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面向2030的中國鑄造技術 
硅樹脂粘結球形SiO2陶瓷型芯的制備及性能研究 ? 宋宗成1，楊治剛2，余建波1，鄧 康1，任忠鳴1 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 鑄造技術路線圖：數字化、網絡化、智能化鑄造 ? 許慶彥 熊守美 周建新 沈厚發 康進武 殷亞軍 計效園 閆學偉 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 新材料·新工藝 變質處理及擠壓鑄造對過共晶Al-Si-Cu-Mg合金組織與性能的影響 ? 李潤霞1，孫繼鴻1，郝建飛1，王順成2，于寶義1，李榮德1 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 氟鋯酸鉀變質對ZL104合金組織和性能的影響 ? 胥曉強1，董立新1，劉力菱1，吳成輝2，魏善濤2 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 多元稀土對半固態A356鋁合金梯度細化的研究 ? 孫夢桐1，劉 政2，陳志平2，陳 濤1 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 稀土Er對鑄態Mg-6Al合金顯微組織和力學性能的影響 ? 崔紅衛1，張甜甜1，余 暉2，賈秋榮1，崔曉麗1，陳洪美3，翟慎寶4，柴韶春4，閔光輝5 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 壓力鑄造 電磁攪拌半固態鋁合金磁感應強度的優化 ? 陳志平1，劉 政1，陳 濤2 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 鋁合金壓鑄件后處理過程中的“機器換人” ? 楊文健，于革剛 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 變速器撥叉用過共晶鋁硅合金壓鑄性能研究 ? 陸從相，周鵬飛，李天景 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 半固態成形 亞微米SiC顆粒對Al-5Mg合金組織和性能的影響 ? 胡 坤1，2，唐 鑫1，2，胡清華2，熊 斯2，龍 勝2 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 復合材料 基于層次分析法與數據挖掘的砂鑄工藝自評價模型及應用 ? 豆義華，計效園，周建新，葉 虎，張明珠 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 計算機應用 45#鋼管激光熔覆不銹鋼粉末的參數研究 ? 張美美，白培康，劉 斌 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 基于ProCAST的云溪環保砂鑄造工藝 ? 駱祎嵐1，夏春禮1，范金輝1，白云峰1，朱世根1，2 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 試驗研究 機車輪心鑄造工藝優化及生產控制 ? 付海昌1，楊 軍2 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 奧氏體球墨鑄鐵超低溫沖擊斷裂行為研究 ? 張新寧1，姜 珂2 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 熱疲勞上限溫度對球墨鑄鐵抗熱疲勞性能的影響 ? 陳 丹，吳素珍，吳令憲，王朋坤，閆明輝 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 含Ti鑄造雙相不銹鋼組織與耐腐蝕性能研究 ? 滕鋁丹，曹 靜，張 拓，楊弋濤 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 一種鎳基合金鑄件高溫拉伸性能的研究 ? 馮 微1，趙會彬1，周同金1，2，孟 宇1 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 應用技術 構建面向解決復雜工程問題的鑄造卓越工程師培養體系探索 ? 張建軍，魏曉偉，丁士華 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] C11下缸體鑄造工藝分析及斷芯解決措施 ? 黃 淵，稅國紅，高 翌 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 地鐵轉向架關鍵鑄鋼件失效分析及質量改進 ? 陳紅圣，徐貴寶，李平平 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 人才培養
