消失模振动浇注致密铸造法及其应用
消失模振动浇注致密铸造法及其应用
一、铸件结晶与冷却速度
1、铸件冷却速度缓慢是消失模铸造突出的特点
消失模铸造最突出的特点之一，是以干砂填充的铸型在负压条件下铸件冷却和散热的速度缓慢，因此铸件结晶的晶粒远比砂型铸造的铸件晶粒粗大，组织致密度也较低，同种同等材质铸件在抗拉强度、延伸率等方面的性能指标也较低于砂型铸造生产的铸件，尤其是高锰钢等合金耐磨抗磨铸件的使用寿命显著降低，这一突出问题给国内外消失模铸造生产的发展带来了极大的困扰。
以上这些问题的产生是由金属结晶的规律所决定的，如不改变其结晶的条件、过程和状态，要解决以上这些问题是不可能的。从金属学的基本学理上说，改变金属结晶的方法主要有两种：一是改变金属结晶的过冷度，二是施以“场”的影响。
2、改变铸件冷却速度的常见方法
改变过冷度通常就是加快金属液凝固过程的冷却速度。对于消失模铸造来说，比较现实的做法是采用激冷型干砂填充造型。所谓激冷型干砂主要是指高热导系数的钢砂、焦炭砂和石墨砂三种。铬铁矿砂作用不甚明显。其它各类干砂更微不足以产生足够的过冷度，况且还有一层隔热条件较好的涂料壳层将其与钢铁液隔开。再者，铬铁矿砂价位高（5000～5500元/吨）且资源缺乏。钢砂不仅价位高于铬铁矿砂，熔点比铬铁矿砂低得多，密度也过大（7.4g/cm3），砂箱底部压力过大，白模及常规涂料难以承受。
石墨砂或焦炭砂，我国尚无专业化生产供应。这类砂的激冷效果与钢砂相当，比重亦较轻。但硬度过低，复用性太差。
3、加快冷却速度不是细化铸件晶粒的最佳手段
值得注意的是：冷却速度的增大并不是细化金属结晶的最合适手段。冷却速度过大则铸造应力也大增，其它铸造缺陷亦随即而生。薄壁或中等壁厚的合金耐磨铸件采用激冷砂效果尚可，而厚壁件则只能激冷表层，对内层或心部的铸件结晶过程作用甚微或几乎无作用。况且，作为现代铸件质量的观念，细化晶粒的目的不仅仅是为了提高组织致密性，而应该是全面强化和优化铸件的机械性能和物理性能。
对于消失模铸造来说，最简单易行且最具“得天独厚”优势的就是振动浇注。消失模车间本身就有振动装置。
所谓振动浇注是在振动的条件下浇注，即边振边浇，而决不是浇注完毕再作振动，那叫“马后炮”。
振动浇注对于消失模铸造来说具有别的工艺手段无法相比的良好效果和效益，而消失模振动浇注的成败则取决于消失模涂料的性能。
振动有别于震动。这是一个必须分清的基本概念。
在铸造生产领域中，一般认为，震动是指振幅大（≤100mm），频率小（1.0～1.5赫兹）的运动。比如震击式造型机的震动便属于这类运动，其振幅通常为10～40mm。
振动是指振幅较小（0.01～5.00mm），频率大（1.5～10000赫兹甚至更高）的运动。比如机械振动的频率常在10000赫兹以下，而超声波振动金属液的频率则在10000赫兹以上。
铸造金属结晶的特点
1、&&&&&&&&&&
在生产实际中，铸造金属结晶的组织是多种多样的。但在常规的生产中，可以说凡是铸造金属的组织都具有以下三个特点：
①&&&
晶粒比较粗大②&&&
晶粒不均匀
③&&&
存在各种各样的铸造缺陷（缩孔、气孔、裂纹、夹杂、偏析等）
2、&&&&&&&&&&
晶粒层的形态
为了说明以上的特点，以方柱形碳钢锭类铸件为例作分析。其剖面构造有明显不同的三层形态的结晶。
①&&&
细晶粒层（表层）
铸件表层具有较大的冷却速度，生核显著增加，晶粒细化。
②&&&
柱状晶粒层
其轴向垂直于铸型壁面，因其结晶时热量的流向垂直于型壁而向外传导，晶粒定向成长，因而形成柱状晶粒层。
③&&&
中心等轴晶粒层
所谓等轴晶粒即近于球形的多边形晶粒。在铸件最后结晶的中心处形成，因其在结晶时的过冷度较小，故其晶粒尺寸比表层晶粒大得多。
&1、表层细晶粒层&&
2、柱状晶粒层&& 3、中心等轴晶粒区
碳钢锭结晶组织构造示意图
3、&&&&&&&&&&
①&&&
缩孔及疏松
缩孔是因液体向固体转变时发生体积收缩所致，常发生在铸件最后凝固部位的顶部，其周围还有许多分散的小孔洞，称为疏松。
②&&&
在缩孔的周围，除了疏松外，还聚集着较多的各种杂质，如炭、硫、磷等，其熔点较低，最后发生凝固，杂质也易集中于这一最后凝固的地区，这叫区域偏析。
③&&&
气孔及裂纹
气孔的出现主要是液体向固体转变时，其中所溶解的某些气体的溶解度降低或液体中某些化学反应生成气体而在结晶前未及完全溢出所致。裂纹的产生则是由于铸件冷却时收缩及与模面的摩擦而形成。
&消失模振动浇注的可靠性及其高性能涂料
消失模振动浇注的可靠性是每一个铸造企业最关注的焦点问题。
