先进铸造技术及其发展趋势

1、 研究生课程考核试卷（适用于课程论文、提交报告）科 目： 先进铸造及焊接技术 教 师： 姓 名： 学 号： 专 业： 车辆工程领域 类 别： 专业 上课时间： 考 生 成 绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语： 阅卷教师 (签名) 先进铸造技术及其发展趋势摘要：铸造行业是制造业的主要组成部分，是先进制造技术的重要内容。先进铸造技术在汽车轻量化方面得到了长足的发展。从铸造合金材料、铸造原辅材料、铸造合金熔炼、砂型铸造、特种铸造、铸件质量保障和铸造信息化等几个方面概括描述了铸造技术的发展趋势。关键词：铸造技术 汽车轻量化 铸造合金 铸造原辅材料 合金熔炼 发展趋势 铸造是涉及材料科学、冶金、化

2、工、机械和电子技术等众多学科的综合性专业，存在的技术问题多而复杂。在70年代，铸造曾被西方国家称为“夕阳工业”，其发展一度停滞不前。但随着高新科技的发展和其对传统产业改造的日益强化，使铸造这一传统产业又焕发出了勃勃生机。在这一过程中，日益重视管理和新技术的不断注入，对铸造生产向优质、低耗、低成本和低污染方向发展，起到了积极地推动作用。铸造是汽车、电力、钢铁、石化、造船、装备制造等支柱产业的基础制造技术，新一代铸造技术也是先进制造技术的重要内容。应该指出以液态铸造成形、固态塑性成形及连接成形等为代表成形制造技术，不仅赋予零件以形状，而且决定了零件的最终组织、结构与性能。我国有着悠久而又灿烂的铸造

3、历史。三千多年前我们祖先铸造的铜器至今仍然令全世界惊叹不已。夏、商、周是人类青铜文化史上最为光辉灿烂的时代，中国在这一时期铸造出了大量著名的青铜器铸件。著名的有河南安阳殷墟出土的司母戊大方鼎。该鼎造型雄伟，通高1. 33米，长1. 16米，宽0. 76米，重达875千克。采用的铸造工艺为泥范铸造，整体浇注，司母戊鼎是已发现的中国古代形体最大、重量最重的青铜器，反映出商代青铜冶铸业具有极高水平。2002年，美国麻省理工学院Flemings教授来中国讲学时，专门以中国古代青铜器为例，赞誉中国人民的聪明才智。 图1司母戊鼎 图2精美的青铜器铸件 (河南安阳殷墟出土) (引自M. Flemings教授

4、讲学时教材) 面对全球，信息、技术高速发展，机械制造业尤其是装备制造业的现代化水平高速提升，中国铸造业当清醒认识白己的历史重任和与发达国家的现实差距，大胆利用现代科学技术及管理的最新成果，认清“只有实现高新技术化才能跟上时代步伐”的道理，把握现代铸造技术的发展趋势，采用先进适用技术，实施可持续发展战略，立足现实又高瞻远瞩，以振兴和发展中国铸造业的累累硕果来奠定中国现代工业文明进程的坚实基础。1铸造工艺的研究进展近年来由于人们对环境问题日益关切，汽车轻量化问题越来越得到人们的重视，因为根据研究表明如果减少车重10%，则燃油经济性将提高8%。因此新的铸造工艺在汽车轻量化方面得到的长足的发展。压力铸

5、造是用于铸造镁合金的最常规工艺，因为该工艺在设计和制造方面有许多灵活性。镁合金和铝合金优异的充型性使其能够经济地用于生产大型、薄壁和复杂铸件，代替由许多冲压件和加强筋焊接组合的钢制子系统。第一个工业化生产的雪佛兰Corvette Z06车整体压铸镁支架仅重10.5 kg，比被代替的铝支架减重35%，如图3所示。对于大、小压铸件，先进的充型和凝固模拟在指导设计和工艺控制方面己经被证明是非常有用的。 图3用于压铸的先进模拟 （用于Corvette Z06的Mg支架）尽管生产率高，但轻金属常规压力铸造的最大缺点是疏松，因为液体金属高速注入压铸型过程中，金属液卷入的气体留在铸件中导致疏松。对于薄壁（&

