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面向2030的中國鑄造技術 
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面向2030的中國鑄造技術 ZL114A支架凝固成形曲面結構控制工藝研究 ? 樊振中1，2，齊向軍3，施曉雪3，李 娜3，李 仁3，王勝強1，2 應用于某型號航天衛星的ZL114A支架鑄件選用開放式澆注系統，結合不同鑄型材料與結構設計，在低壓充型下實現了自下而上與自內向外的順序凝固，鑄型溫度呈現出先上升后下降的變化趨勢。聚乙二醇65 ℃下淬火可有效縮短薄膜傳熱時間，提高淬火冷卻速度且降低淬火熱處理變形，T6熱處理后在-120 ℃液氮下保溫2 h后，本體剖切試樣平均抗拉強度、屈服強度、伸長率與布氏硬度分別為336 MPa、281 MPa、5.8%與87.5。初生α-Al基體鑄態晶粒尺寸約為86 μm，鑄態沿晶界分布的初生與共晶Si相呈現為板片狀與短棒狀，經T6熱處理后，Si相形貌轉變為球狀，斷裂機制由沿晶斷裂轉變為韌窩斷裂。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 鑄造技術路線圖：反重力鑄造 ? 馮志軍李宇飛 王 偉 石 飛 吳 江 阮 明 第一節 概 述 反重力鑄造（Counter-gravity casting，簡稱CGC）一般指液態金屬在與重力相反方向力的作用下完成充型、補縮和凝固過程的鑄造方法，是20世紀初發展起來的一種鑄造成形工藝。起初主要是低壓鑄造，之后隨著工藝的進一步發展，形成了差壓鑄造、調壓鑄造、真空吸鑄等多種工藝形式。反重力鑄造工藝適用性廣，可用于鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金、高溫合金等多種合金材料，鑄件重量由幾十克到幾噸，鑄型可使用砂型、金屬型、熔模殼型、石膏型及石墨型等。 經過多年的研究，我國反重力鑄造技術取得了眾多研究成果。在民用領域，低壓鑄造是國內應用最為廣泛的反重力鑄造技術，工藝趨于穩定和成熟。其中，汽車輪轂、高壓開關大型殼體、醫療設備結構鑄件等一系列民用鋁合金鑄件技術水平已接近國外先進水平。在軍用領域，國內反重力鑄造技術主要以低壓鑄造為主，對于具有特殊要求的鑄件采用差壓鑄造或調壓鑄造技術。在低壓鑄造工藝方面，已成功開發出一批接近國際先進水平的鑄件，如可達到美軍標要求的導彈艙體鑄件、總體長度達到4 m的變截面薄壁復雜油箱鑄件、軍用航空發動機機匣鑄件等。在差壓鑄造工藝方面，國內主要研制一些大型、厚壁鑄件。但由于差壓鑄造設備昂貴，工藝技術復雜，生產成本高，因此，應用受到限制。在調壓鑄造工藝方面，近20年來，我國一些高校及科研院所針對大型薄壁鑄件或壁厚差大的鑄件展開了大量應用研究，目前在石膏型、殼型、砂型鋁合金鑄件方面均有應用報道。真空吸鑄主要用于小型高端優質鑄件的生產，如汽車增壓器葉輪、機載電氣控制箱等。在反重力鑄造裝備方面，我國目前已開發出容量3 t的大型鋁合金砂型低壓鑄造機，可以單次澆注鋁合金鑄件重量2.5 t以上，液面控制精度達到國際先進水平。此外，鎂合金保護氣體反重力鑄造以及集低壓、差壓和調壓于一體的多功能反重力鑄造裝備也頗具特色。 高溫合金、鈦合金、銅合金等高溫金屬材料的反重力鑄造技術與裝備及反重力與離心、反重力與擠壓、反重力澆注翻轉凝固、反重力液面懸浮充型重力補縮等創新形式的反重力鑄造技術及滿足大批量生產方式的高質量金屬液制備和傳送模式、模具高效冷卻及控制技術、液面位置自動檢測系統等反重力鑄造輔助技術與主機技術的同步研究將得到重視。自動化、智能化、高效節能的反重力鑄造技術和裝備是我國今后的發展趨勢。 國外反重力鑄造技術具有更多創新性和成套性特征。如英國公司開發的Cosworth工藝，它是一種精確樹脂自硬砂的組芯造型，在可控氣氛、壓力下充型的鑄造工藝，利用該工藝西方發達國家開發出汽車發動機缸體、缸蓋、排氣管等多種精密鑄件產品[1]。另外，Aloca公司開發了一種真空無冒口鑄造/壓力無冒口鑄造（VRC/PRC）工藝。實現了“自頂向下”的定向凝固順序，獲得批量接近零縮孔的鑄件，并縮短循環周期。此外，保加利亞開發了一模多件的差壓鑄造技術，并成功用于汽車轉向節批量生產；德國庫茲開發出具有先進模具冷卻及金屬輸送、分配技術的高精度、高效率汽車轉向節低壓鑄造裝備，產品性能達到差壓鑄造水平，而前者更具成本和效率優勢[2]。在軍工領域，美國HICHCOCK公司開發出反重力冷硬樹脂砂精密鑄造技術，利用該技術可生產出整體壁厚2 mm的薄壁復雜鋁合金鑄件，如導彈薄壁殼體鑄件、油箱類鑄件、軍用航空發動機機匣鑄件、戰斗機結構鑄件等，替代傳統的機加、鉚接工藝。 除鋁、鎂等低熔點合金外，高溫合金、鈦合金等高熔點易氧化合金材料的多種反重力鑄造技術已經在部分軍工企業得到成功應用。另外，銅合金小型五金鑄件反重力鑄造已得到大批量成熟應用。上述技術國內還近乎空白。 當前，工業發達國家正在開展工業智能化、信息化革命，國外反重力鑄造技術未來的發展趨勢將向著主輔機高度配套及高可靠性方向發展，新形式及復合模式的反重力鑄造技術將會不斷涌現，而生產過程的智能化、信息化是總的發展趨勢。 近年來，國內反重力鑄造技術取得了長足的進步，在大型和多功能反重力鑄造技術與裝備方面具有優勢和特色。但與國外相比，尚存在較大差距，主要表現在：（1）在差壓鑄造、調壓鑄造、真空吸鑄等特種反重力鑄造技術方面開展的研究尚不夠充分，特別是在應用技術研究方面較為落后，缺乏工藝適應性選擇的支撐數據和國際先進水平典型產品批量生產的應用示例。（2）以復雜缸體為代表的“組芯”反重力鑄造技術缺乏，對于部分采用反重力鑄造成形的鑄件產品質量、技術指標和生產效率，無法達到如國外開發的Cosworth工藝大批量生產的水平。（3）滿足汽車高要求結構件（如轉向節、副車架等）的金屬型反重力鑄造技術和裝備缺乏，該類產品生產裝備和模具主要還依靠進口。（4）高溫合金、鈦合金、銅合金等高溫或易氧化合金材料的反重力鑄造裝備和技術研究較少，滿足不了市場需求。（5）反重力與離心、反重力與擠壓、反重力澆注翻轉凝固、反重力液面懸浮充型重力補縮等創新形式的反重力鑄造技術的研究不夠深入，反重力鑄造技術與國外相比不夠系統和完善。（6）滿足大批量生產方式的高質量金屬液制備和傳送模式、模具高效冷卻及控制技術、液面位置自動檢測及補償控制系統等反重力鑄造輔助技術與主機技術的同步研究較少，高效節能的自動化及智能化反重力鑄造技術和裝備缺乏。 形成國內外反重力鑄造技術差距的主要原因是由于國內的反重力鑄造技術研究力量分散，工藝、機械、液壓、電氣控制協同不暢，成套技術薄弱，結果造成裝備技術研究與工藝技術研究脫節，主機制造與輔機配套脫節，針對特殊要求的產品，成套解決方案創新能力不足。 