关于可靠性，最突出的问题就是涂料会不会被振垮，一是铁水未充满铸型之前，空壳或半空壳状态下会不会被振垮，二是铁水浇满铸型之后继续振动时，涂料会不会因高温粉化而开裂、疏松而在负压下产生渗透性粘砂或涂料粉粒振渗于金属液中形成“斑点”缺陷。因此，振动浇注的可靠性是振动浇注技术推广应用的前提。
消失模振动浇注的过程与特点
所谓振动浇注，即铸型在振动中进行浇注金属液。这与浇注完毕后再振动完全是两码事。
铸型中的泡沫模样在浇注钢铁液的初始几秒钟之内，泡沫已激烈气化或燃烧，瞬间形成高压气隙，并随铁液的注入很快形成前沿空腔。空腔或气隙的形成，意味着涂料壳层已大面积甚至整个型腔范围的裸露，其内壁不再受固体泡沫的支撑保护，而金属液也来不及充满整个型腔对涂层实施“填充性”的保护。此时，涂层要经受高温金属液的烘烤，还要经受频率为50～200赫兹而振幅＜1mm的强烈振动。涂料壳层能经得起这种苛刻的条件吗？
至于消失模空壳振动浇注则对涂层性能的要求更为苛刻，其壳层的高温强度、高温耐烧耐冲刷及耐振性显然要比实型振动浇注更高。因空壳振动浇注的操作程序是在负压下，先启动振动台，边振动边烧空泡沫模样，当型内的泡沫烧空之后，振动不宜停止，而是边振动边浇注金属液，直至铸件凝固。
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实型铸造振动浇注示意图
消失模振动浇注的可靠性取决于涂料的高性能
消失模铸造的铸型在某种意义上说是由涂料构成的。如果没有高强度、耐高温、耐振动、耐烧烤、耐冲刷的高性能涂层，振动浇注是不可想象的。
国内外常用的许许多多消失模涂料尽管常温下硬如石板，置其于;的火焰中不到一分钟就变成粉沫，以不费吹灰之力便可将其“吹”散。这类涂料断然是不能用于振动浇注的。
那么，高性能涂料应该达到什么样的性能指标呢？在生产验证中应控制以下几点：
①&&&
涂料壳层的常温强度应≥1.5Mpa（经验检测方法：大姆指用力搓擦涂层表面无落粉痕迹）。
②&&&
涂料壳层经800～;烤30分钟后的“残余强度”（或称高温强度）应仍与常温强度接近，而且透气性有增无减。最简单的检查方法是将涂料薄层放在家用燃气炉上烧烤30分钟后观其是否呈现瓷化现象即可判定。
符合以上性能要求的涂料用于消失模振动浇注是可靠的。桂林市中南铸冶材料研究所生产的桂林5号高温型添加剂及桂林6号粉状成品涂料就是一种能适用于消失模空壳铸造和振动浇注的涂料。
②&&&&&&&
经对一个结构复杂，外形轮廓尺寸为mm件重1280kg，内腔空壳而壁厚40～25mm的矿山用低合金钢导槽铸件进行验证考核，采用边振边烧空
边振边浇注工艺先后生产了5000余件，其浇注前的垮箱率＜3%，而浇注过程的垮箱率仅0.02%，边振动边烧空过程的垮箱现象，并非涂料问题或振动所至，而主要是操作因素，比如局部填砂不到位、负压失平衡等。实际上该产品2008年采用某外国公司的涂料实型浇注（不烧不振）的垮箱率却高达10%左右。
振动浇注高性能涂料的配制
消失模振动浇注高性能涂料的配制方法：桂林6号是由10%的桂林5号添加剂和90%的锆铝石粉复合而成，其配制工艺流程是：
桂林6号振动浇注涂料的使用
桂林6号，耐火骨料粉的主要成分是高惰性的典型中性材料——锆铝石粉，又称亚铝晶石粉，并配加MG·Cl矿物粉调节。这种性能独特的骨料粉配加高温强化型桂林5号添加剂所得成品即桂林6号，能适用于各种常见的所有不同材质铸件的生产。
涂料的施涂方式按消失模铸造生产的常规进行，一般宜浸涂3层，涂层烘干后的厚度为1～2mm，大件取上限，小件取下限。
凡适用于空壳振动浇注的涂料则能通用于其它任何形式的消失模铸造生产。
五、消失模振动浇注的适用范围
振动浇注对薄壁铸件有利吗？
也许有人认为，薄壁件采用振动浇注技术没有多大价值。这是错误的观点。振动能明显降低金属液的粘度，提高流动性和充填性。采用振动浇注技术不但能使薄壁铸件获得理想的内在质量，而且外观质量更加精美。
先浇后振和边振边浇有何不同的效果？
或许有人认为，待浇注完毕再振动不也一样吗？回答是：不一样。金属的实际结晶温度与平衡结晶温度之差（过冷度）一般只有几度。金属液的表层温度在铸型中降低“几度”到底要多长时间呢？短短的三几秒而已，而一个单重几百公斤的中等铸件浇注的时间快则几十秒，慢则近百秒。钢铁铸件的平衡结晶温度从C-Fe相图中可以找到。比如α-Fe（铁素体），在℃之间是呈体心立方晶格形态结晶，也就是说，要有效地改善结晶的条件和结晶状态，振动场的作用必须发生在“平衡结晶温度”之上。待浇注完毕再振动，对薄壁件或中厚件已毫无意义，对厚大件也错过了时机，其内层虽尚处液相态，但表层已凝固，此时实施振动的结果只能是内表不一，甚至造成力学性能的差异。