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面向2030的中國鑄造技術 硅樹脂粘結球形SiO2陶瓷型芯的制備及性能研究 ? 宋宗成1，楊治剛2，余建波1，鄧 康1，任忠鳴1 以球形SiO2顆粒為基體、硅樹脂為粘結劑，通過干壓法制備多孔SiO2陶瓷型芯，研究了硅樹脂添加量和燒結溫度對陶瓷型芯性能的影響。研究結果表明：硅樹脂作為粘結劑通過交聯、裂解從而實現對球形SiO2顆粒的包覆和粘結，明顯改善了球形SiO2顆粒的燒結性能。在1 350 ℃燒結溫度下，隨著硅樹脂含量增大，型芯樣品的失重率不斷增大，收縮率反而不斷減??；在硅樹脂含量為20%時，收縮率僅為0.42%，能較好地保證型芯的尺寸精度；硅樹脂含量為10%時，在1 300 ℃燒結2 h，陶瓷型芯室溫抗彎強度為11.8 MPa、線性收縮率為0.49%、顯氣孔率為30.9%，綜合性能最佳。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 鑄造技術路線圖：數字化、網絡化、智能化鑄造 ? 許慶彥 熊守美 周建新 沈厚發 康進武 殷亞軍 計效園 閆學偉 第一節 概 述 中國已經連續16年鑄件產量世界第一。2015年各類鑄件總產量達到4560萬t。雖然我國鑄造行業近年來取得了長足進步，但大而不強，已嚴重影響自主創新能力的提高。在某些領域鑄件質量已經成為整個裝備制造中的瓶頸問題。當前我國正面臨著從鑄造大國向鑄造強國邁進的歷史課題[1]。 《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》指出，制造業是國民經濟的主要支柱。我國是世界制造大國，但還不是制造強國；制造技術基礎薄弱，創新能力不強；產品以低端為主；制造過程資源、能源消耗大，污染嚴重。并提出要重點研究數字化設計制造集成技術，建立若干行業的產品數字化和智能化設計制造平臺。開發面向產品全生命周期的、網絡環境下的數字化、智能化創新設計方法及技術，計算機輔助工程分析與工藝設計技術，設計、制造和管理的集成技術[2]。 可見，數字化、網絡化、智能化在先進制造技術領域占有舉足輕重的地位，也是鑄造學科的發展前沿，符合“中國制造2025”的國家重大戰略需求[3]?！爸袊圃?025”的主線是工業化和信息化的融合，把智能制造作為主攻方向，促使制造業數字化、網絡化和智能化。加快推動新一代信息技術與制造技術深度融合，著力發展智能產品和智能裝備，培育新型生產方式和產業模式，全面提升企業產品、生產和服務的智能化水平?！皵底只?、網絡化和智能化”可以從根本上提高產品功能、性能，從而提高產品的市場競爭力；全面提升企業的設計、制造和管理水平，大幅度提高制造效益、降低產品成本和資源消耗，同時可以從容面對瞬息萬變的市場，快速響應市場的變化。 數字化、網絡化和智能化也是提高鑄造成形技術水平的重要手段，可實現鑄件成形制造過程的工藝優化，預測鑄件組織、性能與使用壽命，確保零件的質量，顯著縮短產品研發周期，降低生產費用，大量節約資源與能源。數值模擬、互聯網+、人工智能、智能裝備、數字化工廠、物聯網與在線檢測等則是鑄造成形信息化的核心技術。因此，鑄造行業對數字化、網絡化、智能化技術有迫切需求，鑄造過程的數字化、網絡化、智能化是我國鑄造行業進一步發展壯大、成為世界鑄造強國的重要保障。 歐美工業發達國家均將鑄造過程數字化、網絡化和智能化作為優先資助和發展的領域，相關研究全面而深入，技術開發環境好，資金投入大，軟件市場占有率高[4]。緊緊追隨世界的腳步，我國在鑄造過程的數字化、網絡化、智能化方面也已經開展了大量的工作，在政府加強引導、加大經費支持以及企業積極參與等共同作用下，極大地提高了鑄造成形技術水平。但總體來說，與國際水平尚有較大差距。 雖然數字化、網絡化、智能化在國內鑄造行業獲得了一定應用，但與國外相比仍有較大差距[5]。國內自主研發軟件資金、技術、人員投入較少，自主開發商品化鑄造模擬軟件能力仍很弱，軟件市場占有率不高，更缺乏世界影響力。國內鑄造企業應用鑄造過程數值模擬軟件和快速鑄型鑄造技術不夠普及，應用水平相對較低，機器人應用很少，物聯網+等技術的應用剛剛開始，與國外先進鑄造企業還有很大差距。在具備規模的鑄造企業中一般都購置了鑄造過程數值模擬軟件，在新產品開發中一定程度上采用了模擬技術，模擬結果為新產品開發的工藝制定和優化發揮了一定的作用。但是對模擬的認識還比較粗淺，模擬應用人員的層次還比較低，模擬配套的性能參數數據庫還很缺乏，軟件自帶數據庫與企業的情況不完全一致。因此對模擬還存在很多誤區，如有的認為模擬出來的結果和實際差別大，不問青紅皂白就全面否定模擬，也有的片面迷信模擬結果，不加深入分析和判斷就直接采用指導生產。這些都影響了模擬技術在鑄造行業中的普及和深入。 智能制造（Intelligent Manufacturing）通常泛指智能制造技術和智能制造系統，它是人工智能技術和制造技術相結合后的產物[6]。在中國《智能制造科技發展“十二五”專項規劃》中，定義智能制造是“面向產品全生命周期，實現泛在感知條件下的信息化制造，是在現代傳感技術、網絡技術、自動化技術、擬人化智能技術等先進技術的基礎上，通過智能化的感知、人機交互、決策和執行技術，實現設計過程智能化、制造過程智能化和制造裝備智能化等。智能制造系統最終要從以人為主要決策核心的人機和諧系統向以機器為主體的自主運行轉變”。當然智能制造還有其他的不同定義。但無論從哪個方面來說，我國鑄造行業離智能化尚有非常大的差距。隨著技術的進步，很多企業都使用了機械手或機器人，鑄造企業的造型、制芯、落砂等工序的設備已經實現了半自動化和自動化生產。但到目前為止，仍有很多鑄造企業裝備落后，沿襲傳統的手工生產方式，與建設智能化的鑄造工廠的目標相比，有相當大的差距。建設數字化鑄造廠的前提條件之一，就是企業所裝備的設備必須具備自動化和智能化的特性。