有色铸件技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

1、铝合金的净化

熔体净化是发展铸造铝合金的一个重要部分。目前铸造铝合金的熔体精炼净化技术大体分为吸附法和非吸附法两大类。吸附法主要依靠精炼剂产生精炼气泡，并对夹杂物进行吸附而除去，达到净化铝液的目的，这类方法中主要包括浮游法、熔剂法和过滤法等。非吸附法依靠其它物理、化学作用来达到净化铝液的目的，包括真空处理、超声波处理、压力结晶、直流电场、钛屑处理、旋转电磁场和稀土元素储氢法等。非吸附法对铝液的精炼作用不但发生在吸附界面上，而且能对整体铝液发生作用。

2、铸造铝合金的变质处理

通过加入钠或钠盐进行变质仍然是目前工业使用的主要方法。随着现代显微技术和观察手段的进步，对变质机理也得到逐步认识，其中硅的生长受到抑制学说普遍为人接受。

由于钠变质时，生成的氟盐对设备腐蚀大，并且Na在高温下易于挥发，变质衰退很快，国内曾开发了许多新型的变质方法， 研究 表明，抑制共晶Si生长的外来质点的最佳原子半径为0.196nm，因此，除了钠和锶以外，可作为变质元素的还包括碲、钡、锑、钾、稀土、钇、硼和硫等元素。人们将变质工艺按要求概括为四个要素，即变质温度、变质时间、变质剂用量和变质操作方法。

3、镁合金的熔体保护技术

目前，镁合金在熔炼时，生产中采用最广泛的仍然是覆盖熔剂的方法，镁合金的熔剂由MgCl2、NaCl、KCl、BaCl2和CaF2等氯盐、氟盐的混合物组成，在镁合金熔化温度下，熔融的熔剂借助表面张力的作用，在镁液表面形成一个连续而完整的覆盖层，隔绝合金液与大气的接触，防止镁的燃烧。国内已经开发了几种新型镁合金阻燃添加材料，由于镁合金在保温炉和浇注过程中采用熔剂覆盖，易形成非金属夹杂物，而且很难清除干净，降低镁合金的塑性和耐腐蚀性，因此采用气体保护法是当前的发展方向，SF6、N2、CO2、SO2气体中的几种组成的混合气体，会在镁液表面形成致密的连续薄膜，阻止镁合金液的后续氧化。通常采用联合气体法对镁合金液体进行保护，其特点是在干燥空气和CO2的混合气体中加入极少量的SF6气体。

4、镁合金晶粒细化技术

获得细小的晶粒组织，对提高镁合金的塑性具有重要意义。通常镁合金晶粒细化技术包括异质生核法、固液相区压力法、铸锭形变法和快速凝固法。其中异质生核法由于在液态合金中添加晶粒细化剂，操作简单，适合于异型件的铸造，是主要的镁合金晶粒细化方法。

添加含锆的晶粒细化剂可以细化晶粒。这是由于锆在液态镁中的溶解度很小，发生包晶反应时，镁液中仅能溶解约0.6％(质量比)的锆，且锆和镁不形成化合物。凝固时锆首先以α－Zr质点的形式析出，镁的α相在α－Zr质点外部形成包晶组织。α－Zr和镁晶型一致，晶格常数接近，可以作为镁晶粒形核的核心质点。但由于锆和铝易形成稳定的Al3Zr化合物，而且Al3Zr晶体为体心正方型结构，与镁相差很大，不适合于Mg－Al系合金的晶粒细化。在Mg－Al合金中主要采用加碳的晶粒细化方法。

对合金液进行过热处理，也是近年发展的一种新型晶粒细化方法。过热处理是浇注前将熔体温度升高并保温一段时间后，再降温至浇注温度进行浇注的工艺过程。过热处理对Mg－Al系合金有明显的细化作用。过热处理虽然可以细化晶粒，但是由于熔体温度的升高加重了合金的氧化和吸气现象，又由于杂质和熔体合金的密度差较小，不利于杂质的重力分离，反而降低了铸件的质量。

5、钛合金的感应熔炼技术

当前我国工业中广泛使用的熔炼方法是真空自耗电极电弧熔炼法。虽然可以有效保证合金液具有一定的过热度和较为准确的合金熔体成分，但是这种方法对于原料电极的质量要求极高，并且熔池表面积大，深度小，造成高蒸气压元素（例如Al元素）的挥发损失很大，对控制合金成分不利，而水冷铜坩埚感应熔炼方法，是将分瓣设置并通水冷却的铜质坩埚置于感应电磁场下进行熔炼，可以最大限度的发挥感应熔炼方法的优势。

利用水冷坩埚熔炼钛合金早在20世纪70年代就有了报道。美国矿业局首先采用水冷铜坩埚感应熔炼金属钛，结果表明水冷铜坩埚与金属熔体之间存在一层由钛熔体凝固而产生的固体壳层即所谓凝壳。此时坩埚内衬相当于由所熔金属制成，即坩埚内表面与金属熔体成分相同，避免了坩埚对金属熔体的污染。随着冷坩埚组合块数及电源输入功率的增加，强烈的磁场作用促进炉料迅速熔化并产生强烈的搅拌作用，使金属熔体的温度和成分均匀，并能获得一致的过热度。由于新型的钛合金和Ti－Al化合物基合金的成分较复杂，合金元素含量允许偏差小，采用钛合金常用的电弧熔炼方法很难满足对合金成分的要求。水冷坩埚感应凝壳熔炼特别适于这方面的工作，哈尔滨工业大学在熔炼TC4合金、高强度钛合金、高Nb和W含量钛铝合金，以及含B、C钛基复合材料方面曾进行了大量的 研究 工作，结果表明合金成分均匀，间隙元素含量低，合金液的过热度适当，满足静态和离心浇注的要求。