高锰钢生产采用振动浇注有何优势？
有一种观点认为，高锰钢类的耐磨铸件，采用激冷型的填充干砂就可以解决铸件致密度和耐磨性问题了。错了！这是对高锰钢铸件内层和外层结晶过程的片面认识和误解。
以激冷型干砂作高锰钢消失模铸造的填充砂，确实能提高铸件表层一定深度内的致密度，对提高铸件的使用寿命有较好效果。但“激冷”是有限度的，比如Φ100mm的磨球，壁厚100mm的衬板，激冷砂能激冷到铸件心部吗？显然不可能。其结果是外层密内层松。如果实施振动浇注，高锰钢铸件的致密度与耐磨性就必然提升到完全超越金属铸造的更高的档次，真正成为一流水平的耐磨铸件。
激冷砂在使用上存在许多局限性，难度较大，况且过大的过冷度导致铸件的铸造应力过大。相对而言，振动浇注具有激冷砂无可相比的优越性，更实在，更简单易行，生产成本更低，更具发展前景。
哪些材质的铸件可以实施振动浇注？
各种合金有不同的平衡结晶温度，但它们在一定的过冷度下晶核的生成、成长及受“场”影响而发生变化的原理相同。从金属结晶理论上讲，振动对任何一种金属的结晶过程影响都是有利的。只要其工艺合理、结构合适、条件具备均可实施振动浇注。至今，我们曾指导振动浇注的单位所生产的铸件主要有：合金钢、高锰钢、碳钢、合金铸铁、灰铁和球铁、铝铜合金等，不论大小厚薄，均能达到晶粒细化和机械性能全面提高的良好效果，这是其它任何一种铸造方法所无法具备的优势。
六、消失模振动浇注操作的规程与技术要点
振幅与振动频率
振动有别于震动。震动是较小的频率和较大的振幅。而振动则是较大的频率和较小的振幅。生产和试验表明，用于消失模振动浇注的振动台，振动频率150～200赫兹，振幅0.3～0.8mm内为佳。而振动的频率如过低则振动对改善结晶的效果稍差。但过高的振动频率对机械装备的要求较高。国内振动电机的振动频率，一般为50赫兹，为了调节较高的频率，需配加调频器。
消失模铸造在实施振动浇注时，其操作程序是：①对已密封好的砂箱（铸型）实施抽真空并调节至合适的负压度→②启动振动台→③对砂箱中的泡沫模样以富氧燃烧的方法从浇冒口将其烧空，必要时施以强烧（边振边烧），至完全空壳无碳（注：有些宜实施实型浇注的铸件也可以不烧空）→在合适的负压下对铸型边振动边浇注→浇注完毕后维持负压和振动至铸件基本凝固为止→停止振动，同时停止抽真空。整个空壳（或实型）振动浇注过程完毕。
①&&&&&&&
在振动中把白模烧空，如空壳振动不垮箱，则一般情况下浇注过程也不会垮箱，浇满后更不应垮箱。如空壳振动不垮而浇注过程或浇满后出现垮箱现象，则需认真分析和找出其它影响垮箱的因素。
②&&&&&&&
只要空壳振动不垮，而浇注过程或浇满后垮箱的话，其影响因素多属型内负压失去平衡所致。比如干砂填充有不到的空位死角、装箱前涂料层与白模间有较大的空泡、填充干砂的温度过高引起白模变形并与涂层间形成空隙、砂箱密封不良而漏气、负压系统失真、浇注时铁水泼洒而烧穿密封塑膜生产漏气等等，这些原因都不属振动浇注法本身的问题，而属操作责任范畴。
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焦圈，为摄影而生
&&什么是铸造业
生产铸造件的企业，生产铸造的行业叫铸造业铸造业现状在科学技术迅猛发展的今天，由于铸造成形工艺的特殊优势，有些复杂结构件目前尚无其他制造工艺可替代。铸造工艺仍是最经济且便捷的金属成形工艺。随着全球经济一体化，在国际间的合作日益密切、竞争日趋激烈之时，中国汽车铸造业应更充分地发挥铸造资源优势，发展自己的铸造工业。在科学技术迅猛发展的今天，由于铸造成形工艺的特殊优势，有些复杂结构件目前尚无其他制造工艺可替代。铸造工艺仍是最经济且便捷的金属成形工艺。随着全球经济一体化，在国际间的合作日益密切、竞争日趋激烈之时，中国汽车铸造业应更充分地发挥铸造资源优势，发展自己的铸造工业。1. 中国铸造业现状中国是当今世界上最大的铸件生产国家，据资料介绍，我国铸造产品的产值在国民经济中约占1%左右。最近几年，铸件进出口贸易增长较快，铸件的产量已达到9%左右。我国铸造厂点多达2万多个，铸造行业从业人员达120万之多。&长三角&地区的铸件产量占全国的1/3，该地区主要以民营企业为主，汽车和汽车零部件行业的发展有力地拉动了铸造行业的发展。万丰奥特是亚洲最大的铝合金车轮企业，年产值超过10亿元，出口额达6 000美元。昆山富士和机械有限公司生产汽车发动机和制动系统的铸件，年产量达4万t，销售收入5.5亿元。