鑄造技術發展趨勢及新一代精確鑄造技術
發展方向
輕量化、精確化、強韌化、高效化、數字化、網絡化和清潔化
一、鑄件輕量化
近年來，對通過降低產品自重，以降低能源消耗和減少環境污染，提出了更迫切的需要，由于鋁、鎂合金的質量輕以及它們的優異性能，受到各國的普遍重視，尤其是鎂合金是金屬中最輕的，而且其產品材料回收率高，被認為是一種最具開發和發展前途的“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。專家預測，到2009年，74%的汽車發動機汽缸體及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
名稱
原理和特點
適用生產的鑄件
出品率
毛坯
利用率
應用
材料
(1)質量
(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
是先用成形機獲得零件形狀的泡沫塑料模型(代替鑄模進行造型)，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，生產效率高；生產清潔，工人勞動強度低，要求技術熟練程度低；零件設計自由度大；投資少，成本低；但生產準備較復雜
合肥合力叉車集團公司生產的這類鑄件，已達國際先進水平
鋁合金、銅合金、鐵、鋼
(1)從數克到數噸
(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
鑄件結構越復雜，砂芯越多，越能體現其優越性和經濟性。目前國外多用在汽車發動機缸體、缸蓋、進氣歧管等鋁合金鑄件上，國內多是管件、耐磨耐熱件、齒輪箱等鋼鐵鑄件
順 序 凝 固 熔 模 鑄 造
由于科學技術的發展，傳統的失蠟鑄造技術已發展成為順序凝固熔模鑄造新技術，可以直接生產高溫合金單晶體燃氣輪機葉片
(見圖)，這是精確鑄造成形技術在航空、航天工業中應用的杰出范例。從20世紀60年代初期等軸晶高溫合金實心渦輪葉片發展到20世紀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動機上獲得廣泛應用(見圖1)。美國第四代戰斗機F22所用的推重比為10的發動機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高度集成的杰出體現。在這方面，我國與美國等工業發達國家相比，仍有較大差距。
圖1單晶高溫合金渦輪葉片的應用
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，是一種近凈形生產金屬零件的先進工藝
它可以鑄造形狀復雜的鑄件；產品精密；合金材料不受限制；生產靈活性高，適應性強
但生產鑄件尺寸不能太大，工藝流程煩瑣，鑄件冷卻速度較慢，生產周期長
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
復雜
鑄件
小、中、大批量
30～60
90
主要用于精密復雜的中、小鑄件，目前幾乎已應用于所有工業部門，如航空航天、造船、汽輪機、燃氣輪機、兵器、電子、石油、化工、交通運輸、機械、泵、閥、紡織、醫療、儀器儀表、家電等
半固態金屬鑄造
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，再根據需要將坯料切分，并重新加熱至固液兩相區，利用這種半固態坯料進行鑄造成形。這兩種方法均稱為半固態金屬鑄造。其工藝過程主要分為兩大類工藝過程
由于半固態金屬及合金坯料的加熱、輸送很方便，并易于實現自動化操作，因此，當固態金屬觸變壓鑄和觸變鍛造已成為當今金屬半固態成形中的主要工藝方法。但流程更短、成本更低的半固態金屬及合金的流變成形技術也正在逐步進入實際商業應用
例如，利用觸變鑄造法，1997年美國兩家半固態鋁合金成形工廠的生產能力分別達到每年5000萬件，近年來，它的一些主要零件毛坯年產量為:制動總泵體240萬件，油道和發動機支架各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生產了50余萬件半固態鎂合金汽車零件。北京科技大學也成功連續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，觸變成形實驗達到中試水平等
工 藝 過 程 分 類
