铸造技术范文

  在山西侯马东周铸铜遗址中，出土了相当多的单元纹饰模及单元纹饰范。这些陶模陶范的出土，代表了当时范铸纹饰技术的主流工艺。图1左为上海博物馆藏四叶纹战国镜，镜通身黑漆，被涂成绿色的长方形纹饰块，即是一个纹饰单元；右为鄂州市博物馆藏战国墓葬发掘铜镜，也是四叶镜，形制相同。两镜并非同模镜，但制作工艺完全相同，镜背的纹饰如同一人制作。这些四叶镜在许多地方都有出土，其形制及纹饰也都差不多。由于当时铸制青铜器纹饰的主流工艺是单元纹饰拼对技术，铜镜的纹饰技术不可避免地受一定的影响。采用这一技术制作镜模，促成了战国镜纹饰技术的成熟。成熟的特征，是镜背纹饰中到处可看到长方形格子式的拼对痕。两镜的底纹上只有很小的四叶，其他战国镜如山字纹镜、菱格纹镜、龙纹镜等，其实与四叶镜一样，都是在底纹上叠压的主纹。不论制作什么样的主纹，都须先制作好底纹的阴模，再在阴模的底纹上直接压刻出各种各样的主纹。所以，在战国镜的纹饰中，不论主纹是怎样，在其底纹上都能找到拼对底纹留下的格子。这种长方形的格子，也是区别战国镜与西汉初年镜的根本所在。

  战国以前的青铜器的合金成分一直是不规范的。尽管《考工记》里有关于“六齐”的记载，但出土青铜器的化学成分与之多不相同。战国时期能将铜镜的合金成分得以规范，只有一个原因，那就是战国时期人们对铜镜的认知度提高，铜镜得到了广泛关注，使得铜镜的合金成分日趋合理化。从战国开始直至唐晚期约1000年之间的实用镜，从始至终保持了高锡青铜的化学成分。

  西汉初年铜镜改变了制模技术，形制也随之改变。高祖时期镜与战国镜基本上没有区别，但如果从技术角度看，西汉初年镜虽然也是三弦钮，内凹式镜缘及底纹上叠压主纹，但底纹是整雕的，已不再采用战国那种单元纹饰拼对工艺，再也没有长方格的拼对痕了。西汉早期的文景之治，促使了社会经济的快速地发展。文景两朝采用道家无为而治的思想，与民生息。中国的铜镜从战国时期与百姓无缘，到西汉铜镜普及到平民百姓，这与文景之治有着直接的关系。所以，与战国镜不同的是，西汉镜的制作是出于市场的需求，不是官方行为，是靠市场的认可度在民间进行自由发展与自然淘汰。凡大量留传下来的铜镜，肯定是当时被市场认可的。

  进入市场的初期，平民的生活水平还很低，因而西汉早期的铜镜都较小。如日光镜、昭明镜等，一般直径多在7厘米左右。由于西汉早期铸镜的工匠不再是战国那种青铜器作坊的工匠，不受青铜时代传统范铸工艺思想的制约，铸造了大量形制简单又无纹饰的铜镜。纹饰在西汉的起步，是从几何纹开始的，采用了简单的圆规画图技术制模。

  图2为西汉早期的昭明镜，圆形平面，素缘，半球形钮，圆钮座。内区装饰内向连弧纹，外区装饰铭文一圈。铭文带外装饰栉齿纹一圈。这种镜全国各地都有出土，与日光镜一样，其存世量都较大。在镜内区的凸棱上，可看到8个内向连弧。西汉早期的这些小镜背面只有铭文及连弧纹。

  青铜时代结束以后，中国当时最大的铸造量集中在铸钱与铸镜上。为发展社会经济，文景时期采取了听民放铸的政策，郡国及百姓都可以自由铸钱。铸钱也需要制模制范，西汉早期大量使用了石范铸钱。石范多是用滑石料刻制的范，在出土的石范上，至今还能清楚地看到起稿线及圆规留下的痕迹。

  图3为西安北郊相家巷西汉铸钱遗址出土铸造铜钱的陶范，从范面留下的制作痕迹看，此范是先在滑石面起稿后，用类似今天的铣刀铣出钱腔，再用泥料翻制成现在看到的样子。两个白色箭头所指之处，为制模时在滑石板上画的起稿线，它被带到了泥范表面；绿色箭头所指之处，是一个明显的凸起圆线，圆线的正中心有一个凸点，应是圆规的一个支点。这些现象说明，西汉时期圆规技术在铸钱的工艺中是大范围的应用的。圆规技术在西汉的熟练应用，会不自觉地用于镜模的制作。

