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鑄造技術(shù)發(fā)展趨勢及新一代精確鑄造技術(shù)

發(fā)展方向

輕量化、精確化、強(qiáng)韌化、高效化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和清潔化

一、鑄件輕量化

近年來，對通過降低產(chǎn)品自重，以降低能源消耗和減少環(huán)境污染，提出了更迫切的需要，由于鋁、鎂合金的質(zhì)量輕以及它們的優(yōu)異性能，受到各國的普遍重視，尤其是鎂合金是金屬中最輕的，而且其產(chǎn)品材料回收率高，被認(rèn)為是一種最具開發(fā)和發(fā)展前途的“綠色材料”。例如，美國福特汽車公司新車型中使用的主要材料中鋼鐵用量將大幅度減少，將從978kg降低到218kg，而鋁及鎂合金將顯著增加，鋁合金將從129kg增加到333kg，鎂合金將從4.5kg增加到39kg。專家預(yù)測，到2009年，74%的汽車發(fā)動機(jī)汽缸體及98%的缸蓋將用鋁合金鑄造。

二、鑄件的精確化——新一代的精確鑄造技術(shù)

名稱

原理和特點(diǎn)

適用生產(chǎn)的鑄件

出品率

毛坯

利用率

應(yīng)    用

材料

(1)質(zhì)量

(2)最小壁厚/mm

(1)尺寸公差

(2)表面粗糙度/μm

形狀

特征

批量

/%

消 失 模 鑄 造

是先用成形機(jī)獲得零件形狀的泡沫塑料模型(代替鑄模進(jìn)行造型)，接著涂抹耐火涂料及干燥，然后放入砂箱中填砂，并直接澆注液體金屬，燒去塑料模型，得到鑄件的方法。是一種近無余量，精確成形的新工藝

它無需取模，無分型面，無砂芯，并減少了由于型芯組合、合型而造成的尺寸誤差，因此，鑄件沒有飛邊、毛刺和超模斜度，尺寸精度高；工序簡單，生產(chǎn)效率高；生產(chǎn)清潔，工人勞動強(qiáng)度低，要求技術(shù)熟練程度低；零件設(shè)計(jì)自由度大；投資少，成本低；但生產(chǎn)準(zhǔn)備較復(fù)雜

合肥合力叉車集團(tuán)公司生產(chǎn)的這類鑄件，已達(dá)國際先進(jìn)水平

鋁合金、銅合金、鐵、鋼

(1)從數(shù)克到數(shù)噸

(2)鋁合金2～3，鑄鐵4～5，鑄鋼5～6

(1)CT6～CT

9級

(2)Ra＝6.3～12.5，加工余量最多為1.5～2mm

各

種

形

狀

鑄

件

干砂振動造型，大批量，中、小件；自硬砂造型，單件，小批量，中、大件

40～75

70～80

鑄件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，砂芯越多，越能體現(xiàn)其優(yōu)越性和經(jīng)濟(jì)性。目前國外多用在汽車發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋、進(jìn)氣歧管等鋁合金鑄件上，國內(nèi)多是管件、耐磨耐熱件、齒輪箱等鋼鐵鑄件

順 序 凝 固 熔 模 鑄 造

由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的失蠟鑄造技術(shù)已發(fā)展成為順序凝固熔模鑄造新技術(shù)，可以直接生產(chǎn)高溫合金單晶體燃?xì)廨啓C(jī)葉片

(見圖)，這是精確鑄造成形技術(shù)在航空、航天工業(yè)中應(yīng)用的杰出范例。從20世紀(jì)60年代初期等軸晶高溫合金實(shí)心渦輪葉片發(fā)展到20世紀(jì)90年代中期單晶高溫合金空心渦輪葉片，葉片的承溫能力提高了400℃左右。單晶高溫合金渦輪葉片已在航空發(fā)動機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用(見圖1)。美國第四代戰(zhàn)斗機(jī)F22所用的推重比為10的發(fā)動機(jī)的第二代單晶合金高壓渦輪空心工作葉片是材料與鑄造成形制造技術(shù)高度集成的杰出體現(xiàn)。在這方面，我國與美國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，仍有較大差距。

圖1  單晶高溫合金渦輪葉片的應(yīng)用

熔模鑄造(又稱失蠟鑄造)

它是用可熔(溶)性一次模和一次型(芯)使鑄件成形的方法。其鑄件接近零件最后形狀，可不加工，或加工量很小，就可直接使用，是一種近凈形生產(chǎn)金屬零件的先進(jìn)工藝

它可以鑄造形狀復(fù)雜的鑄件；產(chǎn)品精密；合金材料不受限制；生產(chǎn)靈活性高，適應(yīng)性強(qiáng)

但生產(chǎn)鑄件尺寸不能太大，工藝流程煩瑣，鑄件冷卻速度較慢，生產(chǎn)周期長

鋁、鎂、銅、鈦四種合金，鑄鐵、碳鋼、不銹鋼、合金鋼、貴金屬、鎳、鈷基高溫合金

(1)1g到1t

(2)最小壁厚

0.5mm，最小孔徑05mm，輪廓尺寸從幾毫米到上千毫米

(1)CT4～CT6級

(2)Ra＝0.4～3.2μm

復(fù)雜

鑄件

小、中、大批量

30～60

90

主要用于精密復(fù)雜的中、小鑄件，目前幾乎已應(yīng)用于所有工業(yè)部門，如航空航天、造船、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、兵器、電子、石油、化工、交通運(yùn)輸、機(jī)械、泵、閥、紡織、醫(yī)療、儀器儀表、家電等