第二節 關鍵技術 一、大型鑄錠及鑄件的數值模擬技術 1. 現狀 大型鑄件多指重大技術裝備中的大型鑄造產品，性能要求高，以鑄鋼件為主。大型鑄錠通常是指需要進一步采用大型液壓機才能最終成形的金屬模鑄錠。其質量直接影響到重大裝備的整體水平和運行可靠性，是發展電力、船舶、冶金、石化、重型機械和國防等工業的基礎，是發展先進裝備制造業的前提，是衡量一個國家重工業發展水平和國家綜合國力的重要標志之一。 數字化、智能化、網絡化技術在我國大型鑄錠及鑄件相關研究中的應用仍處于初步階段，與國外先進水平仍存在較大差距，目前大多數研究只是針對大型鑄錠及鑄件生產過程中的某一環節，如針對大型鑄錠/鑄件凝固過程縮孔縮松等缺陷的形成，針對大型鑄錠 / 鑄件熱處理微觀組織的演變等。隨著計算機技術的快速發展，多尺度、全過程數值模擬技術的思想已開始被相關學者和研究機構采用。 清華大學針對300 t大型鋼錠，集成考慮澆注過程和凝固過程，耦合宏觀尺度上的傳熱、傳質等傳輸現象和微觀尺度上的晶粒形核、長大，研究多包合澆工藝對鋼錠宏觀偏析形成過程的影響，實現了宏微觀的耦合模型的集成[7]。華中科技大學針對某鑄鋼件，模擬鑄件鑄造的充型過程及后續凝固過程，預測最終凝固過程的鑄件縮孔縮松分布，對比分析不同冒口補縮工藝方案，設計了該鑄鋼件冒口優化方案，實現了工藝流程上的集成[8]。清華大學針對馬氏體不銹鋼鑄件鑄造與熱處理中組織轉變，考慮鑄件鑄造過程和熱處理過程，建立水輪機鑄件鑄造與熱處理全過程熱應力分析系統，對實際生產的水輪機鑄件的應力和變形進行研究，實現了鑄造和熱處理關系的集成[9]。 2. 挑戰 由于國家對能源、國防工業的繼續加大投入以及新興產業發展中的高端裝備對大型鑄錠及鑄件的需求，尤其是高端緊缺大型鑄錠及鑄件的國產化需求，我國大型鑄錠及鑄件生產技術水平亟需重大突破。然而大型鑄件多為單件生產，生產過程復雜、周期長、成本高，而且形體巨大，制造難度大，服役條件嚴酷，加上大型鑄件生產過程對能源和材料等消耗大，不適于用實物進行研究。 針對不同用途的大型鑄件，從材料選擇到材料優化設計，熔煉精煉調控到其工藝設計，以及利用更為精準的模型在宏微觀尺度來對其鑄造過程及后續熱處理過程進行數值模擬，然后開發工藝集成工具把各個生產階段工藝整合，最終達到工程系統的性能和壽命的預測。 3. 目標（1）預計到2020年，要達到的目標： 實現大型鑄件及鑄錠鑄造過程的數值模擬以及對缺陷的預測，如縮孔縮松、宏觀偏析及裂紋等；實現模型內的宏微觀耦合，針對不同尺度范圍內的物理現象進行建模，建立不同尺度模型之間的鏈接關系。（2）預計到2025年，要達到的目標： 實現鑄造過程工藝性評估和對組織結構的預測，如澆注工藝、模型設計、等軸晶柱狀晶轉變等；實現材料和熔煉工藝與鑄造過程的模型耦合，針對不同的材料或成分范圍給出模型的輸入參數，建立不同工藝下的模型初始條件。（3）預計到2030年，要達到的目標： 實現大型鑄件性能的預測和壽命的評估，給出特定使用環境下的工程壽命。實現鑄造和熱處理過程數值模擬的耦合，針對不同的鑄造工藝來初始化熱處理過程的參數，建立宏微觀組織演變、組織缺陷遺傳演化的關系。 二、輕金屬材料鑄造過程建模與數值模擬技術 1. 現狀 鋁、鎂是典型的輕金屬材料。鋁合金具有相對較輕的重量、較高的比抗拉強度和比彈性模量，越來越廣泛地應用于汽車工業和航空航天等領域。鎂合金是目前工程應用中密度最小的金屬結構材料，在實現汽車輕量化中應用潛力巨大，受到了越來越多的關注。 現代成形制造技術和產品研發中，一個十分重要的發展趨勢是越來越多地運用計算機建模與數值模擬技術[10]，采用模擬技術已成為開發成形加工產品新工藝、實現技術創新的重要方法手段。近20年來，在工業發達國家，成形制造模擬技術不斷向廣度、深度發展，模擬技術已成為國際公認的材料及制造科學的重要前沿領域。模擬技術用于輕金屬材料鑄造成形領域，可以縮短輕合金鑄件的研發周期并大大降低研發成本[11]。 近幾年來，我國數值模擬技術在輕金屬材料鑄造成形方面的研究和發展勢頭強勁。清華大學面向汽車、軍工等行業對高性能輕金屬結構件鑄造成形技術的需求，開展鋁、鎂合金鑄造及凝固過程宏/微觀建模與數值模擬研究，建立了鋁、鎂合金壓鑄、擠壓鑄造成形實驗基地。在多項國際科技合作、“973”計劃、國家自然科學基金、以及企業科研合作項目的支持下，圍繞鑄造鎂合金“工藝-組織-性能”建模與數值模擬、鋁鎂合金鑄造成形宏/微觀建模與數值模擬等進行了比較系統、深入的研究[12]。中國第一汽車集團十分重視鑄造模擬技術的研究與應用，將協同優化和數字建模與數值模擬應用于汽車發動機缸體的設計和制造過程，建立了汽車發動機缸體智能化生產單元，將發動機缸體制造多個復雜工藝過程整合起來進行數字化設計，生產效率和質量都得到了大幅度的提高。 2. 挑戰 盡管我國數字化、網絡化、智能化取得一定發展，但其在輕金屬鑄造領域的發展還面臨一系列的問題。輕金屬鑄造過程的數值模擬涉及跨越不同長度與時間尺度的復雜物理現象，現有的模型還需要發展和完善；目前大部分模擬工作還主要集中在宏觀尺度，多尺度、多學科數理建模及輕金屬成形零部件的組織、性能和使用壽命預測研究亟待加強[13]；企業技術水平參差不齊，模擬技術的應用水平有待提高，對于數字化、網絡化、智能化等先進理念、方法和工具還缺乏足夠重視；政府和產業界對研究和開發投入不足。 3. 目標（1）預計到2020年，要達到的目標： 針對汽車、航空航天、交通運輸等行業的輕量化需求，對鋁、鎂合金的先進鑄造成形技術，如高壓鑄造、擠壓鑄造、半固態鑄造等，開展宏觀建模與數值模擬研究，實現單體技術開發與驗證。