铸造有色合金及其特种铸造技术在基本制造产业中占有重要地位，是关键技术之一，在航空、航天、船舶、汽车、轨道交通、化工、能源、电子电器和运动休闲等领域有着广泛的应用，由其所带动的产业在国民经济中起着重要的支撑作用。目前公认的铸造有色合金包括铝、镁、钛、锌和铜等材料，约占各类铸件总量的20%左右，由于减重降耗的要求，其应用具有明显的增长趋势，例如在汽车产业中，需要将铝合金铸件从现有的占铸件总重量的10%增长到30%左右，而在航空工业中，铝铸件更是占到铸件总量的80%以上。
为了更好的满足某类产品的使用要求，在产品设计时，会更多地考虑减轻产品的结构重量和特殊的物理化学性能，有色合金恰恰可以满足这几方面的需求，即：1产品构件的减重和轻量化需求;2产品的功能性需求，如电阻材料、磁性材料、记忆功能材料和耐磨减摩材料等;3产品的装饰性功能需求，如铝合金的光亮性、钛合金的可着色性等。对产品的减重和构件轻量化需求是推动铸造有色合金应用领域不断扩大的动力，而对产品的功能性和装饰性需求则是铸造有色合金的发展方向。
1 我国铸造有色合金的发展概况
1.1 铸造铝合金
铸造铝合金是我国发展较早的有色金属材料之一，其密度小，比强度高和耐腐蚀，因此广泛地应用于航空、航天、汽车、机床制造等制造业。目前，随着行业的发展，对铸造铝合金的需求越来越大，尤其是汽车工业的大发展，轿车生产总量激增，对铝合金的需求量越来越大。例如一汽生产的红旗轿车，其整车铝合金铸件已经超过ffice:smarttags" />100 kg，而且随着对节约能源和环境保护要求的提高，铝铸件的生产正朝着轻量化、强韧化、精密化和复合化的方向发展，铸造铝合金的应用将有很大的空间。
在各类铸造铝合金中，按照其性能特点可分为：高强韧铝合金、耐热铝合金、耐蚀铝合金和超轻铝合金等等，其中高强韧铸造铝合金能够保证合金在高强度的条件下，还具有高的断裂韧性、疲劳性能和抗应力腐蚀性能，因此可以部分的取代锻件，制备成形状复杂的铸件。例如ZL205A高强度铸造铝合金，该合金的极限拉伸强度可达500 MPa以上，已广泛用于航空、航天和交通等领域。为了满足压铸件生产的需求，开发了Al-Si-Mg系和Al-Si-Cu系等压铸型铝合金，这类合金具有较高的力学性能及良好的切削加工性能，约占压铸件铝合金的70%，在汽车和摩托车等压铸件生产应用比较广泛，包括支架、托架、滑板、左右机匣、刹车毂、泵体、刮雨器、支臂等结构件，压铸型铸造铝合金的发展将为促进铸造铝合金向压铸这种低成本的铸造方式转变创造条件。超轻型铸造铝合金是目前正在发展的一种铸造铝合金，包括Al-Li合金等，这种合金的密度比通常铝合金的还要小，而且弹性模量高，强度和抗疲劳性能以及抗腐蚀性能好，特别适用于航空和航天等零部件的减重要求，例如由Al-Li合金生产的飞机翼珩和望远镜筒，与原来采用的铸造Al-Si-Mg合金相比，重量降低了5%以上。铸造铝合金的另一个重要发展趋势是铸造铝基复合材料的研究受到广泛重视，目前铸造Al-Si基/SiC颗粒增强的复合材料的应用相对成熟。随着SiC颗粒的加入，不但改善了合金的性能，而且提高了合金的刚性和耐磨性，在航空、航天、汽车等领域应用，具有可观的前景。
1.2 铸造镁合金
镁合金是目前最轻的金属结构材料，不但密度很小，只有1.8 g/cm3左右，而且比强度和比刚度均较高，除此之外还具有良好的导电性、导热性、减震性和磁屏蔽性，因此，镁合金结构件在汽车、飞机、计算机及通讯设备等方面有着广泛的应用。飞机、汽车和轨道交通，由于减重可大大减低燃油消耗，减少废气排放，镁合金的应用将产生很大的经济效益和社会效益。计算机类、通讯类、消费类电子产品(3C产品)的不断涌现，催生了镁合金的快速发展，保证了3C产品对轻、薄、短、小部件的要求。