(1)流變鑄造 是利用劇烈攪拌等方法制出預定固相分散的半固態金屬料漿進行保溫，然后將其直接送入成形機，鑄造或鍛造成形。采用壓鑄機成形的稱為流變壓鑄，采用鍛造機成形的，稱為流變鍛造
圖2半固態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金屬料漿，并將它進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，然后利用機械搬運將其送入成形機，進行鑄造或鍛造。根據采用成形機不同，也可分為觸變壓鑄、觸變鍛造等
圖3半固態金屬觸變壓鑄示意圖
圖4半固態金屬觸變壓鑄設備平面布置圖
1—坯料搬運機器人；2—H-630SC型壓鑄機；3—鑄件抓取機器人；
4—澆注系統鋸切機構；5—鑄件冷卻箱；
6—涂料噴涂裝置；7—加熱系統
優
點
①在重力下，重熔加熱后的黏度很高，可機械搬運，便于實現自動化，在高速剪切作用下，黏度又可迅速降低，便于鑄造；②生產效率高；③改善了金屬的充型過程，不易發生噴濺，減少了合金的氧化和鑄件裹氣，提高了鑄件的致密性，可通過熱處理進一步強化，其強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，便于調整，借此改變半固態金屬料漿或坯料的表面黏度以適應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節約能源25%～30%；⑩操作更安全，工作環境更好；?(11)半固態金屬的黏度較高，便于加入增強材料(顆�；蚶w維)廉價生產復合材料；?(12)充填應力顯著降低，因此，可成形很復雜的零件毛坯，其鑄件性能與固態鍛件相當，而降低了成本
不同鑄件力學性能比較
A356和A357合金半固態觸變壓鑄件與其他鑄件的力學性能比較
合金
種類
成形
工藝
熱處
理工
藝
屈服
強度
/MPa
抗拉
強度
/MPa
伸長
率
/%
硬度
HBS
合金
種類
成形
工藝
熱處
理工
藝
屈服
強度
/MPa
抗拉
強度
/MPa
伸長
率
/%
硬度
HBS
A356
SSM
SSM
SSM
SSM
SSM
PM
PM
CDF
鑄態
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
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，然后結合傳統鑄造工藝快捷地制造鑄件的一種新工藝
快速鑄造與傳統鑄造比較有下列特點：
(1)適宜小批量、多品種、復雜形狀的鑄件
(2)尺寸任意縮放，數字隨時修改，所見即所得
(3)工藝過程簡單，生產周期短，制造成本低
(4)返回修改容易
(5)CAD三維設計所有過程基于同一數學模型
(6)設計、修改、驗證、制造同步
快速鑄造可以將CAD模型快速有效地轉變為金屬零件。它不僅能使過去小批量、難加工、周期長、費用高的鑄件生產得以實現，而且將傳統的分散化、多工序的鑄造工藝過程集成化、自動化、簡單化。它的推廣應用對新產品開發試制和單件小批量鑄件的生產，產生積極的影響，SLA或SL適合成形中、小件，可直接得到類似塑料的產品
快速成形技術 是指在計算機控制與管理下，根據零件的CAD模型，采用材料精確堆積的方法制造原型或零件的技術，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軟件設計出所需零件的計算機三維實體模型，即電子模型。然后根據工藝要求，將其按一定厚度進行分層，把原來的三維電子模型變成二維平面信息(截面信息)。再將分層后的數據進行一定的處理，加入加工參數，生成數控代碼，在微機控制下，數控系統以平面加工方式，順序地連續加工出每個薄層模型，并使它們自動粘接成形。這樣就把復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
它是一種新的成形方法，不同于傳統的鑄、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雜的原型和零件，而零件的復雜程度對成形工藝難度、成形質量、成形時間影響不大
(1)高度柔性 它取消了專用工具，在計算機的管理和控制下可以制造任意復雜形狀的零件，將信息過程和物理過程高度相關地并行發生，把可重編程、重組、連續改變的生產裝備用信息方式集中到一個制造系統中，使制造成本完全與批量無關
(2)技術高度集成 是計算機技術、數控技術、激光技術、材料技術和機械技術的綜合集成。計算機