（2）預計到2025年，要達到的目標： 通過對液態金屬的傳熱、流動、傳質和鑄件/鑄型應力的模擬，以及微觀建模與驗證，從而可以準確預測鑄件中的組織和缺陷的形成，實現鑄件質量控制。（3）預計到2030年，要達到的目標： 在耦合宏觀模擬的基礎上，對鑄件組織、性能等開展數值模擬研究，進而預測鑄件力學性能和使用壽命，揭示工藝-組織-性能之間的關系，實現從產品設計、材料開發、制造工藝優化、服役評價等全生命周期的數字化、網絡化、智能化。 三、航空發動機高溫合金葉片數值模擬技術 1. 現狀 單晶高溫合金是先進燃氣渦輪發動機最主要的葉片材料。我國在單晶合金及其工藝研制方面已取得顯著成績，但是仍遠遠落后于國際先進水平。由于生產工藝的復雜性和不穩定性，以及研制周期長、費用昂貴和成品率低，我國單晶葉片的研制過程緩慢，制約了其在先進航空發動機上的實際應用[14]。針對這一技術瓶頸問題，將數字化、網絡化、智能化引入到高溫合金渦輪葉片的制造過程中，利用計算機模擬技術有效模擬定向凝固葉片的凝固微觀組織演變過程，分析固液界面前沿的溶質擴散、熔體流動和溫度分布規律，預測晶體缺陷的產生，最終實現優化生產工藝、縮短試制周期、降低試制成本、提高單晶葉片的質量和成品率的目的[15]。 研究數字化、網絡化、智能化在航空工業中應用的目的在于推動鑄造技術走高端化道路。目前，我國鑄件產量已穩居世界第一，但大而不強、重量不重質，許多高端鑄件產品仍然依賴于國外進口，尚沒有完全掌握如航空發動機熱端部件等高端鑄件的成形制造技術，合格率低。究其原因，除了部分是歸因于原材料以外，對高溫合金定向凝固過程缺乏有效的預測與控制手段也是重要原因之一。多年的研究工作表明，通過把計算流體力學、計算傳熱學、計算材料學和組織性能模型有機集成起來，能夠綜合預報鑄造成形過程的各物理量演變規律，預判鑄造成形過程中材料微觀組織和各種缺陷的變化，全息地反映工藝參數的作用效果，為優化鑄造成形工藝和提高產品質量提供有力的工具。這種技術發展的可行性已經在研究領域得到比較充分的驗證，有望從根本上改變高溫合金葉片定向凝固生產技術水平的現狀，促進我國航空工業制造技術水平的進步[16]。 2. 挑戰 盡管數字化、網絡化、智能化在航空工業有著大幅降低成本、加速新產品研發的巨大潛能，但為更好地使其在航空工業領域廣泛采用，以下問題需加以解決：（1）多尺度、多物理量、成形制造全流程模擬的集成。 對高溫合金定向凝固葉片的多尺度耦合模擬可以有從時間尺度和空間尺度兩個方面來理解。從時間尺度上來講，一方面是定向凝固工藝-微觀組織-力學/使用性能之間的耦合關系模擬；另一方面是不同成形工藝之間、也即制造全流程的耦合，對葉片的制造而言，存在著鑄造（定向凝固）-熱處理-激光打孔-陶瓷涂層等復雜制造工藝。從空間尺度上來講，主要是從微觀尺度-介觀尺度-宏觀尺度上的耦合模擬，不同尺度對應著不同的模擬手段和方法、工具，模擬手段/工具之間的耦合及數據調用、邊界條件信息傳遞等則是存在的主要問題。 多物理場耦合是指在高溫合金渦輪葉片定向凝固過程中涉及到的多物理場之間相互作用，這些物理場主要包括：流場、溫度場、溶質場、組織場、應力/應變場等。這些物理場中有些是一一對應關系，有一些是兩兩之間的相互影響，也有一些是三者或三者以上的耦合關系，如何建立耦合關系模型，并尋找合理的解耦方法是研究的重點。（2）實驗技術和數據庫是數字化、網絡化、智能化的重要保障。 材料基礎數據、微結構以及性能模型既有基于理論的，也有基于現象的，但無論哪種模型都不是十分完善，都需要更多的實驗數據來修正，同時，模型也需要覆蓋更多的實驗數據[17]。研究表明，數字化、網絡化、智能化工具50％～80％的開發費用與實驗研究有關。實驗手段不僅是建立理論模型的前提，也可以彌補理論上的不足。實驗的重要性還在于可以確保模擬軟件的準確性。 3. 目標（1）預計到2020年，要達到的目標： 建立完善的單晶高溫合金材料熱物性參數數據庫，實現晶體生長與枝晶生長的數值模擬和缺陷預測，實現高溫合金葉片定向凝固工藝的優化。（2）預計到2025年，要達到的目標： 建立完善的單晶高溫合金高溫力學本構模型，較準確地模擬熱應力與應變，實現單晶高溫合金鑄件的再結晶預測，實現高溫合金葉片熱處理工藝的建模、模擬與工藝。（3）預計到2030年，要達到的目標： 爭取實現單晶高溫合金葉片的制備工藝-微觀組織-使用性能的多尺度、全過程建模與數值模擬，實現葉片的力學性能與使用壽命預測。 四、高性能鑄鐵多尺度宏微觀組織耦合數值模擬技術 1. 現狀 鑄鐵在我國國民經濟乃至世界制造業中占有極其重要的地位，是工業生產中應用最為廣泛的一種鑄造金屬材料，在一般的機械制造、冶金礦山、石油化工、交通運輸和國防工業等各部門中發揮著基礎性的作用。雖然現代鑄鐵面臨來自各方面的挑戰，但是等溫淬火球墨鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵及高強薄壁灰鑄鐵和各種性能（如抗磨、減磨、耐蝕等）鑄鐵仍還會有較大的發展雖然處于高速發展中的我國，鑄鐵將以比世界平均水平高得多的速度增長。但是我國高性能鑄鐵所占比例遠低于工業發達國家，而且性能相比較差，如可鍛鑄鐵產量雖然位居前列，但絕大多數為黑心可鍛鑄鐵，白心可鍛鑄鐵和珠光體可鍛鑄鐵產量不高。因此實現鑄造大國向強國的轉變，高性能鑄鐵性能研究較為重要[18]。 材料性能最終取決于其組織形態，因此研究鑄鐵的性能需重點考察鑄鐵組織（石墨+基體組織），特別是高性能的鑄鐵材料。