鑄造工藝對鋁合金組織及性能的作用探究

武浩達

（包頭鋁業有限公司，內蒙古 包頭 014046）

鑄造鋁合金由于其良好的鑄造性能，已經成為重要鑄造材料，同時在鑄造過程中為了獲得最好的鑄造綜合性能，也需要選擇合理的鑄造工藝。真空低壓消失模殼型鑄造和消失模鑄造工藝是兩種不同的鑄造方法。添加劑已經對成為了鋁合金鑄造的主要材料，在鑄造時為提升鑄造整體性能，應科學選擇添加方式，而稀土元素就是一種行之有效的方式，其有著特殊的電子結構層，可以使鋁合金發揮出自身的合金化作用，同時還會對鋁合金組織與性能產生積極的影響。

1 稀土元素在鎂鋁合金中的作用

1.1 細化晶粒

在鎂鋁合金鑄造過程之適當加入稀土元素能夠全面細化其晶粒，因為稀土元素的細化并不是異質形核的作用，是因為結晶前冷度的增加。混合稀土元素在添加一定量的時候，其中Ce，Nd以及Pr在形成A1-RE化合物之前，都會以質點的方式散布在合金熔體中，但也會存在非均勻現象，隨著混合稀土元素的增加就會遍布在晶界上，進而達到了細化晶粒的目的[1]。

1.2 保護與凈化

當前，大部分鎂鋁合金的熔煉與覆蓋的保護都是以SF6氣體保護為主，大部分保護方式都會導致熔煉過程引入氧元素，這樣就會使導熱能力變小，進而出現鎂鋁膜的破裂，而在鎂鋁合金燃燒過程中加入稀土元素就可以改變這一現象，能夠形成稀土氧化物膜，對熔體進行保護，但這種保護方式在鎂鋁合金煉制過程中的難度較高，需要去除鎂鋁合金中的各種雜質，同時還應消除合金內部熔煉問題，進一步實現合金的凈化度。

1.3 提升合金的力學性能

鎂鋁合金在加入稀土元素以后，可以全面提升其強度與硬度以及伸長度。純鎂鋁在加入2%的稀土元素之后，其硬度可以提升一倍。在鑄造鋁鎂ZL10系合金中加入0.3%的稀土元素，其硬度會由60提升到106，同時還可以進一步降低合金的膨脹，高溫強度能夠提升至20%～25%。稀土元素在鎂鋁合金中有著高熔點特征，會呈現出網狀或骨架狀，且會擴散到晶體間與枝晶間，然后使其與集基體融合入，在溫度和強化晶界方面有著極大的優勢[2]。

另外，針對于鑄造工藝對鋁合金力學性能的影響作用來講，真空低壓消失模殼型鑄造件在經過熱處理以后，可以提升鑄造件的抗拉強度與硬度，在過程中可以借助顯微鏡發展其斷面孔洞缺陷較少，主要都是以鍛煉方式為主的韌性斷口。而消失模鑄件的抗拉強度與硬度普遍低于真空低壓消失模殼型鑄造，在經過熱處理之后提升幅度相對較小，其斷裂方式基本上都是以脆性端口為主，說明消失模鑄件的抗拉強度與硬度較低。針對于擠壓鑄造工藝來講，其在提升鋁合金力學性能方面有著極大的優勢，同時還可以對鋁合金疏松與氣孔等問題進行全面改善，另外，這一鑄造工藝所形成的鑄造品可以直接進行熱處理，進而獲得更加細致的晶粒。基于此，可以說明真空低壓消失模殼型鑄造工藝可以使鋁合金的致密性較高、孔洞率降低、抗拉強度與鑄件硬度變強，這一鑄造工藝可以全面提升鋁合金的力學性能。另外，擠壓鑄造工藝對提升鋁合金強度與延展度有著一定的輔助作用，其適合多元素鋁合金鑄造[3]。

2 稀土元素在鎂鋁合金應用現狀

其一因為稀土元素的價格使最終產品的成本會增加，借助研究，需要全面提升材料的使用性能，使其性價比提高，這是稀土元素在鎂鋁合金鑄造過程中的發展關鍵；其二稀土元素中的添加工藝始終都是鑄造的技術難點，全面掌握稀土在鋁鎂合金中的添加量、控制稀土鋁鎂合金的形成，使鋁鎂合金可以保持其力學性能是相關工作人員需要深入思考的問題。例如某稀土元素生產長試用了下述添加工藝，即為在鋼杯中加入了混合稀土元素，同時在此基礎上加入了鎂鋁合金熔體在300℃到400℃的溫度下進行預熱，讓其去潮、脫蠟，之后在將鋼杯懸浮在鎂鋁溶液中，使稀土元素進行擴散和溶解。這種方式全面保障了稀土元素在熔體中的有效性。不同的合金所使用的稀土添加元素也會不同，可以以合金或單質稀土的方式來進行加入；其三鎂鋁合金的回收與再生與塑料制品相比較來講，其有著一定的優勢，但因為稀土鎂鋁合金中的成分元素不容易波動，將其再生較為困難，所以，在未來發展與實踐過程中需要探索成熟的再生和回收工藝。