為了解決國內反重力鑄造工藝缺乏應用技術系統研究和應用不足的問題，可以采用如下解決措施：首先，組織國內反重力鑄造工藝、機械、液壓、電氣控制、產品應用等方面具有優勢的研究和生產單位組成聯合體，針對國內反重力鑄造技術、裝備及應用存在的問題，借鑒國外先進的反重力鑄造技術，采用效仿、研究、再開發的思路，盡快縮小與國外發達國家的差距。其次，開展特種反重力鑄造技術系統研究工作，通過不同類型鑄件的開發，積累相關工藝經驗，并總結出工藝的特殊性和規律性，形成具有自己特色的特種反重力鑄造工藝應用技術體系，擴大工藝的應用范圍， 從工藝技術上提高鑄件的質量。最后，進一步提升國內反重力鑄造設備的可靠性、主輔機及模具配套和自動化、智能化能力，達到高效、低耗和高性能目標。第二節 關鍵技術 一、高質量薄壁復雜鋁、鎂合金鑄件反重力鑄造技術 1. 現狀 高質量復雜薄壁鋁、鎂合金鑄件是典型的高質量要求特殊鑄件，如航空發動機機匣類鑄件、飛機艙門類鑄件等。由于具有薄壁（整體壁厚最小達到2 mm）、復雜（具有多個空腔、曲面、凸臺等結構）等特點，對于鑄件的完整充型和內部質量控制提出了較高的要求。此外，該類鑄件不斷向集成化和大型化方向發展，對鑄造技術提出前所未有的挑戰。國外針對該薄壁復雜鑄件的特點，開展了較為系統的研究工作，先后開發出了多種反重力成形技術，從最初的低壓鑄造工藝開始，隨著鑄件壁厚越薄、結構越復雜、技術指標要求越高，逐漸增加了真空吸鑄、調壓鑄造等特種反重力鑄造技術。目前，國外利用反重力鑄造技術可實現整體最小壁厚2 mm鋁合金鑄件以及整體最小壁厚4 mm的鎂合金鑄件的完整成形，且鑄件內部質量均可達到相關標準Ⅰ類鑄件要求，并形成了穩定的批量生產能力。 在國內相關型號需求的牽引之下，我國利用低壓鑄造工藝對薄壁復雜鑄件也開展了相關開發工作，取得了一定的成果，解決了部分鑄件產品“有無”問題，滿足了相關型號配套的急需。但是，國內只是針對具體型號鑄件進行了開發工作，研究工作零散，只是解決了有無問題，尚未形成共性鑄造工藝技術，導致鑄件經常出現欠鑄、嗆火、縮孔、縮松等缺陷，質量不穩定、合格率偏低，無法滿足高端裝備制造業，特別是航空裝備制造業對其配套鑄件高穩定性和可靠性的要求。另外，國內在該類鑄件成形工藝上較為單一，尚未形成國外多種工藝形式并存的局面。 2. 挑戰 國內以低壓鑄造工藝為主要手段的成形技術已近于充型和凝固控制的極限，無法完全滿足更大尺寸和技術指標需求，需選擇真空吸鑄、差壓鑄造或調壓鑄造等特種反重力鑄造技術進行提高，當前面臨的挑戰是：（1）現有低壓鑄造工藝質量提升。需結合鑄件特點對現有低壓鑄造工藝進一步開展系統的研究工作，在薄壁鑄件充型及凝固規律研究、鑄造工藝設計、鑄造工藝參數選擇、所用造型材料等方面開展研究，并找出影響質量的主要因素，制定控制方案，提升質量穩定性，滿足鑄件批量生產的需要。（2）特種反重力鑄造工藝充型及缺陷控制。合金液充型及凝固規律與常壓環境下有一定的區別，通過開展不同種類合金液在不同工作壓力環境下的流動特性、凝固補縮特性，工藝參數對內部質量影響規律以及不同鑄型種類成形特點等系統的研究工作，為鑄件鑄造工藝的設計，以及相關工藝參數的選擇提供支撐。（3）特種反重力鑄造成形裝備的液面加壓精確實時控制。對于成形裝備的液面加壓精確實時控制就顯得尤為重要，特備是裝備的響應速度，如響應速度較慢，將無法實現預定的工藝過程，導致鑄件無法按預定的工藝過程充型及凝固，從而降低鑄件的質量，甚至導致鑄件報廢。特種反重力鑄造成形裝備的液面加壓實時精確控制技術主要包括控制策略、算法、氣路布局、氣路執行機構（電磁閥和調節閥的優選）、傳感器及控制器界面設計等。（4）特種反重力鑄造技術工程化應用。需在基礎工藝研究的基礎上，針對不同種類鑄件的特點開展應用技術研究，并在研究過程中對工藝技術和成形裝備進行進一步優化改進，使之滿足工程化應用的要求，實現特種反重力鑄造技術的大規模工程化應用。 3. 目標（1）預計到2020年，要達到的目標：現有低壓鑄造工藝質量穩定性得到較大提升，生產的鑄件產品質量穩定性可滿足大批量生產要求，在鑄造工藝設計、工藝參數選擇、所用造型材料等方面形成一批成熟穩定的工藝技術。（2）預計到2030年，要達到的目標：以真空吸鑄、差壓鑄造及調壓鑄造為代表的特種反重力鑄造技術的工藝穩定，可實現高難度高質量大型薄壁復雜鑄件的規?；_發及生產。具備工程化應用要求的特種反重力鑄造成形裝備得到廣泛應用。 二、高效率反重力鑄造技術 1. 現狀 由于反重力鑄造工藝自身的技術優點，該工藝已被大量應用于高質量要求鑄件的生產，如何提高該工藝的生產效率，形成高效率反重力鑄造技術，已成為工業發達國家開展反重力鑄造技術研究的熱點。為此，工業發達國家開展了系統的研究工作，無論是砂型鑄造，還是金屬型鑄造，均實現了反重力鑄造技術的高效率應用。特別是在汽車制造領域，利用反重力鑄造技術已實現了汽車發動機缸體、缸蓋、輪轂、汽車底盤等鋁合金鑄件的大批量生產，在生產效率方面可以完全滿足汽車工業所要求的大批量、高效率的要求。 國內在高效率反重力鑄造技術開發方面尚處于起步階段，只是在汽車鋁合金輪轂鑄件等少數鑄件上實現了反重力鑄造技術的高效率生產應用。為提高差壓鑄造生產效率，國內也開始推出不同類型的自動化差壓鑄造設備。如為上罐配備了可以自動升降與平移的機構，使設備的自動化程度得到很大程度的提高。同時，為了解決金屬型差壓鑄造機只能水平分型的局限，有學者提出可以實現上下、前后、左右開模的金屬型差壓鑄造機，同時，借助非金屬型差壓鑄造機的結構設計理念，可以進一步提高這類設備的同步工作壓力，為進一步提高鑄件質量提供硬件保障[3]。 2. 挑戰 目前，國內高效率反重力鑄造技術急需解決主要技術難題如下：（1）高品質、高效率、大容量合金制備及傳輸。在熔體處理技術方面，集精煉、變質、細化為一體的新型高效率熔體處理技術將是未來大容量熔體處理的技術發展方向。另外，為了進一步縮短合金液的制備時間，也需開發出快速熔煉設備，以滿足大噸位合金錠的熔煉需要。最后，如何在合金液運輸過程中，保證合金液的品質不發生變化，也需開發出合金液傳輸設備及配套工藝，滿足批量生產過程中，大批量合金液傳輸的需要。（2）高效率反重力鑄造鑄型翻轉及合金液切斷。鑄型翻轉及合金液切斷是高效率反重力鑄造技術中的關鍵，采用該技術可實現鑄型內的金屬液在自重力的作用下結晶凝固，不僅提高了生產率，而且還可利用翻轉后澆道中過熱的金屬液對鑄件進行補縮，從而提升鑄件的內部質量。鑄型翻轉技術主要涉及鑄型翻轉方式和機構的設計，合金液節流技術主要涉及到充型控制系統的設計，節流裝置的設計以及與翻轉機構之間的聯動配合等。