  图4为武帝时期的星云镜及其机械制图，可看到镜缘一周有16个内向连弧。不但镜缘有16个内向连弧，镜背中间的凸棱上也是由16个内向连弧组成，并且与镜缘的内向连弧完全平行。这种现象不但出现在星云镜上，亦出现在西汉同时期其他―些镜种上。此镜在制模时是先用圆规作图，再在理论图上进行纹饰的制作。由于西汉的圆规技术在铜镜上的广泛应用，使得西汉时期大量铜镜的内向连弧为16个，如出土数量较大的草叶纹镜基本都是如此。这种用圆规画图的制模技术，是与战国镜制模技术的根本区别。西汉武帝时期的铜镜，不但应用了圆规技术，并且应用了机械加工技术。在星云镜的图中，可看到钮中心有一周被磨亮了的同心圆细磨痕，这样的磨痕也出现在星云镜的四个乳钉纹上。毫无疑问，这些磨痕应出自某种专用的磨削工具，绝不可能出自手工打磨。如果采用手工打磨，不但同心圆的细磨痕不有几率存在，星云镜缘的连弧纹面上亦没有可能磨得如此棱角分明。

  在西汉铸镜的技术基础上，东汉镜慢慢的出现线雕艺术。王莽时期至东汉中期偏晚，为东汉镜技术发展最辉煌的时期。这一段时期铜镜的成就大多数表现在线雕技术及浮雕技术上。从西汉到东汉，钱币上的字全是凸起的，这与战国以前绝大多数青铜器的铭文形成了鲜明的对比。战国及其以前，青铜器的铭文多是用泥条粘贴在范面或泥芯表面，铸后形成阴文，西汉的钱币则是在阴模上雕刻的文字，铸后成为阳文。至王莽时期，在阴模上刻铭文的水平达到了炉火纯青的地步，这从王莽的货泉、大布黄千等钱币上就可看到。在阴模上刻铭文与纹饰，其技术完全是一样的，只是纹饰与铭文的形状不相同。乳钉纹亦是在阴模上用成型钻头钻出的，以达到分区的目的。以王莽为中心的前后数十年间，应是铜镜线雕技术发展最快的时期。

  与西汉在阴模上制作纹饰相比，东汉镜的制模技术则多改为在阳模上制作纹饰。图5为东汉时期的四神博局镜，这种纹饰的制作技术，在王莽时期已十分成熟，后世只是治用。西汉首先采用机械制图起稿定位的制模技术，在东汉仍在使用。如果不制图画线，凭手工直接在阴模上雕刻，四神博局镜的各种纹饰是刻不了如此规整的。东汉中期，铜镜的纹饰技术从线雕逐渐发展到浮雕技术，这应是市场优胜劣汰的自然结果。

  图6为东汉时期的画纹带半圆方枚神兽镜，现藏鄂州市博物馆。这种神兽镜的制模工艺，是将镜中的半圆、方枚、神、兽等都分别雕塑成一个个的单独个体，再根据自身的需求将神或兽一个个安置到镜坯上成为母模，先翻阴模，再翻阳模。其中，半圆及方枚刻成如印章一样，可在镜的泥质阴模上压出型。

  东汉的人们多崇尚道家学说，崇尚升官发财、多子多孙、成仙封侯，神兽镜的出现，是当时意识形态的反映。东汉至三国时期，中国有几个较大的铸镜中心，浙江的绍兴、江苏的徐州、湖北的鄂州等，皆是当时的铸镜中心，并且都铸制了大量的神兽镜(图7～9)。神兽镜的纹饰为浮雕，与王莽以前的制模技术已相去甚远。浮雕镜模的制作，是用泥料车出素坯，将单另雕塑好的神或兽等形象一个个粘贴到镜模的素坯上成为母模，在母模上用泥料翻出阴模，再翻成阳模就可制范了。东汉开创的浮雕镜制模技术一直被沿用至唐代。

  唐代是中国历史上思想最为开放的时期，社会稳定、经济繁荣，由于与西方的交流，促使了文化艺术的空前发达。唐镜的背纹艺术是紧跟时代的，狻猊镜、鸾鸟衔绶镜、海兽葡萄镜等这些让人赏心悦目的镜种，只可能在唐代出现。但从铜镜的铸造技术而言，唐镜没有一点创新，全是继承汉代的铸镜技术，只是唐镜的铸后加工有所创新，如金银平脱镜、螺钿镜等，显示了大唐盛世经济与文化的繁荣。

  《中国铸造装备与技术》（CN：37-1269/TG）是一本有较高学术价值的大型双月刊，自创刊以来，选题新奇而不失报道广度，服务大众而不失理论高度。颇受业界和广大读者的关注和好评。

  《中国铸造装备与技术》报导内容：铸造新工艺、新技术、新装备，铸造设备的设计、制造、加工，铸造应用技术经验交流，铸造车间设计，技术改造，最新铸造环保技术及实用环保技术，计算机在铸造生产、铸件质量控制等领域的应用，铸造标准宣惯，铸造行业学会、协会活动，学术会议、展览会消息，技术转让、人才交流、企业变革等内容。