如鑄鐵的性能很大程度上與石墨的數量、大小、分布和形態相關，尤其是石墨的形態。當基體為珠光體的鑄鐵，石墨由粗片狀（灰鑄鐵）向球狀（球墨鑄鐵）轉變時，則抗拉強度、伸長率以及沖擊韌性分別有大幅度的提高。又如：把鑄件加熱到奧氏體化溫度，獲得均勻的奧氏體組織之后，再將鑄件淬入鹽浴，并在鹽浴中等溫停留，奧氏體在等溫停留過程中析出鐵素體組織，從而形成等溫淬火球磨鑄鐵。再如：石墨形態由蠕蟲狀與團球狀以不同比例混合后，其力學-物理性能介于灰鑄鐵和球鐵之間的蠕墨鑄鐵。因此，如何定量化研究與分析組織形態的是控制與提升鑄鐵性能的一條重要途徑。數值模擬是實現定量化組織形態分析的重要方法與手段，具有實驗適應性強、可重復性高、成本低等特點[19]。因此在“十三五”期間，需要重要研究高性能鑄鐵凝固與熱處理等鑄造工藝過程組織演變的數值模擬。 2. 挑戰 高性能鑄鐵多尺度宏微觀組織耦合數值模擬技術，主要是為了掌握高性能鑄鐵石墨與基體組織在凝固及熱處理等鑄造工藝的組織演變規律，從而達到定量化控制與提升鑄鐵材料性能的目的。對于等溫淬火球鐵，需要進行鑄鐵熱處理高碳奧氏體及針狀鐵素體組織形成過程數值模擬研究；對于球墨鑄鐵，需要進行在球化劑與孕育劑作用下石墨球化形貌形成的數值模擬；對于蠕墨鑄鐵，則需要進行在蠕化劑作用下，蠕蟲狀石墨形成的多尺度數學模型及微觀組織數值模擬。以這三種典型高性能鑄鐵為研究對象進行突破，掌握其規律后并推廣至其余高性能鑄鐵組織演變過程的數值模擬中，從而形成高性能鑄鐵的多尺度宏微觀組織耦合數值模擬的系統技術。 3. 目標（1）預計到2020年，要達到的目標： 實現等溫淬火球墨鑄鐵的多尺度宏微觀組織耦合數值模擬技術，掌握其凝固與熱處理等鑄造工藝過程的組織演變規律。（2）預計到2025年，要達到的目標： 實現球墨鑄鐵的多尺度宏微觀組織耦合數值模擬技術，掌握其凝固與熱處理等鑄造工藝過程的組織演變規律。（3）預計到2030年，要達到的目標： 實現蠕墨鑄鐵的多尺度宏微觀組織耦合數值模擬技術，掌握其凝固與熱處理等鑄造工藝過程的組織演變規律。 五、網絡化智能化鑄造工藝、生產、質量集成技術 1. 現狀 鑄造企業網絡制造模式指鑄造企業按照敏捷制造的思想，采用信息化技術，對企業訂單、設計、生產和銷售等資源進行靈活高效地整合，對產業鏈上下游企業進行協同集成，提高企業市場快速反應和競爭能力的新模式。具體來說，鑄造企業推行網絡制造就是推行信息化建設，加強兩化融合。而當前隨著近日李克強總理與默克爾總理簽署了《中德合作行動綱要：共塑創新》，網絡制造已經開始走入強調智能制造的工業4.0時代：整個生產流程都由軟件來控制，包括人機整合、機器與外部機器整合、生產流程與外部合作伙伴整合等[20]。 當前鑄造行業網絡制造和信息化的現狀總體為：①鑄造企業信息化實力薄弱；②上下游企業信息集成與協同管控較少；③生產質量數字化管控與ERP普及率仍有待發展；④整體上進入發展階段，且近幾年呈現蓬勃發展態勢；⑤少數鑄造企業對工藝生產質量進行了全面流程化管控，實現了單件全生命周期追溯。 我國鑄造企業的網絡制造和信息化建設呈現以下發展趨勢：（1）工藝PDM與管理ERP的集成，并與生產質量系統形成協同，做到相互驅動和約束。（2）關鍵件、重要件做到單件化生產和質量的數字化管理，關鍵生產過程全過程數字化監控和管理。（3）智能化管理技術與智能化鑄造裝備。（4）車間設備數據集成與車間在線化管控技術。（5）產業鏈網絡協同集成制造與大數據分析技術。 2. 挑戰 網絡化智能化鑄造工藝、生產、質量集成技術，主要解決鑄造生產流程中實時現場信息如何處理與后期如何分析的問題，從而達到互聯互通網絡協同和網絡化智能化鑄造的目的。實現該過程則需要從多個方面進行研究，在與硬件結合方面：智能化鑄造裝備技術和軟硬件雙向數據集成技術研究，鑄件信息現場識別技術與設備；在鑄造工藝方面：搭建鑄造工藝知識庫，鑄造工藝生產質量的數字化管理與協同技術；在管理方面：鑄造生產數據柔性化分析理論和系統技術，鑄造全業務流程集成化和產業鏈集成化系統技術。在以上技術逐個突破的基礎上，開發出網絡化智能化的鑄造工藝、生產、質量集成的軟硬件技術平臺，整體實現鑄造生產流程軟硬件信息智能化集成及柔性化分析[21]。 3. 目標（1）預計到2020年，要達到的目標： 突破傳統鑄造生產流程軟硬件信息交流的技術難點，通過搭建柔性化信息處理分析技術系統，構建一個互聯互通網絡協同和網絡化、智能化的鑄造集成的軟硬件技術平臺。（2）預計到2025年，要達到的目標： 做到產業鏈網絡、企業價值鏈網絡、數字化管理系統與車間設備軟硬件網絡三個方面的集成，實現智能化鑄造和智能化管理。（3）預計到2030年，要達到的目標： 促進產業結構升級，打造若干個鑄造4.0示范工廠，提升行業整體實力。 六、建立完善的鑄造材料物性參數數據庫以及先進的物理實驗平臺 1. 現狀 材料物性參數是數字化鑄造的直接依據，對建模與數值模擬結果的準確性和可靠性起決定性作用。當前階段鑄造過程數值模擬中應用到的材料性能參數可以劃分為充型凝固模擬用性能參數、熱應力分析用力學性能參數以及微觀組織模擬用性能參數等[22]。具體說來，鑄造過程模擬用的物性參數包括：材料本身的物理參數，如密度等；與傳熱有關的熱物性參數，如導熱系數、比熱、熱焓（結晶潛熱）等；和收縮有關的參數，如體積收縮系數和線收縮系數；和液態流動有關的參數，如黏度、表面張力等；和力學性能有關等參數，如楊氏彈性模量、剪切彈性模量、塑性硬化模量、泊松比、屈服應力、斷裂應力等；和組織變化有關的參數，如相變溫度、溶質擴散系數、相圖等；和電磁有關的參數，如電導率等。 