（3）批量鑄件產品質量穩定性控制。在開發高效率反重力鑄造技術的同時，需針對所開發的工藝技術進行典型鑄件的質量穩定性控制技術研究，獲得關鍵控制工藝，固化相關工藝參數，保證鑄件的質量穩定性，滿足高效率生產的需要。另外，在金屬型高效率反重力鑄造技術中，模具溫度的控制不僅影響鑄件的質量穩定性，而且對于提升生產效率也有重大意義，該技術需進行高效冷卻技術、控溫原理、控溫裝置、控溫系統等研究開發工作。（4）反重力鑄造自動化及智能化集成。國內在智能鑄造生產方面尚處于空白階段，高效節能的自動化及智能化反重力鑄造技術和裝備缺乏，為了實現反重力鑄造技術的自動化及智能化生產，提高反重力鑄造鑄件產品的生產效率，需在反重力鑄造設備可靠性提升、主輔機智能化控制元件開發、智能化生產線規劃設計、智能化管理系統設計開發等方面開展工作。（5）大數據的收集與應用。反重力鑄造工藝的非標性較強，在鑄件的整個生產過程中會涉及到大量數據，快速收集和分析這些數據，并且將分析結果反饋給生產現場，不但能夠提高生產效率，而且對提高鑄件質量和合格率具有重要的現實意義。 3. 目標（1）預計到2020年，要達到的目標： 完成Cosworth工藝、汽車高要求結構件金屬型反重力鑄造工藝等高效率反重力鑄造技術的仿制及研究工作，形成大部分主輔機裝備、工藝技術及模具的自主開發能力，部分典型鑄件在產品質量、技術指標和生產效率等方面達到用戶要求。（2）預計到2030年，要達到的目標： 形成具有我國特色的高效率反重力鑄造技術，完成仿制、研究、再開發的過程，具備高效節能自動化及智能化反重力鑄造技術和裝備的自主開發能力，在國內建成具有自動化及智能化特征的反重力鑄造生產線，滿足相關制造領域對鑄件高效率生產的要求。 三、復合反重力鑄造技術 1. 現狀 由于反重力鑄造工藝在金屬液充型方面具有的獨特優勢，與其他工藝相結合，形成復合鑄造工藝技術，將是反重力鑄造工藝重要的發展方向。國外在復合反重力鑄造工藝開發方面開始較早，并已形成了多種工藝形式，如美國Hitchiner公司發明的離心真空吸鑄工藝技術，將離心鑄造較強的補縮能力和真空吸鑄優良的充型能力結合在一起，顯著提高了金屬液的充型能力，而且鑄件組織致密，縮松及縮孔缺陷較少[4]；日本日立公司將反重力鑄造工藝與擠壓鑄造工藝相結合，實現了金屬液的定量精確澆注，而且金屬液在升液過程平穩、無夾雜，在合金品質方面保證了鑄件的質量[5]。另外，國外公司為滿足特殊質量要求鑄件開發及生產的需要，開發出反重力澆注翻轉凝固、反重力充型后液面懸浮重力補縮等系列復合反重力鑄造工藝形式，也獲得了很好的應用效果。 我國在復合反重力鑄造工藝開發方面目前處于起步階段，部分工作尚處于實驗室研究階段。如西北工業大學開展了離心真空吸鑄工藝的研究工作，自行設計了離心真空吸鑄設備，并利用該設備進行了部分基礎工藝研究工作，獲得了一定的研究成果[6]；沈陽鑄造研究所開展了反重力擠壓鑄造一體化設備及工藝的開發工作，獲得了一系列實驗數據，為后續實現設備及工藝的工程化應用奠定了良好基礎。另外，在反重力澆注翻轉凝固、反重力充型后液面懸浮重力補縮等工藝形式方面，國內只有少數廠家進行了試探性試驗，相關試驗數據極度缺乏。 2. 挑戰 目前，國內復合反重力鑄造技術面臨的挑戰是：（1）復合反重力擠壓鑄造合金液充型過程參數優化。復合反重力鑄造過程較單一形式的反重力鑄造技術更為復雜，需要考慮兩種不同工藝方式的“無縫銜接”。對于反重力擠壓鑄造，不但要考慮輸液管溫度損失、升液平穩、定量準確，同時還要平順及時過渡到擠壓工作狀態。對于反重力澆注翻轉凝固及反重力充型后懸浮重力補縮等工藝形式也有類似復雜性特點。由于以上工作近于空白，因此需要對工藝規律進行系統探索，對工藝參數組合進行優化。（2）復合反重力鑄造工藝參數精確控制。復合反重力鑄造液面加壓及工藝形式轉換需要自動控制完成。為提高合金液充型及工藝方式轉換的控制精度，需在液面加壓控制算法、數學模型、液面位置自動等方面進行系統的研究，并對關鍵控制執行元器件進行優選，開發出與生產工藝相適應的成熟控制軟件，滿足復合反重力鑄造需求，從而共同發揮出兩種工藝形式的優勢，體現出復合反重力鑄造工藝的先進性。 3. 目標（1）預計到2020年，要達到的目標： 建成一批復合反重力鑄造工藝試驗平臺，完成基礎工藝研究工作，獲得大量試驗數據，為后續工程化生產設備的研制，以及典型鑄件產品的開發提供工藝數據基礎。（2）預計到2030年，要達到的目標： 形成一批具有我國特色的復合反重力鑄造技術，具備一體化復合反重力鑄造技術和裝備的自主開發能力，并在多種典型鑄件生產方面實現工程化應用。 四、高溫及易氧化合金材料的反重力鑄造裝備和技術 1. 現狀 反重力鑄造工藝大多集中于輕合金材料領域，對于高溫合金、鈦合金等易氧化合金材料的反重力鑄造工藝研究較為缺乏。由于反重力鑄造工藝在高質量鑄件成形上的優勢，高溫及易氧化合金材料反重力鑄造裝備和工藝將成為反重力鑄造技術未來重要的組成部分。國外高溫合金、鈦合金、鎂合金的多種反重力鑄造技術已經在部分軍工企業得到成功應用。如美國Hitchiner公司利用反重力鑄造生產的鎳基Inco718擴散器機匣，鑄件外徑達到889 mm，高635 mm，內部質量和性能得到顯著提升[7]。另外，在鎂合金反重力鑄造工藝中，工業發達國家已大部分采用氣體保護替代傳統的熔劑保護，消除了保護熔劑對鎂合金液的污染。 我國高溫及易氧化合金材料的反重力鑄造裝備和技術開發尚處于起步階段，高溫合金和鈦合金材料仍停留在實驗室基礎工藝研究階段，鎂合金反重力鑄造工藝雖有一定的應用，但成套化方面與國外先進水平還有很大差距。在高溫合金反重力鑄造技術研究方面，國內部分高校進行了實驗室研究工作，如西北工業大學用集總參數法導出了考慮到耦合傳輸條件下反重力充型工藝參數的計算公式，為高溫合金反重力鑄造提供了一定的理論基礎[8]；在鈦合金反重力鑄造技術方面，西北工業大學利用真空吸鑄和鈦合金水冷銅坩堝感應熔煉技術，實現了簡單鈦合金構件的真空吸鑄工藝[9]；在鎂合金反重力鑄造技術方面，國內主要集中在低壓及差壓鑄造工藝方面，調壓及真空吸鑄研究的較少，而在鎂合金液保護方面還停留在熔劑保護階段，與國外氣體保護技術還有很大差距，造成鑄件質量與國外差距較大。 2. 挑戰 隨著我國高端裝備制造業的不斷發展，特別是將航空發動機列為國家戰略重點發展領域，對于高溫及易氧化合金高質量要求鑄件的需求將不斷增加，也將推動國內高溫及易氧化合金材料反重力鑄造技術的發展。目前，國內高溫及易氧化合金材料反重力鑄造技術面臨的挑戰是：（1）耐高溫、抗熱震、高惰性材料。澆注高溫合金要求有耐高溫、高抗熱震性好的坩堝，而且澆注時相應地要求升液管具有良好的耐高溫、抗熱震、高惰性。