半  固  態(tài)  金  屬  鑄  造

是利用球狀初生固相的固液混合漿料鑄造成形；或先將這種固液混合漿料完全凝固成坯料，再根據(jù)需要將坯料切分，并重新加熱至固液兩相區(qū)，利用這種半固態(tài)坯料進(jìn)行鑄造成形。這兩種方法均稱為半固態(tài)金屬鑄造。其工藝過程主要分為兩大類工藝過程

由于半固態(tài)金屬及合金坯料的加熱、輸送很方便，并易于實(shí)現(xiàn)自動化操作，因此，當(dāng)固態(tài)金屬觸變壓鑄和觸變鍛造已成為當(dāng)今金屬半固態(tài)成形中的主要工藝方法。但流程更短、成本更低的半固態(tài)金屬及合金的流變成形技術(shù)也正在逐步進(jìn)入實(shí)際商業(yè)應(yīng)用

例如，利用觸變鑄造法，1997年美國兩家半固態(tài)鋁合金成形工廠的生產(chǎn)能力分別達(dá)到每年5000萬件，近年來，它的一些主要零件毛坯年產(chǎn)量為:制動總泵體240萬件，油道和發(fā)動機(jī)支架各100萬件，搖臂座150萬～200萬件，同步帶托座20萬件。另一公司利用鎂合金觸變射鑄技術(shù)生產(chǎn)了50余萬件半固態(tài)鎂合金汽車零件。北京科技大學(xué)也成功連續(xù)鑄出球狀初生晶粒的AlSi7Mg合金坯料，并觸變成形出汽車制動總泵殼及其他零件，觸變成形實(shí)驗(yàn)達(dá)到中試水平等

工 藝 過 程 分 類

(1)流變鑄造 是利用劇烈攪拌等方法制出預(yù)定固相分散的半固態(tài)金屬料漿進(jìn)行保溫，然后將其直接送入成形機(jī)，鑄造或鍛造成形。采用壓鑄機(jī)成形的稱為流變壓鑄，采用鍛造機(jī)成形的，稱為流變鍛造

圖2  半固態(tài)金屬流變壓鑄示意圖

1—攪拌棒；2—合金液；3—加熱器；4—冷卻器；5—攪拌室；

6—半固態(tài)合金漿料；7—壓射沖頭；8—壓鑄壓射室；9—壓鑄型

(2)觸變鑄造 也是利用劇烈攪拌等方法制出球狀晶的半固態(tài)金屬料漿，并將它進(jìn)一步凝固成錠坯或坯料，再按需要將坯料分切成一定大小，重新加熱至固液兩相區(qū)，然后利用機(jī)械搬運(yùn)將其送入成形機(jī)，進(jìn)行鑄造或鍛造。根據(jù)采用成形機(jī)不同，也可分為觸變壓鑄、觸變鍛造等

圖3  半固態(tài)金屬觸變壓鑄示意圖

圖4  半固態(tài)金屬觸變壓鑄設(shè)備平面布置圖

1—坯料搬運(yùn)機(jī)器人；2—H-630SC型壓鑄機(jī)；3—鑄件抓取機(jī)器人；

4—澆注系統(tǒng)鋸切機(jī)構(gòu)；5—鑄件冷卻箱；

6—涂料噴涂裝置；7—加熱系統(tǒng)

優(yōu)

點(diǎn)

①在重力下，重熔加熱后的黏度很高，可機(jī)械搬運(yùn)，便于實(shí)現(xiàn)自動化，在高速剪切作用下，黏度又可迅速降低，便于鑄造；②生產(chǎn)效率高；③改善了金屬的充型過程，不易發(fā)生噴濺，減少了合金的氧化和鑄件裹氣，提高了鑄件的致密性，可通過熱處理進(jìn)一步強(qiáng)化，其強(qiáng)度比液體金屬壓鑄件更高；④減少了凝固收縮，鑄件收縮孔洞減少，可承受更高液體壓力；⑤鑄件不存在宏觀偏析，性能更均勻；⑥其固相分散，便于調(diào)整，借此改變半固態(tài)金屬料漿或坯料的表面黏度以適應(yīng)不同工件的成形要求；⑦鑄件為近終化成形，大幅度減少毛坯加工量，降低了生產(chǎn)成本；⑧充型溫度低，減輕了對模具的熱沖擊，提高了模具壽命；⑨節(jié)約能源25%～30%；⑩操作更安全，工作環(huán)境更好；(11)半固態(tài)金屬的黏度較高，便于加入增強(qiáng)材料(顆粒或纖維)廉價(jià)生產(chǎn)復(fù)合材料；(12)充填應(yīng)力顯著降低，因此，可成形很復(fù)雜的零件毛坯，其鑄件性能與固態(tài)鍛件相當(dāng)，而降低了成本

不同鑄件力學(xué)性能比較

A356和A357合金半固態(tài)觸變壓鑄件與其他鑄件的力學(xué)性能比較

合金

種類

成形

工藝

熱處

理工

藝

屈服

強(qiáng)度

/MPa

抗拉

強(qiáng)度

/MPa

伸長

率

/%

硬度

HBS

合金

種類

成形

工藝

熱處

理工

藝

屈服

強(qiáng)度

/MPa

抗拉

強(qiáng)度

/MPa

伸長

率

/%

硬度

HBS

A356

SSM

SSM

SSM

SSM

SSM

PM

PM

CDF

鑄態(tài)

