高強度鋁合金鑄造和熱處理方法探究

王策 王龍

摘要：在科學技術不斷發展過程中，高強度鋁合金鑄造工藝也越來越成熟，并衍生出多種新技術理論，促進高強度鋁合金鑄造工藝的完善與發展。為進一步保證高強度鋁合金鑄造質量與效率，本文重點探究高強度鋁合金的制造工藝和熱處理方法，為相關技術人員提供一定參考。

關鍵詞：高強度鋁合金;鑄造工藝;熱處理

一、前言

高強度鋁合金鑄件對鑄造工藝和熱處理方法有很大依附性，需要相關技術人員正確掌握高強度鋁合金鑄造工藝，結合鑄件特點制定合理的鑄造方案和熱處理方案，在此基礎上保證鑄件性能與質量。在對高強度鋁合金進行鑄造加工期間，要充分掌握鑄件鑄造提出的生產要求，優選合理、先進的鑄造技術和熱處理方法，保證鑄件性能，并不斷提升鑄造工作效率。

二、高強度鋁合金鑄造工藝

1、鑄件分析

為詳細探討高強度鋁合金的鑄造工藝，本文以某大型熔模精密鑄件為例分析其鑄造生產過程。在該鑄件鑄造生產期間，要求大型熔模精密鑄件鑄造為錐形，材料選擇高強度鋁銅合金，外形尺寸是（φ20cm～38cm）×50cm，最大壁厚是35mm，最小壁厚是3.5mm。該鑄件設計方案顯示在鑄件外圓方向布局有4根筋條，每一根筋條和筋條兩端屬于受力部位。鑄件選用高強度鋁銅合金材料，其中包含0.15%～0.35%的鈦元素、0.3%～0.5%的錳元素、4.6%～5.3%的銅元素，除此以外還包含部分釩元素、硼元素、鋯元素、鎘元素等。

2、鑄造方案

鑄造此熔模精密鑄件過程中，在確定材料后同步選擇硅溶膠熔模精密鑄造工藝。澆注系統設計中，使側柱和底柱彼此相結合，同時讓縫隙式澆道和周邊所設置的4根立柱相組合。因為重力澆鑄期間金屬液會對直澆道底部產生一定沖擊力，影響流動性，所以經過綜合考量，決定選擇蛇形直澆道。鑄造之前嚴格依據有關規定全面檢驗高強度鋁合金材料質量，保證材料中所有雜質含量都符合相關規定，同時要事先準備好精鋁錠和其他相關中間合金，回爐料用量不可超過總爐料30%[1]。由于所選材料中包含雜質元素鐵，所以熔煉環節主要選擇石墨坩堝。

熔煉及澆注過程中，先在石墨坩堝當中添加回爐料和精鋁錠，嚴密觀察合金融化過程，金屬液溫度上升至700～710℃之后，向其中加入金屬均勻攪拌5～10min。合金融化溫度上升至740℃左右，向其中加入中間合金，均勻攪拌5～10℃。當溫度降低到約720℃可進入到精煉環節，精煉期間溫度保持在720～740℃區間[2]。通過合理控制溫度，可避免出現渣難以上浮，進而造成鑄件發生夾渣缺陷問題，并保證精煉效果。熔模精煉鑄造期間，精煉劑主要選擇六氯乙烷，用量是總爐料的0.5%～0.8%。精煉液利用鋁箔紙分包為7份左右，在鐘罩利用下分批將其壓入鋁液內，后均勻、持續的攪拌15min。精煉結束后，靜置約18 min，當溫度降低到720～730℃，經檢查保證鏡面試樣符合相關規定后，按照技術規程進行規范、快速的澆注，澆注時間不可超過2h。

3、缺陷處理

鑄造高強度鋁合金期間，容易受到材料特性、人員操作不當等因素影響使鑄件出現疏松、夾渣等缺陷，所以要求工作人員在鑄造高強度鋁合金期間嚴格把控好操作流程，一旦發生鑄造缺陷要及時處理。比如在鑄造錐形熔模精密鑄件過程中，要求工作人員嚴格控制好材料連續澆注操作和澆注時間，保證在2h以內做完各項澆注操作，并確保合金材料成分均勻。由于澆注期間所選精煉劑為六氯乙烷，所以要同步選擇高純氬旋轉噴吹精煉方法，促使合金精煉效果明顯提升，并保證均勻、充分的攪拌合金液。