第二节 产品工艺特点或流程

铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸造是现代机械制造工业的基础工艺之一。

铸造工艺可分为三个基本部分，即铸造金属准备、铸型准备和铸件处理。铸造金属是指铸造生产中用于浇注铸件的金属材料，它是以一种金属元素为主要成分，并加入其他金属或非金属元素而组成的合金，习惯上称为铸造合金，主要有铸铁、铸钢和铸造有色合金。

金属熔炼不仅仅是单纯的熔化，还包括冶炼过程，使浇进铸型的金属，在温度、化学成分和纯净度方面都符合预期要求。为此，在熔炼过程中要进行以控制质量为目的的各种检查测试，液态金属在达到各项规定指标后方能允许浇注。有时，为了达到更高要求，金属液在出炉后还要经炉外处理，如脱硫、真空脱气、炉外精炼、孕育或变质处理等。熔炼金属常用的设备有冲天炉、电弧炉、感应炉、电阻炉、反射炉等。

不同的铸造方法有不同的铸型准备内容。以应用最广泛的砂型铸造为例，铸型准备包括造型材料准备和造型造芯两大项工作。砂型铸造中用来造型造芯的各种原材料，如铸造砂、型砂粘结剂和其他辅料，以及由它们配制成的型砂、芯砂、涂料等统称为造型材料造型材料准备的任务是按照铸件的要求、金属的性质，选择合适的原砂、粘结剂和辅料，然后按一定的比例把它们混合成具有一定性能的型砂和芯砂。常用的混砂设备有碾轮式混砂机、逆流式混砂机和叶片沟槽式混砂机。后者是专为混合化学自硬砂设计的，连续混合，速度快。

造型造芯是根据铸造工艺要求，在确定好造型方法，准备好造型材料的基础上进行的。铸件的精度和全部生产过程的经济效果，主要取决于这道工序。在很多现代化的铸造车间里，造型造芯都实现了机械化或自动化。常用的砂型造型造芯设备有高、中、低压造型机、抛砂机、无箱射压造型机、射芯机、冷和热芯盒机等。

铸件自浇注冷却的铸型中取出后，有浇口、冒口及金属毛刺披缝，砂型铸造的铸件还粘附着砂子，因此必须经过清理工序。进行这种工作的设备有抛丸机、浇口冒口切割机等。砂型铸件落砂清理是劳动条件较差的一道工序，所以在选择造型方法时，应尽量考虑到为落砂清理创造方便条件。有些铸件因特殊要求，还要经铸件后处理，如热处理、整形、防锈处理、粗加工等。

铸造是比较经济的毛坯成形方法，对于形状复杂的零件更能显示出它的经济性。如汽车发动机的缸体和缸盖，船舶螺旋桨以及精致的艺术品等。有些难以切削的零件，如燃汽轮机的镍基合金零件不用铸造方法无法成形。

另外，铸造的零件尺寸和重量的适应范围很宽，金属种类几乎不受限制；零件在具有一般机械性能的同时，还具有耐磨、耐腐蚀、吸震等综合性能，是其他金属成形方法如锻、轧、焊、冲等所做不到的。因此在机器制造业中用铸造方法生产的毛坯零件，在数量和吨位上迄今仍是最多的。

铸造生产经常要用的材料有各种金属、焦炭、木材、塑料、气体和液体燃料、造型材料等。所需设备有冶炼金属用的各种炉子，有混砂用的各种混砂机，有造型造芯用的各种造型机、造芯机，有清理铸件用的落砂机、抛丸机等。还有供特种铸造用的机器和设备以及许多运输和物料处理的设备。

铸造生产有与其他工艺不同的特点，主要是适应性广、需用材料和设备多、污染环境。铸造生产会产生粉尘、有害气体和噪声对环境的污染，比起其他机械制造工艺来更为严重，需要采取措施进行控制。

第三节 国内外技术未来发展趋势 分析

有色铸件产品发展的趋势是要求铸件有更好的综合性能，更高的精度，更少的余量和更光洁的表面。此外，节能的要求和社会对恢复自然环境的呼声也越来越高。为适应这些要求，新的铸造合金将得到开发，冶炼新工艺和新设备将相应出现。

有色铸件生产的机械化自动化程度在不断提高的同时，将更多地向柔性生产方面发展，以扩大对不同批量和多品种生产的适应性。节约能源和原材料的新技术将会得到优先发展，少产生或不产生污染的新工艺新设备将首先受到重视。质量控制技术在各道工序的检测和无损探伤、应力测定方面，将有新的发展。

有色铸件工作者在电子技术和测试手段不断进步的条件下，将对金属结晶凝固和型砂紧实等理论进行更深入的探索，以 研究 提高铸件性能和内部质量的有效途径。机器人和电子计算机在铸造生产和管理领域里的应用，也将日益广泛。

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