鑄造過程涉及金屬材料、造型/制芯材料、涂料等多種材料，這些材料有著本質的不同。這些材料既有金屬又有非金屬，既有固體材料、又有散體材料，還有液體材料。在鑄造過程中鑄件、鑄型或輔助材料的溫度和狀態都發生很大的變化。材料參數還和模擬尺度有關系。例如某些材料的彈性模量，在宏觀尺度中可認為其各向同性；而在介觀尺度，則表現為明顯的各向異性[23]。另外，隨著模擬計算的深入，涉及多尺度、多物理現象的耦合等，精度要求不斷提高，因此材料性能參數與對材料內在特性的知識已經不能滿足鑄造過程凝固模擬的需求，甚至阻礙了模擬的進一步發展。但獲得準確且完整的物性參數仍然十分困難，這是當前影響鑄造過程數字化的重要因素之一[24]。 為了順利發展數字化鑄造技術，并進行工藝設計集成來保證鑄件質量以及達到壽命的預測，迫切需要建立標準化的關鍵材料性能數據庫，用來存儲關于加工工藝和微觀組織的關系、微觀組織的信息、微觀組織和材料性能的關系等，用來支持計算模型的開發和驗證。 2. 挑戰 我國在數字化鑄造方面的相關配套基礎薄弱，如沒有專門的數據庫、沒有材料數據熱力學計算軟件，在該方面是完全空白，完全依賴國外軟件如JmatPro、Thermo-Calc、Pandat等。材料的性能參數一般在各種手冊和文章中均可以找到一些，但往往是不全面的、不完整的。同時對于同一參數不同來源的數值有時差距很大，甚至相互矛盾。因此如何搜集和整理這些參數并且進行可靠性驗證十分重要。數據的可靠性可以通過相似材料的相互對比來進行校核。通過實驗與計算、以及文獻檢索和校核等多種方法可以獲得鑄造材料的物性參數，并通過數據庫技術實現數據的共享、檢索、引用，為數字化鑄造奠定堅實的基礎。 3. 目標（1）預計到2020年，要達到的目標： 建立標準化的鑄造過程信息分類方法，并以此為基礎建立開放的鑄造材料數據庫。（2）預計到2025年，要達到的目標： 建立先進的實驗平臺，為獲得精確的材料物性參數提供技術支持，并為數字化鑄造技術提供實驗驗證平臺。（3）預計到2030年，要達到的目標： 以信息學技術研究材料不同物理量之間的內在聯系，建立完善的鑄造數字化、網絡化、智能化應用的數據庫，面向鑄造行業全面開放。參考文獻：[1] 柳百成. 集成計算材料工程（ICME）在高端成形制造行業應用 [J]. 中國工程院咨詢報告， 2014.[2] 中華人民共和國國務院. 國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2016-2020年）[EB/OL]. http：//www. most. gov. cn/mostinfo/xinx-ifenlei/gjkjgh/200811/t20081129_65774. htm[3] 國家制造強國建設戰略咨詢委員會，中國工程院戰略咨詢中心.《中國制造2025》解讀——省部級干部專題研討班報告集 [M]. 北京：電子工業出版社，2016.[4] The future of Manufacturing [EB/OL]. https//www. gov. uk.[5] 柳百成. 數字化制造需要新思維 [J]. 中國經濟和信息化，2014（6）：18-19.[6] 國家制造強國建設戰略咨詢委員會，中國工程院戰略咨詢中心. 智能制造 [M]. 北京：電子工業出版社，2016.[7] Tu Wutao，Zhang Xiong，Shen Houfa，et al. 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孫夢桐1，劉 政2，陳志平2，陳 濤1 基于稀土在鋁合金中誘發共晶反應進而細化凝固組織的機制，設計了Gd-Nd-Y-Ce四元稀土復合細化劑，并輔以梯度保溫措施，使半固態A356鋁合金在保溫階段按照Al-RE共晶溫度由高到低依次發生共晶反應，提高共晶產物的保存率，進而研究多元稀土對半固態A356鋁合金凝固組織的梯度細化效果。結果表明：四元稀土按照正交試驗設計的百分比添加量加入，在650 ℃澆注，并按照645 ℃/30 s-635 ℃/40 s-625 ℃/50 s-615 ℃/60 s進行梯度保溫，615 ℃水淬脫模后，借助公式獲得不同試樣的細化特征參量。采用綜合平衡法，對正交試驗獲得的極差R和試驗指標Ki進行參數分析，獲得四元稀土在優化方案下的最佳配比為：0.5%Gd+0.2%Nd+0.4%Y+0.2%Ce，試驗驗證此時A356鋁合金初生相的平均等積圓直徑為83.013 μm，形狀因子為0.817，細化效果最好。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 稀土Er對鑄態Mg-6Al合金顯微組織和力學性能的影響 ? 崔紅衛1，張甜甜1，余 暉2，賈秋榮1，崔曉麗1，陳洪美3，翟慎寶4，柴韶春4，閔光輝5 基于改善鑄態Mg-6Al鎂合金力學性能的目的，本研究利用OM、SEM、XRD、萬能電子拉伸試驗機系統研究了加入不同含量稀土Er（0, 0.2%, 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%）對鑄態Mg-6Al合金晶粒尺寸、第二相形態、數量、大小和分布以及力學性能的影響。結果表明，加入Er會產生Al3Er新相；適量添加Er有良好的細化晶粒作用；第二相形態也由連續或不連續網狀轉變為短棒狀或顆粒狀，同時數量明顯增多，尺寸減小，分布更加均勻；但當Er添加量高于1.5%時會引起晶粒和第二相粗化團聚，降低材料力學性能；Mg-6Al合金中最優Er添加量為1.0%，此時合金的抗拉強度181MPa，伸長率9.3%。