鋁合金鑄造復合工藝及理論

趙雪

摘要：鋁合金具有先進的結構，可以應用對比強度和比模量要求較高的結構中，此外，鋁合金還具有良好的高溫性能。對于工程師來說，鑄造不同金屬和合金的鑄造參數知識和理解與鑄造產品一樣重要。鋁合金鑄造是指熔化金屬并將其澆注到模具中以產生所需形狀的任何過程。具體的澆鑄參數，如澆注溫度、澆注速度、流動性和金屬成分，對于能否實現鑄件的鑄造是至關重要的。本文對鋁合金鑄造的復合工藝以及相關理論進行了研究。

關鍵詞：鋁合金；復合工藝；理論

本文介紹了在選定澆注溫度和澆注速度下，相同尺寸和形狀的砂型鑄造鋁合金所需要的工作。對鑄造合金的力學性能進行了測試。其目的是確定這些參數產生高質量鑄件的最佳點。研究表明：澆注溫度低于最佳值時，模腔內不能填充澆口或冒口，固化速度過快，截留定向凝固。另一方面，較高的澆注溫度會導致鑄件收縮和模具翹曲。最重要的是，許多鑄造缺陷是由于鑄造過程中沒有使用最佳鑄造條件造成的。

一、鋁合金鑄造工藝的要求

研究發現：熔化和澆注條件直接或間接影響鑄態材料的力學性能：硬度、延伸率、縮徑率、韌性等。例如，對一些黑色金屬的澆注速率的研究表明，與其他合金鑄件相比，鋁合金具有很高的凝固速度。最佳澆注速度也與鑄件尺寸和形狀有關。了解金屬和合金的熔化溫度對于估算相應的澆注溫度是必要的。鑄造鋁合金的熔化溫度660℃。

當確定一個組件的功能時，首先要問的是：組件的作用是什么？選擇合金、鑄造工藝和熱處理要求所提出的要求。如果需要高強度，安全關鍵部件應選擇一個高完整性鑄造工藝，如需要永久成型，則選擇優質砂鑄造或半固態鑄造工藝。由于不同合金和熱處理組合可能產生的力學性能差別很大。例如，許多商業鑄件通常沒有關鍵的要求，因此可以使用更經濟的合金和生產方法。

二、工藝設計

一旦確定了所需組件的功能，鑄造人員就必須考慮與設計有關的問題，如尺寸、重量和部件的復雜性。鑄造和可用合金的尺寸和設計特點可以影響鑄造工藝的選擇和零件的成本。砂型鑄造通常用于制造空心空腔的零件和復雜的構件，因此不適合在永久鑄模中鑄造。

在某些情況下，通過將設計中的特征包括在近凈形鑄造件中，并消除或減少鑄件后加工（如機械加工）所需的額外成本，可以降低成品成本。然而，功能的復雜性和表面網絡完成或特殊性能可提高鑄件的成本。

由于組件的大小，流程選擇可能受到限制。例如，砂型鑄造可能是大型或重型鑄件的唯一工藝選擇。永久模鑄造具有較高的模具成本，但單位價格較低，特別是對于需要構件數量較多的情況。

三、鋁合金鑄造復合工藝

鋁合金有幾個特點，可控性強，以最大限度地鑄造性能。它容易在熔融狀態下提取氫氣和氧化物，對微量元素也很敏感。一些裝飾或商業鑄件可能有質量要求，嚴格的熔體控制和專門的熔融金屬加工技術可以幫助提供增強的機械性能。

（一）合金比例控制

在鋁液加工過程中，必須嚴格控制合金元素和雜質的百分比。如果不這樣做，它們的特性，如安定性、可加工性、耐腐蝕性、機械性能和導電性都會受到不利影響。

鋁合金在熔煉和保溫過程中容易發生化學變化。這些變化最明顯的是失去置換的潛力，這可以顯著改變機械性能顯著。如果鑄造部件用于制造質量要求高的材料，這些反應必須通過設備調節和保溫來控制。

（二）精煉與改造

熔融鋁對微量元素很敏感，但這種敏感性可以通過添加微量材料來促進鑄件微觀結構的變化而被利用。晶粒細化和硅改性都能改善最終構件的力學性能。它們還可以作為有用的工具來優化性能和熱處理響應，以滿足特定部件的服務要求，并幫助開發某些鑄造性能。

在凝固過程中，鋁在長柱狀晶組織中凝固。這些顆粒會變大，直到它們撞擊另一個晶粒或模壁。晶粒細化是在熔融金屬中加入成核點（以鈦和硼中間合金的形式）加入額外晶粒的處理過程。通過改進，在熔融鋁中加入鈉或鍶來改變硅晶體的形態（形狀）。

（三）熔融金屬處理

鋁合金容易從大氣和其他來源的濕氣中吸收氫，從而導致缺陷。氫氣可在固體鑄件中形成氣孔，而氧化鋁等金屬間雜質可作為夾雜物凝固在鑄件中。氣孔和夾雜物對鑄件質量有負面影響，防止鑄件滿足較高的使用要求。熔化實踐通常包括用惰性凈化氣體脫氣除去氫和助熔以清除澆注前氧化物和其它夾雜物的熔融鋁。

（四）合金的選擇

有許多可用的合金可供選擇以滿足不同的要求。一旦確定鑄造方法，合金的選擇是有限的，因為不是所有的合金都可以使用所有鑄造方法。有時，在紙上顯示最佳性能的合金可能具有生產特性，使其在總體上比其他合格合金更不可取。因此，最好與金屬鑄造設備進行協商，根據方案的可行性、相對成本、生產成本和結果的可重復性等因素提出建議。

在合金選擇中，應用要求也是一個關鍵考慮因素。如果需要高強度，必須使用熱處理合金。考慮到其余的要求，如氣密性、耐腐蝕性和可加工性，合金選擇性可能進一步減少。鋁金屬基復合材料（包括非金屬增強鋁基復合材料）納入鋁基。復合材料結構可以是連續的或不連續的，最常見的是碳化硅。其他增強材料包括硼、氧化鋁和石墨纖維以及各種顆粒、短纖維和晶須。Al MMCs有較好的剛度、耐磨性和導熱性比鋁合金底座。

（五）熱處理

許多鋁鑄件滿足鑄態的性能要求，不需要進一步加工。然而，為了改善性能和提高強度和延展性，鋁鑄件通常通過熱處理和冷卻循環來進行熱處理。這種熱處理涉及三種基本操作：溶液、淬火和老化。溶液處理包括將鑄件加熱到接近共晶溫度，以溶解共晶成分并形成固體均勻溶液。

在這種溶液處理之后，鑄件可以被淬火或快速冷卻，通常是在沸水中，這有助于保持室溫下的均勻溶液。鋁鑄件熱處理的第三步是自然或人工時效，增加強度和硬度。時效硬化原理也可用于進行熱處理。這三種熱處理的組合稱為回火。鋁鑄件熱處理的主要目的是開發滿足部件應用關鍵要求的最佳力學性能組合。

四、結語

鑄鋁組件用于許多不同的功能，如裝飾業主的組件，航空航天和汽車應用的關鍵安全部件。有許多不同方法可以用來生產這種用途廣泛的鋁鑄造組件。合金和鑄造工藝的選擇將在采購過程中起重要作用，影響元件性能和成本。鑄鋁組件功能（服務要求），設計（形狀和大小）和生產量等因素對鑄造方法的選擇、合金的選擇和成本以及零件的質量都有很大的影響。

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（作者單位：沈陽飛機工業（集團）有限公司）