面向2030的中国铸造技术
• 苏彦庆 王同敏 曲迎东 李嘉荣 吴国华 陈瑞润...
铸造技术路线图：铸造有色合金
第一节 概 述 铸造有色合金是用以浇注铸件的有色合金，主要有铸造铝合金、铸造镁合金、铸造钛合金、铸造铜合金、铸造高温合金等，近年来又发展出铸造金属间化合物。 铸造有色合金可适用于多种铸造成形技术，在基础制造产业中占有重要地位，在航空、航天、船舶、汽车、轨道交通、化工、能源、电子电器和运动休闲等领域有着广泛的应用。 1. 铸造铝合金 铝的化学性质很活泼，熔炼过程中易与水气反应而氧化并吸氢，导致铝合金铸件易产生气孔和夹杂等缺陷。而精炼处理是预防产生气孔和夹杂的主要技术手段。旋转喷头吹气技术成为国外先进的铝液精炼技术的重要发展方向之一，如超声波场、磁场、电场等，而且通过物理场细化是今后的主要发展趋势。 通过调整传统铝合金中的主要元素含量及各组元的比值，添加微量过渡族元素或稀土元素，从而改变合金中各种化合物的物理性能、尺寸和分布可开发出对应各种不同需要的不同新合金。我国已开展Sc、Ce、Y、Yb等元素用于铝合金的研究，对提高铝合金的强韧性发挥了一定的作用。 在铸造铝合金新材料方面，铸铝的合金化国内开展了很多研究，但应用及产业化成果仍偏少，最大的差距体现在新的合金系研究，如高强韧铝合金的整体研发水平与国外仍有差距。国内在铝精炼方面研究的深度、范围及设备控制水平较国际先进水平仍有待于提高。 2. 铸造镁合金 铸造镁合金具有比强度和比刚度高、震动阻尼容量大，在汽油、煤油和润滑油中性能稳定等特点，广泛用于航空航天、汽车和电子产品等领域。（1）高强耐热铸造镁合金。 高强耐热镁合金是国内外的重点研究方向，通过稀土合金化提高镁合金耐热性能是当前的研究热点，开发的WE54铸造合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到350 MPa、250 MPa和6％。 我国开发了多种高性能稀土镁合金材料，如Mg-Gd-Y-Zr系、Mg-Gd-Y-Zn-Zr系、Mg-Y-RE-Zr系、Mg-Nd-Zn-Zr系等，其中Mg-Gd-Y-Zr系镁合金材料在性能方面已经达到国际先进水平，金属型铸造合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到400 MPa、300 MPa和6％。 在镁合金熔体净化方面，开发了新型非熔剂保护熔炼技术和稀土元素添加工艺，减少了镁合金中的熔剂夹杂物；开发新型镁合金陶瓷过滤技术及相关装置，开发了镁合金吹气净化技术和相关装置，降低了镁合金中的氧化物夹杂和气体含量。（2）超轻铸造镁锂合金。 目前国内关于铸造镁锂合金的相关研究非常缺乏，这与镁锂合金的巨大应用前景是不相符的。已研究了Ag、Cu、Y、Nd以及富Ce稀土等添加对Mg-5Li-3Al-2Zn合金组织性能的影响，发现这些元素能够有效提高铸造镁锂合金的强度，抗拉强度、屈服强度和伸长率最大可分别达到220 MPa、170 MPa和20％。 Mg-Li合金化学性质非常活泼，因此在熔炼过程中必须采用特殊的方法和工艺对Mg-Li合金施加保护。目前研究和生产中常用的保护方法主要有两种：一种是采用常规镁合金熔炼设备和工艺，施加覆盖熔剂保护；另一种是采用真空感应熔炼，采用惰性气体保护，是目前制备Mg-Li合金最适宜的方法。 3. 铸造钛合金 钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性好等特点而被广泛用于各个领域。（1）高温钛合金。 高温钛合金铸件主要用于航空发动机压气机盘和叶片等，使用温度可达600 ℃。与一般钛合金相比，钛铝化合物Ti3Al（α2）和TiAl（γ）为基的合金，最大优点是高温性能好（最高使用温度分别为816 ℃和982 ℃）、抗氧化能力强、抗蠕变性能好和重量轻（密度仅为镍基高温合金的1/2），这些优点使其成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料。 