  砂型铸造就是将熔化的金属浇入砂型型腔中，经冷却.凝固后，获得铸件的方法。当从砂型中取出铸件时，砂型便被破坏，故又称一次性铸造，俗称翻砂。一般铸件通常是毛坯，经过切削加工才能成为零件，但对要求不高或用精密铸造方法生产不出来的铸件，也可以不经切削加工而直接用。在一般机械设备中，铸件约占整个机械设备重量的45%～60%，在金属切割机床中约占70%～80%，拖拉机中约占70%汽车中约占40%～60%，在重型机械，矿山机械，水力发电设备等产品中铸件重量可达85%以上。铸造生产，尤其是砂型铸造的劳动条件差，强度大。因此实现机械化和自动化是改善工人劳动条件，减小劳动强度，提高劳动生产率的有效方法，是铸造生产的发展方向。

  模样及型芯箱的尺寸，开头应根据铸件而定。模样，铸件，零件三者是不同的。在尺寸上，铸件等于零件尺寸再加上机械加工余量。模样等于铸件尺寸加和收缩量（液态金属凝固时的收缩，铸件材料的种类不同，其收缩率不同。灰口铸铁的自由线%，铸铁和白口铁的自由线%。）；在形状上，铸件与模样必须有拔模斜度（便于起模）.铸造圆角（便于造型，避免崩砂）；当铸件上有孔时，模样上要有型芯头，以便型芯的定位于固定。

  型砂.芯砂由砂.粘结剂和水混合而成。若粘结剂是粘土，称为粘土砂；若粘结剂是水玻璃称为水玻璃砂；若粘结剂是油脂，则称为油砂。为制造各种形状的型腔，型砂应具有很好的可塑性。为防止型腔在制造.修理.搬动.浇注时受力破坏，故型砂应具有一定的强度。为排除砂型及液体金属中的气体，型砂应拥有非常良好的透气性。为防止高温下铸件产生粘砂，砂型应具有耐火性。为使铸件冷凝时自由收缩，型砂在此时应能自动崩散，即有一定的退让性。

  造型.造芯及合箱包括：放置模样，填充及夯实砂型，起模，造出浇冒口和通气口，合箱。其中起模最为关键。有些铸件，若仅从金属的铸造性能分析，其结构可能是合理的，但从造型制芯的方便性与可能性分析，很可能是不合理的，甚至根本是不可取的。铸件的外形应力求简单，尽量少用曲面，尤其是非圆曲面，因为曲面模样制作困难；尽量少用型芯，避免活块，应合理进行结构设计，使木模避免带活块，也能顺利起模；最好能够降低分型面数目（即上下砂型的分界面），分型面越少，所用的沙箱数就越少，错箱的可能性越少，同时造型也方便。同时为了起模方便，在垂直于分型面的壁上应设计结构斜度。此外，为保证造型的方便与可能，应注意不得采用封闭的型腔，并应保证型芯在砂型中安放稳固.方便，应使型芯排气通畅。对于大而复杂的铸件最好改用组合铸件。

  熔化金属可用专用熔化炉，如：灰口铸铁用冲天炉，有色金属常用坩埚炉，铸钢用电炉。将液态金属浇入铸型的过程称为浇注。浇注时应注意浇注温度和浇注速度。浇注温度过高，液体含气量大.收缩大，易产生气孔.缩孔.粘砂等缺陷；浇注温度过低，易产生浇不足.冷隔.皮下气孔等。所以浇注速度应适当，且浇注要连续，保持外浇口充满。铸钢的浇注温度高（约在1500摄氏度），流动性差，螺旋线毫米，收缩大，总体积收缩率达12.4%，在熔炼过程中易吸气和氧化。因此铸钢的铸造性能差，易产生粘砂.浇不足.冷隔.缩孔.裂纹.气孔等现象；铜合金熔点低，流动性好，锡青铜浇注温度为1040摄氏度，螺旋长度为420毫米。硅黄铜浇注温度为1100摄氏度，螺旋长度为1000毫米。铜合金熔炼时易氧化，熔炼时要注意防止合金产生氧化.烧损等现象；铝合金的浇注温度更低，一般在680摄氏度左右，螺旋长度为700～800毫米。铝合金在高温下易吸气和氧化，影响其力学性能，故熔炼时要注意隔绝合金液体与炉气的接触，并采用一些净化措施。