圖6快速成形的過程
和數控技術為實現零件的曲面和實體造型、精確離散運算和繁雜的數據轉換，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使采用激光能源固化、燒結、切割材料成為現實；快速掃描的高生產率噴頭為材料精密堆積提供了技術條件等
(3)設計、制造一體化 由于采用了離散/堆積的加工工藝，工藝規劃不再是難點，CAD和CAM能夠順利地結合在一起，實現了設計、制造一體化
(4)快速性 從CAD設計到原型加工完畢，只需幾小時至幾十小時，復雜、較大的零部件也可能達幾百小時，從總體看，比傳統加工方法快得多
幾種典型工藝
(1)液態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激光器)、掃描系統和計算機數控系統等組成。液槽中盛滿液態光敏聚合物，帶有許多小孔的升降工作臺，在步進電動機的驅動下，沿Z軸作往復運動，激光器功率一般為10～200mW，波長為320～370nm，掃描系統為一組定位鏡，它根據控制系統的指令，按照每一截面輪廓的要求作高速往復擺動，從而使激光器發出的激光束發射并聚焦于液槽中液態光敏聚合物的上表面，并沿此面作X-Y方向的掃描運動。在受到紫外激光束照射的部位，液態光敏聚合物快速固化形成相應的一層固態截面輪廓
圖7液態光敏聚合物選擇性固化成形機原理
1—激光器；2—掃描系統；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截面層厚的高度，該層液態光敏聚合物被激光束掃描發生聚合固化，并形成所需第一層固態截面輪廓后，工作臺下降一層高度，液態光敏聚合物流過已固化的截面輪廓層，刮刀按設定的層高，刮去多余的聚合物，再對新鋪上的一層液態聚合物進行掃描固化，形成第二層所需固態截面輪廓，它牢固地黏結在前一層上，如此重復直到整個工件成形完成
圖8液態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)這種工藝的成形機原理如圖9所示，它由計算機、原材料存儲及送進機構、熱粘壓機構、激光切割系統、可升降工作臺和數控系統、模型取出裝置和機架等組成。其成形過程如圖10所示，計算機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，向數控系統發出指令，原材料存儲及進給機構將存于其中的原材料逐步送至工作臺上方，熱粘壓機構將一層層材料粘合在一起。激光切割系統按照計算機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，并將無輪廓區切割成小方網格，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、粘合和切割新的一層材料。數控系統執行計算機發出的指令，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原理
1—計算機；2—激光切割系統；3—熱粘壓機構；
4—導向輥1；5—原材料；6—原材料存儲及送進機構；
7—工作臺；8—導向輥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)這種工藝的成形機的原理圖如圖11所示，加熱噴頭在計算機的控制下，根據截面輪廓的信息作X-Y平面運動和Z方向運動。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構送至噴頭，并在噴頭中加熱至熔融態，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，再進行下一層的涂覆，如此循環，最終形成三維產品。為提高成形效率，可采用多個熱噴頭進行涂覆。由于結構的限制，加熱器的功率不能太大，因此，實芯柔性絲材一般為熔點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的原理
1—供絲機構；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成形(簡稱TDP)是用多通道噴頭在計算機的控制下，根據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劑使部分粉末黏結，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，再進行下一層的黏結，如此循環，最終形成三維工件。一般情況下，黏結得到的工件必須放在加熱爐中，進一步固化或燒結，以便提高黏結強度。其工藝原理如圖12所示