华东泰克西是一个先进的现代化气缸体铸件生产企业，具有年产1 00万件轿车气缸体铸件能力。山西是铸造资源大省，有丰富的生铁、煤炭、铝镁、电力、劳力资源、使山西的铸造产业有得天独厚的优势，具有500个铸造企业，80%为民营企业。山西国际、河津山联、山西华翔年产量分别达4万t、2万t、12万t。&东三省&有一汽集团、哈飞集团等骨干汽车企业带动了汽车铸件产量的增长。一汽集团铸造公司，已经形成40万t铸件的生产能力。辽宁北方曲轴有限公司，到&十一五&末将形成年产15万台发动机、100万件曲轴、产值20亿的曲轴生产基地。&珠江三角洲&压铸行业发达，有700多个压铸企业，年产量达20万t。东风日产、广州本田、广州丰田和零部件企业有力带动了压铸业的发展，轿车气缸体、气缸盖的压铸件产量逐年增长。2. 国外铸造业现状近几年来，全球铸造业持续增长，2004年铸件产量比上一年度增长8.4%，中国生产铸件2242万t，全球排名第一，比上一年增长23.6%。全球十大铸件生产国的产量与增长率见表1。从表1可见，2004年中国的铸件产量约占全球铸件产量的1/4。巴西铸件产量增长最快，达到25.8%。增长率超过2位数的国家有巴西、中国、墨西哥、印度，都是发展中国家。而发达国家的铸件增长率普遍较低。美国铸件产量自2000年以来，已经退居到第2位。2004年美国铸件总产量为1231万t，其中灰铁件占35%、球铁件占33%、铸钢件占8.4%、铝合金件占16%。从需求上看，球铁铸件和铝铸件的需求在增长。2003年进口铸件占总需求的1 5%，进口铸件的价格比美国国内低20%～50%。近年来因铸造环保要求高、能源消耗大、劳动力昂贵等原因，美国大型汽车公司生产普通汽车铸件的铸造厂纷纷关闭，逐步将铸件的生产转向中国、印度、墨西哥、巴西等发展中国家。日本的铸造业不景气，其从业人员在减少。2004年日本铸件总产量为639万t，其中灰铁件占42%、球铁件占30%、铸钢件占4%、铝合金件占21%。从需求上看，球铁铸件和铝铸件的需求在增长。日本铸造界在技术创新方面作了大量工作，开发了球型低膨胀铸造砂、高减振铸铁材料、中硅耐热球铁等材料。其真空压铸的铸件能焊接和热处理，半固态铸造生产用于汽车铝轮毂，提高了强度和伸长率。镁合金压铸进一步发展，并取代重力铸造，其性能提高，成本降低。3. 汽车铸造技术的发展方向汽车技术正向轻量化、数值化、环保化方面发展。据有关资料报道，汽车自重每减少10%，油耗可减少5.5%，燃料经济性可提高3%-5%，同时降低排放10%左右。铸件轻量化主要有两个途径。一是采用铝、镁等非铁合金铸件，美国2003年统计有2/3的铝铸件用于汽车上，每车达到107 kg。二是减小铸件壁厚、设计多零件组合铸件，生产薄壁高强度复合铸件，并减少加工余量，生产近终形铸件。随着汽车技术的快速发展，为缩短铸件生产准备周期和降低新产品开发的风险，要求采用快速制模技术、计算机仿真模拟、三维建模、数控技术。而清洁生产、废物再生是铸造业的发展趋势，降低能耗是其持续发展的主题。我国汽车铸造业必须走高效、节能、节材、环保和绿色铸造之路，因为国家和社会要求严厉管控汽车铸造业的能源消耗大户和污染大户，以利改善铸造业热、脏、累的劳动密集型行业员工的劳动环境。4. 汽车铸造技术发展趋势国内外汽车铸造技术发展趋势很多，现仅简介一些在汽车行业大量流水线生产中的铸件技术及发展趋势。4.1 砂型铸造成形技术潮模造型经过手工紧实一震击+压实紧实&高压+微震紧实&气冲紧实&静压紧实几个发展阶段。静压造型技术的实质是&气中预紧实+压实&，其有以下优点:铸型轮廓清晰，表面硬度高且均匀，拔模斜度小，型板利用率高，工艺装备磨损小，铸型表面粗糙度低，铸型型废率低。因此，是目前最新、最先进的造型工艺，并已成为当今的主流紧实工艺。目前，高压造型和单一气冲造型已逐渐被静压造型所替代，原先高压造型线和气冲造型线的主机已逐渐更新为静压造型主机，新建铸造厂均首选采用静压造型技术。当前，国外比较有名的制造静压造型设备的厂家有德国的KW公司、HWS公司和意大利萨威力公司。国内汽车铸造厂家大都选用 HWS公司或KW公司制造的设备，如一汽铸造公司、东风汽车铸造厂、上海圣德曼铸造公司、华东泰克西、山西三联、广西玉柴、无锡柴油机厂等。4.2 近净形技术1消失模铸造成形工艺消失模铸造也称气化模铸造、实型铸造、无型腔铸造。该工艺尺寸精度高达0.2 mm以内，表面粗糙度可达Ra5&m～Ra6&m，被铸造界誉之为&21世纪的铸造新技术&、&铸造的绿色工程&。该工艺方法是采用无粘结剂干砂加抽真空技术。