T4

T5

T6

T7

T6

T51

T6

110

130

180

240

26

186

138

280

220

250

255

320

310

262

186

340

14

20

5～10

12

9

5

2

9

60

70

80

105

100

80

—

—

A357

SSM

SSM

SSM

SSM

SSM

PM

PM

鑄態(tài)

T4

T5

T6

T7

T6

T51

115

150

200

260

290

296

145

220

275

285

330

330

359

200

7

15

5～10

9

7

5

4

75

85

90

115

110

100

—

注：SSM—半固態(tài)觸變壓鑄件，PM—金屬型鑄件，CDF—閉模鍛件。

快  速  鑄  造

快速鑄造是利用快速成形技術(shù)直接或間接制造鑄造用熔模、消失模、模樣、模板、鑄型或型芯等，然后結(jié)合傳統(tǒng)鑄造工藝快捷地制造鑄件的一種新工藝

快速鑄造與傳統(tǒng)鑄造比較有下列特點(diǎn)：

(1)適宜小批量、多品種、復(fù)雜形狀的鑄件

(2)尺寸任意縮放，數(shù)字隨時(shí)修改，所見即所得

(3)工藝過程簡單，生產(chǎn)周期短，制造成本低

(4)返回修改容易

(5)CAD三維設(shè)計(jì)所有過程基于同一數(shù)學(xué)模型

(6)設(shè)計(jì)、修改、驗(yàn)證、制造同步

快速鑄造可以將CAD模型快速有效地轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘倭慵Ｋ粌H能使過去小批量、難加工、周期長、費(fèi)用高的鑄件生產(chǎn)得以實(shí)現(xiàn)，而且將傳統(tǒng)的分散化、多工序的鑄造工藝過程集成化、自動化、簡單化。它的推廣應(yīng)用對新產(chǎn)品開發(fā)試制和單件小批量鑄件的生產(chǎn)，產(chǎn)生積極的影響，SLA或SL適合成形中、小件，可直接得到類似塑料的產(chǎn)品

快速成形技術(shù) 是指在計(jì)算機(jī)控制與管理下，根據(jù)零件的CAD模型，采用材料精確堆積的方法制造原型或零件的技術(shù)，是一種基于離散/堆積成形原理的新型制造方法

原   理

它是先由CAD軟件設(shè)計(jì)出所需零件的計(jì)算機(jī)三維實(shí)體模型，即電子模型。然后根據(jù)工藝要求，將其按一定厚度進(jìn)行分層，把原來的三維電子模型變成二維平面信息(截面信息)。再將分層后的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，加入加工參數(shù)，生成數(shù)控代碼，在微機(jī)控制下，數(shù)控系統(tǒng)以平面加工方式，順序地連續(xù)加工出每個(gè)薄層模型，并使它們自動粘接成形。這樣就把復(fù)雜的三維成形問題變成了一系列簡單的平面成形問題

圖5  快速成形的原理

特   點(diǎn)

它是一種新的成形方法，不同于傳統(tǒng)的鑄、鍛、擠壓等“受迫成形”和車、銑、鉆等“去除成形”。它幾乎能快速制造任意復(fù)雜的原型和零件，而零件的復(fù)雜程度對成形工藝難度、成形質(zhì)量、成形時(shí)間影響不大

(1)高度柔性 它取消了專用工具，在計(jì)算機(jī)的管理和控制下可以制造任意復(fù)雜形狀的零件，將信息過程和物理過程高度相關(guān)地并行發(fā)生，把可重編程、重組、連續(xù)改變的生產(chǎn)裝備用信息方式集中到一個(gè)制造系統(tǒng)中，使制造成本完全與批量無關(guān)

(2)技術(shù)高度集成 是計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、材料技術(shù)和機(jī)械技術(shù)的綜合集成。計(jì)算機(jī)

圖6  快速成形的過程

和數(shù)控技術(shù)為實(shí)現(xiàn)零件的曲面和實(shí)體造型、精確離散運(yùn)算和繁雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，為高速精確的二維掃描以及精確高效堆積材料提供了保證；激光器件和功率控制技術(shù)使采用激光能源固化、燒結(jié)、切割材料成為現(xiàn)實(shí)；快速掃描的高生產(chǎn)率噴頭為材料精密堆積提供了技術(shù)條件等

(3)設(shè)計(jì)、制造一體化 由于采用了離散/堆積的加工工藝，工藝規(guī)劃不再是難點(diǎn)，CAD和CAM能夠順利地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、制造一體化

(4)快速性 從CAD設(shè)計(jì)到原型加工完畢，只需幾小時(shí)至幾十小時(shí)，復(fù)雜、較大的零部件也可能達(dá)幾百小時(shí)，從總體看，比傳統(tǒng)加工方法快得多

幾 種 典 型 工  藝

(1)液態(tài)光敏聚合物選擇性固化成形

(簡稱SLA或SL) 這種工藝的成形機(jī)原理如圖7所示，由液槽、升降工作臺、激光器(為紫外激光器，如氦隔激光器、氬離子激光器和固態(tài)激光器)、掃描系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)等組成。液槽中盛滿液態(tài)光敏聚合物，帶有許多小孔的升降工作臺，在步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動下，沿Z軸作往復(fù)運(yùn)動，激光器功率一般為10～200mW，波長為320～370nm，掃描系統(tǒng)為一組定位鏡，它根據(jù)控制系統(tǒng)的指令，按照每一截面輪廓的要求作高速往復(fù)擺動，從而使激光器發(fā)出的激光束發(fā)射并聚焦于液槽中液態(tài)光敏聚合物的上表面，并沿此面作X-Y方向的掃描運(yùn)動。在受到紫外激光束照射的部位，液態(tài)光敏聚合物快速固化形成相應(yīng)的一層固態(tài)截面輪廓