6、lt;2.5 mm）铸件，疏松问题并不严重，因为铸件的力学性能主要取决于晶粒细小且无孔洞的铸件表面层。当用于车底盘和车体时，为满足刚性和/或耐久性，要求工件的壁比较厚，疏松对力学性能 （特别是耐久性和疲劳强度）的影响更严重。下面几种工艺能生产很少疏松的铸件，但常常成本高，或生产率低。1.1 真空压铸真空压铸是一种新工艺，这种工艺恰好是在压射之前，能降低压射室和铸型型腔的压力，没有空气裹夹在铸件中，能够制造出显著改进性能的相当大的薄壁铸件。当前用这种工艺生产的目标铸件是需要气密性和通过热处理获得良好力学性能的铸件。真空压铸拓宽了常规压铸的能力，同时保持了其经济性的益处。北美的铝合金真空压铸已经非

7、常流行，20%以上的铸造企业具有真空压铸能力。1.2 真空辅助压铸当铝真空压铸广泛应用的时候，北美仅有一个公司Gibbs Die Casting（在肯塔基州），使用真空立式压铸法压铸镁件。简单的真空系统，例如Fondarex的真空阀和泵，能够用于真空辅助压铸工艺，并且足够减少镁压铸件气孔率。常规压铸件不热处理，因为加热到固溶温度，铸件疏松内残存的气体膨胀，会形成气泡。真空辅助压铸大量减少气孔，压铸件允许进行热处理而不产生气泡。图4给出了常规压铸和真空辅助压铸的两个铸件经T4固溶处理后的表面。常规压铸件热处理后表面便面有大量气泡，而真空辅助压铸件看不到气泡。 （a） 常规压铸 （b） 真空辅助压

8、铸1.3 低压铸造低压铸造工艺的显著优点是能够生产高强度和高结构效率的大型薄壁铸件。一个好的对比实例是凯迪拉克CTS的空心铸件/挤压件焊接制成的支架，见图5，这个支架在基本负荷通道上，其刚性、耐久性和撞击功都是该车控制的关键。这个支架是工业界第一个由一个大的空心铸件和若干挤压焊接组成的支架，达到减重10 kg（约35%），比当前生产的钢支架缩减了40个组件。其中一个铝铸件合并了32个冲压钢件，并减重9.5 kg（约40%）。制造这个大型空心铸件（见图5a）的关键是真空无冒口铸造/压力无冒口铸造（VRC/PRC）工艺及精密砂芯的使用。铸件厚度的限制受凝固过程中砂芯的移动控制，砂芯移动会导致芯周围

9、壁厚不均。设计提出的这个空心铸件名义壁厚4 mm，而铸造业公认的最小壁厚是5 mm。使用了高强度芯粘结剂，改进了设计和砂芯定位技术，生产出的支架铸件壁厚达到4 mm，使零件进一步减重1 kg，并且更容易焊接（4 mm 厚铸件对2.5 mm厚挤压件）。在这个零件生产中，必须改进铸件设计，使其有允许的可铸性，适应两腔操作的铸造机，每个循环时间少于4 min，同时生产两个铸件。特别使用了大量薄的筋条来改善大型空心铸件上型型腔的充型，并且在近焊接区提供应力释放。为了矫正任何变形，在固溶处理后和时效之前加了变形矫正工序，时效之后铸件强化，使矫形操作更困难。 图5 空心铝铸件（a）和克莱斯勒CTS车的焊接

10、发动机支架（b）1.4包覆铸造与焊接的钢冲压件相比，镁压铸件提供显著的减重，并可以把多件合并成一个整体件。图6所示为别克君悦（LaCrosse） 车型的6.9 kg重的压铸镁仪表板梁，与传统的钢板设计比，减重40%，并且有显著的零件合并。 图6别克君悦（LaCrosse） 车型的压铸镁仪表板梁然而镁在仪表板梁上使用面临激烈竞争，仪表板的设计使用铝或钢管比镁压铸件稍微重一些，但成本明显低。为了将来仪表板的开发，探索了使用镁包覆铸造技术的管状设计。图7给出包覆铸造仪表板梁的一个实例，图7a是梁的包覆铸造局部，图7b是完整梁设计，图7c是铸造模拟，图7d是铸型布置，这里的管（钢、铝或镁制的）可以在镁