  铸件冷却到一定温度后，即可开箱，进行落砂清理。过早开箱会使铸件产生内应力.变形.开裂。一般铸件在450摄氏度左右开箱。但落砂也不能太迟，以免影响生产率。落砂的时间与铸件形状.大小.壁厚及浇注合金有关，对于形状简单且小于10千克的铸件，一般在浇注后0.5～1小时就可落砂。落砂后的铸件一定要进行清理，以消除铸件的浇冒口，型芯.粘砂及飞边等。灰铸铁件上的浇冒口，可用铁锤打掉；铸钢件上的浇冒口须用气割切除；有色金属件上的浇冒口可用钢锯锯掉。铸件内腔的型芯可用手工清理或用震动出芯机或水力清砂装置予以清理。表面粘砂，飞边和毛刺可用滚筒，喷砂，砂轮打磨等方法去除。

  铸件应有合理而均匀的壁厚，壁越厚，金属液流动的阻力越小，因而也越易充满铸型。但壁厚，金属液冷却速度越慢，造成晶粒大，同时产生缩孔·缩松和偏析的可能性越大，于是机械性能显而易见地下降。反之，壁越薄，产生上述不良倾向的可能性也越小，所以铸件的承载能力并不与它的尺寸成正比。一般来说，采用壁薄结构比采用壁厚结构符合常理。但若壁太薄，金属液来不及充满型腔便凝固了，产生浇不足现象，也是不允许的。铸件不加工面的最小壁厚主要根据金属液的流动性，如镁合金流动性最好，其砂型铸造时的最小铸造壁厚为3毫米；灰铸铁的流动性也很好，砂型铸造时的最小壁厚约为5毫米；而高锰钢的流动性最差，在砂型铸造时的最小铸造壁厚则高达20毫米。铸件壁厚还应力求均匀，否则会因各处最终凝固时间不同而产生较大内应力，致使铸件变形甚至开裂。同时，厚壁处会因补缩困难而造成缩孔与缩松。

  采用加强筋的薄壁代替厚壁，用空心或槽形截面代替实心截面，是两种合理的结构设计方法，可保证在减轻铸件重量的同时，不降低甚至提高铸件的承载能力。

  铸件壁的连接应平缓、圆滑。当转弯处有直角结构时，会由于结晶的方向性以及该处积聚了过多的金属而使该处机械性能直线下降，且尖角部分易产生应力集中；同时铸件壁的连接应避免交叉或成锐角，因为在交叉处或成锐角处必然积聚较多的金属，这一些地方就易产生缩孔和缩松。用交错接头或环接头代替交叉接头，用直角圆滑连接代替锐角连接就比较合理。

  若轮型铸件采用直辐条，会因轮毂与轮缘冷却速度不同而在轮辐或轮缘中产生过大的拉应力，使轮辐或轮缘拉裂。若改用弯曲辐条，便可借助辐条的变形使应力大幅度的降低，从而有效地防止裂纹的产生。对于能形成较大应力，收缩率较大的合金轮型铸件，应采用奇数辐条，这样可通过轮缘的微量变形来减缓内应力。

  摘 要：本文对低压铸造工艺与设备方面的相关专利进行了检索，对其专利申请量的年代变化、国别分布、申请人主体分布等方面做了分析，并对低压铸造领域今后的发展进行了展望。对技术开发和相关公司可以提供了依据。

  低压铸造技术最先应用于铝合金铸件的生产，主要生产汽车发动机零部件，由于低压铸造具有材料利用率高，易于实现自动化等特点，此铸造方法在我国以汽车行业为中心逐步确立了坚固的地位。本文收集了有关国内和国外低压铸造行业的专利数据，并对这一些数据进行分析，对今后低压铸造技术的发展也进行了展望。

  低压铸造技术最早由美国的S.P.Wetherill和J.P.Wetherilljr于1906年提交了专利，我国于19世纪50年代开始研究，但发展一直缓慢，从专利申请量的变化趋势看，低压铸造技术在我国的发展呈现出逐步增长的态势，其发展基本可以分为三个阶段：①2000年前，处于萌芽期，每年申请量徘徊在个位数；②2000年-2010年，处于发展初期，利申请量明显大幅度提高，到2010年我国关于低压铸造的专利申请量已经突破100件/年；③2011年至今，快速发展阶段，截止2016年，我国关于低压铸造的专利申请量维持在大于200件/年。从国外专利申请量来看，关于低压铸造技术的发展也呈现出逐年增长的态势，在2000年以前，每年的专利申请量约维持在每年四五十件左右，属于平稳发展期；从2001-2010年，专利申请量从40～50件/年逐步增加到110件/年；2011年至今专利申请量维持在大约150件/年，处于技术的快速发展阶段。

  有关低压铸造的中国专利申请中，申请人主要以国内申请人为主，其次是日本、德国、瑞士、韩国申请人；在有关国外专利申请中，申请人仍然以中国申请人为主（22.5%），其次是德国（19.3%），之后是法国（14%）、韩国（12.4%）、日本（12%）、瑞士（4.7%）、前苏联（3.4%）、意大利（2.6%）、美国（2.6%）和英国（1.6%）申请人。由此可以看出，我国虽然在低压铸造领域起步较晚，但是，随着科研力度的不断加大，我国与国外处于同步发展的进程，而且最近几年的专利申请总量高于国外专利申请总量。