据2003年统计，我国有150家企业用该工艺生产箱体类、管件阀体类、耐热耐磨合金钢类等三大类铸件，总产量超过10万t。国内汽车铸造厂，有的采用国产铸造生产线:有的采用简易生产线或单机生产；有的采用国外引进铸造生产线生产。一汽集团公司1993年从美国福康公司引进造型用振动台，生产 EPS模的预发泡机和成型机等设备，生产汽车进气管。长沙发动机总厂从意大利引进自动化铸造线生产铝合金气缸体、气缸盖铸件。合肥叉车集团用4段泡沫模片粘结成整体的工艺生产复杂箱体铸件，尺寸精度可达到 CT7-CT8级，产品出口美国。成都成工集团，用8块泡沫模片粘结成整体的工艺生产装载机变速器，铸件质量达320 kg，与砂型铸造比较，毛坯减重15%，成品率达95%以上。消失模工艺近几年在美国有较大的发展，通用汽车公司投资建造了6条消失模铸造生产线，大批量生产铝合金气缸体、气缸盖铸件。今后，该工艺将大量采用快速制模技术和模拟仿真技术，以缩短生产准备周期，实现铸件的快捷生产。未来的发展方向必定是质量好、复杂、精密、寿命长的高档模具。提高该技术的模具材料、成形工艺、涂料技术、工装设备的技术水平，使EPS铸件获得更广阔的发展前景。2熔模精密铸造成形工艺我国汽车熔模精密铸造技术有了长足的发展，采用近净形技术可以生产出无余量的铸造产品。熔模精密铸造工艺有水玻璃制壳工艺、复合制壳工艺、硅溶胶制壳工艺。汽车产品材料有碳素钢、合金钢、有色合金与球墨铸铁。国外有高合金钢、超合金材料。熔炼设备国内采用普通、快速中频炉；国外采用真空炉、翻转炉、高频炉技术。采用硅溶胶制壳工艺的零件表面粗糙度可达Ra1.6&m、尺寸精度可达CT4级，最小壁厚可达0.5～1.5mm。欧、美、日等国家开始关注精铸件在汽车业的应用与拓展。我国汽车用精铸件的市场需求量也在不断快速增长和发展，2003年精铸件的产量为60万t，产值达到110亿元。东风汽车精密铸造有限公司采用硅溶胶+水玻璃复合型制壳工艺，生产高技术含量、高附加值产品，将原来铸件、锻件、机加工及多件组装结构设计制造成一个整体精密铸件，显著降低了制造成本。熔模精密铸造成形工艺将来的发展趋势是铸件产品越来越接近零部件产品，传统的精铸件只作为毛坯，已经不适应市场的快速应变。零部件产品的复杂程度和质量档次越来越高，研发手段越来越强，专业化协作开始显现，CAD、CAM、 CAE的应用成为零部件产品开发的主要技术。东风汽车公司、一汽集团公司的精铸企业作为中国精铸行业的领军者，一定能凭强大的研发实力和先进的技术快速发展。4.3 制芯技术目前，国内外汽车铸造制芯有3种制芯工艺，在现代汽车铸造中常并行采用的主要工艺有热芯盒制芯、壳芯制芯、冷芯盒制芯等，传统的合脂或油砂制芯已被淘汰。冷芯盒技术工艺有两个特点:一是硬化速度快，初始强度高，生产率高；二是砂芯尺寸精度高，可满足生产薄壁高强度铸件的砂芯。因此，制芯工艺技术有以冷芯盒技术为主的发展趋势。一汽铸造公司、东风汽车铸造厂、上海圣德曼铸造公司、华东泰克西、山西国际铸造公司等均采用冷芯盒制芯技术。当代先进的110L冷芯盒制芯机见图1。最先进的制芯工艺是结合锁芯Key Core和冷芯盒等技术的制芯中心，整个射芯、取芯、修整毛刺、多个芯子定位组合成一体、上涂料、烘干等工序，全部用一台或多台制芯机与机械手自动化完成。国外比较有名的制芯中心生产厂有西班牙LORMENDl公司、德国 Laempe公司和Hottinger公司、意大利的FA公司等。东风汽车铸造厂、一汽铸造公司、上海圣德曼铸造公司、华东泰克西、上海柴油机、洛拖二铁、潍柴、江西五十铃等均采用冷芯盒制芯中心技术。4.4 铸铁熔炼技术目前，国内外铸铁熔炼技术有两种主要方式:一是采用大型热风除尘冲天炉与工频保温炉双联熔炼工艺；二是采用中频感应电炉熔炼工艺技术。美国因达公司和彼乐公司生产的中频炉技术开始越来越受到重视，该技术日益成熟，其清洁、环保、节能、高效、安全的优势突出，是今后发展的方向。因此，铸铁则由过去用工频炉熔炼逐步过渡到用高效省电的中频电炉熔化。一、汽铸造公司、东风汽车公司采用因达公司和彼乐公司生产的中频炉和保温炉技术，已经开发应用球化剂、孕育剂、蠕化剂和其他各种添加剂产品，形成商品化、标准化、规格化、系列化。铸铁孕育多用带光电控制的随流孕育机。新开发出的喂丝球化方法及其与现代化检测技术相结合的SINTER CASTZ艺是铸铁球化及蠕化处理的一种很有优势的工艺，应用者日益增多。国外金属炉料经过破碎、净化、称量，大大提高熔化效率和铁水质量。国内的天津丰田、天津勤美达、苏州勤美达等铸造厂已对炉料采用破碎处理工艺。