圖7  液態(tài)光敏聚合物選擇性固化成形機(jī)原理

1—激光器；2—掃描系統(tǒng)；3—刮刀；4—可升降工作臺

1；5—液槽；6—可升降工作臺2

它的成形過程如圖8所示，升降工作平臺的上表面處于液面下一個(gè)截面層厚的高度，該層液態(tài)光敏聚合物被激光束掃描發(fā)生聚合固化，并形成所需第一層固態(tài)截面輪廓后，工作臺下降一層高度，液態(tài)光敏聚合物流過已固化的截面輪廓層，刮刀按設(shè)定的層高，刮去多余的聚合物，再對新鋪上的一層液態(tài)聚合物進(jìn)行掃描固化，形成第二層所需固態(tài)截面輪廓，它牢固地黏結(jié)在前一層上，如此重復(fù)直到整個(gè)工件成形完成

圖8  液態(tài)光敏聚合物選擇性固化成形過程

1—液槽；2—刮刀；3—可升降工作臺；4

—液態(tài)光敏聚合物；5—制件

(2)薄形材料選擇性切割成形(簡稱LOM) 這種工藝的成形機(jī)原理如圖9所示，它由計(jì)算機(jī)、原材料存儲及送進(jìn)機(jī)構(gòu)、熱粘壓機(jī)構(gòu)、激光切割系統(tǒng)、可升降工作臺和數(shù)控系統(tǒng)、模型取出裝置和機(jī)架等組成。其成形過程如圖10所示，計(jì)算機(jī)接受和存儲工件的三維模型，沿模型的高度方向提取一系列的橫截面輪廓線，向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令，原材料存儲及進(jìn)給機(jī)構(gòu)將存于其中的原材料逐步送至工作臺上方，熱粘壓機(jī)構(gòu)將一層層材料粘合在一起。激光切割系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)提取的橫截面輪廓線，逐一在工作臺上方的材料上切割出輪廓線，并將無輪廓區(qū)切割成小方網(wǎng)格，這是為了在成形之后能剔除廢料，可升降工作臺支承正在成形的工件，并在每層成形之后，降低一層材料厚度，以便送進(jìn)、粘合和切割新的一層材料。數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令，使一段段的材料逐步送至工作臺的上方，然后粘合、切割，最終形成三維工件

圖9  薄形材料選擇性切割成形機(jī)原理

1—計(jì)算機(jī)；2—激光切割系統(tǒng)；3—熱粘壓機(jī)構(gòu)；

4—導(dǎo)向輥1；5—原材料；6—原材料存儲及送進(jìn)機(jī)構(gòu)；

7—工作臺；8—導(dǎo)向輥2

最適合成形中、大件以及多種模具

圖10  薄形材料選擇性切割成形過程

(3)絲狀材料選擇性熔覆成形(簡稱FDM) 這種工藝的成形機(jī)的原理圖如圖11所示，加熱噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)截面輪廓的信息作X-Y平面運(yùn)動和Z方向運(yùn)動。絲狀熱塑性材料，如ABS及MABS塑料絲、蠟絲、聚烯烴樹脂絲、尼龍絲、聚酰胺絲等由供絲機(jī)構(gòu)送至噴頭，并在噴頭中加熱至熔融態(tài)，然后被選擇性地涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成截面輪廓。完成一層成形后，噴頭上升一截面層的高度，再進(jìn)行下一層的涂覆，如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品。為提高成形效率，可采用多個(gè)熱噴頭進(jìn)行涂覆。由于結(jié)構(gòu)的限制，加熱器的功率不能太大，因此，實(shí)芯柔性絲材一般為熔點(diǎn)不太高的熱塑性塑料或蠟料

圖11 絲狀材料選擇性熔覆成形機(jī)的原理

1—供絲機(jī)構(gòu)；2—絲狀材料；

3—制件；4—加熱噴頭

適合制造中、小塑料件和蠟件

(4)粉末材料選擇性黏結(jié)成形(簡稱TDP) 是用多通道噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)截面輪廓信息在鋪好的一層粉末材料上有選擇性地噴射黏結(jié)劑使部分粉末黏結(jié)，形成截面輪廓。一層成形完成后，工作臺下降一截面層的高度，再進(jìn)行下一層的黏結(jié)，如此循環(huán)，最終形成三維工件。一般情況下，黏結(jié)得到的工件必須放在加熱爐中，進(jìn)一步固化或燒結(jié)，以便提高黏結(jié)強(qiáng)度。其工藝原理如圖12所示

圖12  粉末材料選擇性黏結(jié)工藝原理

圖13是按上述原理設(shè)計(jì)用于制作陶瓷模的TDP型快速成形機(jī)，它有一個(gè)陶瓷粉噴頭1，在直線步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動下，沿Y方向作往復(fù)運(yùn)動，向工作臺面噴灑一層厚度為100～200μm的陶瓷粉；另一個(gè)黏結(jié)劑噴頭2，也用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動，跟隨1，有選擇性地噴灑黏結(jié)劑，黏結(jié)劑液滴的直徑為15～20μm

適合成形小件

幾種典型工藝 該工藝成形工件表面不夠光潔，必須對整個(gè)截面進(jìn)行掃描黏結(jié)，成形時(shí)間較長。采用多噴頭可提高成形效率

圖13  TDP型快速成形機(jī)