  在中国专利申请中，申请量在前五位的申请人分别是中信戴卡股份有限公司、上海交通大学、江苏凯特汽车部件有限公司、无锡市双全机械制造厂以及沈阳工业大学。而在国外专利申请中，申请量前十位的申请人分别是日本新东工业公司、日本本田汽车有限公司、韩国现代汽车有限公司、中信戴卡股份有限公司、日本日立金属有限公司、日本马自达汽车有限公司、日本商朝日科技公司、德国海德鲁铝业有限公司、蓬塔穆松以及中国的江苏凯特汽车部件有限公司。由此数据可以看出，日本的汽车企业在低压铸造技术方面仍处于世界领先地位，可见其对低压铸造技术方面的研究比较重视；虽然中国在低压铸造技术方面申请总量目前处于优势地位，但是国内处于前几名的申请人在国外的专利申请量仍然与日本的老牌汽车企业存在着巨大的差距；国内加大科研力度，加大资源投入，但是国外（尤其是日本）的先进技术仍值得学习与借鉴。此外，国内企业应加强与科研院所以及高校之间的交流，不断加强对知识产权的重视程度。

  我国在低压铸造技术方面的研究时间较长，其技术发展也比较成熟，现阶段低压铸造技术主要研究方向是如何完善充型过程以及如何优化合金成分及力学性能，但相应的工艺和设备仍需要不断完善，未来低压铸造技术可能会向以下方面倾斜：

  （1）计算机模拟技术与低压铸造技术的结合，计算机与低压铸造浇注方法的结合能为低压铸造工艺提供有效的参数优化设计，改善金属液体流动性，以此可以进一步解决低压铸造过程中可能会出现的充型不完整、消除铸件存在缩松、氧化夹渣等缺陷，提高产品优良率。

  （2）将监控系统应用于低压铸造工艺中，通过监控装置感应低压铸造工艺过程中的各项参数并及时进行反馈装置，控制中心根据所反馈的数据及时调整工艺参数，从而即可以降低劳动强度又可以提高铸件品质。

  （3）不断提高低压铸造合金成分及力学性能，同时应加快研发除了铝、镁合金之外的适用于低压铸造的合金体系，以适应工业制造的广泛需求。

  本文收集了有关国内和国外低压铸造行业的专利数据，并对这些数据来进行分析，对今后低压铸造技术的发展也进行了展望。我国虽然在低压铸造领域起步较晚，但是，随着科研力度的不断加大，我国与国外处于同步发展的进程，现阶段低压铸造技术主要研究方向是如何完善充型过程以及如何优化合金成分及力学性能，但相应的工艺和设备仍需要不断完善，国内企业应加强与科研院所以及高校之间的交流，不断加强对知识产权的重视程度。

  [1]刘静安.大力发展铝合金零部件产业.促进汽车工业的现代化进程[J].铝加工技术，2005（3）：1-8.

  [2]刘孝福，娄延春，齐笑兵，等.低压铸造技术在铜合金和黑色金属领域的发展和应用[J].铸造，2006，55（6）：585.

  [3]郑小秋，谢世坤，易荣喜，等.低压铸造技术：发展历程、研究现状和未来趋势[J].材料导报，2016（04）74-80+85.

  国内外航空航天、汽车船舶等行业为了追求轻量化目的，已经采用高性能轻合金材料，如铝、镁、钛等合金[l-3]，同时在结构设计上采用轻量化结构，例如薄壁结构、整体和带筋结构等。这类轻合金工件采用精密铸造技术制造是非常高效的。这类轻合金铸件一般具有如下特点：（1）结构复杂：轮廓结构复杂，内部多腔，用其他制造或机械加工方法难以完成；（2）薄壁：铸件最小壁厚较小，局部甚至薄至2mm以下；（3）尺寸精度高：铸件的内腔和外形一次成形，铸件接近零部件的最终形状，可以少加工或不加工。（4）铸件质量性能高：其质量性能达到I类铸件要求。

  石膏模铸造的铸件具有尺寸精度高、表面光洁及残留应力低的优点，同时具有复制模样精确，热导率低，易完整成形薄壁部位的特点，可铸出壁厚为0.5mm的铸件。然而，石膏型铸造也有以下缺点：石膏型传热能力差，当铸造壁厚较大的铸件时，厚大处容易出现缩松、缩孔等缺陷；透气性极差，铸件易形成气孔、呛火等缺陷[4]。在20世纪80年代初，国内兵器工业第七零研究所采用石膏模成功地生产出了压气机叶轮铝合金铸件产品，且成品率达到85%以上[5]。美国泰克（TEC）公司采用熔模石膏型铸造生产出了薄壁复杂的优质铝合金整体铸件，其尺寸精度一般可达±0.254mm，最高可达±0.076mm，最小壁厚可以达到0.8mm[6]。