已有两个Ti3Al为基的钛合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-V-0.5Mo在美国开始批量生产。Ti-48Al-2Cr-2Nb合金目前已经应用于波音787机型。而我国自行开发的含Nb钛铝合金也开始得到应用。（2）耐腐蚀钛合金。 随着海军现代化建设步伐的加快，新型号的钛材应用越来越多。 中国研制出具有自己特色的不同强度级别的近α型船用耐蚀钛合金。Ti31合金是500 MPa级的低强高韧耐蚀钛合金，Ti75合金是630 MPa级的中强高韧性耐蚀钛合金，Ti-B19是一种高强耐蚀钛合金，Ti80是一种高强、可焊的α型钛合金。（3）低温钛合金。 钛合金具有足够的低温韧性、更高的比强度、更低的热导率与膨胀系数、无磁性等特点，在航空航天、超导等领域作为一种重要的低温工程材料而备受关注。 我国在低温钛合金的开发方面起步比苏联、美国、日本要晚，早期工作主要集中在对国外低温钛合金的仿制与性能表征等。开发了一种低温钛合金CT77，该低温钛合金的塑-脆转变温度低于77 K，其不但具有优异的冷成形和热成形性能，还具有良好的焊接性能，焊接系数大于0.90。 4. 铸造铜合金 铜合金已经广泛应用到国家建设的各个环节中，伴随着近年来的经济发展，铜合金形成了两个重要的发展方向：高强高导铜合金及海洋工程用铜合金。（1）高强高导铜合金。 高强高导铜合金的一个重要应用是高速铁路列车用接触网线。目前国内企业已经能够规模生产满足300 km/h运行所需的超高强铜合金接触线。也已成功为时速超过350 km高铁制备了高强高导接触导线。时速超过350 km高铁要求的接触导线强度为600 MPa以上，导电率为80％IACS以上，单根盘重2 500 kg。制备铜铬锆合金接触线的难点在于非真空熔炼时Cr、Zr易氧化烧损，而真空熔炼又难以满足大规模生产的需求。（2）船舶螺旋桨用铜合金。 螺旋桨是船舶动力系统的关键部件，世界上最大螺旋桨的成品重量已超过100 t。 大型舰船用螺旋桨制备技术关乎国家核心技术，国外发达国家对这种制备技术相对保密，很难详细获知国外大型船舰用螺旋桨的制备进程。 我国冶金质量精确控制能力不够成熟，一些高品质高性能的铜合金产品仍需进口。目前，我国缺乏良好耐腐蚀性能的铜合金，国内的产品一般耐蚀性较差，如C70600，国内产品的腐蚀速率高达国外同类产品的10倍。尽管我国已经掌握超大型螺旋桨的制备技术，但制备产品的成分精度、腐蚀性能等均有很大的进步空间。 5. 铸造高温合金 高温合金是指能在600 ℃以上的高温环境下抗氧化或耐腐蚀，并能在一定应力作用下长期工作的一类金属材料。涡轮叶片合金由早期的变形高温合金发展到铸造高温合金，铸造高温合金由等轴晶铸造高温合金发展到定向柱状晶高温合金及单晶高温合金，使合金的承温能力提高约400 ℃。 近年来，由于定向凝固柱状晶涡轮叶片制造的整个工艺流程较短、成品率较高和检测费用较低，制造成本比定向凝固单晶叶片低，故定向凝固柱状晶合金也得到了较大发展。国外定向凝固柱状晶合金已由第一代发展到第三代，其性能水平不断提高，其所适用的发动机性能水平（推重比）也在不断提升...
新材料·新工艺
• 戴学忠，邓军伟
硅固溶强化铁素体球墨铸铁在汽车铸件上的应用
常规生产的QT450-10球墨铸铁件，产品力学性能及金相组织检验结果不能满足国外客户技术要求。根据客户材料标准中成分要求，结合本公司熔炼工艺及原材料特点，成功试制出了硅固溶强化铁素体球墨铸铁件，力学性能及金相组织达到客户要求。铸件已批量生产，取得良好的经济效益。
• 苏义祥1，刘世铎2，申 楠2
金属型内衬砂套离心铸造ZQCuCo3CrRE保持架工艺设计
叙述了金属型内衬砂套离心铸造ZQCuCo3CrRE球轴承保持架的工艺设计原则，介绍了金属型内衬砂套工艺过程及其特点，分析了球轴承保持架铸件产生缺陷的要因及预防措施。结果表明，对于单件小批量生产的异型球轴承保持架采用金属型内衬砂套离心铸造工艺，能保证铸件质量，提高生产效率。
• 李 钰，王 晗，张高节，冯丁帅，郝 海...