圖12粉末材料選擇性黏結工藝原理
圖13是按上述原理設計用于制作陶瓷模的TDP型快速成形機，它有一個陶瓷粉噴頭1，在直線步進電動機的驅動下，沿Y方向作往復運動，向工作臺面噴灑一層厚度為100～200μm的陶瓷粉；另一個黏結劑噴頭2，也用步進電動機驅動，跟隨1，有選擇性地噴灑黏結劑，黏結劑液滴的直徑為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，必須對整個截面進行掃描黏結，成形時間較長。采用多噴頭可提高成形效率
圖13 TDP型快速成形機
1—陶瓷粉噴頭；2—黏結劑噴頭；3—導軌1；
4—導軌2；5—驅動電動機；6—制件
三、數字化鑄造——鑄造過程的模擬仿真
原理和特點
應用
計算材料科學隨著計算機技術的發展，已成為一門新興的交叉學科，是除實驗和理論外解決材料科學中實際問題的第三個重要研究方法。它可以比理論和實驗做得更深刻、更全面、更細致，可以進行一些理論和實驗暫時還做不到的研究。因此，模擬仿真成為當前材料科學與制造科學的前沿領域及研究熱點。根據美國科學研究院工程技術委員會的測算，它可以大幅度提高產品質量，增加材料出品率25%，降低工程技術成本13%～30%，降低人工成本5%～20%，增加投入設備利用率30%～60%，縮短產品設計和試制周期30%～60%等
多學科、多尺度、高性能、高保真及高效率是模擬仿真技術的努力目標，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課題(圖14)。通過計算機模擬，可深入研究材料的結構、組成及其各物理化學過程中宏觀、微觀變化機制，并由材料化學成分、結構及制備參數的最佳組合進行材料設計
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中得到應用。福特汽車公司提出了虛擬鋁合金發動機缸體研究，其目標是能預測缸體的疲勞壽命。國內在相場法研究鋁合金枝晶生長、無脆自動機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測等方面均已取得重要進展。最近，成功地采用CA方法研究單晶體葉片的結晶過程及組織演變
鑄造過程的宏觀模擬在工程應用中已是一項十分成熟的技術，已有很多商品化軟件如MAGMA、PROCAST、DEFORM及中國的鑄造之星(FT-STAR)等，并在生產中取得顯著的經濟及社會效益
①長江三峽水輪機重62t的不銹鋼葉片已由中國二重集團鑄造廠，采用模擬仿真技術，經反復模擬得到最優化鑄造工藝方案
，一次試制成功(2000年)
②一片重218t的熱軋薄板用軋機機架鑄件到全部18片冷熱軋機機架鑄件由馬鞍山鋼鐵公司制造廠與清華大學合作，采用先進鑄造技術和凝固過程計算機模擬技術，優質完成，僅用10個月，且節約了上千萬元生產費用
(1)
產品及鑄造工藝設計集成系統
現代的產品設計及制造開發系統是在網絡化環境下以設計與制造過程的建模與仿真為核心內容，進行的全生命周期設計。美國汽車工業希望汽車的研發周期縮短為15～25個月，而20世紀90年代汽車的研發周期為5年。美國先進金屬材料加工工程研究中心提出了產品設計/制造(鑄造)集成系統在網絡化環境下，產品零部件的設計過程中同時要進行影響產品及零部件性能的鑄造等成形制造過程的建模與仿真，它不僅可以提供產品零部件的可制造性評估，而且可以提供產品零部件的性能預測。因此，在網絡化環境下，鑄造過程的模擬仿真將在新產品的研究與開發中發揮重要作用。圖15為產品虛擬開發與傳統方法比較
圖15產品虛擬開發與傳統方法比較
(2)
虛擬制造
虛擬制造是CAD、CAM和CAPP等軟件的集成技術。其關鍵是建立制造過程的計算模型、模擬仿真制造過程。虛擬制造的基礎是虛擬現實技術。所謂“虛擬現實”技術是利用計算機和外圍設備，生成與真實環境一致的三維虛擬環境，使用戶通過輔助設備從不同的“角度”和“視點”與環境中的“現實”交互
(3)
網
絡
化
、
數
字
化
設
計
、
鑄
造
與
管
理
系
統
集成的設計、制造與管理信息系統是未來鑄造企業取得成功的必要條件(見圖16)。所有工程、鑄造與管理系統無縫連接，確保在正確的時間與地點能實時作出正確的決定。可在異地進行實時、協同的分布式生產，建成“虛擬企業”