  压力铸造（HPDC）是用于铸造镁合金和铝合金的最常规工艺，该工艺在设计和制造方面有许多灵活性的特点，加上镁合金和铝合金优异的充型性使其能够经济地用于生产大型、薄壁和复杂铸件。第一个工业化生产的雪佛兰Corvette Z06车整体压铸镁支架仅重l0.5kg，比被代替的铝支架减重35%[7]。尽管生产率高，但轻金属常规压力铸造的最大缺点是疏松，因为液体金属高速注入压铸型过程中，金属液卷入的气体留在铸件中导致疏松。

  真空压铸是一种在压铸过程中抽除压铸模具型腔内的气体而消除或显著减少压铸件内的气孔和溶解气体，从而提高压铸件力学性能和表面质量的先进压铸工艺，这种工艺在压射之前，能降低压射室和铸型型腔的压力，没有空气裹夹在铸件中，能够制造出显著改进性能的相当大的薄壁铸件。当前用真空压铸工艺生产的目标铸件是需要气密性和通过热处理获得良好力学性能的铸件。真空压铸拓宽了常规压铸的能力，同时保持了其经济性的益处。北美的铝合金线%以上的铸造企业具有线 半固态压铸

  半固态金属浆料由于其初生晶粒通常以近球状形式存在，故而具有较好的流变性和触变性，故而可用于压铸工艺中。半固态压铸便是在高压的作用下，使半固态浆料在半固态温度下以较高的速度充填压铸型型腔，并在保持压力的条件下成形和凝固。半固态压铸的特点主要是高压和高速充填压铸型。根据工艺的不同半固态压铸通常分为两种：第一种是将半固态浆料直接压射至型腔里形成制件，称为流变压铸；第二种是将半固态浆料预先制成一定大小的锭块，需要时再重新加热到半固态温度，然后送人压室进行压铸，称为触变压铸[9]。与传统全液态压铸技术相比，半固态压铸成型减少了凝固过程中的收缩量，提高了铸件尺寸精度，适于生产复杂件；铸件柱状晶和粗大的树枝晶得以消除，铸件组织细密均匀，缺陷和宏观偏析明显减少；此外减小了型腔热冲击，提高了压铸型及压射室的使用寿命[10-12]。

  反重力铸造技术是金属液在与重力方向相反的充填驱动力的作用下，金属液沿重力的相反方向充填型腔。外加的充填驱动力在金属液充填过程中是主导力，它使金属液克服其自身重力、型腔内阻力等作用力完成充填铸型。反重力铸造成型是一种可控的工艺，在金属液充填型腔的过程中，可以控制外加力的大小以实现不同速度的充填，满足不同工艺的要求；同时，铸件在较大压力的作用下凝固，可以提高金属液的补缩能力，降低了缩孔、气孔和针孔等铸造缺陷。根据金属液充填铸型施加压力形式的不同，反重力铸造又可大致分为低压铸造、差压铸造、调压铸造等。

  低压铸造是使液体金属在较低的压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法。其具有以下优点：充填过程中液流平稳，压力变化平缓，可避免湍流而引起的氧化和吸气。例如电磁泵低压铸造，在铸造过程中金属液经过强磁场作用，对改善铸件的组织性能有积极的作用；可精确控制流量及加压范围、反应迅速准确[13]。该工艺重复性极好；不需要额外加压缩空气，并可在保护气氛下工作，从而减少气体浸入，防止金属液的二次污染，减少气孔等缺陷的产生。

  差压铸造是由低压铸造衍生出来的一种铸造方法，其主要是在铸型外增加了一个密封罩，同时在密封罩内通入压缩空气，使金属液在一定压力下成形[14-15]。金属液充型过程中，保温炉中气体的压力大于铸型中气体的压力，使炉内的金属液在压力差的作用下充填铸型，如低压铸造时那样实现金属液的充型、保压和增压。差压铸造由于铸件是在更高的压力作用下结晶凝固的，所以其致密度更高。

  调压铸造是使型腔和金属液处于真空状态并对金属液保温并保持负压；充型过程中，通过增加下压室的压力，将坩埚中的金属液压入处于真空状态的型腔内，充型过程结束后迅速对两压室加压，使金属液在一定压力条件下凝固成形。调压铸造吸收了传统反重力铸造方法的优点并加以改善，弥补了现有技术的不足，实现了薄壁充型能力及冶金品质的双方面提升。与普通差压铸造相比，其充型过程更加平稳，充型能力更加优秀，因而可用于铸造壁厚更薄、机械性能要求更高的大型薄壁铸件，适用于大型复杂薄壁铸件的生产。与其他类型的反重力铸造技术相比，调压铸造技术有三个重要特征和功能：一真空除气；二负压充型；三调压凝固[16-17]。