4.5 铝合金气缸体、气缸盖压铸成形技术铝合金是汽车上应用最快和最广的轻金属，因为铝合金本身的性能已经达到质量轻、强度高、耐腐蚀的要求。最初，铝合金仅用于一些不受冲击的部件。后来，通过强化合金元素，铝合金的强度大大提高，由于质轻、散热性好等特性，可以满足发动机活塞、气缸体、气缸盖在恶劣环境下工作的要求。铝合金气缸体、气缸盖压铸成形核心技术可以提高净化、精炼、细化、变质等材质质量控制，使得铝铸件质量达到一致性和稳定性。随着我国汽车业的发展，特别是家用轿车的快速增加和汽车零部件出口量的增大，汽车铝铸件将有很大的增长。我国2003年铸件总产量为1 987万t，其中铝镁合金为117万t，占总产量的5.8%。丰田汽车希望在近两年将铝制气缸体由现在的35%提高到50%。日产汽车计划在2010年以前，70%的汽油机轿车的气缸体采用铝制材料，近100%的气缸盖及变速器壳体采用铝制材料。本田汽车公司早在1994年，将汽油发动机气缸体全部换成铝制气缸体。铝合金气缸体、气缸盖等有色金属则多采用压铸包括真空压铸、低压压铸、高压压铸、金属型重力铸造以及很有发展前途的半固态压铸成形技术。东风本田发动机公司、东风日产发动机分公司铝压铸车间采用2500t压铸机生产铝气缸体，并实现了国产化。铝气缸盖成形工艺主要有两种，一是以欧美为代表的重力铸造成形工艺，上海皮尔博格、南京泰克西等公司选用意大利法塔公司重力铸造机生产铝气缸盖；二是以日韩为代表的低压铸造成形工艺，东风日产发动机分公司铝压铸车间、广东肇庆铸造公司、天津丰田铸造公司都选用日本新东等公司的低压铸造机生产铝气缸盖。4.6 镁合金成形技术镁合金的比强度和比刚度高i优于钢和铝合金，远大于工程塑料。镁合金还具有耐高温、抗腐蚀和抗蠕变性能。镁是目前汽车工业中应用的最轻的金属，它比铝轻1/3，比钢铁轻3/4，比非金属的塑料还轻1/5。因此，镁合金是汽车减轻质量的理想材料，镁合金压铸件可以代替一些复杂的结构件，如仪表板骨架几十个钢部件经冲压、焊接而成，一质量约10 kg，若改为镁合金压铸件，一次压铸成形，质量仅为4 kg，生产成本大大降低。随着、镁合金新材料的不断开发和加工技术的完善，镁合金在汽车市场中将不断拓宽和持续稳定增长。镁合金生产以压铸为主的成形技术，一直是汽车工业关注的焦点，镁合金压铸件需求量占到汽车工业对镁合金需求量的80%，汽车用镁合金压铸材料，除满足耐高温和抗蠕变性能外，还必须充分考虑设计、加工、表面处理及相关压铸成形工艺。由于压铸镁合金有可铸造性的突出优势.铸造壁厚可以达到1～1.5 mm，拔模斜度1&-2&尽管镁合金铸造的重点仍放在压力压铸方面，但仍面临压铸镁合金的性能与成本问题。因此，一种新型工艺&&镁合金的半固态加工技术出现。该技术工艺已经主要用于生产一体化的镁、铝合金铸件。国外镁合金在汽车上应用前景广阔，欧、美国家镁合金压铸件产量以每年25%的速度增长。 Audi A6轿车变速器壳体为镁合金压铸件，质量仅为14.2 kg，奥迪公司最早将镁铸件用于仪表板骨架。福特汽车公司用镁合金生产座椅骨架，取代钢制骨架，使座椅质量从4 kg减为1 kg。福特公司正在研究用镁合金生产气缸体。日本三菱公司与澳大利亚科技部合作开发一种质量仅为7.5 kg的超轻质量的镁合金发动机。宝马公司直列六缸镁合金气缸体已经批量投产。美国通用生产镁压铸件进气岐管。雷诺公司已生产出镁合金车轮铸件。东风汽车铸造厂已经批量生产镁合金压铸件，目前东风汽车公司和一汽铸造公司正在开发承担国家科技部的重点科技攻关项目、，如变速器壳、齿轮室罩盖、气门室罩盖、转向盘骨架等镁合金压铸件。上海乾通汽车附件有限公司率先生产出轿车镁合金变速器外壳压铸件。近几年，国内还相继建立了一些大型的外资镁压铸企业，如上海镁镁、苏州GF等公司。4.7 半固态压铸成形技术半固态技术发源于美国，在美国这一技术已经基本成熟并处于全球领先地位。此技术被称之为21世纪最有前途的材料成形技术。Alumax公司率先将该技术转化为生产力，生产的铝合金汽车制动总泵体毛坯尺寸接近零件尺寸，加工量占铸件质量的13%，同样的金属型铸件的加工余量则占铸件质量的40%。20世纪80年代以来，欧洲等国在半固态应用方面作了大量研究和应用工作。意大利是半固态加工技术应用最早的国家之一，Stampal-saa公司用该技术为 Ford汽车公司生产齿轮箱盖和摇臂零件。目前，日本的Speed Star Wheel公司已经利用该技术生产重约5 kg的铝合金轮毂铸件。我国半固态金属加工技术起步较晚，始于20世纪70年代后期。