生产流程都由软件来控制,包括人机整合、机器与外部机器整合、生产流程与外部合作伙伴整合等[20]。  当前铸造行业网络制造和信息化的现状总体为:①铸造企业信息化实力薄弱;②上下游企业信息集成与协同管控较少;③生产质量数字化管控与ERP普及率仍有待发展;④整体上进入发展阶段,且近几年呈现蓬勃发展态势;⑤少数铸造企业对工艺生产质量进行了全面流程化管控,实现了单件全生命周期追溯。  我国铸造企业的网络制造和信息化建设呈现以下发展趋势:(1)工艺PDM与管理ERP的集成,并与生产质量系统形成协同,做到相互驱动和约束。(2)关键件、重要件做到单件化生产和质量的数字化管理,关键生产过程全过程数字化监控和管理。(3)智能化管理技术与智能化铸造装备。(4)车间设备数据集成与车间在线化管控技术。(5)产业链网络协同集成制造与大数据分析技术。  2. 挑战  网络化智能化铸造工艺、生产、质量集成技术,主要解决铸造生产流程中实时现场信息如何处理与后期如何分析的问题,从而达到互联互通网络协同和网络化智能化铸造的目的。实现该过程则需要从多个方面进行研究,在与硬件结合方面:智能化铸造装备技术和软硬件双向数据集成技术研究,铸件信息现场识别技术与设备;在铸造工艺方面:搭建铸造工艺知识库,铸造工艺生产质量的数字化管理与协同技术;在管理方面:铸造生产数据柔性化分析理论和系统技术,铸造全业务流程集成化和产业链集成化系统技术。在以上技术逐个突破的基础上,开发出网络化智能化的铸造工艺、生产、质量集成的软硬件技术平台,整体实现铸造生产流程软硬件信息智能化集成及柔性化分析[21]。  3. 目标(1)预计到2020年,要达到的目标:  突破传统铸造生产流程软硬件信息交流的技术难点,通过搭建柔性化信息处理分析技术系统,构建一个互联互通网络协同和网络化、智能化的铸造集成的软硬件技术平台。(2)预计到2025年,要达到的目标:  做到产业链网络、企业价值链网络、数字化管理系统与车间设备软硬件网络三个方面的集成,实现智能化铸造和智能化管理。(3)预计到2030年,要达到的目标:  促进产业结构升级,打造若干个铸造4.0示范工厂,提升行业整体实力。  六、建立完善的铸造材料物性参数数据库以及先进的物理实验平台  1. 现状  材料物性参数是数字化铸造的直接依据,对建模与数值模拟结果的准确性和可靠性起决定性作用。当前阶段铸造过程数值模拟中应用到的材料性能参数可以划分为充型凝固模拟用性能参数、热应力分析用力学性能参数以及微观组织模拟用性能参数等[22]。具体说来,铸造过程模拟用的物性参数包括:材料本身的物理参数,如密度等;与传热有关的热物性参数,如导热系数、比热、热焓(结晶潜热)等;和收缩有关的参数,如体积收缩系数和线收缩系数;和液态流动有关的参数,如黏度、表面张力等;和力学性能有关等参数,如杨氏弹性模量、剪切弹性模量、塑性硬化模量、泊松比、屈服应力、断裂应力等;和组织变化有关的参数,如相变温度、溶质扩散系数、相图等;和电磁有关的参数,如电导率等。  铸造过程涉及金属材料、造型/制芯材料、涂料等多种材料,这些材料有着本质的不同。这些材料既有金属又有非金属,既有固体材料、又有散体材料,还有液体材料。在铸造过程中铸件、铸型或辅助材料的温度和状态都发生很大的变化。材料参数还和模拟尺度有关系。例如某些材料的弹性模量,在宏观尺度中可认为其各向同性;而在介观尺度,则表现为明显的各向异性[23]。另外,随着模拟计算的深入,涉及多尺度、多物理现象的耦合等,精度要求不断提高,因此材料性能参数与对材料内在特性的知识已经不能满足铸造过程凝固模拟的需求,甚至阻碍了模拟的进一步发展。但获得准确且完整的物性参数仍然十分困难,这是当前影响铸造过程数字化的重要因素之一[24]。  为了顺利发展数字化铸造技术,并进行工艺设计集成来保证铸件质量以及达到寿命的预测,迫切需要建立标准化的关键材料性能数据库,用来存储关于加工工艺和微观组织的关系、微观组织的信息、微观组织和材料性能的关系等,用来支持计算模型的开发和验证。  2. 挑战  我国在数字化铸造方面的相关配套基础薄弱,如没有专门的数据库、没有材料数据热力学计算软件,在该方面是完全空白,完全依赖国外软件如JmatPro、Thermo-Calc、Pandat等。