目前工业上应用的铸造镁合金主要有六个系列：Mg-Al-Zn-Mn (AZ系)、Mg-Al-Mn (AM系)、Mg-Al-Si (AS系)、Mg-Al-RE (AE系)、Mg-Zn-Zr(ZK 系)、Mg-Zn-RE(ZE系)。AZ系列合金AZ91具有良好的铸造性能和最高的屈服强度，其压铸件广泛应用于汽车座椅、变速箱外壳等多种形式部件。AM系列合金AM50、AM60具有较高的伸长率和韧性，用于抗冲击载荷、安全性高的场合如车轮、车门等。铸造镁合金目前正朝着耐热、耐蚀、阻燃和高强高韧等方向发展。随着温度的升高，镁合金的强度和抗蠕变能力下降很快，镁合金的高温蠕变性能比常用铝合金低一个数量级还多，温度高于150 ℃时拉伸强度迅速降低，因此很难适应高温条件下(大于200 ℃工作温度，如汽车发动机零件)的使用要求。为了提高镁合金的耐热性，主要采用稀土元素、硅、钙、铋对其进行强化，提高抗蠕变性能。为了提高镁合金的耐腐蚀性能，从合金熔炼角度要严格限制镁合金中的Fe、Cu、Ni等杂质元素的含量，还可以对镁合金铸件进行表面处理，如化学表面处理、阳极氧化处理、微弧氧化、有机物涂覆、电镀、化学镀、热喷涂等方法。由于镁合金熔炼过程易于氧化而发生燃烧现象，通常采用的熔剂保护法和气体保护法易于污染环境，因此对阻燃型镁合金的开发也倍受重视。
1.3 铸造钛合金
钛合金密度小，比强度高，抗腐蚀性能强，高温和低温力学性能良好，是一种优良的结构材料，应用广泛。然而，钛合金的性价比比较低，零件不易机械加工，成本高。通过铸造方法，特别是精密铸造可以直接制造形状复杂的零件，免去大量的机械加工工序，使材料的利用率提高到接近90%。
铸造钛合金通常按照相组成分为α、α+β和β合金，按习惯也分为铸造高强、耐热和耐蚀钛合金。其中铸造Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Sn是应用较为广泛的铸造钛合金，其特点是具有中等的强度和耐热、耐蚀性，以及良好的塑性，特别适合航空航天发动机和结构铸件使用。美国开发的铸造Ti6242合金(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo)可在500 ℃以下工作，可用于航空发动机的压气机零件，约占铸造钛合金用量的2%以上，我国的ZTC6是借鉴Ti6242合金开发的一种近α型钛合金，该合金的铝含量控制在8%以下，高温热稳定性能良好，已应用到500 ℃以下的发动机部件。ZTC3(Ti-Al-Mo-Si系)也可以在500 ℃以下长期使用，由于添加了稀土元素Ce，合金具有很好的耐热性能。铸造Ti153合金(Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn)属于亚稳β型高强钛合金，该合金可以进行固溶和时效强化，哈尔滨工业大学采用冷坩埚感应熔炼和立式离心浇铸铸件表明，该合金的强度可达到1 200 MPa以上，而且合金具有5%以上的伸长率。ZTC5合金是我国自行研制的高强度钛合金，它是在Ti-Al-Mo-Sn-Zr系耐热钛合金基础上发展的一种α+β型铸造钛合金，通过快速共析元素的加入，提高了合金时效时的强度，该合金不仅高强高韧，而且在350 ℃以下使用，具有很好的热稳定性。
1.4 铸造铜合金
铸造铜合金是研究最早和曾经使用较为广泛的传统有色合金材料，其特点是具有很高的导电、导热性能及良好的塑性，而且铜合金比钢铁具有高的耐蚀性能，同时也具有令人满意的机械性能，因而成为现代工业中不可缺少的金属材料之一。铜合金在铸造机车用轴瓦和船用螺旋桨等方面曾起到重要作用。然而由于铜的密度大，耐磨性能差等原因，现在已经逐步被其他材料所取代。但是许多有重要应用背景的铜合金仍然是其它材料所无法替代的。如艺术铸造铜合金、重要的铸造电极材料、代替银的电接触触头材料等仍有其广阔的应用前景。
1.5 铸造锌合金
铸造锌合金的密度小，有一定耐磨性、耐蚀性，尤其是当前不断发展的铸造锌铝合金以其优异的综合力学性能、耐磨损性能、机械加工性能、低能耗、无污染，使其成为铸造工作者感兴趣的材料而得到了广泛地研究。目前主要作为减摩耐磨材料代替青铜、黄铜，还可代替铝合金和铸铁等用于结构材料。