并詳細討論了晶粒細化機理及Er對第二相的影響機理。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 壓力鑄造 電磁攪拌半固態鋁合金磁感應強度的優化 ? 陳志平1，劉 政1，陳 濤2 通過建立簡化的二維電磁攪拌模型，利用ANSYS 15.0求解其中的磁感應強度分布，模擬了不同坩堝半徑、不同電壓和不同頻率對磁感應強度最大值的影響。模擬結果表明，在坩堝半徑0到0.85R的條件下，磁感應強度隨電壓的增大而增大，隨頻率的增大而減小，且在0.85R出現較大的磁感應強度。將正交試驗應用到半固態鋁合金電磁場分析中，得到影響磁感應強度的主要因素順序為：電壓、頻率、坩堝半徑。利用正交試驗找到了最優水平組合方案，即：電壓為380 V，頻率為30 Hz，坩堝半徑為27.5 mm。實驗驗證證實了數值模擬的正確性。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 鋁合金壓鑄件后處理過程中的“機器換人” ? 楊文健，于革剛 鋁合金壓鑄件后處理過程包括鑄件在壓鑄成形后切冒口、矯形、打磨、去毛刺等工序。國內壓鑄企業的后處理多以人工方式進行，勞動強度大，環境污染嚴重（粉塵、噪音），單調重復且技術含量低，導致后處理工序招工難，壓鑄企業勞動生產率低，“機器換人”已是大勢所趨。文中以打磨/去毛刺環節為例，探討“機器換人”的技術路線及其影響因素，對壓鑄件后處理過程的“機器換人”實現方案給出示范分析，為企業決策者提供決策參考。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 變速器撥叉用過共晶鋁硅合金壓鑄性能研究 ? 陸從相，周鵬飛，李天景 以Al-17Si-4.5Cu-0.5Mg合金為原料，分析了自動變速箱用換擋撥叉壓鑄件的組織和性能。通過對壓鑄件不同部位的組織觀察、斷口形貌分析及能譜檢測得出：壓鑄件Si相大小約40～60 μm；組織中存在富Cu相及針狀Fe相；斷口處沒有典型的韌窩特征，出現可見粗大第二相，破碎的Si相，斷裂方式屬于脆性斷裂；合金斷口由裂紋發展導致，裂紋附近的Si顆粒出現明顯裂紋和破碎。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 半固態成形 亞微米SiC顆粒對Al-5Mg合金組織和性能的影響 ? 胡 坤1，2，唐 鑫1，2，胡清華2，熊 斯2，龍 勝2 采用半固態攪拌輔助超聲處理的方法制備不同質量分數（1.5%和3%）亞微米SiC顆粒增強Al-5Mg復合材料，研究了SiC/Al-5Mg復合材料的微觀組織以及室溫拉伸性能。結果表明：亞微米SiC顆粒的加入提高材料的綜合力學性能；隨著SiC含量增加，復合材料的晶粒逐漸減小，這主要由于凝固過程中SiC顆粒能有效地促進α-Al形核并阻礙晶粒長大。其強化機制以細晶強化為主。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 復合材料 基于層次分析法與數據挖掘的砂鑄工藝自評價模型及應用 ? 豆義華，計效園，周建新，葉 虎，張明珠 建立了一種基于層次分析法與數據挖掘的砂鑄工藝自評價模型，能夠根據各工藝版本的生產與質量等實際數據實時對該版本工藝進行自動評分，為工藝版本升級提供科學依據。首先通過層次分析法建立工藝單的評價指標，確定子評價指標的權重；其次，利用數據挖掘方法在企業ERP系統中獲取所有指標的數據，并結合模糊綜合評價方法對不同版本的鑄造工藝單進行自動評分；最后，將該模型應用于某砂型鑄造企業，應用效果表明其可以科學地指導鑄造企業的工藝改進或換版，并且有效改善和提高鑄件質量和企業綜合效益?？蔀榛趯嶋H數據的工藝自動評價提供參考。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 計算機應用 45#鋼管激光熔覆不銹鋼粉末的參數研究 ? 張美美，白培康，劉 斌 通過改變掃描速度和功率研究在45#鋼管表面激光熔覆不銹鋼粉末，觀察熔覆層的顯微組織，測試試樣硬度。結果表明，顯微硬度從結合區域到熔覆層頂部隨掃描速度增加而增加，隨功率增加而增加，其整體硬度相對基體提高4倍左右。根據上述分析得出最佳工藝參數：功率為2 100 W，掃描速度12 mm/s，用該參數熔覆45#鋼管，試驗得出在30%搭接率條件下能夠獲得硬度顯著提高的管材，表明該組參數能夠滿足激光熔覆45#鋼管的應用研究，從而為不銹鋼熔覆中碳鋼零件提供參考。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 基于ProCAST的云溪環保砂鑄造工藝 ? 駱祎嵐1，夏春禮1，范金輝1，白云峰1，朱世根1，2 云溪環保砂型相比于傳統的煤粉砂型來說，具有環保、無污染的優勢，但用云溪環保砂生產鑄件時，鑄件凝固更快，這必然對鑄造工藝提出新的要求。為了探究云溪環保砂的適用性，本文以云溪環保砂為對象，借助有限元鑄造模擬軟件ProCAST，對鑄件周圍型砂的溫度場以及某輪形件的凝固場和溫度場進行數值模擬。在對模擬結果分析的基礎上，采用外圓切向引入合金液的方式代替原工藝，使環保砂生產的鑄件滿足質量要求。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 試驗研究 機車輪心鑄造工藝優化及生產控制 ? 