材料的性能参数一般在各种手册和文章中均可以找到一些,但往往是不全面的、不完整的。同时对于同一参数不同来源的数值有时差距很大,甚至相互矛盾。因此如何搜集和整理这些参数并且进行可靠性验证十分重要。数据的可靠性可以通过相似材料的相互对比来进行校核。通过实验与计算、以及文献检索和校核等多种方法可以获得铸造材料的物性参数,并通过数据库技术实现数据的共享、检索、引用,为数字化铸造奠定坚实的基础。  3. 目标(1)预计到2020年,要达到的目标:  建立标准化的铸造过程信息分类方法,并以此为基础建立开放的铸造材料数据库。(2)预计到2025年,要达到的目标:  建立先进的实验平台,为获得精确的材料物性参数提供技术支持,并为数字化铸造技术提供实验验证平台。(3)预计到2030年,要达到的目标:  以信息学技术研究材料不同物理量之间的内在联系,建立完善的铸造数字化、网络化、智能化应用的数据库,面向铸造行业全面开放。参考文献:[1] 柳百成. 集成计算材料工程(ICME)在高端成形制造行业应用 [J]. 中国工程院咨询报告, 2014.[2] 中华人民共和国国务院. 国家中长期科学和技术发展规划纲要(2016-2020年)[EB/OL]. http://www. most. gov. cn/mostinfo/xinx-ifenlei/gjkjgh/200811/t20081129_65774. htm[3] 国家制造强国建设战略咨询委员会,中国工程院战略咨询中心.《中国制造2025》解读——省部级干部专题研讨班报告集 [M]. 北京:电子工业出版社,2016.[4] The future of Manufacturing [EB/OL]. https//www. gov. uk.[5] 柳百成. 数字化制造需要新思维 [J]. 中国经济和信息化,2014(6):18-19.[6] 国家制造强国建设战略咨询委员会,中国工程院战略咨询中心. 智能制造 [M]. 北京:电子工业出版社,2016.[7] Tu Wutao,Zhang Xiong,Shen Houfa,et al. Numerical simulation on multiple pouring process for a  292 t steel ingot [J]. China Foundry,2014,11(1):52-58.[8] 沈旭,周建新,廖敦明,等. 华铸CAE铸造模拟软件新进展及其在大型铸钢件上的应用 [C]// 铸造学术年会,2013.[9] B.C. Liu,J. W. Kang,T. Y. Huang. Stress analysis and deformation prediction of a heavy hydraulic turbine blade casting during casting and heat treatment [J]. Materials Science and Technology(United Kingdom),2012,28(7):808-811.[10] 柳百成,熊守美,荆涛,等. 先进成形制造技术及全流程建模与仿真发展趋势 [C]// 高端成形制造技术及多尺度全流程建模与仿真工程前沿研讨会,2012.[11] John Allison,Mei Li,C. Wolverton,et al. Virtual aluminum castings:an industrial application of ICME [J]. JOM,2006,58(11):28-35.[12] Baicheng Liu,Qingyan Xu,Tao Jing. Advances in multi-scale modeling and simulation of casting and solidification processes [C]// High-level International Symposium on“Cutting-edge Technology of Digital Design and Manufacturing”,Beijing:2011.