重力渗流制备正方形孔多孔铝工艺研究
利用ProCAST铸造仿真模拟软件对正方形孔多孔铝重力渗流制备过程进行了数值模拟。运用控制变量法，研究了冒口高度、浇注温度、预热温度、孔径与壁厚的大小关系对正方形孔多孔铝铸造缺陷的影响规律，由此得出重力渗流法制备正方形孔多孔铝的优良工艺，并以此工艺成功制备了正方形孔多孔铝试样，对模拟结果进行实验验证。
• 夏 峰1，梁民宪1，郭永春1，李建平1，颜均衡2，朱海龙1...
微量锆对铸态A356铝合金组织和性能的影响
A356铝合金中添加微量Zr，研究微量Zr对A356铝合金的组织和性能的影响。研究结果表明，添加0.05%～0.25% Zr能显著细化α-Al枝晶组织，且当0.15%～0.25% Zr时其细化效果能达到最佳，并有利于改善共晶硅分布。SEM分析结果表明，添加Zr在组织中形成块状的含Zr的化合物相，且Zr元素主要分布于晶界处。添加Zr有利于提高铝合金的屈服强度、抗拉强度、伸长率和硬度。
• 林雪冬，孙 建，叶京川，张 荣
离心铸造自生颗粒增强Al-22Si-6Mg复合材料气缸套的制备及性能检测
采用离心铸造工艺制备自生硬质颗粒增强Al-22Si-6Mg复合材料筒状铸件，对铝合金缸套进行高压铸造，获得全铝发动机缸体。研究了铸件沿径向方向的微观组织特征，检测了铸件的耐磨性能。对缸体进行台架试验并进行铝合金缸体传热性能的理论计算。结果表明，Al-22Si-6Mg铸件内层偏聚了大量的自生初生Si/Mg2Si颗粒，形成了颗粒增强层，其耐磨性能优于铸铁缸套。经200 h台架强化试验后缸套内壁出现了轻微拉缸现象，表明该铝合金缸套的高温疲劳强度有待提高。热力学计算发现铝合金缸套-缸体的传热性能是铸铁缸套-缸体的2.2倍以上。
计算机应用
• 李 勇，汪 勇，汪瑞东，程善良
下壳体铸件铸造工艺设计
设计浇冒口前，选择几个可行的浇注方案，用MAGMA软件对下壳体铸件(不带冒口、冷铁)进行凝固过程数值模拟。根据模拟结果及质量、成本、操作等因素，确定浇注位置并设计分型方案、补缩系统、浇注系统等。再通过MAGMA软件对铸造工艺进行充型凝固过程模拟验证后，投入生产。经生产验证，铸件的各项检测结果均满足客户要求。
铸造设备
• 姜 聪，姜庆平，姚永茂，黄爱宁
铸球自动化分离分选设备
人工方式对铸球进行分离、清砂、分选等作业，存在效率低、劳动强度大、工作环境污染大等问题。而机械化设备在铸球生产中的应用可大大改善人工分离、分选、清理作业方式中存在的以上问题。实际生产表明：工人劳动强度减轻，生产效率提高4~6倍；车间环境改善，工作地点粉尘浓度由原来300~800 mg/m3降低到50 mg/m3以下，噪音由原来120~150 dB降低到80 dB以下。
质量及管理
• 张瀚青，计效园，周建新，邓蔚林
砂型铸造企业串并联式质量追责追踪模型研究与应用
砂型铸造企业往往缺失或弱化产品缺陷追责、批次追踪等环节，铸件缺陷追责追踪与批次处置环节中常常忽略多重缺陷原因组合分析与处置，从而导致质量追溯困难。针对上述问题，笔者提出了串并联式质量追责追踪模型，该模型将缺陷产品诊断、追责、批次追踪及处置等关键节点进行串联，构成完整的质量追溯链；并从生产、工艺和原材料三个方面对缺陷产品进行并联追责追踪分析，对在制、入库和发货不同状态产品进行并联处置。结合铸造企业管理系统——华铸ERP，将该模型应用于一家典型的中小型砂型铸造企业，解决了企业管理中缺陷铸件批次追踪与处置困难的追溯难题，并强化了铸件缺陷的原因追责，为铸造企业加强质量追溯管理提供了参考。