鑄型、坩堝、升液管及其附屬裝置等合適材料的缺乏是阻礙反重力鑄造技術在高溫易氧化合金鑄造設備發展應用的關鍵之一。（2）復雜條件下的冷卻、密封性技術。澆注高溫易氧化合金需要有大功率特殊加熱裝置。為保證設備正常工作和合金的凝固控制，需要配備必要的冷卻系統。高溫易氧化合金通常在真空或惰性保護氣體環境下澆注，要做好設備的上下室之間、上室與鑄型之間、鑄型與升液管接口的高溫密封。實現復雜條件下設備冷卻和密封是高溫易氧化合金低壓鑄造設備研制面臨的另一挑戰。（3）高性能鑄型。高溫易氧化合金鑄型不但要耐高溫、高惰性，同時還有一定力學性能，保證鑄型和升液管之間壓實密封和較大壓差條件下不爆裂。高性能鑄型材料是高溫易氧化合金反重力鑄造重要研究課題之一。（4）精確控制系統。反重力鑄造設備的氣壓控制系統是整個設備的核心，主要實現不同罐體氣壓（真空度）和保護氣體濃度控制和調節。由于高溫易氧化合金材料密度較大，充型時需較大的壓力，加之設備結構的特殊，對于氣壓調節控制系統的穩定性、及時性與可控性提出了更高的要求。（5）鑄件反重力鑄造澆注系統設計。由于高溫合金及易氧化合金材料反重力鑄造技術在我國提出時間并不長，對于澆注系統和澆注參數的設計、選擇還缺乏足夠的積累，也有一個探索過程。 3. 目標（1）預計到2025年，要達到的目標： 完成現有反重力鑄造設備的優化改進以及新實驗設備的開發，完成高溫合金及易氧化合金材料反重力鑄造基礎工藝研究工作，獲得基礎工藝數據，為后續工程化生產設備的研制，以及典型鑄件產品的開發提供工藝基礎。（2）預計到2030年，要達到的目標： 完成可滿足工程化應用需要的高溫合金及易氧化合金材料反重力鑄造設備開發，并掌握較為成熟的鑄造工藝設計技術，部分典型鑄件具有工程化批量生產能力。第三節 技術路線圖參考文獻：[1] 董選普，黃乃瑜，吳樹森. 一種鋁合金精確成形工藝——Cosworth Process [J]. 特種鑄造及有色合金，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，黃敏，趙拴勃，等. 差壓鑄造與裝備輕量化 [J]. 熱加工工藝，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. 全自動擠壓鑄造機的發展 [J]. 模具技術，2000（1）：45-58.[6] 陳善賢，郝啟堂，李新雷，等. 離心真空吸鑄工藝對鑄件力學性能的影響 [J]. 鑄造，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，李發國，張佼. 高溫合金大型薄壁鑄件反重力鑄造技術進展 [J]. 特種鑄造及有色合金，2012，32（12）：1103-1107.[9] 李強，郝啟堂，介萬齊. 鈦合金構件真空吸鑄成形控制技術的研究 [J]. 鑄造，2009，58（8）：784-787. 編撰組 組 長：馮志軍 成 員：李宇飛 王 偉 石 飛 吳 江 阮 明（本文原載于2016年出版的《鑄造技術路線圖》，中國科學技術出版社出版） [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 新材料·新工藝 等溫淬火球鐵研發工作的進展與發展趨勢 ? 曾藝成1，李克銳2，張忠仇2，徐明君1，衛東海2 論述了近年來等溫淬火球墨鑄鐵（ADI）及含碳化物的等溫淬火球墨鑄鐵（ADI）產業的發展狀況。介紹了鑄態奧鐵體球墨鑄鐵研究的新動向。指出了ADI產業發展存在的問題。分析了當前國家對制造業、汽車節能環保、輕量化政策的實施，為ADI材料帶來了極好的發展機遇并預測了ADI在我國的發展趨勢。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 動態合成對制備新型Al-Ti-B-RE細化劑第二相粒子的影響 ? 王正軍1，劉蒙恩1，黃永德2，朱 磊1，張 欣1 為進一步優化鋁中間合金細化劑的組織，提升細化性能，采用動態合成工藝制備新型Al-5Ti-1B-1RE中間合金晶粒細化劑，并與常規制備工藝進行對比，對所合成的中間合金的微觀組織、細化工業純鋁的效果及力學性能進行了分析。試驗結果表明：動態合成工藝制備的新型Al-5Ti-1B-1RE中間合金細化劑中的第二相粒子在Al基體中分布更具有細小均勻性；細化工業純鋁時，細化效果更好，細化后工業純鋁的極限拉伸強度和伸長率得以提高。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 鑄造奧氏體不銹鋼強磁性原因及解決措施 ? 賈 華1，黃 琴1，孫 奇3，劉海波1，何 濤1，常占東1，范學東1，劉海英2，鄧德偉2, 3 鑄造奧氏體不銹鋼有強磁性，因此無法滿足客戶要求。采用OM、SEM和XRD對鑄造奧氏體不銹鋼的顯微組織進行觀測，研究了鑄造奧氏體不銹鋼有強磁性的原因，并依據凝固理論和Schaeffler 模型分析，提出解決措施。結果表明：鑄造奧氏體不銹鋼由奧氏體、網狀或小塊狀的δ鐵素體和鉻的碳化物組成，鐵素體含量過高導致其具有強磁性。通過調整元素含量，降低Cr、Si、Mo、Nb等鐵素體形成元素，增加Ni、C、N、Mn、Cu等奧氏體形成元素，可以減少鐵素體含量。通過理論計算盡可能減少Ni含量，進而控制鑄造成本。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 新型高溫合金熱處理及長期時效過程中組織穩定性研究 ? 孫乃榮，熊江英，楊金龍，馮干江 主要研究了三種新型高溫合金在鑄態熱處理后，再經750 ℃/2 700 h和850 ℃/2 700 h長時間時效后的組織穩定性。結合相圖計算探討了不同合金設計對長期時效過程中針狀組織演變規律的影響。結果表明：Nb+Ti+Ta總含量對鑄態偏析組織及其后熱處理及時效過程中的析出相演變具有重要影響，高Nb+Ti+Ta含量合金擁有較高的共晶體積分數，并易于在其附近形成不穩定的η相；隨時效時間延長和溫度升高，共晶體積分數減少，η相的體積分數降低，在組織中逐漸析出更為平衡的TCP相。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 專題綜述 熔模鑄造 鋁合金后輪罩真空壓鑄工藝優化設計 ? 陳學美，朱仁舉 根據鋁合金后輪罩的結構特征及性能要求，進行了真空壓鑄工藝設計，主要包括鑄件結構、分型面、澆注系統、排溢系統、真空閥數量的確定、模具設計及壓鑄工藝參數的設定。使用MAGMA軟件進行工藝分析改進，針對分析中容易產生縮孔鑄造缺陷的厚大部位采用局部擠壓工藝。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 計算機應用 蠕墨鑄鐵中石墨的三維空間結構表征 ? 