[13] 许庆彦,陈瑞,柳百成.铝合金铸件制造全流程和多尺度建模与仿真 [C]// 第二届全国有色金属结构材料制备/加工及应用技术交流会,洛阳:2016.[14] 李嘉荣,熊继春,唐定中.先进高温结构材料与技术 [M]. 北京:国防工业出版社,2012.[15] Qingyan Xu,Hang Zhang,Xiang Qi,et al. Multiscale modeling and simulation of directional solidification process of turbine blade casting with MCA method [J]. Metallurgical and Materials Transactions B,2014,45(2):555-561.[16] 许庆彦,闫学伟,唐宁,等. 高温合金叶片定向凝固过程多尺度建模与仿真 [C]// 第六届海内外中华青年材料科学技术研讨会,重庆:2015.[17] Daniel G Backman,Daniel Y Wei,Deborah D Whitis,et al. ICME at GE:accelerating the insertion of new materials and processes [J]. 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    新材料·新工艺
    变质处理及挤压铸造对过共晶Al-Si-Cu-Mg合金组织与性能的影响
    李润霞1,孙继鸿1,郝建飞1,王顺成2,于宝义1,李荣德1
    研究了Sr、Sr-P变质处理对过共晶Al-Si-Cu-Mg合金组织和性能的影响。测试合金的力学性能并观察显微组织,分析变质处理对合金组织和力学性能的影响。结果发现:对重力铸造合金进行变质处理时,Sr的加入使合金组织中的粗大片状共晶Si变为细小的纤维状,随着P的加入,粗大多角的块状初生Si变为细小的粒状,合金硬度、抗拉强度及伸长率明显提高;对挤压铸造合金进行变质处理时,Sr的加入使合金组织中的粗大片状共晶Si变为细小的纤维状,而随着P的加入原本挤压铸造时细小块状的初生Si反而长大,合金的抗拉强度及伸长率明显降低,主要是形成的Al-Sr-P影响了变质效果。对于挤压铸造,合金的最佳处理工艺为Sr变质,不加P。
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    氟锆酸钾变质对ZL104合金组织和性能的影响
    胥晓强1,董立新1,刘力菱1,吴成辉2,魏善涛2
    采用氟锆酸钾作为变质剂,在725 ℃对ZL104铝合金进行变质处理,研究了不同氟锆酸钾变质剂加入量对ZL104合金的铸态以及T6热处理态下组织和拉伸性能的影响。结果表明:氟锆酸钾变质剂加入量为0.90%~0.95%时,ZL104的显微组织中α-Al基体大致呈等轴状,且具有较大的晶粒度,共晶硅大多为细纤维状或短棒状,变质效果最佳,其铸态和T6热处理态下均具有较好的综合性能。 
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    多元稀土对半固态A356铝合金梯度细化的研究
    孙梦桐1,刘 政2,陈志平2,陈 涛1
    基于稀土在铝合金中诱发共晶反应进而细化凝固组织的机制,设计了Gd-Nd-Y-Ce四元稀土复合细化剂,并辅以梯度保温措施,使半固态A356铝合金在保温阶段按照Al-RE共晶温度由高到低依次发生共晶反应,提高共晶产物的保存率,进而研究多元稀土对半固态A356铝合金凝固组织的梯度细化效果。结果表明:四元稀土按照正交试验设计的百分比添加量加入,在650 ℃浇注,并按照645 ℃/30 s-635 ℃/40 s-625 ℃/50 s-615 ℃/60 s进行梯度保温,615 ℃水淬脱模后,借助公式获得不同试样的细化特征参量。采用综合平衡法,对正交试验获得的极差R和试验指标Ki进行参数分析,获得四元稀土在优化方案下的最佳配比为:0.5%Gd+0.2%Nd+0.4%Y+0.2%Ce,试验验证此时A356铝合金初生相的平均等积圆直径为83.013 μm,形状因子为0.817,细化效果最好。