11、或铝液包覆铸造到管上之前置入铸型。这种混合仪表板设计提供了多种材料设计的适应性、重量效益、结构集成及减少连接和组装。开发了模拟工具，用来预测不同组分界面相互作用 （图7c），以及包覆铸造系统的结构完整性，并且已经被铸造试验所证实。包覆铸造技术能够用于其他许多结构和非结构用途，以改进设计适应性、减重和制造效率。图7 镁包覆到钢管上的轻质仪表板梁2我国铸造技术发展趋势2.1，铸造合金材料 以强韧化、轻量化、精密化、高效化为目标，开发铸铁新材料;重点研制奥贝球墨铸铁(ADI)热处理设备，尽快制定国家标准，推广奥贝球墨铸铁新技术(如中断热落砂法、中断正火法等);开发薄壁高强度灰铸铁件制造技术、铸铁复合

12、材料制造技术(如原位增强颗粒铁基复合材料制备技术等)、铸铁件表面或局部强化技术(如表面激光强化技术等)。研制耐磨、耐蚀、耐热特种合金新材料;开发铸造合金钢新品种(如含氮不锈钢等性能价格比高的铸钢材料)，提高材质性能、利用率、降低成本、缩短生产周期。开发优质铝合金材料，特别是铝基复合材料。研究铝合金中合金化元素的作用原理及铝合金强化途径。研究降低合金中Fe、Si, Zn含量，提高合金强韧性的方法及合金热处理强化的途径。 研究力学性能更好的锌合金成分、变质处理和热处理技术;开发镁合金、高锌铝合金及黑色金属等新型压铸合金。开发铸造复合新材料，如金属基复合材料、母材基体材料和增强强化组分材料;加强颗粒

13、、短纤维、晶须非连续增强金属基复合材料、原位铸造金属基复合材料研究;开发金属基复合材料后续加工技术;开发降低生产成本、材料再利用和减少环境污染的技术;拓展铸造钛合金应用领域、降低铸件成本。开展铸造合金成分的计算机优化设计，重点模拟设计性能优异的铸造合金，实现成分、组织与性能的最佳匹配。2. 2铸造原辅材料 建立新的与高密度粘土型砂相适应的原辅材料体系，根据不同合金、铸件特点、生产环境、开发不同品种的原砂、少无污染的优质壳芯砂，抓紧我国原砂资源的调研与开发，开展取代特种砂的研究和开发人造铸造用砂;将湿型砂粘结剂发展重点放在新型煤粉及取代煤粉的附加物开发上。加强对水玻璃砂吸湿性、溃散性研究，尤其是

14、应大力开发旧砂回用新技术，尽最大可能再生回用铸造旧砂，以降低生产成本、减少污染、节约资源消耗。 建立与近无余量精确成形技术相适应的新涂料系列大力开发有机和无机系列非占位涂料，用于精确成形铸造生产。对单件小批量生产精密铸件用的金属型、热芯盒及模具等开发白硬转移涂料，对精密砂芯开发微波硬化的转移涂料，为提高汽车缸体缸盖重要铸件内腔尺寸精度和表面质量，解决铸钢件壳型铸造中粘砂、表面粗糙等问题，推广非占位涂料或高渗透、薄层涂料技术与覆模砂技术的结合应用。大力开发满足树脂砂机械化流水线生产优质钢铁铸件用的流涂、浸涂涂料和设备，开发能控制冷却速度、提高轻合金质量、减少脱模(芯)阻力、提高生产效率的金属型系

15、列涂料，开发能阻隔树脂砂型(芯)中有害气体侵入铸件抑制气孔裂纹等缺陷的烧结屏蔽型涂料(如防渗碳、渗硫涂料)，开发适应于粘土型砂的湿型喷涂涂料。强涂料性能及其胶体化学、流变学的基础研究，开展涂层微波、远红外等干燥硬化工艺的研究，开发并制定涂料用原材料及性能的检测方法(包括测试仪器)和标准，建立其信息数据库。在铸造生铁质量改善和采用脱硫技术的前提下，改进球化剂配方，降低镁、稀土含量、提高球化效果;开发特种合金用球化剂及特种工艺用球化剂。增加孕育剂品种，开发针对性强的孕育剂，提高孕育剂粒度的均匀性。2. 3合金熔炼发展5t/ h以上大型冲天炉并根据需要采用外热送风、水冷无炉衬连续作业冲天炉;推行冲天

