鑄造鋁合金鑄造工藝相關熱點問題的探討

張士雷

摘 要：如今對鑄造鋁合金的研究包括很多方面，比如合金元素在合金中的作用、合金成分的優化和新的合金的研究、合金的熔煉、合金液的精煉處理、合金的晶粒細化、鋁硅合金的變質處理、傳統鑄造方法的優化和開發新的鑄造方法以滿足鋁合金鑄件的大型化、薄壁化、復雜化要求。

關鍵詞：鋁合金；特點；成形方法

1 鑄造鋁合金的工藝特點

1.1 Al-Si 系鑄造合金

Al-Si 系鑄造合金的 Si 含量一般為 5%―13%，屬于亞共晶和共晶型合金。也有Si 含量超過 15%的過共晶鋁合金。Al-Si 系具有良好的鑄造性能，氣密性好，流動性好，熱裂傾向小。在 Al-Si 系合金中主要的強化相有 Al2Cu、Mg2Si 和 Al2CuMg，經過變質處理和熱處理后，合金的力學性能會顯著提高，加上較好的鑄造性能，Al-Si系合金是鑄造鋁合金中品種最多，應用最廣的。ZL102 合金為共晶型合金，具有好的鑄造性能，流動性好，沒有熱裂傾向，氣密性好。但由于生成的共晶硅為粗大的針狀和片狀，割裂了鋁基體組織，力學性能和切削加工性能差，所以合金需要變質處理，改變硅的形態，使共晶硅變細。ZL114A 具有較好的鑄造性能，具有較高的強度且具有較好的塑性，可焊性較好，在航天航空和軍工領域有廣泛的應用。

1.2 Al-Cu 系鑄造合金

Al-Cu 系鑄造合金中 Cu 含量在 4.5%―11%范圍內，Al2Cu 是最主要的強化相，在室溫和高溫下有較好的強度和熱穩定性而且具有較好的切削加工性能。但是鑄造性能比 Al-Si 系鑄造合金差、氣密性低、耐蝕性差，特別是熱裂傾向較大，給鑄件的生產帶來較大的工藝難度。特別是當含量處于 4%―5%時熱裂傾向最大，超過這個含量是的熱裂傾向降低。通過添加中間合金細化晶粒，可以降低合金的熱裂傾向。通過利用原位反應合成技術制備 Al-Ti-B 中間合金晶粒細化劑細化 ZL201 合金的鑄造組織，可以基本消除晶界三元共晶組織，改善雜質分布，大大減少鑄造缺陷，大幅度提高材料性能。通過控制合金的凝固條件，當平均凝固速度提高時，二次枝晶間距和枝晶大小都降低，也可以降低熱裂傾向。ZL201 合金為固溶性合金，凝固溫度區間較寬，熱裂傾向較大，鑄造性能較差。ZL201 合金的機械性能較高，熱處理后強度可以達到 300～400MPa。可用作承受大的動載荷和靜載荷的零件，也可用于 300℃以下溫度工作的零件，用途很廣。

2 添加元素的作用分析

2.1 Cu元素的作用分析

銅在鋁硅鎂合金中可以起到固溶強化的作用，提高合金的強度另一方面，由于銅能與鋁合金中的鎂、鐵、錳、鎳等元素形成A12、CuA12、CuMgA19、Fe、Ni等化合物，因此同時也能提高合金的高溫強度。

2.2 Ni元素的作用分析

一般在鋁合金中Ni與Fe按1：1加入時，可形成耐熱性好的Al9FeNi相，提高鋁合金的耐熱性，并降低其熱膨脹系數。

2.3 Mn元素的作用分析

在鋁硅鎂合金中，Mn是一個中和鐵的有害作用的元素熔煉時雜質Fe和Mn結合生成沉淀物進入渣中，Mn還會和合金中的Fe反應生成A16MnxFe1-x金屬間化合物，從而有效地提高合金的耐蝕性添加少量的Mn可以細化材料的組織，提高再結晶溫度，增強合金的耐熱性。

2.4 V元素的作用分析

鋁合合金中加入釩元素，可以形成Al7V化合物，這些化合物可作為固溶體的結晶核心，使晶粒細化，提高力學性能和改善工藝性能，但量不能多，過多則會出現大片狀化合物，降低強度耐蝕性等。

2.5 RE元素的作用分析

RE在鋁合金中的作用有以下3個方面：凈化作用由于RE具有很高的化學活性，與H2FeS等雜質元素具有很強的化學親和力，可以與各種雜質元素形成化合物，因而能消除H2FeS和過剩游離態Si等有害雜質的影響變質作用加入適量的RE，能夠有效減小鋁合金的枝晶間距，細化鑄態晶粒微合金化作用RE與Al及其合金元素能發生微合金化作用，可以提高合金常溫和高溫力學性能。