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    稀土Er对铸态Mg-6Al合金显微组织和力学性能的影响
    崔红卫1,张甜甜1,余 晖2,贾秋荣1,崔晓丽1,陈洪美3,翟慎宝4,柴韶春4,闵光辉5
    基于改善铸态Mg-6Al镁合金力学性能的目的,本研究利用OM、SEM、XRD、万能电子拉伸试验机系统研究了加入不同含量稀土Er(0, 0.2%, 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%)对铸态Mg-6Al合金晶粒尺寸、第二相形态、数量、大小和分布以及力学性能的影响。结果表明,加入Er会产生Al3Er新相;适量添加Er有良好的细化晶粒作用;第二相形态也由连续或不连续网状转变为短棒状或颗粒状,同时数量明显增多,尺寸减小,分布更加均匀;但当Er添加量高于1.5%时会引起晶粒和第二相粗化团聚,降低材料力学性能;Mg-6Al合金中最优Er添加量为1.0%,此时合金的抗拉强度181MPa,伸长率9.3%。并详细讨论了晶粒细化机理及Er对第二相的影响机理。
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    压力铸造
    电磁搅拌半固态铝合金磁感应强度的优化
    陈志平1,刘 政1,陈 涛2
    通过建立简化的二维电磁搅拌模型,利用ANSYS 15.0求解其中的磁感应强度分布,模拟了不同坩埚半径、不同电压和不同频率对磁感应强度最大值的影响。模拟结果表明,在坩埚半径0到0.85R的条件下,磁感应强度随电压的增大而增大,随频率的增大而减小,且在0.85R出现较大的磁感应强度。将正交试验应用到半固态铝合金电磁场分析中,得到影响磁感应强度的主要因素顺序为:电压、频率、坩埚半径。利用正交试验找到了最优水平组合方案,即:电压为380 V,频率为30 Hz,坩埚半径为27.5 mm。实验验证证实了数值模拟的正确性。
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    铝合金压铸件后处理过程中的“机器换人”
    杨文健,于革刚
    铝合金压铸件后处理过程包括铸件在压铸成形后切冒口、矫形、打磨、去毛刺等工序。国内压铸企业的后处理多以人工方式进行,劳动强度大,环境污染严重(粉尘、噪音),单调重复且技术含量低,导致后处理工序招工难,压铸企业劳动生产率低,“机器换人”已是大势所趋。文中以打磨/去毛刺环节为例,探讨“机器换人”的技术路线及其影响因素,对压铸件后处理过程的“机器换人”实现方案给出示范分析,为企业决策者提供决策参考。
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    变速器拨叉用过共晶铝硅合金压铸性能研究
    陆从相,周鹏飞,李天景
    以Al-17Si-4.5Cu-0.5Mg合金为原料,分析了自动变速箱用换挡拨叉压铸件的组织和性能。通过对压铸件不同部位的组织观察、断口形貌分析及能谱检测得出:压铸件Si相大小约40~60 μm;组织中存在富Cu相及针状Fe相;断口处没有典型的韧窝特征,出现可见粗大第二相,破碎的Si相,断裂方式属于脆性断裂;合金断口由裂纹发展导致,裂纹附近的Si颗粒出现明显裂纹和破碎。
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    半固态成形
    亚微米SiC颗粒对Al-5Mg合金组织和性能的影响
    胡 坤1,2,唐 鑫1,2,胡清华2,熊 斯2,龙 胜2
    采用半固态搅拌辅助超声处理的方法制备不同质量分数(1.5%和3%)亚微米SiC颗粒增强Al-5Mg复合材料,研究了SiC/Al-5Mg复合材料的微观组织以及室温拉伸性能。结果表明:亚微米SiC颗粒的加入提高材料的综合力学性能;随着SiC含量增加,复合材料的晶粒逐渐减小,这主要由于凝固过程中SiC颗粒能有效地促进α-Al形核并阻碍晶粒长大。其强化机制以细晶强化为主。