16、炉感应炉双联熔炼工艺;广泛采用先进的铁液脱硫、过滤技术(开发烧结温度低、烧结时问短的新型低成本泡沫陶瓷过滤器、适用于各种活性合金、高温物化性能稳定的新型泡沫陶瓷过滤器、适用于熔模铸造、金属型铸造等特种铸造工艺的异形泡沫陶瓷过滤器、深入研究泡沫陶瓷过滤器的过滤净化机制和对金属凝固过程的影响机制、系统研究泡沫陶瓷过滤器的应用技术，包括孔径和厚度的选择、安放方式和浇注系统的设计、浇注温度和速度及金属液压头的控制等、开展泡沫陶瓷过滤器的系列化和标准化工作)、配备直读光谱仪、碳当量快速测定仪、定量金相分析仪及球化率检测仪，应用微机技术于铸铁熔体热分析等。推广冲天炉除湿送风技术，冲天炉废气利用，消除对环境

17、的污染，提高铁液质量。 铝合金铸件生产中，着重解决无污染、高效、操作简便的精炼技术、变质技术、晶粒细化技术和炉前快速检测技术，针对不同牌号、不同用途的合金，采用计算机数值模拟技术研究固溶、时效处理工艺参数的优化，以发挥材料潜能、提高材料性能。引进和消化RID, FI等先进精炼技术，提高铝合金熔炼水平。深入研究镁合金熔炼工艺，加强镁合金熔炼用无污染高效溶剂的系列化商品化开发，强化高纯铸造镁合金材料、铸稀土耐热铸造镁合金材料及镁基复合材料的铸造、回收、重熔技术的开发，进一步加强镁合金压铸、挤压铸造技术的研究和开发，以适应我国汽车业快速发展的需求。完善钛合金熔炼设备、解决铸型材料现存问题，开展真空下

18、铸型加热方式及铸型预热温度对铸件质量影响的研究、真空熔炼下合金元素挥发行为及对合金成分影响的研究、杂质元素对钛铸件质量影响的研究、不同合金不同条件下熔铸工艺参数的优化研究、钛合金熔模铸造材料和工艺的研究、热等静压及铸件焊补工艺的研究。2. 4砂型铸造大力改善铸件内在、外部质量(如尺寸精度与表面粗糙度)、减少加工余量，进一步推广应用气冲、高压、射压和挤压造型等高度机械化、自动化、高密度湿砂型造型工艺是今后中小型铸件生产的主要发展方向。采用纳米技术改性膨润土，或采用在膨润土中加助粘结剂技术来提高膨润土质量，是推广应用湿型砂造型工艺的关键。 开发三乙胺冷芯盒法抗湿性及抗铸件脉纹技术，以节约粘结剂、减

19、少污染、减少铸件缺陷、降低生产成本。改进和提高垂直分型无箱射压造型机和空气冲击造型机的性能、控制系统的功能，同时对造型线辅机应按通用化、系列化原则进行开发，提高配套水平。 抓紧开发适合于形状复杂模样造型或多品种批量生产所需要的个性化、实用型气流压实造型机。提高砂处理设备的质量、技术含量、技术水平和配套能力，尽快填补包括旧砂冷却装置和适于运送旧砂的斗式提升机在内的技术空白，努力提高砂处理系统的设计水平。 研制多样化、使用效果好、寿命长的树脂白硬砂成套设备，增加品种提高性能。着重开发冷芯盒射芯机系列产品及芯砂混制和送砂设备。开发精确成形技术和近精确成形技术，大力发展可视化铸造技术，推动铸造过程数值

20、模拟技术CAE向集成、虚拟、智能、实用化发展;基于特征化造型的铸造CA D系统将是铸造企业实现现代化生产工艺设计的基础和前提，新一代铸造CA D系统应是一个集模拟分析、专家系统、人工智能于一体的集成化系统。采用模块化体系和统一数据结构，且与CAM/CAPP/ ERP/ RPM等无缝集成;促使铸造工装的现代化水平进一步提高，全面展开CAD/ CAM/ CAE/RPM、反求工程、并行工程、远程设计与制造、计算机检测与控制系统的集成化、智能化与在线运行，催发传统铸造业的革命性进步。2. 5特种铸造 开发熔模铸造模具、模料新技术，用硅溶胶或硅酸乙酷做粘结剂造型;采用精密、大型、薄壁熔模铸件成形技术;采