圖16集成的設計、制造與管理信息系統
五、潔凈化鑄造——綠色鑄造
美國在展望2010年的制造業前景時，進一步把“精確成形工藝”發展為“無廢棄物成形加工技術(waste-freeprocess)”。所謂“無廢棄物加工”的新一代制造技術是指加工過程中不產生廢棄物；或產生的廢棄物能在整個制造過程中作為原料而利用，并在下一個流程中不再產生廢棄物。由于無廢物加工減少了廢料、污染和能量消耗，并對環境有利，從而成為今后推廣的重要綠色制造技術。綠色鑄造是長期的努力方向及目標，最近日本鑄造工廠提出了3R的環境保護新概念(見圖17)，即:減少廢棄物(reduce)、再利用(reuse)及再循環(recvcle)。德國制定了《產品回收法規》
圖17與環境友好的3R日本鑄造廠
鑄鐵和鑄鋼的特性與結構特點
材
料
類
別
材 料 特 性
結 構 特 點
綜合力
學性能
壁厚變
化對力
學性能
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
定性
灰
鑄
鐵
綜合力學性能低，抗壓強度大，為本身抗拉強度的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雜的鑄件，鑄件中殘余內應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，故灰鑄鐵件當壁厚超過其臨界值時，隨著壁厚的增加其力學性能反而顯著降低
(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座
(5)不允許用于長時間在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， 如抗拉強度及屈服強度高于高強度灰鑄鐵而低于球墨鑄鐵，熱傳導性、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異的綜合性能，使其具有廣泛應用的條件
(1)由于強度高，對斷面的敏感性小，鑄造性能好，因而可用來制造復雜的大型零件
(2)由于蠕墨鑄鐵具有較高的力學性能，同時還具有較好的導熱性，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)由于蠕墨鑄鐵的強度較高：致密性好，可用來代替孕育鑄鐵件，不僅節約了廢鋼，減輕了鑄件重量(碳當量較高，強度卻比灰鑄鐵高)，鑄件的成品率也大幅度提高，而且使鑄件的氣密性增加，這一點特別適用于液壓件的生產
(4)加工蠕墨鑄鐵時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)鑄件多設計成均勻厚度，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，其結構設計與鑄鋼相近；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成分控制不當引起鑄件不合格而報廢，但球墨鑄鐵的化學成分可在較寬范圍內變動而不致引起極大的力學性能變化
可
鍛
鑄
鐵
退火前很脆，綜合力學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
綜合力學性能高，抗壓強度與本身抗拉強度相等，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，內應力翹曲較大，不易鑄出復雜零件
(2)可做出大厚度鑄件，其力學性能大厚度增加時沒有顯著降低，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點位于鑄件上部等)，以防止疏松與縮孔，但對一些壁較薄而且均勻的鑄件，則應創造同時凝固的條件
(3)相連壁的圓角，不同壁厚的過渡段均比灰鑄鐵大
(4)減少節點及金屬積聚比灰鑄鐵要求嚴格
(5)氣體飽和傾向大，流動性差，表面雜質及氣泡多，故加工余量比灰鑄鐵大
(6)含碳量增高，收縮率增加，導熱性能降低，故高碳鋼件容易發生冷裂，低合金鋼比碳鋼易裂，高錳鋼導熱性很差，收縮率大，很容易開裂，設計時更應強調，壁厚要均勻，轉角要圓滑
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經濟比較
名稱
6110柴油機(104kW)缸蓋