  随着制造科技的发展，铸造技术正在向轻量化、薄壁化、复杂化、功能化的方向发展。精确铸造成形技术发展迅速，日新月异。极端条件下的如大型、复杂、薄壁铸件的铸造是铸造技术发展的重要领域。为了获得性能更好的铸件，以适应社会的发展，还需要在铸造技术上进行创新，开发更好更精良的铸造新技术。

  [1] 中国科学技术协会，中国机械工程学会.机械工程学科发展报告[M].北京：中国科学技术出版社，2009.

  多数金属型铸造过程中平均冷却速率要低于50K/s，而过长的铸件冷凝时间会造成了晶粒粗大的现象，加大了发生元素偏析的概率。针对高性能要求的制件可以使用热处理模式来改变不完美的组织。冷凝速度和模温之间存在矛盾关系，无论是加快还是降低冷凝速度，都会对浇铸或组织造成不良影响。通常情况下超过100K/s的冷却速率都会获得超细的晶粒，且析出相拥有超高分散度和韧性。国外机械公司已经开发出一种加热冷却系统，开启该系统能在14s内完成从320e到30e的转变，而在金属型铸造模具中使用该技术无疑是可行的，设置冷水水道到模腔中，利用感应加热板来调节模温，既不影响晶粒大小，又能保证材料的高性能，避免了热处理带来的高人力、物力开支。

  机械产品在超更多样化、特殊化的方向发展，工业生产和居民生活对材料的要求也越来越高，加快了铸造零件性能的提升速度。为了不断提高金属材料的物理或化学性能，利用非连续增强材料的特殊成分来满足符合材料的要求，通过加入晶须、颗粒等材料来加大强度、韧性，材料行业的迅猛发展造就了规定方式排列增强相方式，同时利用控制顺序凝固技术的优势，通过调节排列方式来铸造零件，使其带有其他材料不具备的特殊性能，在区别于其他普通单相组织材料的基础上提供更全面、详化的发展空间，而复合材料铸造技术也会应用更广泛。

  多数发达国家已经广泛将半固态金属铸造技术应用于铸造业，该类技术充分考虑了金属铸造中树枝网络骨架产生的问题，强烈搅拌处于凝固过程的金属，使其呈现出颗粒状组织，半固态金属液的形成对下一步铸造无疑是有益的。半固态金属液附带的流动性使其能承担更多挤压的工作，所以针对有特殊要求、形状的材料来说，半固态金属液能同时满足形状和性能两方面要求，且不会发生缩裂、气孔、强铸造应力等现象，保证小偏差的尺寸和收缩量，铸造出细小的晶粒，不断延长模具寿命，省略了加工过程的复杂流程。现代铸造业应寻找近净成形技术和金属铸造工序的契合点，通过半固态金属铸造技术来完成两者的衔接，满足模具重力、挤压等方面要求。

  铸造样件在实际研究和生产中至关重要，而铸造样件的方法通常采取传统的翻砂法，采取材料切削加工的次数也较多，但无论从投入成本还是时间上来说，这两种方法都存在不足之处。快速原型机的推出解决了传统模式费时费力的问题，利用蜡质模型快速铸造零件，但会对原型机造成一定损害，且效率不高。现阶段有公司使用砂型盒来铸造零件，实现了小批量生产目标，且在铸造过程中能快速的观察排溢、浇铸等系统的运行状态，方便及时作出调整。流体充型模拟软件能帮助生产者节省实际操作中的流程，但是却未能及时的反应生产问题。砂型盒实现了快速制造铸件目的，且衍生出铸模快速验证技术，无论是从快速性、并行性还是全面性、协调性来来说都是极强的，铸造公司在确定设计方案后可以立即投入到模具生产过程中，降低投入物力和人力，同时提高一次铸模成功率，针对砂型铸造过程中出现的问题能及时、快速的发现和解决。

  前沿：随着我国的改革开放，机械业正在飞速的发展着。而机械在林业得到了广泛的应用，然而便随而来的是林业机械的质量问题，往往一件林业机械使用的寿命很短，或者质量高的机械由于价格高而得不到更广泛的使用。那么如何铸造出高质量、低成本的可以大范围使用的林业机械是人们越来越关注的话题。本文先是介绍了林业采伐和加工中所使用的机械设备，然后介绍了目前我国的铸造技术以及未来的发展方向，两者相结合着来探讨下我国林业机械铸造技术的改进方法。

