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铝合金铸造发展史


    铸造行业作为一个古老的行业,在数千年人类发展过程中,曾经为人类文明的发展与进步作出了巨大贡献。早在5000年前的殷商时代,可以铸造饮酒用的杯,当作乐器用编钟,祭祀用的铜鼎,打仗用的武器等,被誉为世界奇迹。青铜器的铸造就很发达,湖北隋县出土的一套青铜全套64支,总重5吨多,其实磅礴,铸造精美,纹路精细,敲击时铿锵悦耳,深沉浑厚,乐音和谐,扣人心弦。到了汉代,生铁铸造就已成规模。各种农业用工具,打仗用刀斧剑炮,装饰用铁人、铁马、方鼎,品种繁多。考古发现,当时可锻铸铁在中国实用已经很广泛。而西方在公元1670年才发明欧法的白心可锻铸铁。中国古代的铸铁生产技术要比欧洲早1000多年。

    进入20世纪,铸造的发展速度很快,其重要因素之一是产品技术的进步,要求铸件各种机械物理性能更好,同时仍具有良好的机械加工性能;另一个原因是机械工业本身和其他工业如化工、仪表等的发展,给铸造业创造了有利的物质条件。建国50多年来,我国的重力铸造工业从无到有,重力铸造生产有利相当大的发展,随着我国汽车、摩托车、家用电器、计算机等工业的发展,对重力铸造件的需要量日益增加,以生产优质、精密、大型重力铸造件的重力铸造工业得到高速的增长和发展。

    目前,我国铸件年产量已超过3100万吨,居世界第一,是世界铸造生产大国。由于铸造业其产品质量不一保证,废品率较高,所以在我国改革开放和经济建设发展的不断深入以及国际市场竞争更加激烈、严格的条件下,对铸件生产实现科学化控制,确保铸件质量,缩短试制周期,降低铸件成本,增加竞争能力,提高经济效益,加速产品更新和技术换代,对于促进我国传统工业的技术改造和国民经济向质量效益型健康发展有着非常重要的现实意义。

    从60年代初凝固模拟技术首次被用来进行温度场研究开始,经过数十年的努力,铸件充型凝固过程的计算机模拟仿真技术的发展已进入了工程实用化阶段,铸造工艺设计和实施也正在逐步由经验走向科学化。近年来,随着计算机技术的进一步发展,铸造工艺计算机辅助设计,铸件凝固过程数值模拟等多项技术在铸造生产工程中得到越来越广泛的应用。铸造过程数值模拟技术在改造和提升传统铸造技术,降低产品成本,提高铸造企业竞争力等方面起到了不可替代的作用,其广泛应用必将为铸造行业带来巨大的经济效益和社会效益。

    铸件充型凝固数值模拟系统主要包括前处理、充型计算、凝固计算和后处理几个主要模块。铸件凝固过程模拟包括温度场计算、缩孔缩松预测,被学者称为铸件凝固过程的宏观模拟。目前,一般的温度场模拟已经本成熟,缩松、缩孔等缺陷预测也得到了深入研究。对于数值模拟软件而言,缩松、缩孔的预测是凝固计算的主要目的之一,也是大多数凝固模拟软件的主要功能之一,但是目前软件的推广以及应用还并不完善。

    ADC12铝硅合金因具有强度和耐腐蚀性能高,热膨胀系数小,切削性能好及优良的铸造性能被广泛应用于汽车气缸体、缸盖、机车减震器、引擎齿轮箱、农机齿轮箱等零部件。近年来,随着汽车、摩托车工业的迅速发展,其主要用于小型汽车的制动泵壳体及摩托车减震器壳体等形状较复杂,强度、精度要求较高的批量生产的中小型零部件。

    缩孔是铝合金铸件常见缺陷之一,严重的缩孔缺陷往往造成铸件的大量报废。目前国内的铝铸件生产厂家主要是通过质量的检测和工艺的改进相结合的办法来减轻或消除此类缺陷。产品的试制时间较长,并造成了人力、物力的浪费。计算机模拟技术为预测铸件缺陷,确保铸件质量提供了一种简便、经济的方法。对凝固过程的计算机模拟也成功的用于浇冒口的辅助设计,但大都偏重于铸钢、铸铁件的应用,对铝合金的应用研究较少。80年代中期以来,随着计算机软硬件技术的飞速发展,凝固过程数值模拟技术在铸造过程中得到了广泛的应用。当前,随着模拟研究的不断发展,模拟研究的重点已经从早期的温度场模拟和近几年较受关注的流场模拟转向了以下两个方面:一个是向微观组织模拟以及力学性能模拟等方面进行深入的探讨,寻求新的突破;另一个是在已有的温度场、流场的模拟基础上,针对特定的铸造工艺,尤其是重力铸造工艺参数较多。且对各项参数十分敏感的特种铸造工艺,结合各种工艺因素进行模拟,追求更加准确的模拟结果,为工艺分析与优化提供依据。对实际的铸造生产而言,后者具有更加现实的意义。这意味着在未来的几年里,凝固模拟将进一步在各种新的铸造工艺中应用。国外许多铸造模拟软件已经开发出重力铸造模块,国内在这方面的研究较少。

    在铝合金重力铸造生产中,重力铸造件经常会产生一些缩孔、气孔,产生这些问题的因素很多,一是产品重力铸造时模具表面残留水份,和铝液接触时,产生气体,进入产品内部;二是重力铸造件使用的铝合金除渣、除气不够;三是重力铸造用的铝液温度没有掌控好;四是模具上存在一些问题。目前,对铝铸件渗漏的研究主要集中于以下方面:

1、利用数学的方法分析缩松、缩孔形成的热力学和动力学因素,建立数学模型,使用计算机模拟铸件凝固过程,确定铸件中缩孔缩松形成的部位,然后进行分析并改变模型中的工艺参数以达到消除或减轻缩松目的,最终用于指导铝合金铸件的生产。

2、依据凝固过程的特性,在生产实践中通过反复试验,探索缩孔、缩松形成的原因和机理,针对成因改进工艺消除或减轻缩松、缩孔,以达到防治渗漏的目的。

重力铸造

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