工业中经常使用的锌基合金主要以压铸型合金为主，分为五个类型，主要用于要求一定强度和耐蚀性的零件。高强度锌合金，主要用于制作轴承，各种管接头滑轮及各类承受冲击和磨损的客体铸件，少部分地取代一些铜合金、铝合金和可锻铸铁件，模具用锌合金。近十多年来，锌合金被大量用来制造冲裁模、拉伸模、塑料模、橡胶模等。采用锌合金制模可以缩短制模周期，降低模具成本，比同类钢制模具成本低60%～80%。采用挤压铸造工艺可使高铝铸造锌合金的强度提高60%左右，伸长率提高1倍以上，并且能大幅度减轻Al、Cu等合金元素的偏析。锌基合金除具有优良的铸造性能以外，其在涂覆性和可镀性、导电性、尺寸精度控制和形状完整性，以及可装配性等方面也具有很多优点，特别适合电子元器件和多功能组合件的制造。
2 我国铸造有色合金熔体技术的发展
2.1 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。
20世纪80年代，国内研制了一些无公害精炼剂，但对其精炼效果和有无污染等问题还处于探讨过程中。利用熔剂精炼铝合金，不但能有效去除合金液中的氧化铝和氧化镁等夹杂物，而且能去除合金中所含的气体。过滤法是依靠过滤介质的机械阻碍作用和(或)吸附作用捕获夹杂物，同时去除吸附在夹杂上的氢而达到精炼目的，过滤法是排除夹杂物的一种有效方法。
2.2 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，例如：发热变质丸法、锑变质、锶变质和铋变质等。其中，锶的变质特性较好，与钠变质比较，锶变质有长效作用，也能重熔，属于长效变质剂，是Al-Si合金变质处理的发展方向。锶变质使Al-Si合金的强度提高20%左右，伸长率提高2～3倍。研究表明，抑制共晶Si生长的外来质点的最佳原子半径为0.196 nm，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。
2.3 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，例如硼酸、烷基磺酸钠(R·SO3·Na)，用来替代添加物中有毒的氟化物，这样镁合金可以进行无毒砂型铸造。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。但由于SF6的温室气体效应比CO2大几万倍，为限制使用气体，因此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。
2.4 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。
2.5 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。
3 特种铸造技术的应用及发展
3.1 半固态铸造
半固态金属铸造一面市就受到了国内学者的广泛关注，该工艺的特点是，由于在液相中含有近一半的初生相，成形温度大为降低，当切应力为零时可实现金属坯料的高温搬运，易于实现机械化，延长模具的使用寿命，这样即节约了宝贵的能源，又降低了对环境的污染程度，改善了生产条件;同时，在一定切应力作用下，半固态金属又具有适宜的粘度，可以采用如压铸、真空吸铸和挤压铸造等多种工艺进行成形，可以保证铸件优异的性能尤其是减少气孔、缩松等常见的铸件内部质量缺陷。与全液态金属成形工艺比较，半固态工艺彻底改变了金属的充型方式和凝固过程，因此所成形零件表面光滑，内部致密，晶粒细小，力学性能高。半固态金属成形工艺可以达到零件近尺寸成形的目的，极大地减少了零件的机械加工量和切削环节，是颗粒和短纤维增强金属基复合材料的首选制备工艺。目前由半固态铸造工艺生产的铝、镁以及其金属基复合材料得到了飞速发展。
3.2 电磁铸造
电磁铸造是利用电磁感应原理实现的连续铸造技术。该技术的最大特点是金属液在电磁搅拌力的作用下，固相前沿变得平直，糊状区宽度减小，枝晶间距较小，化学成分均匀，铸件宏观组织以细小等轴晶为主，因此铸件有较好的压延性能。当前，电磁铸造主要应用于铝合金方面，在其它合金体系中开展的不够广泛，在钢铁中只有很少的文献给予报道。对于尺寸、形状和内部质量合格的电磁铸造产品，不仅与感应器结构、电参数、屏蔽及其位置有关，还与浇注温度、冷却喷水工艺及浇注充型速度等密切相关，因此真正获得优质的铸件难度很大。目前，该工艺只在小型铸锭方面进行了应用，还未能用到真正意义的铸件成形方面，如果能紧密围绕具有代表性的关键零部件(例如发动机叶片)，结合铸造工艺优化、凝固组织控制、电磁流体力学和自动控制等多门类复杂技术，开展其技术应用的研究，并重点考察电磁场、温度场、流场、压力场和浓度场的综合作用过程，将对优质铸件的成形具有重要的意义。