  在我国林业的机械设备大概可以分为六种：（1）营林机械：主要应用于人工林的更新，例如有割灌机、小型的集材柴油拖拉机，用于防治病虫害的高扬程喷雾机以及风力灭火机和相关的检测设备。（2）园林机械:用于城市园林绿化、草坪修剪的低噪音修剪机以及园林工艺等。（3）木材采运机械：采伐用高性能油锯、树枝收集以及木片加工机械。（4）实木加工及板式家具设备：通用木工机械例如四面刨、圆锯机等；板式家具设备：裁板锯、多孔钻等；地板块设备：地板块专用设备或用四面刨以及其他配套设备生产；集成材、指接设备：涂胶机、指接机等；另外还有细木工板设备、涂装设备、木材干燥机械、防腐处理设备以及弯曲木设备等。（5）人造板加工设备：胶合板生产设备：小径木旋切机以及表板、芯板拼板机、无卡轴旋切机；中密度纤维板设备以及定向刨花板、人造板二次加工贴面和模压刨花技术等等。（6）木工刀具、刃具以及小型手动工具：如钻头、气钉枪、手动砂轮工具等。

  我国铸件产量从2000 年起超越美国已连续6 年位居世界第一,的发达国家总体上铸造技术先进、产品质量好、生产效率高、环境污染小、原辅材料已形成系列化。在国内, 铸造业是关系国计民生的重要行业, 是汽车、石化、钢铁、电力、造船、纺织、装备制造等支柱产业的基础, 是制造业的重要组成部份. 。在机械装备中, 铸件占整机重量的比例很高, 内燃机占80%、拖拉机占50%―80%、液压件、泵类机械占50%―60%

  加工余量大, 铸件的能耗和原材料消耗严重, 加工周期长, 生产效率低, 已成为制约行业发展的瓶颈。大型铸件偏析和夹杂物缺陷严重. 铸件裂纹问题严重。设计不当, 存在卷气、夹杂等缺陷, 导致铸件出品率和合格率低。普通铸件的生产能力过剩, 高精密铸件的制造依然困难, 核心技术和关键产品仍依赖进口。计算机系统在机械铸造中得不到更好的应用。

  我国每生产1 吨合格铸铁件的能耗为550―700 公斤标准煤, 国外为300―400 公斤标准煤, 我国每生产1 吨合格铸钢件的能耗为800―1 000公斤标准煤, 国外为500―800 公斤标准煤。据统计, 铸件生产过程中材料和能源的投入约占产值的55%―70%。中国铸件毛重比国

  外平均高出10%―20%, 铸钢件工艺出品率平均为55%, 国外可达70%。

  在我国仅仅有少数的例如一汽、二汽等大型企业的生产设备精良、铸造技术先进、环保措施基本到位以外, 多数铸造厂点生产设备陈旧、技术落后、一般很少顾及环保问题。铸造生产中炉料、型砂、芯砂的运输、混砂、造型、制芯、烘烤、熔化、浇注、冷却、落砂、清理和后处理等工序, 就其作业内容来讲是在机械振动和噪声中进行, 有的还在高温(如熔化、浇注)中作业, 有的产生刺激性气味, 粉尘作业环境更是恶劣。说明我国铸造行业环境问题的严峻程度, 采用高技术实现绿色铸造是当前需要重点解决的关键问题。

  人才短缺的主要表现有技术及管理人员数量偏少, 分布不均, 最少的工厂技术及管理仅占总职工人数的1.2%, 最多的工厂占到32.3%, 相差27 倍之多, 国企尤其是军工企业比例高。高级人才数量少。铸造企业技术管理人才基本以中专、大专和本科生为主, 特别是中专、大专生数量为多,研究生很少。新人才来源困难。很多高校在上世纪90 年代后不再设置铸造专业, 一些大中企业的厂办学校也有下降趋势, 新人才的来源日益困难

  加强铸造业的基础研究和应用研究, 铸造行业中许多金属材料都是通用的和关键的, 因而应注重工艺研究和改进, 同时又要加强材料工艺及计算机模拟等先进的技术的采用以稳定产品质量。

  建立新的与高密度粘土型砂相适应的原辅材料体系, 根据不同合金、铸件特点、生产环境、开发不同品种的原砂、无污染的优质壳芯砂.

  加大政策法规对这方面的限制力度, 环保劳保的准入门槛也应升高, 已有的技术落后、污染严重的铸造厂点应关闭.

  国家应从长远考虑, 制定吸引和稳定人才的政策。针对目前许多高校不设铸造专业的情况, 可采取企业委托培养及厂校联合办学方式培养人, 并且要特别重视对其计算机软件的培训.

  加大铸造企业的重组和结构调整, 进行专业化生产, 实现地域化聚集, 壮大有突出贡献的公司, 使中小企业围绕产业链集聚, 实现基础配套、特殊工序装备、检测设备、信息网络、环保设施等资源共享。