1—陶瓷粉噴頭；2—黏結(jié)劑噴頭；3—導(dǎo)軌1；

4—導(dǎo)軌2；5—驅(qū)動電動機(jī)；6—制件

三、數(shù)字化鑄造——鑄造過程的模擬仿真

原  理  和  特  點(diǎn)

應(yīng)   用

計(jì)算材料科學(xué)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已成為一門新興的交叉學(xué)科，是除實(shí)驗(yàn)和理論外解決材料科學(xué)中實(shí)際問題的第三個(gè)重要研究方法。它可以比理論和實(shí)驗(yàn)做得更深刻、更全面、更細(xì)致，可以進(jìn)行一些理論和實(shí)驗(yàn)暫時(shí)還做不到的研究。因此，模擬仿真成為當(dāng)前材料科學(xué)與制造科學(xué)的前沿領(lǐng)域及研究熱點(diǎn)。根據(jù)美國科學(xué)研究院工程技術(shù)委員會的測算，它可以大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加材料出品率25%，降低工程技術(shù)成本13%～30%，降低人工成本5%～20%，增加投入設(shè)備利用率30%～60%，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)和試制周期30%～60%等

多學(xué)科、多尺度、高性能、高保真及高效率是模擬仿真技術(shù)的努力目標(biāo)，而微觀組織模擬(從毫米、微米到納米尺度)則是近年來研究的熱點(diǎn)課題(圖14)。通過計(jì)算機(jī)模擬，可深入研究材料的結(jié)構(gòu)、組成及其各物理化學(xué)過程中宏觀、微觀變化機(jī)制，并由材料化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)及制備參數(shù)的最佳組合進(jìn)行材料設(shè)計(jì)

圖14  未來的多尺度模擬仿真

在國外，多尺寸模擬已在汽車及航天工業(yè)中得到應(yīng)用。福特汽車公司提出了虛擬鋁合金發(fā)動機(jī)缸體研究，其目標(biāo)是能預(yù)測缸體的疲勞壽命。國內(nèi)在相場法研究鋁合金枝晶生長、無脆自動機(jī)法研究鋁合金組織演變及汽車球墨鑄鐵件微觀組織與性能預(yù)測等方面均已取得重要進(jìn)展。最近，成功地采用CA方法研究單晶體葉片的結(jié)晶過程及組織演變

鑄造過程的宏觀模擬在工程應(yīng)用中已是一項(xiàng)十分成熟的技術(shù)，已有很多商品化軟件如MAGMA、PROCAST、DEFORM及中國的鑄造之星(FT-STAR)等，并在生產(chǎn)中取得顯著的經(jīng)濟(jì)及社會效益

①長江三峽水輪機(jī)重62t的不銹鋼葉片已由中國二重集團(tuán)鑄造廠，采用模擬仿真技術(shù)，經(jīng)反復(fù)模擬得到最優(yōu)化鑄造工藝方案

，一次試制成功(2000年)

②一片重218t的熱軋薄板用軋機(jī)機(jī)架鑄件到全部18片冷熱軋機(jī)機(jī)架鑄件由馬鞍山鋼鐵公司制造廠與清華大學(xué)合作，采用先進(jìn)鑄造技術(shù)和凝固過程計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，優(yōu)質(zhì)完成，僅用10個(gè)月，且節(jié)約了上千萬元生產(chǎn)費(fèi)用

(1)

產(chǎn)品及鑄造工藝設(shè)計(jì)集成系統(tǒng)

現(xiàn)代的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造開發(fā)系統(tǒng)是在網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下以設(shè)計(jì)與制造過程的建模與仿真為核心內(nèi)容，進(jìn)行的全生命周期設(shè)計(jì)。美國汽車工業(yè)希望汽車的研發(fā)周期縮短為15～25個(gè)月，而20世紀(jì)90年代汽車的研發(fā)周期為5年。美國先進(jìn)金屬材料加工工程研究中心提出了產(chǎn)品設(shè)計(jì)/制造(鑄造)集成系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下，產(chǎn)品零部件的設(shè)計(jì)過程中同時(shí)要進(jìn)行影響產(chǎn)品及零部件性能的鑄造等成形制造過程的建模與仿真，它不僅可以提供產(chǎn)品零部件的可制造性評估，而且可以提供產(chǎn)品零部件的性能預(yù)測。因此，在網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下，鑄造過程的模擬仿真將在新產(chǎn)品的研究與開發(fā)中發(fā)揮重要作用。圖15為產(chǎn)品虛擬開發(fā)與傳統(tǒng)方法比較

圖15  產(chǎn)品虛擬開發(fā)與傳統(tǒng)方法比較

(2)

虛擬制造

虛擬制造是CAD、CAM和CAPP等軟件的集成技術(shù)。其關(guān)鍵是建立制造過程的計(jì)算模型、模擬仿真制造過程。虛擬制造的基礎(chǔ)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。所謂“虛擬現(xiàn)實(shí)”技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備，生成與真實(shí)環(huán)境一致的三維虛擬環(huán)境，使用戶通過輔助設(shè)備從不同的“角度”和“視點(diǎn)”與環(huán)境中的“現(xiàn)實(shí)”交互

(3)

網(wǎng)

絡(luò)

化

、

數(shù)

字

化

設(shè)

計(jì)

、

鑄

造

與

管

理

系

統(tǒng)