3 鋁合金鑄造成形方法

3.1 鋁合金的砂型鑄造

在鋁合金鑄件的生產過程中，表面和尺寸精度要求不是很高或者批量很小的零件多采用砂型鑄造，尤其是一些外形復雜，內部有彎曲管道的復雜異形鑄件。鋁合金砂型鑄造多采用粘土砂型和有機粘結劑型砂，下面重點介紹這兩種造型和造芯方法。

（1）粘土砂型

粘土砂型根據合箱和澆注時的狀態不同分為濕型、干型、表面烘干型三種。濕型是造好的砂型不經過烘干，直接澆入高溫金屬液；干砂型是在合箱和澆注前將整個砂型烘干；表面烘干型只在澆注前對型腔表面層采用適當的方法烘干一定深度（一般 5―10mm，大件 20mm 以上）。

（2）有機粘結劑砂砂型和砂芯

有機粘結劑型（芯）砂種類很多，現在通常使用的是合成樹脂粘結砂。按粘結劑的硬化工藝和硬化溫度分為模具內冷硬和模具內熱硬，模具內冷硬包括吹氣冷芯盒法和自硬冷芯盒，模具內熱硬包括熱芯盒法和熱殼法。熱殼法采用覆膜砂，覆膜砂具有良好的流動性和存放性，制作的砂芯強度高、尺寸精度高，能夠獲得較好的鑄件表面質量。其不僅用于造型，更主要的是用于造芯。殼法工藝特別適合制造出大的中空殼芯。砂芯的存放性好，透氣性好。但必須采用金屬型，耗能較高，生產環境較差。熱芯盒法和溫芯盒法制芯，是用液態熱固性樹脂粘結劑和催化劑配制成的芯砂，填入加熱到一定溫度的芯盒內，其粘結劑在很短時間即可縮聚而硬化。熱芯盒法硬化溫度在 200-250℃之間，溫芯盒法是指芯盒溫度低于 175℃的造芯方法。

溫芯盒法、熱芯盒法比較分析

3.2 鋁合金的金屬型鑄造

金屬型的熱容量、傳熱系數比砂型大得多，而且壽命長，會加快合金液的凝固速度，從而減少氣孔和縮孔、疏松等缺陷，鑄件表面能得到細晶組織，顯著地提高鑄件的力學性能和表面質量，而且鋁合金的金屬型鑄造生產效率高，勞動環境和勞動條件好。但金屬型幾乎沒有退讓性，排氣性差，所以應盡早開模，防止形成冷裂紋，設置排氣塞排氣槽，增強排氣，防止憋氣形成氣孔或者未澆足。鋁合金的金屬型鑄造通常采用底注式和頂注式澆注。底注式澆注充型平穩，不會產生激濺，有較好的擋渣作用，但容易在鑄件側壁上形成氧化夾渣。更重要的是底注式澆注合金液的凝固通常為同時凝固，難以實現順序凝固，易產生縮松缺陷。頂注式澆注的優勢就是能夠實現順序凝固，能鑄件減少縮松、以及薄壁件的冷隔、澆不足等缺陷的產生。但也容易產生激濺、氧化、夾渣等缺陷，通過采用過濾裝置、降低鋁液充型壓頭、控制流速等手段避免。

3.3 鋁合金其他鑄造方法

除了最常用的砂型鑄造和金屬型鑄造外，鋁合金還有很多鑄造方法。比如壓力鑄造、低壓鑄造、差壓鑄造、真空吸鑄、調壓鑄造、石膏型精密鑄造、消失模鑄造和英國賽車發動機 Cosworth 公司發明的 CP 法等。調壓鑄造由西北工業大學發明，是對差壓鑄造改進。與其他反重力鑄造技術相比具有真空除氣、調壓充型、正壓凝固的特點，使其相比差壓鑄造和真空吸鑄具有更好的充型能力，針孔控制能力。

4 結論

當然，和其他金屬相比較鋁的比強度高，表面可以形成嚴密的氧化膜這樣具有一定的抗腐蝕性，如今鋁合金發展迅速，逐漸代替鋼鐵材料適用于現在的各個領域。而且鑄造鋁合金在汽車、輪船、特別是一些航天航空領域更加適用明顯，具有無比廣闊的前景。總之我們需要進一步提高合金的性能，確保生產出合格的鑄件。

參考文獻

[1]夏巨諶，張啟勛. 材料成型工藝.北京：機械工業出版社，2010：41

[2]王文清，李魁盛. 鑄造工藝學.北京：機械工業出版社，2009：63-66