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    复合材料
    基于层次分析法与数据挖掘的砂铸工艺自评价模型及应用
    豆义华,计效园,周建新,叶 虎,张明珠
    建立了一种基于层次分析法与数据挖掘的砂铸工艺自评价模型,能够根据各工艺版本的生产与质量等实际数据实时对该版本工艺进行自动评分,为工艺版本升级提供科学依据。首先通过层次分析法建立工艺单的评价指标,确定子评价指标的权重;其次,利用数据挖掘方法在企业ERP系统中获取所有指标的数据,并结合模糊综合评价方法对不同版本的铸造工艺单进行自动评分;最后,将该模型应用于某砂型铸造企业,应用效果表明其可以科学地指导铸造企业的工艺改进或换版,并且有效改善和提高铸件质量和企业综合效益。可为基于实际数据的工艺自动评价提供参考。
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    计算机应用
    45#钢管激光熔覆不锈钢粉末的参数研究
    张美美,白培康,刘 斌
    通过改变扫描速度和功率研究在45#钢管表面激光熔覆不锈钢粉末,观察熔覆层的显微组织,测试试样硬度。结果表明,显微硬度从结合区域到熔覆层顶部随扫描速度增加而增加,随功率增加而增加,其整体硬度相对基体提高4倍左右。根据上述分析得出最佳工艺参数:功率为2 100 W,扫描速度12 mm/s,用该参数熔覆45#钢管,试验得出在30%搭接率条件下能够获得硬度显著提高的管材,表明该组参数能够满足激光熔覆45#钢管的应用研究,从而为不锈钢熔覆中碳钢零件提供参考。
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    基于ProCAST的云溪环保砂铸造工艺
    骆祎岚1,夏春礼1,范金辉1,白云峰1,朱世根1,2
    云溪环保砂型相比于传统的煤粉砂型来说,具有环保、无污染的优势,但用云溪环保砂生产铸件时,铸件凝固更快,这必然对铸造工艺提出新的要求。为了探究云溪环保砂的适用性,本文以云溪环保砂为对象,借助有限元铸造模拟软件ProCAST,对铸件周围型砂的温度场以及某轮形件的凝固场和温度场进行数值模拟。在对模拟结果分析的基础上,采用外圆切向引入合金液的方式代替原工艺,使环保砂生产的铸件满足质量要求。
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    试验研究
    机车轮心铸造工艺优化及生产控制
    付海昌1,杨 军2
    针对机车轮心在铸造生产过程中出现大面积砂眼、夹渣,缩松和疏松等缺陷进行分析,找出原铸造工艺设计方面存在的问题。利用Pro-e建模软件和Magma模拟软件进行工艺建模和模拟,根据模拟结果对轮心工艺进行优化设计,经生产验证,采用改进工艺生产的铸件,满足技术要求,效果很好。
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    奥氏体球墨铸铁超低温冲击断裂行为研究
    张新宁1,姜 珂2
    以奥氏体球墨铸铁为研究对象,研究其低温冲击的断裂行为。首先研究奥氏体球墨铸铁在冲击断裂过程中裂纹形成功及裂纹扩展功等各部分能量随温度的变化规律:奥氏体球墨铸铁在20~-196 ℃温度范围内冲击吸收功呈先上升后下降的趋势,裂纹的亚稳扩展能量是决定低温冲击性能的主要因素。其次研究奥氏体球墨铸铁低温延性断裂行为的微观机理,采用SEM断口分析方法系统研究不同温度下奥氏体球墨铸铁延性断裂的裂纹萌生、扩展过程及随温度演变规律。
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    热疲劳上限温度对球墨铸铁抗热疲劳性能的影响
    陈 丹,吴素珍,吴令宪,王朋坤,闫明辉