在鑄造此熔模精密鑄件過程中，因為方案中設置了四根筋條，而筋條根部厚度分布不均勻，所以鑄件鑄造期間容易出現疏松缺陷。工作人員在鑄造過程中，可通過刷水方式防范疏松缺陷，不過此方式具有較大控制難度，容易發生針孔、氣泡等缺陷。所以，為進一步規避鑄件疏松缺陷，可于鑄件中每一條筋條根部的薄厚銜接部位加設工藝補貼，以此可使相應部位薄厚更加均勻，從根源上避免鑄件疏松。

三、高強度鋁合金熱處理方法

高強度鋁合金鑄件熱處理，關鍵是進一步強化鑄件力學性能，使鑄件機械性能進一步提升。相比于普通鋁合金材料，高強度鋁合金更具強度優勢，不過在鑄造環節也更容易受到多種因素影響發生夾渣、疏松等鑄造缺陷，進而影響到鑄件力學性能。所以，此熔模精密鑄件在鑄造生產期間進行熱處理，要結合實際情況合理設置固溶溫度，若固溶溫度設置過低同時保溫時間在9h以下，很難使強化相融入到鋁基本元素內[3]。同時在淬火過程中要嚴格控制好鑄件冷卻速度，注意零件裝爐間隙應充足，以免因相互交疊影響到鑄件冷卻速度。該大型熔模精密鑄件在鑄造生產期間為保證其力學性能，要結合有關標準和實際情況合理設置熱處理工藝參數。合金固溶溫度應保持在530～540℃區間，同時固溶保溫時間需保持在10～18h區間，要求時效溫度于170～180℃區間，時效保溫時間應在 4h至6h區間。

鑄件出爐轉移到淬火槽這一環節時間要在20s以內，以保證鑄件力學性能。鑄件熱處理期間，若環境溫度低于10℃，鑄件出爐轉移至淬火槽的時間不可超過15s。鑄件在固溶處理之后要及時冷卻，冷卻介質主要選擇UCON水溶性介質（濃度6%～10%），時效處理過程中要合理選擇箱式循環空氣過濾器，并嚴格控制好時效溫度。通過應用固定工裝，可對鑄件變形加大控制力，并有效提升鑄件熱處理效率。鑄件車間可安裝智能溫度調控裝置，使環境溫度穩定保持在10℃及以上。高強度鋁合金大熔模精密鑄件經相關工藝參數熱處理后，其抗拉強度一般可達到甚至超過470MPa，斷后伸長率均值保持在3%，最高為4.5%。

結束語

高強度鋁合金鑄件鑄造生產過程中，要注意結合實際情況，按照相關技術規范與要求，選擇合適的鑄造工藝，科學制定熱處理方案，把握好各項關鍵要素，嚴格控制精煉溫度、合金融化溫度、熱處理工藝參數等。在高強度鋁合金鑄件鑄造以及熱處理期間，工作人員要全程嚴密觀察，及時發現問題并同步進行有效處理，保證鑄件整體力學性能。

參考文獻：

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[2]王華僑，王永鳳，郭玉，張權，付忠奎，馮四偉，羅海濤，趙華萍，李玉勝，翟虎，趙連君，趙偲宇.大型薄壁高強度鋁合金異型艙殼精密砂型鑄造成型關鍵技術應用研究[J].模具制造，2019，19（03）：59-68.

[3]侯遠飛，劉崇宇，戴海桃，陳勇，徐崢崢，彭英浩.鈧添加及熱處理對攪拌摩擦加工態7系鋁合金組織及力學性能的影響[J].材料熱處理學報，2020，41（06）：32-38.

作者簡介：

第一作者：王策（1993-），男，陜西西安人，漢族，本科，助理工程師，研究方向：鑄造技術。

第二作者，王龍（1993-），男，陜西寶雞人，漢族，本科，助理工程師，研究方向：鑄造技術。