3 稀土在鑄造鋁合金中的運用分析

鑄造鋁合金主要包含鋁硅系和鋁銅系以及鋁鋅系等合金，而在這些合金中合理加入稀土元素可以改變和完善其力學性能，以稀土在鋁硅合金中的運用來講，科學加入能夠提升合金的耐磨性與耐熱性以及硬度等，同時還可以進一步提升機加工性能，在這一背景下，諸多汽車行業逐漸運用這一方式來制造活塞或汽缸等結構部件[4]。另外，目前，西方國家汽車行業已經運用AI-22Si-1MM.(MM為混合稀土金屬)和AI-2.5Cu-1.5Ni-0.8Mg-1.2Fe-1.2Si-0.15MM鑄件，這些都有著極大的高溫性能與抗疲勞強度。我國所生產的稀土鋁合金活塞，在300℃的高溫下，其強度可以提升33%，且使用壽命提升至5倍～6倍，其在坦克發動機上的運用較多。當前，隨著工藝的快速發展，含有稀土鑄造工藝的合金種類逐漸增加，且運用面也變的十分廣泛，其不僅運用了汽車活塞中，還涉及到了飛機、船舶等零部件的鑄造領域中，稀土合金的鑄造工藝不僅可以保障合金的長效性，同時還有著細化品粒的作用。

稀土鋁合金有著一定的變質作用，變質特征為長效性，其變質效果與冷卻速度有著一定的關系，稀土元素有著臨界冷卻的速度，變質能力差別十分明顯。當前，稀土的用量較為分散，但已經提出了相關論點，即為稀土變質溫度切不可低于700℃，變質時間需要在100min以上；在以混合稀土為變質劑時，冷卻速度需要保障在70℃/min～80℃/min以上；合理配比稀土元素用量，如果量少，那么就會使變質不良，如果量多，則會出現過變質的現象。在稀土元素中加入鋁鎂合金，待其變質以后，就可以全面改善鋁鎂合金的力學性能與氣密性等。

另外，在鋁鎂合金制作過程中，合理添加不僅可以提升材料性能與耐腐蝕性以及力學性能，同時還可以進一步降低合金表面的粗糙度[5]。在焊接鎂鋁合金的過程中，加入稀土元素能夠使其在非氧化性的環境中使氧化膜狀態始終保持較薄，進而提升焊接性能。在鐵一鉻一鋁等電熱合金中加入稀土元素可以改變合金的使用性能：例如在鋁合金中加入適當的釔合金，布氏硬度能夠得到多倍提升。針對于稀土合金與減震合金以及熱鍍用的稀土合金等都有著屬于自己的獨特性能。

4 結語

（1）鎂鋁合金實施真空低壓消失模殼型鑄造，組織致密度優于消失模鑄造，孔隙度僅為0.16%，密度則為2.684g/cm3，和消失模鑄造工藝相比差異顯著，說明真空低壓消失模殼型鑄造工藝應用效果優于消失模鑄造工藝。

（2）對真空低壓消失模殼型鑄造工藝和消失模鑄造工藝對鎂鋁合金鑄造抗拉強度、伸長率以及布氏硬度對比發現，在實施T6熱處理之后真空低壓消失模殼型鑄件抗拉強度、伸長率以及布氏硬度也顯著高于消失模鑄造工藝。并且鑄件表面質量也顯著優于消失模鑄件，其原因是在其鑄造過程中加入了泡沫模樣材料，這些材料的加入能夠顯著降低鑄件過程中可能會出現的夾雜缺陷，從而提高鑄件質量。最后在澆注過程中對鑄型實施真空抽取，將腔內的氣體全部排除在外，有助于減少孔洞缺陷。

結合全文，稀土工藝結構與方式對鋁合金鑄件質量有著直接影響。基于此，在鑄件產品開發之前，需要對鑄造工藝進行全面分析和研究，可以適當進行實踐與仿真模擬，在實踐過程中分析和探索鑄件的結構與缺陷，然后在此基礎上完善流程和通道。可以針對于實際情況構建科學合理的鑄造工藝參數，借助多次反復的驗證來進行完善，不僅是解決問題的關鍵內容，同時也是提升鋁合金鑄件質量的重要路徑。