试验研究
• 张鸣一，高 平，韩剑锋
用NiO直接合金化制备高铬铸铁试验研究
通过以NiO代替Ni进行直接合金化、添加稀土复合变质剂，对中频炉制备高铬铸铁进行了工艺试验。从高铬铸铁化学成分设计，熔炼工艺、NiO及稀土变质剂的加入方法、热处理工艺等方面介绍了工艺优化后高铬铸铁的制备方法。以NiO代替Ni，Ni的收得率达到98.9%。采用该工艺制备的高铬铸铁铸态硬度HRC 58~59，热处理硬度HRC 62.5~63.5。采用该工艺制备的高铬铸铁耐磨性能比高锰钢衬板耐磨性能提高2倍以上，生产成本降低9.1%~10.6%。
• 王春风1，2，梁清延2，高 宏1
改性SiCp在无缸套灰铸铁气缸体材质开发中的应用
无缸套缸体材质无法达到耐磨性的设计要求，不得不在缸孔镶薄壁缸套。通过加入微量改性SiCp强化HT250的刚性、耐磨性，经过摩擦磨损试验，缸孔变形量测试及台架试验等方法验证其效果。结果表明，加入微量改性SiCp后的HT250材质与活塞环配磨的总磨损量为2.66 μm，明显低于普通HT250缸体的3.15 μm，略低于缸套材质的2.71 μm。改性SiCp+HT250材质的无缸套气缸体缸孔变形量满足设计要求，台架测试的关键指标明显优于有缸套的指标。
TG251 A 1001-4977（2017）11-1201-03 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]
• 徐运超，水 丽
Ni对过共晶Al-20Si合金力学性能及摩擦磨损性能的影响
研究在过共晶Al-20Si合金中添加不同质量分数的Ni，并进行复合变质处理和T6热处理，利用金相显微镜观察合金的微观组织形貌，并对合金进行强度和硬度测试。进行干摩擦磨损试验，测量磨损量，研究合金微观组织形貌变化对合金力学性能和摩擦磨损性能的影响。结果表明，随着Ni在合金中的含量增加，合金中的初晶硅形貌圆钝、尺寸减小，共晶硅呈颗粒状；合金的硬度和拉伸强度增加，摩擦系数减小，耐磨性能提高；摩擦磨损机制由磨粒磨损和黏着磨损转变为较轻的磨粒磨损和氧化磨损。
• 周传文1，彭 影1，陶 飞1，邓 攀1，唐 倩1，龚成斌1，...
甲阶酚醛树脂的合成、表征及应用研究
利用NaOH作催化剂，合成了一类低游离酚/醛含量的甲阶酚醛树脂。研究了反应时间及催化剂用量对甲阶酚醛树脂的羟甲基含量、游离醛/酚含量以及粘均分子量影响。结果表明：随着反应时间的延长，树脂的羟甲基和游离酚含量降低，粘均分子量增大；增加催化剂用量会使游离酚和游离醛含量下降，催化剂用量对分子之间的缩聚反应类型有明显的影响。红外光谱结果表明：树脂的结构中含有羟甲基特征吸收峰。合成树脂用作粘结剂制备覆膜砂，并对覆膜砂的强度和性能进行了测试。由该合成树脂所混制的覆膜砂具有优越的使用性能，有望在覆膜砂生产中应用。
• 樊振中1，2，杨守杰1，2，宫玉辉1，2，韩艾京1，2，郝慧...