馬志軍1，文 瓊2，馮云鵬3，楊 雨3，楊 忠1，李建平1 石墨空間結構形貌的準確表征，對于預測和改善蠕墨鑄鐵的性能至關重要。以蠕化率61.0%、68.9%、82.0%和92.2%蠕鐵為研究對象，采用X射線三維掃描技術重構石墨的三維空間結構形貌，定量描述石墨的三維連通性，并建立連通性與蠕鐵力學和導熱性能之間的關聯。結果表明，蠕鐵中尺寸越大的石墨，珊瑚狀特征越明顯，隨著蠕化率的提高，蠕鐵中石墨的連通性也越來越高，連通性相對于蠕化率這一石墨的二維表征參數，能夠更準確全面地評價蠕鐵中石墨的形貌，這對制備高性能蠕鐵具有重要參考價值。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 虛擬環境下機體鑄件的優化設計制造技術 ? 李耀宗，陳志林 在機體零件的設計階段，在虛擬環境下分析機體鑄件的可制造性、工藝性，基于分析結果對機體的不合理結構進行改進優化，經設計、制造、驗證的循環改進后，獲得符合要求的鑄造工藝和生產過程控制參數，可以指導后期機體鑄件生產。在虛擬環境中完成鑄件的設計、制造、驗證、改進等工作，評估、提高鑄件設計的可制造性，節省研制成本、縮短研制周期。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 試驗研究 商用車等溫淬火球墨鑄鐵支架鑄件的開發 ? 王東旭，王成剛 概述了一汽集團商用車等溫淬火零部件應用現狀。詳細介紹了三種底盤支架鑄件的設計優化過程，由原來的QT450-10材質改為等溫淬火球墨鑄鐵，三種支架分別減重18.32%，15.22%，19.94%，并成功應用在商用車上。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 鋁合金輪轂失效分析 ? 譚 瑩，莫明珍，李小敏，李成明 某汽車鋁合金輪轂在使用一年后發現裂紋，通過斷口宏觀和微觀分析、金相組織分析、化學成分和力學性能檢測等。結果表明：輪轂材料因變質不良，組織中殘留較多的條塊共晶硅和細長針狀β相；這種組織缺陷易割裂金屬連續性，引起應力集中，降低材料力學性能，特別是塑性顯著降低，導致輪轂在安裝和使用過程中不能承受內外應力的共同作用而開裂。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 攪拌摩擦焊工藝參數對鑄造AlSi14合金焊接接頭性能的影響 ? 趙麗敏，蔡 亮 研究了采用不同焊接工藝參數時鑄造AlSi14高硅鋁合金攪拌摩擦焊接頭的微觀組織、力學性能及斷口形貌。結果表明，焊核區組織由于發生動態再結晶，晶粒非常細??；熱力影響區緊靠焊核區，在較高轉速時出現被拉長的組織；熱影響區基體α相及共晶Si晶粒尺寸相對于母材均有所增加。在攪拌頭轉速為1 300 r/min、焊速為100 mm/min時，獲得的接頭抗拉強度可達到母材的92%；斷裂發生在前進側熱影響區，斷裂方式是韌性與脆性的混合型斷裂；接頭顯微硬度近似呈“馬鞍”形分布，在熱力影響區附近硬度低于母材硬度。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 碳含量對ZG31Mn2Si組織和性能的影響 ? 司岸恒1，魏世忠1，申振芳1, 2，張國賞1, 2 作為新型低合金耐磨鋼，根據其硬度和沖擊韌度，硅錳鋼一定程度上可替代高錳鋼，用作圓錐襯板材料，以提高襯板性能并降低成本。研究了ZG31Mn2Si在890 ℃正火預處理+890 ℃淬火+200 ℃回火的熱處理條件下，含碳量在0.2%~0.55%之間時對其顯微組織和力學性能（硬度和沖擊韌度）的影響。結果表明：當合金的含碳量逐漸增加時，組織中的殘余奧氏體量逐漸減少，板條馬氏體中逐漸出現少量針狀或片狀馬氏體；隨含碳量增加，合金硬度逐漸提高，而沖擊韌度整體呈下降趨勢。ZG31Mn2Si碳含量為0.30%時，最大硬度值HRC 47，沖擊韌度值33 J/cm2，綜合性能最優。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 機械振動對變質Fe-B-C合金組織和性能的影響 ? 鄭開宏1，張 琦1, 2，王海艷1，王 娟1，鄭志斌1 在變質Fe-B-C合金凝固過程中施加機械振動，研究了機械振動頻率對其凝固組織和力學性能的影響。結果表明：Fe-B-C合金組織由鐵素體、珠光體和沿晶界呈連續網狀分布的硼化物組成；經鈦變質處理后，金屬基體和硼化物均得到細化，部分硼化物出現縮頸和斷網現象。對變質合金施加機械振動后，鑄件外層組織明顯改善，晶粒得到細化，硼化物網進一步斷開，隨著振動頻率的增大，晶粒更加細小且均勻，硼化物斷網更加明顯；鑄件心部基體組織形貌得到改善，但晶粒出現粗化現象。合金的力學性能隨著振動頻率的增大而提高，當振動頻率為30 Hz時，合金硬度為HRC 44.5，沖擊韌度為7.3 J/cm2。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 己內酰胺改性冷芯盒樹脂高溫性能研究 ? 崔 剛，韓 文 采用己內酰胺改性劑對三乙胺冷芯盒法樹脂進行合成改性，檢測并對比改性前后冷芯盒樹脂高溫熱失重、高溫熱形變、高溫殘留強度、潰散性、發氣量等高溫性能。結果表明，己內酰胺改性冷芯盒樹脂高溫性能整體優于未改性樹脂。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 應用技術 ISO 2892:2007《奧氏體鑄鐵》國際標準解讀 ? 張 寅 介紹了ISO 2892：2007標準中規定的奧氏體鑄鐵材料的基本性能，奧氏體鑄鐵具有優良的耐熱性、耐蝕性、低溫抗沖擊性、抗氧化性、低的熱膨脹性能和無磁性的優點。奧氏體鑄鐵基體組織為穩定的奧氏體組織，不能通過熱處理來改善其性能，但通過熱處理可以去除殘余應力和高溫穩定化，從而保證鑄件在機械加工過程中不發生變形，確保其尺寸穩定性。奧氏體鑄鐵的性能取決于其化學成分，特別是鉻、錳、鉬和硅含量。奧氏體鑄鐵具有一定的斷面敏感性，與灰鑄鐵和球墨鑄鐵斷面敏感性的表現有所不同。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 模具壁厚對鑄件凝固狀態的影響 ? 葉 珍，張川吉，朱大智 通過建立簡單的模具壁厚與鑄件的數學模型，數學模型為金屬型模具的A356鋁合金鑄造，運用模擬分析軟件對多種模具壁厚狀態下的鑄件凝固狀態進行分析。