3.3 喷射铸造
喷射铸造又称喷射成形技术、雾化沉积技术，是将传统的铸造技术与粉末冶金成形方法相结合而产生的一种快速凝固技术。近年来被广泛用于研制和开发高性能的航空航天用结构材料，在国内发展迅速。由于喷射沉积过程，材料保持了很高的冷却速度(一般大于103 ℃/s)，因此材料具有晶粒细小、偏析程度低以及过饱和固溶的组织特征，这样制得的材料其综合力学性能要大大优于普通的铸造材料。另一方面，由于喷铸方法克服了粉末冶金技术的缺点如材料污染严重、原始颗粒存在界面等问题，因此材料具有比粉末冶金材料更高的强度和塑性。当前，国内对喷射铸造的研究相当活跃，所涉及的材料不仅包括各种铜、铝合金和金属基复合材料还包括不锈钢、高速钢、工具钢、高温合金等。存在的主要问题是，沉积产品的致密性和收得率较低，对于大块制品内部仍存在严重的孔洞缺陷;当喷射金属基复合材料时，还需在准确控制增强颗粒分布和所占体积分数上做深入研究;而且由于冷却速度较低，很难抑制耐热铝合金中如Al3Fe等平衡相和Al6Fe等亚稳金属间化合物的析出。
3.4 低压及差压铸造
低压及差压铸造方法是目前解决大型薄壁铝合金铸件整体成形的最佳工艺方法。国内对直径600 mm、长3 m、壁厚6 mm的差压铸件也已完成研制工作。当前在低压和差压铸造领域需要首要解决的问题包括：1设备制造方面，目前大多数低压和差压铸造设备都不能保证原定铸造工艺的实现和重现，最典型的是液面加压系统，该类工艺的最主要参数，如升液曲线的实现是通过液面加压系统给予保证的，但目前国内数家工厂或公司出品的液面加压系统均只能在控制柜试压筒或控制柜内反馈管内实现预定的加压-时间曲线，很难保证保温炉坩埚液面上的真正压力-时间曲线的最佳工艺参数的实现;2模具和铸型方面，只凭经验进行铸造工艺设计、制备模具和铸型，由于尚无成熟的工艺指导，因此很难保证铸件各部分的顺序凝固和充分补缩，由于铸件是在密封罐中进行浇注充填，充不满、排气不畅、燃烧和跑火等铸造缺陷，造成铸件的表面和内部质量较低;3工装复杂分散、自动化水平低，目前大多采用手工和半自动化操作，造成工艺过程不连续，原来预想的工艺参数不能有效实现。目前在铝合金铸造方面，该类工艺已经取得了很大进步，设备的整体制造水平提高，使其不断向成套化和自动化方向发展，通过铸造工艺过程的计算机模拟设计和优化可达到对工艺参数的控制，使得生产过程中对充型平稳、顺序凝固及铸件充分补缩的工艺控制水平提高。由低压或者差压铸造生产的铸件已开始向超大型化、大断面、薄壁化和合金品种多样化方向发展。
3.5 挤压铸造
挤压铸造工艺是1937年在前苏联诞生的，随后在20世纪70年代以后风行于欧美。国内对此工艺的研究起步较早，目前已经取得了一定的成绩，已经建立了比较完善的压力下结晶和挤压铸造的理论体系，发展了整套的挤压铸造方法和定型生产的专业化挤压铸造机产品。目前国内挤压件还存在夹杂、热处理起泡、局部缩松等缺陷，导致力学性能不稳定，这些问题除与设备现状有关外，主要与挤压铸造技术问题相关。在挤压模具设计和挤压材料熔配和合金质量控制方面仍需改进。尤其是加强挤压铸造过程基本理论和缺陷控制(包括气体卷入过程的成因及控制、铸件中夹杂物的侵入和局部弥散激冷组织的形成控制等)的研究，发展新型的固态粉末润滑剂和改变原有的金属液充填系统，提高设备的自动化和控制水平，提高铸件的质量，使其向高性能、大型化和复杂化方向发展。
4 结束语
我国现代铸造有色合金技术已走过了五十余年的曲折道路，通过各方面的努力，取得了骄人的成绩。从开始的仿效跟踪模式，已向着自主创新方向发展。我国在铸造有色合金体系、有色合金熔体处理关键技术和特种铸造技术的应用等方面与发达国家的差距逐渐缩小。如果在现有科研和生产的基础上比照国外先进水平，继续开拓进取，不断深入研究，并强调技术原始创新，通过加强生产实践，将使我国有色合金铸造技术在整体上达到和超过世界先进水平。