集成的設(shè)計(jì)、制造與管理信息系統(tǒng)是未來鑄造企業(yè)取得成功的必要條件(見圖16)。所有工程、鑄造與管理系統(tǒng)無縫連接，確保在正確的時(shí)間與地點(diǎn)能實(shí)時(shí)作出正確的決定。可在異地進(jìn)行實(shí)時(shí)、協(xié)同的分布式生產(chǎn)，建成“虛擬企業(yè)”

圖16  集成的設(shè)計(jì)、制造與管理信息系統(tǒng)

五、潔凈化鑄造——綠色鑄造

美國在展望2010年的制造業(yè)前景時(shí)，進(jìn)一步把“精確成形工藝”發(fā)展為“無廢棄物成形加工技術(shù)(waste-freeprocess)”。所謂“無廢棄物加工”的新一代制造技術(shù)是指加工過程中不產(chǎn)生廢棄物；或產(chǎn)生的廢棄物能在整個(gè)制造過程中作為原料而利用，并在下一個(gè)流程中不再產(chǎn)生廢棄物。由于無廢物加工減少了廢料、污染和能量消耗，并對環(huán)境有利，從而成為今后推廣的重要綠色制造技術(shù)。綠色鑄造是長期的努力方向及目標(biāo)，最近日本鑄造工廠提出了3R的環(huán)境保護(hù)新概念(見圖17)，即:減少廢棄物(reduce)、再利用(reuse)及再循環(huán)(recvcle)。德國制定了《產(chǎn)品回收法規(guī)》

圖17  與環(huán)境友好的3R日本鑄造廠

鑄鐵和鑄鋼的特性與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

材

料

類

別

材  料  特  性

結(jié)  構(gòu)  特  點(diǎn)

綜合力

學(xué)性能

壁厚變

化對力

學(xué)性能

的影響

冷卻速

度的敏

感性

流動性

線收縮率

與體積收

縮率

缺口敏

感性

熱穩(wěn)

定性

灰

鑄

鐵

綜合力學(xué)性能低，抗壓強(qiáng)度大，為本身抗拉強(qiáng)度的3～4倍，消震能力比鋼大10倍，彈性模量較低

大

很大

很好

小

小

低

(1)可獲得比鑄鋼更薄而復(fù)雜的鑄件，鑄件中殘余內(nèi)應(yīng)力及翹曲變形較鑄鋼小

(2)對冷卻速度敏感性大，因此薄截面容易形成白口和裂紋，而厚截面又易形成疏松，故灰鑄鐵件當(dāng)壁厚超過其臨界值時(shí)，隨著壁厚的增加其力學(xué)性能反而顯著降低

(3)表面光潔，因而加工余量比鑄鋼小，表面加工質(zhì)量不高對疲勞極限不利影響小

(4)消震性高，常用來做承受振動的機(jī)座

(5)不允許用于長時(shí)間在250℃溫度下工作的零件

(6)不同截面上性能較均勻，適于做要求高，而截面不一的較厚(大型)鑄件

蠕墨鑄鐵

介于灰鑄鐵與球墨鑄鐵之間，沖擊韌性及伸長率均比球墨鑄鐵低，而高于灰鑄鐵

比灰鑄

鐵小

加蠕化劑去硫去氧后，流動性良好

蠕化率越高，體積收縮率越小，接近灰鑄鐵。蠕化率越低，體積收縮率越大，接近球墨鑄鐵

熱導(dǎo)率在球墨鑄鐵與灰鑄鐵之間

具有介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間的良好性能， 如抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度高于高強(qiáng)度灰鑄鐵而低于球墨鑄鐵，熱傳導(dǎo)性、耐熱疲勞性、切削加工性、減振性近似一般灰鑄鐵，疲勞極限和沖擊韌度不如球墨鑄鐵，但明 顯地優(yōu)于灰鑄鐵。鑄造性能接近灰鑄鐵，因而鑄造工藝簡單，成品率高。由于蠕墨鑄鐵所具有的這些優(yōu)異的綜合性能，使其具有廣泛應(yīng)用的條件

(1)由于強(qiáng)度高，對斷面的敏感性小，鑄造性能好，因而可用來制造復(fù)雜的大型零件

(2)由于蠕墨鑄鐵具有較高的力學(xué)性能，同時(shí)還具有較好的導(dǎo)熱性，因而常用來制造在熱交換以及有較大溫度梯度下工作的零件，如汽車制動盤、鋼錠模、金屬型等

(3)由于蠕墨鑄鐵的強(qiáng)度較高：致密性好，可用來代替孕育鑄鐵件，不僅節(jié)約了廢鋼，減輕了鑄件重量(碳當(dāng)量較高，強(qiáng)度卻比灰鑄鐵高)，鑄件的成品率也大幅度提高，而且使鑄件的氣密性增加，這一點(diǎn)特別適用于液壓件的生產(chǎn)

(4)加工蠕墨鑄鐵時(shí)的刀具壽命介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間

(5)加工表面的表面粗糙度值通常比灰鑄鐵大

球

墨

鑄

鐵

強(qiáng)度、塑性和彈性模量均比灰鑄鐵高，抗磨性好，比灰鑄鐵約大一倍，消震能力比灰鑄鐵低

小

大

與灰鑄鐵相近

比灰鑄鐵體積收縮率大而線收縮率小，易形成縮孔、縮松

與鑄鋼相近

高

(1)鑄件多設(shè)計(jì)成均勻厚度，盡量避免厚大斷面

(2)相連壁的圓角，不同壁厚的過渡段與鑄鋼相似

(3)球墨鑄鐵體積收縮率與鑄鋼相近，因此，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與鑄鋼相近；由于其流動性好，在某些情況下可代替鑄鋼作薄壁零件