結果表明：鑄件從初始溫度700 ℃到達液相線溫度613 ℃的時間非常短，且是個定值，與模具壁厚無關；鑄件從液相線溫度613 ℃到達固相溫度557 ℃的時間隨模具壁厚的增加而減少，且逐漸趨近于某一定值，這一定值與鑄件厚度和模具初始溫度有關；金屬型模具存在一個經濟壁厚，超出這一壁厚時鑄件凝固狀態將不會再發生變化。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 降低干式缸體滲漏率的工藝措施 ? 梁加芳，張孟琨，鄭翠華，何帥偉，李 甜 針對干式六缸體滲漏缺陷問題進行分析，探究了缸體鑄件滲漏產生的原因。通過在熱節處采取放置內冷鐵、涂刷碲粉涂料及產品結構優化等一些列工藝措施后，熱節處縮松缺陷大大降低，該缸體的滲漏率由22%降低到的5%。這為公司開發干式缸體解決滲漏問題積累了經驗，同時對解決缸蓋滲漏問題也有一定參考價值。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 耐磨低鉻鑄鐵米輥的研制 ? 陳育新，顏紅芹 通過對米輥的材質選型、成形工藝、性能測試，確定了米輥的材料組成和成形工藝方法，獲得了一種組織致密、韌性較好、硬度高的耐磨低鉻鑄鐵米輥。試驗結果表明，該米輥具有良好的耐磨性和韌性，解決了原來的冷硬鑄鐵米輥容易生銹和耐磨性差的問題。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 熱等靜壓對ZL205A殼體鑄件缺陷及力學性能的影響 ? 曲銀輝1，姚 紅2，車洪艷3，蘇 鑫1 研究了熱等靜壓（520 ℃±10 ℃，120 MPa，2 h）對ZL205A合金殼體鑄件缺陷、組織及力學性能的影響。結果表明：鑄件縮松缺陷等級為4級，熱等靜壓后經X光檢測未見缺陷；T5處理后，鑄件本體抗拉強度由428 MPa提高到477 MPa，伸長率由2.3%提高到6.8%；熱等靜壓后鑄件晶粒度無變化。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 鑄鋁件防粘砂措施的探究與應用 ? 傅 旭，唐志強 以EA211汽車發動機鋁合金缸蓋鑄件為對象，試驗研究了不同原砂、樹脂和涂料種類對鑄鋁缸蓋鑄件粘砂行為的影響。結果顯示，鑄件熱節部位和冒口部位由于長時間處于高溫狀態而極易粘砂；寶珠砂比再生硅砂有更為優異的防粘砂性能；綜合考慮防粘砂效果和成本，砂芯采用涂料流涂方式，效果最佳。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 鑄造工藝對球墨鑄鋼軋輥熱裂紋和夾砂的影響 ? 郭建設，徐貴寶 針對球墨鑄鋼軋輥的熱裂紋和砂眼缺陷問題，通過分析產生的原因，研究了不同工藝鑄造軋輥的縮松、熱裂紋和砂眼問題。結果表明：宜選擇稀疏排布的大冒口而不宜選擇密集排布的小冒口，S形橫澆道比半圓形橫澆道減少內澆口熱裂紋效果更好，增加耐火陶瓷管和陶瓷片使用可顯著減少砂眼缺陷。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 標準化 鑄造技術路線圖：造型材料 ? 尹紹奎 周靜一 譚 銳 李 玲 李延海 于志勇 張海東 劉加軍 于瑞龍 第一節 概 述 造型材料質量的好壞是決定鑄件質量的重要因素，特別是對于大型、精密、薄壁和復雜的鑄件。面對21世紀我國鑄件優質精化及環境保護等方面的要求更加嚴格，改進現有粘接劑體系和開發新型環保型粘接劑系列，已迫在眉睫。 目前，鑄件用砂型分為以濕型砂為主的普通砂型和以化學粘接劑為主的精確砂型，其中大批量生產中小型鑄件采用濕型砂型，大型鑄件采用自硬砂型。由于濕型砂型優點較多，特別是近年來高密度造型等許多新設備、新工藝的開發，使濕型砂的制型效率、砂型精度和表面質量得到了大幅度的提升，應用前景廣闊。 目前，我國濕型砂工藝還存在如下三個問題：（1）濕型砂中抗黏砂煤粉，在金屬液澆注時，會分解出大量有毒氣體，污染作業環境[1]。（2）在大批量生產中濕型砂性能的在線控制用儀器十分短缺，有些還依靠進口。（3）混摻樹脂芯砂的黏土混合舊砂的再生工藝與設備還沒有徹底解決，再生砂的質量很不穩定。 由于濕型砂生產的鑄件質量差、效率低、污染重，化學粘接劑砂應運而生，不僅能提高砂芯的尺寸精度，而且縮短制芯周期，節省能源，已成為我國制造各種薄壁、精密和復雜砂芯的主要方法。 樹脂砂可提高鑄件質量，但作業環境更加惡化。于是，20世紀90年代初，德國已將無機粘接劑砂成功地應用到大批量生產的汽車鑄件上，既解決了污染問題，又降低了成本，同時提高了鑄件的質量。目前，我國也開始了這方面的試驗研究。 大型鑄件是國家重大裝備制造業的基礎部件，在國民經濟發展中起著十分重要的作用[2]。大型鑄件的特點是尺寸大、壁厚、澆注金屬液多，熱容量大，凝固時間長，這對造型材料提出了越來越高的要求。目前，我國采用呋喃樹脂砂生產大型鑄鐵件，質量高，周期短，經濟效益顯著。但是，將其應用于大型鑄鋼件和鋁合金鑄件，存在著一些關鍵性技術問題，且都未能獲得較好地解決。因此開發新型環保型呋喃樹脂，具有極大的生產應用價值。 獲得表面質量優異鑄件的重要措施之一是，在型芯工作表面涂敷一層鑄型涂料[3]。近年來，隨著我國機械工業的發展而對鑄件質量的要求也日益提高，這促進了我國鑄造涂料的研究與應用快速發展，品種日益增多，性能不斷提高，涂敷工藝日趨完善，基礎研究逐漸深入，涂料的功能作用也得到了充分的發揮。 我國造型材料已取得了舉世矚目的成就，但在質量上與國外產品存在較大差距，主要表現如下：（1）我國造型材料專業生產廠家過于分散，產品水平低、重復多，缺乏市場競爭力。（2）能耗和原材料消耗高，能耗約為發達國家的2倍。（3）作業環境污染嚴重。我國除少數大型企業外，多數鑄造廠點生產設備陳舊、技術落后，一般很少顧及環保問題。（4）我國大多數廠家生產的呋喃樹脂粘接劑是以糠醇為主，毒性大、成本高、性能不穩定。（5）我國自硬砂造型應用的比重太小，舊砂再生回用率低，一般在30％～60％，有的鑄造企業，舊砂不回用，全部排放掉。（6）從涂料來看，國產涂料品種單一，生產自動化程度低，涂料質量不穩定，大型鑄鋼件仍然采用進口的鋯英粉涂料居多；采用污染大、成本高的醇基涂料多；低質量、低效率的刷涂工藝多。（7）從造型方法的構成比來看，我國以手工造型為主；而國外高密度、高效率的靜壓造型，或氣沖造型的流水線生產的比重逐年在增加。（8）歐洲一些國家已將水玻璃砂成功地應用到大批量生產復雜、壁薄、精確的高端鑄件，而我國才剛開始試驗。（9）我國增材制造快速成形技術用原輔材料專業生產廠家還未能建立，這些原材料主要依靠進口，由于價格太高，嚴重影響了我國新技術的推廣應用。 為了改變我國現有造型材料生產的落后現狀，逐步建立起一個質量高、污染少、相對穩定、有序供應、高度發達的中國造型材料市場，我國造型材料今后的發展趨勢是：（1）實現產業結構調整，淘汰一批技術水平低，產品質量差，污染嚴重，經濟效益不好的小廠，逐步實現產品“專業化、規?