与国外相比，我国在半固态金属成形技术领域的研究还很落后。就目前我国的研究现状来看，该技术发展动向是金属触变成形技术已经基本成熟，而流变成形技术的发展缓慢。因此，今后将有更多的研究人员转向流变成形理论和应用方面的研究。目前，半固态金属成形技术主要应用于铝、镁、铅等低熔点金属的成形，对高熔点黑色金属的应用较少，这是今后研究的方向。目前，国内外学者已经开发出了半固态成形过程数值模拟软件，但是还有不足，需要加强应用计算机技术。4.8 铸铁材质1薄壁高强度灰铸铁件技术我国2003年铸件总产量为1987万t，其中灰铸铁件为1049万t，占总产量的53%。灰铸铁件在汽车上的大量应用是由于该材料具有较低的成本和良好的铸造性能优势。随着汽车技术轻量化要求，灰铸铁的增长和发展将受到一定的影响，因此其发展趋势是加强薄壁高强度气缸体、气缸盖铸件技术的开发与应用。薄壁高强度气缸体、气缸盖铸件技术的难点是使最薄壁厚仅为3-5 mm的本体断面硬度差&40HBS，组织细密均匀。轿车气缸体和大功率柴油机气缸体、气缸盖铸件的硬度、珠光体量、碳化物含量、石墨形态等金相组织的技术要求高。如大功率柴油机气缸体、气缸盖要求本体硬度分别为1 70～228 HBS、179～235HBS，强度和尺寸要求高，表面粗糙度Ra&50 pm。灰铸铁的材质牌号在不断提高，HT300已用于气缸体、气缸盖的生产，有的产品可能要达到HT350。国内汽车铸造厂在材料工艺、熔炼工艺、造型工艺、制芯工艺、模具制造工艺、检测技术等方面作了大量工作，并将这些技术应用在轿车气缸体和大功率柴油机气缸体、气缸盖等铸件上。2蠕墨铸铁技术蠕墨铸铁具有球墨铸铁的强度，与灰铸铁相比又有类似的防振、导热能力及铸造性能.有好的塑性和耐热疲劳性能，可以解决大功率气缸盖的热疲劳裂纹问题。铁素体机体蠕铁的工作温度可达到700℃；高硅钼蠕铁的工作温度可达870℃。蠕墨铸铁不会取代球墨铸铁，也不会取代灰铸铁。蠕墨铸铁广泛应用的巨大潜在市场是汽车业，其主要产品则是发动机气缸体和大功率柴油机气缸盖。随着汽车轻量化和比功率功率/排量的提高，气缸体和气缸盖的工作温度越来越高，许多部位的工作温度超过200℃，在此温度下，铝合金的强度大幅度下降，而蠕铁则具有很大的优势。它将成为唯一能满足技术、环保和性能要求的先进的汽车发动机材料。因为蠕墨铸铁具有强度高、壁薄的特点，可以减轻质量。欧宝公司的研究表明，同样功率的发动机气缸体如果采用蠕铁，壁厚可以由原来的7 mm减为3 mm，铸件质量可减轻25%。蠕墨铸铁的蠕化处理范围很窄，核心技术是采用合适的生产技术与相应的蠕化剂。国外宝马汽车公司、戴姆勒一克莱斯勒汽车公司、达夫公司的发动机气缸体用蠕墨铸铁生产。福特Ford公司与辛特Sinter合作，于1999年在巴西每年生产10万件气缸体。德国Halberg铸造厂，从1 991年开始为奥迪生产V8蠕铁气缸体，壁厚3.5 mm，147 kW的气缸体质量仅74 kg。东风汽车公司铸造厂，于1 984年5月正式在流水线上批量生产蠕墨铸铁排气管，成为我国第一家在流水线上批量生产蠕墨铸铁件的工厂。在20世纪90年代初，又先后成功开发了蠕铁变速器壳体和上海大众桑塔纳轿车排气管。一汽铸造公司无锡柴油机分公司于20世纪80年{BANNED}始大批量生产蠕铁气缸盖。上海圣德曼铸造有限公司为上海大众生产中硅钼蠕铁排气管。3球墨铸铁技术球墨铸铁由于具有高强度、高韧性和低价格.所以在汽车市场上仍有很大发展。我国球铁产量也在持续增长，2003年产量占总产量的24%，同时制定许多球铁标准，研究开发了适应球铁在流水线上大量生产的先进工艺，如摇包、气动脱硫，型内、盖包球化，多种瞬时孕育，音频、超声、热分析检测技术。当前，在工业发达国家中，球墨铸铁件的产量在铸件总产量中占25%以上，美国2003年球铁产量占铸件总产量的33%。汽车铸造业球铁产品技术工艺的发展趋势有以下4个方面。一是铸态珠光体、高强度QT700-2、QT740-3的载货车和轿车曲轴，铸态铁素体、高伸长率QT400&18、QT440-10的汽车排气管和桥壳底盘类铸件。更高牌号QT800-2、QT900-2也在开发应用之中。二是保安类铸件，铸态生产轿车转向节的材质技术条件十分严格，要求铸件零缺陷，100%的无损检测，目前已有3项自动检测技术用于生产。三是耐热球铁件，即高硅钼、中硅钼、高镍球铁，该材质生产的排气管件，有很好的抗高温性能:目前国内汽车公司铸造厂已经生产出铸态中硅钼铁素体球铁排气管件。四是奥贝球铁，该材料特有的材质性能成为铸造业的焦点，这是一种很有开发应用潜力的材料，主要用于生产曲轴等产品。