(4)可制造在300～400℃溫度下使用的零件

(5)可鍛鑄鐵往往因化學(xué)成分控制不當(dāng)引起鑄件不合格而報(bào)廢，但球墨鑄鐵的化學(xué)成分可在較寬范圍內(nèi)變動而不致引起極大的力學(xué)性能變化

可

鍛

鑄

鐵

退火前很脆，綜合力學(xué)性能稍遜于球墨鑄鐵，沖擊韌性比灰鑄鐵高3～4倍，是韌性與沖擊值最好的一種鑄鐵

大

大

比灰鑄鐵差，比鑄鋼好

體積收縮率比鑄鋼還大，退火后最終線收縮率比灰鑄鐵小得多

小

較高

(1)體積收縮率大，目前只宜做厚度不大的零件，最合適厚度為5～16mm范圍，避免十字形截面

(2)可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵熱處理(退火或韌化)而得，故其不同厚度截面中的力學(xué)性能有很大變化，因此加工余量很小(尺寸＜500mm的鑄件為2～3mm)。同一鑄件的厚度一定要均勻，厚度之比為1:1.6～1:2較合適

(3)一些薄截面、形狀復(fù)雜、工作中又受震動的零件，如用鑄鋼，因其鑄造性能差，不易得到合格品，且價(jià)格貴，用灰鑄鐵又嫌其塑性、韌性不足，可用可鍛鑄鐵，如汽車后橋

(4)可以在300～350℃溫度下使用

(5)鑄件表面比一般灰鑄鐵光潔，表面韌性較好，適用于力學(xué)性能要求較高的表面不加工的毛坯件

(6)突出部分都要用筋加固

鑄

鋼

綜合力學(xué)性能高，抗壓強(qiáng)度與本身抗拉強(qiáng)度相等，消震性能低

小

不大

不好，其中低碳鋼比高碳鋼差，低合金鋼又比碳鋼差，但高錳鋼較好

大，線收縮率約為2%，而灰鑄鐵只有0.5%～1%

大

高

(1)鑄件壁厚比鑄鐵大，內(nèi)應(yīng)力翹曲較大，不易鑄出復(fù)雜零件

(2)可做出大厚度鑄件，其力學(xué)性能大厚度增加時(shí)沒有顯著降低，但必須使鑄件保持順序凝固的條件(即使鑄件壁保持有一定的斜度和節(jié)點(diǎn)位于鑄件上部等)，以防止疏松與縮孔，但對一些壁較薄而且均勻的鑄件，則應(yīng)創(chuàng)造同時(shí)凝固的條件

(3)相連壁的圓角，不同壁厚的過渡段均比灰鑄鐵大

(4)減少節(jié)點(diǎn)及金屬積聚比灰鑄鐵要求嚴(yán)格

(5)氣體飽和傾向大，流動性差，表面雜質(zhì)及氣泡多，故加工余量比灰鑄鐵大

(6)含碳量增高，收縮率增加，導(dǎo)熱性能降低，故高碳鋼件容易發(fā)生冷裂，低合金鋼比碳鋼易裂，高錳鋼導(dǎo)熱性很差，收縮率大，很容易開裂，設(shè)計(jì)時(shí)更應(yīng)強(qiáng)調(diào)，壁厚要均勻，轉(zhuǎn)角要圓滑

用灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵、球墨鑄鐵制造汽車零件和鋼錠模的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

名稱

6110柴油機(jī)(104kW)缸蓋

集 成 塊

EQ140汽車發(fā)動機(jī)排氣管

毛坯質(zhì)量

80kg，897mm×249mm×110mm，主要壁厚5.5mm，最大壁厚40mm

最小12kg(壁厚92mm)

最大136kg(壁厚280mm)

14.2kg，總長676.5mm，主要管壁5mm局部最大壁厚22mm

技術(shù)要求

該鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系六缸一蓋連體鑄件，工作時(shí)受較高機(jī)械熱應(yīng)力，要求材質(zhì)具有良好力學(xué)性能、抗熱疲勞性能、鑄造性能和氣密性

要求鑄件致密、耐高壓(7～32MPa)、耐磨，表面粗糙度小、加工性能好

該零件服役溫度差別大(室溫～1000℃)，承受較大的熱循環(huán)載荷，要求材質(zhì)有良好的抗熱疲勞性能

原設(shè)計(jì)材質(zhì)為灰鑄鐵

(1)缸蓋上噴油嘴座旁的氣道壁因熱疲勞最易開裂，該部位加工后壁厚僅3～4mm，工作溫度250～370℃

(2)缸蓋滲漏嚴(yán)重，在導(dǎo)桿孔、螺栓孔等熱節(jié)處(均為非鑄出孔)易產(chǎn)生縮松(孔)缺陷，經(jīng)加工鉆孔后鑄壁有微孔穿透造成滲漏

(3)因鑄件熱節(jié)多達(dá)50處，尺寸精度高，內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以采用冒口補(bǔ)縮和內(nèi)外冷鐵工藝

(4)HT250(CuMo合金鑄鐵)

(1)由于HT300高牌號灰鑄鐵碳硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，所以鑄造性能差，鑄件易產(chǎn)生縮裂或晶間縮松而報(bào)廢，廢品率高達(dá)60%