；鄙a。（2）實現在增長方式上由勞動、資源密集型向技術資本密集型的轉變，由粗放污染型向綠色集約型的轉變，初步建成環境協調一致的中國造型材料產業系統。（3）逐步形成結構合理，整體水平高的產學研相結合的科研開發隊伍，能不斷向企業輸送專業人才，不斷開發出高質量、高檔次造型材料新品種，滿足對造型材料日益增長的需要。（4）不斷開發無污染、節能源、可回用的各種造型材料新產品，如環保型生物基呋喃樹脂和煤粉代用材料，水基快干鑄型涂料和無污染、高強度、高回用率的鑄造舊砂再生工藝及其裝置。第二節 關鍵技術 一、大型鑄鋼件用造型材料及其造型制芯工藝的開發與應用 1. 現狀 大型鑄鋼件廣泛用于電站、石油化工、冶金、船舶等裝備以及大型冶金設備中的關鍵零件，鑄件質量將直接關系到國家重點工程項目的質量、安全及進度，意義十分重要。目前，我國生產大型鑄鋼件采用的常溫自硬砂工藝，主要有如下三種：酸固化呋喃樹脂自硬砂、酯硬化堿性酚醛樹脂自硬砂和酯硬化水玻璃自硬砂。 酸固化呋喃樹脂自硬砂工藝是我國鑄造生產中應用最多、最廣的一種樹脂自硬砂，也是一種應用較成熟的樹脂自硬砂工藝。由于它具有許多優點，在我國“一重”“天重”等大型鑄鋼生產中得到了應用。但是，采用呋喃樹脂自硬砂工藝生產鑄鋼件時，由于樹脂的發氣量與發氣速度大，鑄型導熱性差、高溫強度高、退讓性差等原因，鑄鋼件的皮下氣孔、熱裂、滲碳、滲硫以及環境污染等問題尚未徹底解決。 酯硬化堿性酚醛樹脂砂是近年來開發出來的[4]，由于其環保優勢及其他獨特的性能，如不含N、P、S等有害元素，鑄件表面不滲碳、滲硫等。該樹脂高溫塑性好，熱裂傾向小。而且鑄鋼件表面光潔，尺寸精確，在國內越來越多的鑄鋼廠采用了這一新工藝。但是，堿性酚醛樹脂砂的強度較低，價格較高，樹脂黏度大，尤其是其舊砂的再生性能較差，在國內大型鑄鋼件生產的廠家應用的還較少。 我國大型鑄鋼件采用CO2水玻璃砂工藝生產。但是，鑄件質量差，不能滿足用戶對鑄件日益增長的高質量要求，必須通過精整后處理，從而增加了鑄件的成本，延長了生產周期。同時，CO2水玻璃砂還存在鑄型殘留強度高，潰散性差，出砂困難，鑄件粘砂嚴重等問題。隨著國家對環保要求越來越嚴，大量鑄造廢砂排放已成為鑄造業非常嚴峻的問題。盡管近年來開發了酯硬化水玻璃自硬砂，水玻璃砂潰散性有所緩解。但是，僅局限于生產中小型鑄鋼件，而且鑄件的表面質量和砂芯的潰散性，還是比樹脂砂的差。 2. 挑戰 目前，我國大型鑄鋼件生產采用的型砂工藝，都是企業根據自已生產的產品結構、工藝和質量要求來確定自己的工藝方案。所以，上述的幾種不同的型砂工藝，在我國鑄造企業中都有采用。不過上述的幾種工藝都存在一定的問題，導致我國生產的鑄鋼件質量差，成本高，能源材料消耗多，生產環境污染大。為此，我國面臨的挑戰是，應根據我國的國情，鑄造企業的特點，產品質量的要求，以粘接劑為重點，開發一兩種適合于我國大型鑄鋼件生產需求的造型材料及其造型制芯工藝，為此，必須開展如下研究工作：（1）對已有的幾種型砂工藝進行調研、分析，結合鑄造產品質量的要求，來選定型砂工藝，例如普通鑄鋼件可采用水玻璃砂，而高端鑄鋼件采用樹脂砂。進一步開展系統研究試驗工作，克服其尚存在問題，如工藝、環保、舊砂再生和生產成本等問題。（2）以流變學和燒結理論為基礎，開發出成本低、污染少，綜合性能優異的大型鑄鋼件需要的燒結剝離型涂料，特別是采用剛玉粉取代鋯英粉耐火骨料的涂料和防滲碳、滲硫和氣孔等特種功能涂料。 3. 目標（1）預計到2020年，要達到的目標： 采用呋喃樹脂砂時，由于其砂型退讓性差，鑄件熱裂傾向嚴重，增碳增硫現象較大。因此，應研發一種氣味低、熱塑性好的自硬呋喃樹脂。 采用堿性酚醛樹脂砂時，應解決堿性酚醛樹脂價格高、強度低、黏度大、保質期短、舊砂再生困難等問題。（2）預計到2030年，要達到的目標： 應開發并在生產中應用屏蔽型功能涂料，以解決采用呋喃樹脂砂生產低碳、超低碳大型鑄鋼件時，鑄件表面出現的增碳、增硫現象。 同時，開發和應用發熱、加壓保溫冒口。因為這種冒口最適用于難以補縮的大型、復雜鑄鋼件，且具有發熱、保溫和加壓三大功能，是目前大型鑄鋼件穩定生產的最為個性化的補縮產品。 二、環保型生物基呋喃樹脂的開發及其在球鐵件上應用 1. 現狀 我國長期以來一直采用濕型砂造型（芯），存在生產周期長，勞動條件差，生產效率低，鑄件質量差等許多問題。到20世紀50年代末我國開始采用CO2水玻璃砂法，該方法的生產成本低，設備簡單，操作方便，使用靈活，當時受到了許多鑄造企業的應用。不過該工藝在使用過程中暴露出鑄件表面質量低，芯砂潰散性差，鑄件清砂十分困難，舊砂還不能再生回用等許多問題。到了80年代，我國鑄造工作者積極推廣應用樹脂砂工藝，尤其是呋喃樹脂砂工藝，占我國樹脂砂工藝的80％以上[5]。 盡管呋喃樹脂砂工藝在鑄鐵件生產中獲得了較好的效果和廣泛的應用，但是，采用它生產鑄鋼件和鑄鋁件時，出現了許多問題亟待解決，從而導致呋喃樹脂砂工藝在鑄鋼和鑄鋁件生產中的應用受到了一定的限制。對于鑄鋼件來說，由于呋喃樹脂砂發氣量和發氣速度大、導熱性差、高溫強度高及固化劑含硫等問題，使鑄鋼件產生許多鑄造缺陷，導致其質量難以控制。對于鑄鋁件來說，高溫強度高，鋁鑄件熱裂傾向嚴重，清砂十分困難。所以，呋喃樹脂砂工藝亟待解決如下兩個關鍵問題：（1）呋喃樹脂的污染嚴重，原材料依靠短缺的石油資源。 目前在鑄造生產中使用的呋喃樹脂，是采用苯酚、甲醛、尿素和糠醇等材料縮聚而成的。由于樹脂中含有苯酚、甲醛、尿素和糠醇等對人體有毒、有害的物質，在高溫金屬液澆注和鑄件落砂清理時都會大量的釋放出來，污染環境。為了解決呋喃樹脂的污染和擴大原材料的資源，近年來，國外已采用（5-HMF）來取代糠醇，作為呋喃樹脂的主要組分，不僅能大幅度減少糠醇用量，而且還能提高呋喃樹脂砂的工藝性能。但是這一工藝還存在產出率低、耗能高、成本大等問題，還未能應用于生產。（2）磺酸硬化呋喃樹脂砂對球鐵件表層球化不良的影響。 球墨鑄鐵經過多年的發展，現已成為一種不可替代的金屬材料，它的產量和所占鑄件的比例逐年增加，而且，我國也是世界上球墨鑄鐵件產量最多的國家。 但是，呋喃樹脂砂型使用磺酸類作催化劑時生產球鐵件，在鑄件表層常出現變異組織，其表層硫含量大大高于鑄件中心。鑄件表層出現異常組織導致試件的沖擊值等力學性能顯著降低。因此，研究解決磺酸類固化劑硬化呋喃樹脂砂對球鐵件表層組織變異的問題，對于我國球鐵件的今后發展有著積極的作用。目前，已開發的防滲硫涂料，技術還不成熟，也未成為商品出售。 2. 