除上述外，汽车铸造厂已经生产出铸态球铁冷激凸轮轴。4.9 铸造过程计算机应用技术随着汽车铸造技术的快速发展，为缩短铸件生产准备周期和降低新产品开发的风险，采用快速原型技术、计算机仿真模拟、三维建模、数控技术的应用越来越广。快速原型技术在铸造生产中的应用有了很大的发展。它除了应用开发新产品试制用的模具及熔模铸造的蜡模外，还可以制做酚醛树脂壳型、壳芯，可以直接用来装配成砂型。国外公司在接到客户提供三维CAD数据后，根据不同的产品结构，最快可在3周时间内为客户提供铸件。模拟造型过程正在成为国际汽车铸造关注的前沿领域之一，清华大学、日本新东工业等对湿型砂紧实过程进行模拟。值得注意的是，德国亚琛工业大学、清华大学正在对射芯过程进行数据模拟。国内汽车铸造业CAD-CAM-CAE一体化设计开发得到充分应用，特别是CAE凝固模拟虚拟技术，应用Magma、华铸软件对新产品的铸件充型、凝固的温度场和流动场模拟分析处理，预测和分析铸件的缺陷。铸造专家系统得到进一步应用，如型砂质量管理、铸造缺陷分析、压铸工艺参数设计及缺陷诊断。4.10 铸造检测技术铸造检测技术是保证铸件质量的关键手段。铸件尺寸检查，有常用的检查卡具、卡板，有专用的检测夹具。对于气缸体、气缸盖等复杂件，采用三坐标仪自动测量铸件尺寸和超声波仪检测铸件的壁厚。无损检测技术的应用越来越广，对重要件时常采用荧光磁粉检测表面裂纹；采用超声波或音频检测球铁的球化率；采用涡流检测铸件的基体组织珠光体含量。为满足重要件的检测要求，可将上述3项检测仪器组合成一条自动检测线。采用X射线检测铸件内部的缩孔与缩松缺陷，日本本田对球铁转向节铸件100%用X射线探伤:采用工业内窥镜检测铸件内腔质量，气密性渗漏检测。化学成分检测，真空直读光谱仪和碳硫测定仪在炉前、炉后铁水质量上得到普遍应用.微量元素和气体元素N、O、H的分析得到重视:炉前快速热分析得到推广应用，快速预报铸铁的碳硅当量、孕育效果、基体组织和力学性能。4.11 绿色铸造技术&绿色铸造&是使铸造产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理整个产品的生命周期中，对环境的负面影响最小，资源效率最高。铸造行业历来被认为是高能耗、高污染的行业，要不断开发新的节能、清洁、低排放、低污染的铸造材料以投入生产使用。对于树脂，要想办法降低游离甲醛和游离酚等有害物质的含量；逐步加大冷芯盒技术应用，以减少树脂砂对环境的影响，实现达标排放:降低热芯盒、壳芯砂的固化温度，制芯工艺由热芯盒法向温芯盒法转变，以节约能源。我国汽车铸造厂每年消耗新砂近千万吨，旧砂排放的污染，以及新砂资源大量的耗费，不堪重负，因此旧砂的再生利用技术势在必行。先进工业国家废砂排放量降到10%以下，在欧洲、日本等地区旧砂的再生利用技术得到广泛应用。哈尔滨东安汽车发动机公司引进意大利的热法再生设备，已在生产中应用。一汽铸造公司引进日本技术，热法再生和机械再生结合，处理芯砂和型、芯砂混合砂已在生产中得到应用。目前，东风汽车公司也正在加速旧砂再生技术开发应用工作。加大废钢及回炉料的利用，以减少新生铁和铝资源的耗费。汽车铸造业面向循环经济的铸造技术，要以循环经济3R为行业准则，即以减量化Reduce、再利用Reuse、再循环Recycle来开展工作。5. 我国汽车铸造业面临的问题我国汽车铸造业在经过&计划经济&转入&市场经济&的过程中，经历了起步、稳定、发展、成熟4个阶段，取得了令世人瞩目的成绩。但是，我们必须清醒地认识汽车铸造业的历史重任及与发达国家的现实差距，牢牢把握国内外铸造技术的发展趋势，适时适宜地采用先进的铸造技术，实施铸造业的可持续发展战略，目前汽车铸造业主要有以下问题。铸造企业平均规模与经济规模和国外比有较大差距。我国的铸件产量虽然已经连续5年位居世界首位，有一批产量较高的大中型企业，但大多数铸造企业规模偏小。就整个铸造行业而言.其现状仍然是厂点散铸造厂点达2万多个，从业人员多达120万人之多，效益低下厂均铸件仅为500 t/年，只相当于美、日、德、法、意等工业发达国家的1/9-1/4。铸造企业整体技术装备水平和国外比有较大差距。企业间技术装备水平差距较大，少数企业的个别生产车间的技术装备水平，已接近或达到国际先进水平，但是整体水平不高。据统计，我国已从国外进口自动造型线210多条，还有国产造型生产线250多条，这些生产线主要集中在汽车内燃机件的大批量生产企业中。
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