21、用快速成形技术替代传统蜡模成形技术，简化工艺，缩短生产周期;研制适合我国的压蜡设备、制壳机械手、燃油型壳焙烧炉;开发优质型壳粘结剂，增加可铸合金种类、扩大工艺适用面。深入研究压铸充型、凝固规律，开发新型压铸设备及控制系统，改善液面加压系统性能以满足工艺要求;开展半固态合金压铸及新型压铸涂料研究;开发新压铸技术及金属基复合材料、镁合金、高铝锌基合金等压铸新合金材料;采用快速原型制造技术制作压铸模。开发能与工艺密切结合可满足各种工艺参数要求的低压铸造设备;推行低压铸造模具CA D、合金液填充和凝固过程模拟，使模具满足充填铸型时平稳流动、顺序凝固、及时、充分补缩的要求;开发高度自动化的低压铸造机和高

22、可靠性零部件;开发复杂、薄壁、致密压铸件生产技术，推动低压铸造向差压铸造的发展。 改进挤压铸造技术，扩大应用范围(如陶瓷纤维增强和反应合成金属基复合材料);抓紧进行水平挤压铸造、半固态挤压铸造技术的研究，加强与塑料、化工行业的协作，开发模样新材料，如研制低密度、尺寸稳定的高发泡率EPS珠粒，创建先进、实用的模具CAD/ CAM系统及快速制造技术;开发高效震实台，搞清干砂紧实特性;开发EPC工艺与其他铸造工艺复合的新技术;研究由EPC工艺引发的环境问题及对策，如EPC车间废气有效净化装置和方法;研究铝铸件疏松渗漏、铸钢件增碳增氢、铸铁件出现皱皮等缺陷的机理和消除办法;开发高效高精度制模机、粘合机

23、并实现其国产化系列化;扩大非占位涂料的应用，发展表面合金化涂料、控制凝固涂料、孕育涂料、屏蔽涂料、消失模涂料、离心铸管涂料、激冷涂料等功能涂料。进行涂料性能检测仪的开发;推动涂料的标准化、商品化。发展金属半固态连续铸造技术;推广树脂砂、金属型及覆砂金属型等高精度、近无切削的高效铸造技术;推广无铸型电磁铸造技术;开展喷铸技术的研究和应用。充分借鉴冶金界电渣技术的研究成果，着重解决电渣熔铸工艺的技术难点，如电渣熔铸大型异形复杂铸件的结晶器设计、渣料配制及工装技术等。2. 6质量保障改进、完善现有较成熟、实用的各类铸造仪器、设备，努力实现多功能、集成化、自动化、智能化对铸造生产各环节进行分散在线测控

24、。采用微机和CAD专家系统模块将相关环节的自动化测控仪器设备联机，配以执行机构，实现各环节闭环自动控制。将各环节智能测控系统与工厂管理中心计算机系统相联，组成工厂智能化闭环自控系统，实现生产质量预测与控制。将工厂自控系统通过高速信息通道与行业信息网络、专家系统相联，实现远程“会诊”与控制。研究市场经济条件下，铸件产品质量的概念、含义、指标评价体系及具体量值;研究铸造企业质量体系特点、结构、质量手册编写方法、体系要素支撑标准的构成及建立、贯彻的方法;为适应全球经贸一体化的趋势，加快推行、主动申请质量(IS09000) ,安全、环境(IS014000)等第三方认证制度，加快采用国际标准的步伐，以取

25、得参与市场竞争的权利。扎实深入到企业(团体)业务实践的细节，策划有效的解决方案，使管理体系真实调整到提高产品(服务)质量、防止浪费，提高效率，满足顾客要求的基准目标上来。配合并适应先进制造技术的发展，抓紧制定先进铸造技术标准，积极采用先进制造技术标准。要以法律、法规、标准为依据，建立质量保证及环境管理体系。2.7信息化开发既分散又集成、形式多样的适用于铸造生产各方面(如设计、制造、诊断、监督、规划、预测、解释及教学等)需要的计算机专家系统。并在生产使用中不断完善，向多功能、高效率、实用化目标发展，使之与铸造CAD/ CAPP/ CAE/ CAM集成;推进在线专家系统控制的前沿性研究。重点开展能涵盖铸造企业所有行为(包括企业市场营销、物料进出、生产组织与协调、行政管理、与外界信息交流等)的集成化铸造信息处理系统研究开发和应用，用现代先进技术迅速改造传统铸造业;开发适应中国国情的铸造行业制造资源计划系统，并进一步向企业资源计划发展。推行计算机集成制造系统，借助计算机网络、数据库集成各环节产生的数据，综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、系统工程技术，将铸造生产全过程中有关人、技术、设备与经营管理要素及信息流、物质流有机集成，实现铸造行业整体优化，解决参