亚共晶Al-7Si-0.6Mg合金凝固过程变形规律研究
本研究以一维长杆铸件为对象，采用K型热电偶与数据分析软件研究了亚共晶Al-7Si-0.6Mg合金的凝固变形规律。结果表明：固定体积下，随着铸件模数与长宽比的增加，初晶析出温度与二元共晶反应温度随之上升，第一冷却速度、第二冷却速度与整体凝固冷却速度连续下降；受铸件/铸型界面换热影响，起始凝固部位体积收缩产生气隙并沿边线逐渐向心部区域扩展，凝固温差诱发产生的热应力受铸型刚性约束作用，铸件产生挠曲变形，宽度方向凝固尺寸变形量符合Lorentz数学函数分布，且随铸件长宽比降低逐渐下降，高度方向符合Extreme数学函数分布，随铸件长度增加连续上升；凝固总尺寸变形量随着铸件模数、凝固枝晶搭接温度与时间的增加而连续上升，随着凝固冷却速度与二元共晶反应温度的增加而不断降低。
应用技术
• 李晓兵，李玉克，曹二兵
使用废钢合成铸铁生产球墨铸铁管的工艺
主要介绍了采用废钢为主熔炼铁液生产球墨铸铁管的工艺方法。其主要方法是将废钢熔化，在熔炼过程中加增碳剂、硅铁等，将其调质为符合球墨铸铁管生产用的铁液，离心浇注生产球墨铸铁管。使用该工艺浇注的球墨铸铁管各项指标符合标准要求，大幅度降低生产成本。
• 苏思超，贺 美，皮 光
多源超声对大规格铝合金半连续铸锭宏观组织的影响
为了降低大规格铝合金铸锭的偏析，提高铸锭性能，采用多源超声处理铝熔体是可行方法之一。本文采用4套超声振动系统按照矩形布置，进行半连续铸造，对铝锭在不同位置截取的1/4横截面进行宏观组织分析，发现超声波对铝锭低倍组织的影响在不同高度存在差异，不同区域影响的强弱不一致，这为工程应用提供了一定的理论指导。
• 华红芳1，覃进承2
发动机左气室铝合金铸件的结构设计与工艺优化
分析了发动机左气室铝合金铸件的结构特点及技术要求，确定了铸件所采用的金属型重力铸造工艺。通过MAGMA软件对铸件的充型过程及凝固过程进行数值仿真，进行结构与工艺的优化与改进，并通过两次试模进行生产验证，消除缩孔缩松等铸造缺陷，最终生产出合格铸件。
• 王晓莉1，2，王旭明1，2，高 超2，3，牛翰卿2，3，王定...
热处理对耐磨铸钢ZG30Mn2SiCr组织及性能的影响
研究了淬火和回火温度对耐磨铸钢ZG30Mn2SiCr组织和力学性能的影响。结果表明：ZG30Mn2SiCr经860 ℃淬火和250 ℃回火热处理，材料具有最佳综合性能，硬度达到HRC 52、冲击功12 J、抗拉强度1 739 MPa；回火后的组织主要为回火马氏体。使用该材料的农机深松铲使用寿命大幅度提高。
• 陈兴富1，董国卿1，孙建勋1，赵立波1，刘 伟2，裴 伟2，...
离心铸造高镍铬复合轧辊中夹杂物分析
改进型高镍铬复合轧辊缺陷超标，采用光学显微镜、扫描电镜和能谱仪分析了轧辊缺陷。试验结果表明：改进型高镍铬复合轧辊工作层中存在聚集的夹杂物，导致超声波探伤出现大量回波；夹杂物呈球状或椭球状，尺寸为100~300 μm，分布在靠近结合层位置；夹杂物含Al、Ti、Si、Ca、O等元素，为复合型夹杂物，夹杂物外层吸附很多碳化铌。这种夹杂物主要来自原材料，通过严格控制生铁中的杂质元素，可有效减少改进型高镍铬复合轧辊中夹杂物的产生，降低废品率。
• 何春华
高强韧铸态球墨铸铁技术研究及应用
市场对汽车零件材质的强度、伸长率等指标要求越来越高，因此需要不断提升材料性能。通过加入SiC、增碳剂及各种合金元素进行熔炼，获得高质量原铁液，再通过高强度孕育处理获得高强度、高伸长率的铸态球墨铸铁。在发动机曲轴的铸造生产上应用该技术，可以稳定产品质量，减轻劳动强度，降低能耗和生产成本，缩短生产周期。
• 郭华楼1，2，李馨远1，2，白思诺1，2，朱玉龙1，2，王保...
大型水泥辊套裂纹质量控制
大型耐磨水泥辊套在制造过程中，成品率较低，热裂纹突出。对裂纹的形态、组织进行了分析及实验室模拟。裂纹形态有角裂纹、槽底裂纹、结合层裂纹。对裂纹产生的机理进行分析，并对关键参数进行修正。工艺改进后，三种裂纹缺陷率下降90%以上。产品质量得到提升，成本降低。
《铸造》杂志
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