    研究了热疲劳不同上限温度Tmax(600 ℃、700 ℃、800 ℃)对球墨铸铁的抗热疲劳性能以及组织的影响。随着上限温度升高, 珠光体分解加快,石墨与基体剥离,且基体表面出现凹陷,球铁的抗热疲劳性能下降。上限温度增加对裂纹扩展方式影响不大,主裂纹的扩展总是从人工缺口出发,穿过低强度的铁素体基体,联接沿线石墨或凹陷基体,向试样的另一端扩展。随着热循环次数增加,球铁硬度呈现先上升后下降的趋势,Tmax为800 ℃时,硬度的上升和下降速率显著增大。
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    含Ti铸造双相不锈钢组织与耐腐蚀性能研究
    滕铝丹,曹 静,张 拓,杨弋涛
    运用电化学实验测试含Ti铸造双相不锈钢的耐腐蚀性能,并与不含Ti铸造双相不锈钢进行对比;为了探究Ti的作用,对含Ti铸造双相不锈钢进行金相组织观察以及碳化物定量定性分析,并利用布氏硬度计测定硬度;采用扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)对含Ti铸造双相不锈钢未腐蚀和腐蚀试样表面形貌观察。试验结果表明,含Ti铸造双相不锈钢中碳化物类型主要是Cr23C6和(Ti, Nb)C,Ti能减少铸造双相不锈钢中Cr23C6以及富Cr区形成,提高其耐腐蚀性能;含Ti铸造双相不锈钢中奥氏体为弱相,奥氏体中富Cr区附近以及铁素体和奥氏体相界处是含Ti铸造双相不锈钢腐蚀发生的主要区域。
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    一种镍基合金铸件高温拉伸性能的研究
    冯 微1,赵会彬1,周同金1,2,孟 宇1
    大型铸件的组织均匀性是其具有优良力学性能的根本保证。已有研究中,对直径大于1 000 mm大型铸件不同部位的组织与性能分析较少。本研究以某镍基合金铸件(Ф1 120 mm)为研究对象,对铸件本体不同部位取样做1 100 ℃高温拉伸性能测试,针对裂纹萌生和扩展部位分析断裂原因。结果表明:铸件截面不同部位1 100 ℃高温抗拉强度σb存在一定差别,最高为355 MPa,最低220 MPa。OM、SEM和EDS的分析结果表明:体积分数高达42%的初生M6C碳化物是促使激冷晶区高温抗拉强度下降的主要原因,显微疏松的存在使疏松区发生脆断,冒口端存在大量骨架状的初生硼化物,成为裂纹源。当疏松体积分数低于5%,初生M6C体积分数控制在3%以下时,可保证该合金铸件1 100 ℃高温抗拉强度大于320 MPa。
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    应用技术
    构建面向解决复杂工程问题的铸造卓越工程师培养体系探索
    张建军,魏晓伟,丁士华
    探索了构建解决复杂工程问题的铸造卓越工程师培养体系,建立了虚拟及模拟与现实实践平台。采取“引导与主导”相互配合协调的教学方法,探索以产学研相结合的方式培养铸造卓越工程师解决复杂工程问题的能力,并构建了相应的评价体系。
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    C11下缸体铸造工艺分析及断芯解决措施
    黄 渊,税国红,高 翌
    为生产出高品质的发动机缸体,在分析铸件结构的基础上,对缸体进行砂芯设计,确定浇注方式及熔炼工艺。为解决铸件出现的断芯问题,采用MAMGA软件进行模拟,分析充型速度;采用“8”字试块,检验表干时间和表干温度对砂芯抗拉强度的影响。通过增加阻流截面积,调整砂芯成分,设定表干温度和时间及更改油道芯固定方式解决了断芯问题。
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    地铁转向架关键铸钢件失效分析及质量改进
    陈红圣,徐贵宝,李平平
    从宏观特征、微观组织、理化性能、金相组织等方面,分析了某地铁转向架用关键薄壁铸钢件发生疲劳裂纹的原因。依据失效分析结果,对裂纹部位进行铸造工艺分析,通过铸造工艺、材料及技术要求的优化升级,显著提高了产品内外部质量,大大提高了该铸件的可靠性与使用寿命,确保行车安全。
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    人才培养