付海昌1，楊 軍2 針對機車輪心在鑄造生產過程中出現大面積砂眼、夾渣，縮松和疏松等缺陷進行分析，找出原鑄造工藝設計方面存在的問題。利用Pro-e建模軟件和Magma模擬軟件進行工藝建模和模擬，根據模擬結果對輪心工藝進行優化設計，經生產驗證，采用改進工藝生產的鑄件，滿足技術要求，效果很好。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 奧氏體球墨鑄鐵超低溫沖擊斷裂行為研究 ? 張新寧1，姜 珂2 以奧氏體球墨鑄鐵為研究對象，研究其低溫沖擊的斷裂行為。首先研究奧氏體球墨鑄鐵在沖擊斷裂過程中裂紋形成功及裂紋擴展功等各部分能量隨溫度的變化規律:奧氏體球墨鑄鐵在20～-196 ℃溫度范圍內沖擊吸收功呈先上升后下降的趨勢，裂紋的亞穩擴展能量是決定低溫沖擊性能的主要因素。其次研究奧氏體球墨鑄鐵低溫延性斷裂行為的微觀機理，采用SEM斷口分析方法系統研究不同溫度下奧氏體球墨鑄鐵延性斷裂的裂紋萌生、擴展過程及隨溫度演變規律。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 熱疲勞上限溫度對球墨鑄鐵抗熱疲勞性能的影響 ? 陳 丹，吳素珍，吳令憲，王朋坤，閆明輝 研究了熱疲勞不同上限溫度Tmax（600 ℃、700 ℃、800 ℃）對球墨鑄鐵的抗熱疲勞性能以及組織的影響。隨著上限溫度升高, 珠光體分解加快，石墨與基體剝離，且基體表面出現凹陷，球鐵的抗熱疲勞性能下降。上限溫度增加對裂紋擴展方式影響不大，主裂紋的擴展總是從人工缺口出發，穿過低強度的鐵素體基體，聯接沿線石墨或凹陷基體，向試樣的另一端擴展。隨著熱循環次數增加，球鐵硬度呈現先上升后下降的趨勢，Tmax為800 ℃時，硬度的上升和下降速率顯著增大。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 含Ti鑄造雙相不銹鋼組織與耐腐蝕性能研究 ? 滕鋁丹，曹 靜，張 拓，楊弋濤 運用電化學實驗測試含Ti鑄造雙相不銹鋼的耐腐蝕性能，并與不含Ti鑄造雙相不銹鋼進行對比；為了探究Ti的作用，對含Ti鑄造雙相不銹鋼進行金相組織觀察以及碳化物定量定性分析，并利用布氏硬度計測定硬度；采用掃描電鏡（SEM）和能譜分析（EDS）對含Ti鑄造雙相不銹鋼未腐蝕和腐蝕試樣表面形貌觀察。試驗結果表明，含Ti鑄造雙相不銹鋼中碳化物類型主要是Cr23C6和(Ti, Nb)C，Ti能減少鑄造雙相不銹鋼中Cr23C6以及富Cr區形成，提高其耐腐蝕性能；含Ti鑄造雙相不銹鋼中奧氏體為弱相，奧氏體中富Cr區附近以及鐵素體和奧氏體相界處是含Ti鑄造雙相不銹鋼腐蝕發生的主要區域。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 一種鎳基合金鑄件高溫拉伸性能的研究 ? 馮 微1，趙會彬1，周同金1，2，孟 宇1 大型鑄件的組織均勻性是其具有優良力學性能的根本保證。已有研究中，對直徑大于1 000 mm大型鑄件不同部位的組織與性能分析較少。本研究以某鎳基合金鑄件(Ф1 120 mm)為研究對象，對鑄件本體不同部位取樣做1 100 ℃高溫拉伸性能測試，針對裂紋萌生和擴展部位分析斷裂原因。結果表明：鑄件截面不同部位1 100 ℃高溫抗拉強度σb存在一定差別，最高為355 MPa，最低220 MPa。OM、SEM和EDS的分析結果表明：體積分數高達42%的初生M6C碳化物是促使激冷晶區高溫抗拉強度下降的主要原因，顯微疏松的存在使疏松區發生脆斷，冒口端存在大量骨架狀的初生硼化物，成為裂紋源。當疏松體積分數低于5%，初生M6C體積分數控制在3%以下時，可保證該合金鑄件1 100 ℃高溫抗拉強度大于320 MPa。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 應用技術 構建面向解決復雜工程問題的鑄造卓越工程師培養體系探索 ? 張建軍，魏曉偉，丁士華 探索了構建解決復雜工程問題的鑄造卓越工程師培養體系，建立了虛擬及模擬與現實實踐平臺。采取“引導與主導”相互配合協調的教學方法，探索以產學研相結合的方式培養鑄造卓越工程師解決復雜工程問題的能力,并構建了相應的評價體系。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] C11下缸體鑄造工藝分析及斷芯解決措施 ? 黃 淵，稅國紅，高 翌 為生產出高品質的發動機缸體，在分析鑄件結構的基礎上，對缸體進行砂芯設計，確定澆注方式及熔煉工藝。為解決鑄件出現的斷芯問題，采用MAMGA軟件進行模擬，分析充型速度；采用“8”字試塊，檢驗表干時間和表干溫度對砂芯抗拉強度的影響。通過增加阻流截面積，調整砂芯成分，設定表干溫度和時間及更改油道芯固定方式解決了斷芯問題。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 地鐵轉向架關鍵鑄鋼件失效分析及質量改進 ? 陳紅圣，徐貴寶，李平平 從宏觀特征、微觀組織、理化性能、金相組織等方面，分析了某地鐵轉向架用關鍵薄壁鑄鋼件發生疲勞裂紋的原因。依據失效分析結果，對裂紋部位進行鑄造工藝分析，通過鑄造工藝、材料及技術要求的優化升級，顯著提高了產品內外部質量，大大提高了該鑄件的可靠性與使用壽命，確保行車安全。 [摘要] [HTML 0KB] [PDF全文] 人才培養