集 成 塊
EQ140汽車發動機排氣管
毛坯質量
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
技術要求
該鑄件結構復雜，系六缸一蓋連體鑄件，工作時受較高機械熱應力，要求材質具有良好力學性能、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℃)，承受較大的熱循環載荷，要求材質有良好的抗熱疲勞性能
原設計材質為灰鑄鐵
(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)缸蓋滲漏嚴重，在導桿孔、螺栓孔等熱節處(均為非鑄出孔)易產生縮松(孔)缺陷，經加工鉆孔后鑄壁有微孔穿透造成滲漏
(3)因鑄件熱節多達50處，尺寸精度高，內腔結構復雜，難以采用冒口補縮和內外冷鐵工藝
(4)HT250(CuMo合金鑄鐵)
(1)由于HT300高牌號灰鑄鐵碳硅質量分數低，所以鑄造性能差，鑄件易產生縮裂或晶間縮松而報廢，廢品率高達60%
(2)工藝出品率低，只有55%左右，壓邊澆冒口的質量是鑄件質量的80%以上
(3)HT300
(1)壽命短，汽車行駛不到10000km，管壁開裂嚴重；若改用球墨鑄鐵排氣管，雖不發生開裂，但變形嚴重，通道口錯開漏氣
(2)HT150
蠕墨鑄鐵
(1)由于蠕墨鑄鐵的抗拉強度、抗蠕變能力和塑性均明顯優于原材質，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%，當蠕化率大于50%時，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、加工性等對碳當量和合金元素的敏感性大，尤其對薄壁復雜件更為突出，而蠕墨鑄鐵的上述性能對碳當量敏感性小，加之采用稀土蠕化劑又有較寬的蠕化范圍，沖天爐生產條件下缸蓋質量也易于控制
(4)節省貴重合金元素，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%，壓邊澆冒口質量比原來的減少2/5
(3)經濟效益明顯，扣除蠕墨鑄鐵生產成本比HT300灰鑄件增加約8%外，僅廢品率下降、工藝出品率提高兩項，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)取消了加強肋，鑄件自重減輕了10%
技術要求
鋼錠模制作目前一般采用普通灰鑄鐵和球墨鑄鐵
鋼錠模在反復受熱、冷卻的惡劣條件下工作，所以其材質的特性直接影響使用壽命。在熱應力的作用下，脆性材質可能發生斷裂，塑性材料則會發生永久變形。熱應力的大小與溫度梯度、熱膨脹系數和彈性模量有關。材質的導熱性好(可降低溫度梯度)、彈性模量低、強度高(特別是高溫強度)、韌性好都有利于承受熱循環載荷。在非常快的熱循環條件下，導熱性是主要影響因素，在緩慢熱循環的條件下，高強度則更為重要。對于不同結構和冷卻方式的鋼錠模，對其材質的要求也不盡相同。它要求材質具有良好力學性能、抗熱疲勞性能
蠕墨鑄鐵的力學性能比灰鑄鐵高，導熱性能比球墨鑄鐵好，所以它也是一種生產鋼錠模的良好材質
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)圖為各種材質鋼錠模的對比試驗結果，可見在空冷條件下球墨鑄鐵壽命最長，消耗最少，次之是體積分數為10%～50%的蠕蟲狀石墨鑄鐵；在噴水雨淋冷卻條件下體積分數為10%～50%蠕蟲狀石墨鑄鐵最佳；浸水冷卻條件下灰鑄鐵最好
(3)生產中發現，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，錠模底部圓角處出現縮孔，其上部石墨漂浮也嚴重；而體積分數為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)該廠采用體積分數為10%～50%蠕蟲狀石墨的蠕墨鑄鐵生產空冷斷面厚50.8cm和雨淋冷卻斷面厚28cm鋼錠模，經過一年左右的實際使用，其模耗與原使用的灰鑄鐵錠模相比明顯降低(見右表)，每年節約鋼錠模數千噸，價值百萬元以上
蠕蟲—蠕蟲石墨；球—球狀石墨；團—團球狀石墨；百分數為體積分數
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
包括體積分數為55%～80%蠕蟲狀石墨鑄鐵錠模
轉爐
厚28cm
雨淋開口模
11.32
3.62