(2)工藝出品率低，只有55%左右，壓邊澆冒口的質(zhì)量是鑄件質(zhì)量的80%以上

(3)HT300

(1)壽命短，汽車行駛不到10000km，管壁開裂嚴(yán)重；若改用球墨鑄鐵排氣管，雖不發(fā)生開裂，但變形嚴(yán)重，通道口錯(cuò)開漏氣

(2)HT150

蠕墨鑄鐵

(1)由于蠕墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、抗蠕變能力和塑性均明顯優(yōu)于原材質(zhì)，故采用蠕墨鑄鐵缸蓋，開裂傾向大為降低，使用壽命顯著提高

(2)缸蓋滲漏率下降15%，當(dāng)蠕化率大于50%時(shí)，其體收縮率小于HT250低合金鑄鐵，其氣密性又與球墨鑄鐵相近

(3)低合金灰鑄鐵的抗熱疲勞性能、氣密性和鑄造性能、加工性等對碳當(dāng)量和合金元素的敏感性大，尤其對薄壁復(fù)雜件更為突出，而蠕墨鑄鐵的上述性能對碳當(dāng)量敏感性小，加之采用稀土蠕化劑又有較寬的蠕化范圍，沖天爐生產(chǎn)條件下缸蓋質(zhì)量也易于控制

(4)節(jié)省貴重合金元素，成本下降21%

(1)廢品率大幅度下降，總廢品率約16.9%(其中夾砂、夾雜物氣孔占9%)

(2)工藝出品率提高到75%，壓邊澆冒口質(zhì)量比原來的減少2/5

(3)經(jīng)濟(jì)效益明顯，扣除蠕墨鑄鐵生產(chǎn)成本比HT300灰鑄件增加約8%外，僅廢品率下降、工藝出品率提高兩項(xiàng)，使蠕墨鑄鐵件成本降低1/3以上

(1)提高壽命3～5倍以上，根本上解決了排氣管開裂問題

(2)取消了加強(qiáng)肋，鑄件自重減輕了10%

技術(shù)要求

鋼錠模制作目前一般采用普通灰鑄鐵和球墨鑄鐵

鋼錠模在反復(fù)受熱、冷卻的惡劣條件下工作，所以其材質(zhì)的特性直接影響使用壽命。在熱應(yīng)力的作用下，脆性材質(zhì)可能發(fā)生斷裂，塑性材料則會發(fā)生永久變形。熱應(yīng)力的大小與溫度梯度、熱膨脹系數(shù)和彈性模量有關(guān)。材質(zhì)的導(dǎo)熱性好(可降低溫度梯度)、彈性模量低、強(qiáng)度高(特別是高溫強(qiáng)度)、韌性好都有利于承受熱循環(huán)載荷。在非常快的熱循環(huán)條件下，導(dǎo)熱性是主要影響因素，在緩慢熱循環(huán)的條件下，高強(qiáng)度則更為重要。對于不同結(jié)構(gòu)和冷卻方式的鋼錠模，對其材質(zhì)的要求也不盡相同。它要求材質(zhì)具有良好力學(xué)性能、抗熱疲勞性能

蠕墨鑄鐵的力學(xué)性能比灰鑄鐵高，導(dǎo)熱性能比球墨鑄鐵好，所以它也是一種生產(chǎn)鋼錠模的良好材質(zhì)

灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵

(1)某鋼鐵廠采用蠕蟲狀石墨10%～55%的蠕墨鑄鐵制作中小型鋼錠模(用沖天爐熔煉)，在雨淋及空冷的冷卻條件下，得到最佳的使用效果，使煉鋼車間的鋼錠模消耗量明顯下降

(2)圖為各種材質(zhì)鋼錠模的對比試驗(yàn)結(jié)果，可見在空冷條件下球墨鑄鐵壽命最長，消耗最少，次之是體積分?jǐn)?shù)為10%～50%的蠕蟲狀石墨鑄鐵；在噴水雨淋冷卻條件下體積分?jǐn)?shù)為10%～50%蠕蟲狀石墨鑄鐵最佳；浸水冷卻條件下灰鑄鐵最好

(3)生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，空冷的斷面厚50.8cm的鋼錠模因斷面厚，石墨難以全部球化。即使石墨全部球化時(shí)，錠模底部圓角處出現(xiàn)縮孔，其上部石墨漂浮也嚴(yán)重；而體積分?jǐn)?shù)為10%～50%蠕蟲狀石墨，可以避免這些缺陷，給鑄造工藝帶來方便，其使用壽命與球墨鑄鐵相差不大

(4)該廠采用體積分?jǐn)?shù)為10%～50%蠕蟲狀石墨的蠕墨鑄鐵生產(chǎn)空冷斷面厚50.8cm和雨淋冷卻斷面厚28cm鋼錠模，經(jīng)過一年左右的實(shí)際使用，其模耗與原使用的灰鑄鐵錠模相比明顯降低(見右表)，每年節(jié)約鋼錠模數(shù)千噸，價(jià)值百萬元以上

蠕蟲—蠕蟲石墨；球—球狀石墨；團(tuán)—團(tuán)球狀石墨；百分?jǐn)?shù)為體積分?jǐn)?shù)

車間

錠模類型

噸鋼消耗量

/kg

每噸鋼消

耗降低/kg

備  注

平爐

厚50.8cm

空冷錠模

8.06

11.9

包括體積分?jǐn)?shù)為55%～80%蠕蟲狀石墨鑄鐵錠模

轉(zhuǎn)爐

厚28cm

雨淋開口模

11.32

3.62