挑戰 有機粘接劑在我國鑄造生產中的使用，有力地推動了造型制芯方法的進步，其中以自硬樹脂發展最為迅速，尤以呋喃系樹脂砂，在型砂粘接劑中占有非常重要的地位，也是我國應用最多的一種樹脂砂。由于呋喃樹脂具有許多優點而獲得了廣泛的應用。隨著呋喃樹脂砂的應用日益廣泛，不斷研發出了許多不同需要的新型改性呋喃樹脂。但是呋喃樹脂存在的問題還很多，例如，生產出的鑄件缺陷多（熱裂、滲碳、滲硫、氣孔等）、污染重，仍需進一步改進與提高。 為此，我國面臨的挑戰是，在系統研究呋喃樹脂合成反應機理的共性技術的基礎上，強化對呋喃樹脂的改性，開發環保型呋喃樹脂體系，降低生產成本，縮短固化時間，提高生產效率，改善作業環境，進一步擴寬呋喃樹脂砂的應用領域。 3. 目標[6]（1）預計到2020年，要達到的目標： 開發一種資源廣、成本低、環保型生物基呋喃樹脂及其在球墨鑄鐵件上應用的自硬砂工藝。目前，鑄造用的改性呋喃樹脂主要是以石油資源中獲得苯酚、甲醛和尿素等為原始材料，隨著石油等不可再生資源的大量消耗，原油價格不斷上升，以石油為主導的化工工業的成本將不斷地提高。同時，生物質，如5- 羥甲基糠醛（5-HMF），是一種可持續性資源，數量巨大，價格低廉，可被生物降解，并且可不斷再生，采用它作為呋喃樹脂生產的原始材料，是解決目前資源和能源危機的重要方法。（2）預計到2030年，要達到的目標： 開發應用與呋喃樹脂配套使用的低硫磺酸固化劑和防增碳、滲硫涂料，以解決呋喃樹脂砂使用磺酸類作催化劑生產球鐵件時，鑄件表層出現的變異組織，其導致鑄件沖擊韌性等力學性能顯著降低。 三、增材制造鑄型用造型材料的開發應用 1. 現狀 增材制造技術[7]是一種以數字模型文件為基礎，采用粉末狀的可黏合材料，通過逐層堆積的方式來構造物體的一種最新鑄型成形技術。采用該技術可在生產上實現結構優化、節約材料和節省能源。該技術適合于新產品開發、快速單件及小批量零件制造、復雜形狀零件的制造、模具的設計與制造等，也適合于難加工材料的制造、外形設計檢查、裝配檢驗和快速反求工程等。因此，它是一個具有廣闊發展前景的朝陽產業。 目前，用于快速砂型鑄造的增材制造技術主要有兩種工藝：激光選區燒結（簡稱為SLS）和三維印刷（簡稱為3DP）。其中激光選區燒結工藝是利用激光作為熱源、選擇性地燒結粉末材料（如樹脂覆膜砂等）達到快速固化成形的一種方法。3DP是一種利用噴頭的運動，將液滴選擇性噴射在粉床表面，通過液體粘接劑與含固化劑的固體粉末的綜合化學反應作用，將選定區域內的固體粉末固化成形的一種快速成形技術。3DP成形工藝與SLS比較，具有成形速度快，可以整體成形較大的零件，也無熱應力殘余以及設備成本和運行成本低等突出優點。因此，3DP成形鑄造砂型（芯）有著更廣闊的應用前景。 近年來增材制造技術得到了快速的發展，但其所用耗材已成為制約該技術發展的瓶頸。目前，我國增材制造技術用原材料還缺乏相關標準，國內有能力生產增材制造技術材料的企業很少，主要依賴進口，價格高，受人制約，這就造成增材制造的產品成本較高，影響了其產業化的進程。 2. 挑戰 增材制造技術用材是該技術發展的重要物質基礎，也是決定著該技術能否有更廣泛應用的重要因素。其所用的這些原材料都是專門針對該打印設備和工藝而研發的，不同的增材制造技術對成形材料有不同的要求，但是均要有利于快速精確的成形，因此，成形材料決定了快速成形技術的成敗。目前我國增材制造用耗材存在如下問題：（1）增材制造技術的耗材決定了該技術的發展，由于它與普通的材料有著很大的區別，必須根據打印設備的類型及操作條件的不同，來開發增材制造技術所使用的各種材料。 可是，目前我國增材制造技術還處于起步發展階段，產業規模小，耗材生產的企業不多，耗材的相關標準還不完善。部分耗材國內還沒有生產，或是質量較低，難以滿足實際應用需要，只能依靠進口。（2）在增材制造工藝中，影響加工件質量的因素眾多，其中以其耗材質量的影響更為重要。在耗材制備時應從兩方面加以控制，即材料使用時的工藝參數和原材料的選用與特殊處理的工藝參數。但是，我國現今僅局限在對材料使用的工藝參數優化上，而對原材料的選用和處理工藝（包括覆膜砂的覆膜工藝參數和樹脂的合成和固化等工藝參數）的影響等方面，還沒有進行系統、深入的研究。 3. 目標（1）預計到2020年，要達到的目標： 開發出3DP噴射快速成形用呋喃樹脂、堿性酚醛樹脂和無機粘接劑等常用的主要耗材，并制定相關耗材的技術標準。（2）預計到2030年，要達到的目標： 加大對耗材研發力度，提高耗材質量，進而推動我國增材制造產業的發展，在鑄造領域內3DP噴射快速成形技術的應用面擴展到30％～40％的鑄造產品。第三節 技術路線圖參考文獻：[1] 曹玉亭. 用混配土代替煤粉配制型砂 [J]. 現代鑄鐵，2014（6）：76-81.[2] 于洪巖. 呋喃樹脂自硬砂生產大型鑄鋼件工藝控制要點 [J]. 鑄造設備與工藝，2011（3）：22-24.[3] 施風華. 鑄造涂料的規?；a和精細化管理舉足輕重 [J]. 金屬加工（熱加工），2015（5）：2.[4] 宋會宗. 堿性酚醛樹脂砂在大型鑄鋼件上的應用及質量控制 [J]. 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Three dimensional printing material system and method：US，6610429 [P]. 2003. 編撰組 組 長 尹紹奎 成 員 周靜一 譚 銳 李 玲 李延海 于志勇 張海東 劉加軍 于瑞龍（本文原載于2016年出版的《鑄造技術路線圖》，中國科學技術出版社出版） [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 行業標準《鑄造鋁合金金相 第1部分：鑄造鋁硅合金變質》解讀 ? 葛素靜1，宗福春１，劉 闖2，霍會娟3 鑄造Al-Si合金組織中存在粗大多邊形初晶硅和長針狀共晶硅，嚴重割裂合金基體，明顯降低力學性能，尤其是降低塑性及耐磨性，還會使合金的切削加工性能變差。因此，改善共晶硅和初晶硅尺寸、形狀是迫切需要解決的問題，解決這一問題的關鍵措施是變質，因此，對變質級別的判定是鋁合金金相檢測的重點。相比于行業標準JB/T 7946.1—1999《鑄造鋁合金金相 鑄造鋁硅合金變質》，JB/T 7946.1—2017《鑄造鋁合金金相 第1部分：鑄造鋁硅合金變質》，完善了標準適用范圍，增加了規范性引用文件，修改了試樣的切取和制備的部分技術內容；修改了磷變質的分級說明，并更換了相應的顯微組織參考圖片；增加了鍶、銻變質的分級說明，本文有助于JB/T 7946.1-2017標準的宣貫和使用者對標準的理解。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文]