高強度鋁合金鑄造與熱處理技術研究

邊明勇

（新疆眾和股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830013）

1 高強度鑄造鋁合金概述

高強度鑄造鋁合金一般用于航空、航天、機械構件等領域，可以滿足荷載要求，當前主要包括的類型：一是以Al-5Cu為基的固溶體型合金；二是以Al-7Si為基的亞共晶型合金。高強度鑄造鋁合金拉伸強度和屈服強度很高，壁厚效應較低，且微量元素的差異，也為合金造成了一定影響。一方面，在Mg-Zn-Zr合金中加入微量元素Ag，能夠獲得更高的時效效應，讓點拉伸強度超過310 MPa，屬于強度最高的鑄造鎂合金。然而其存在顯微疏松與熱裂的情況，焊接難度極大，僅僅適用于簡單形狀鑄件的鑄造中，常見的有發動機機匣、飛機輪轂等。另一方面，對Mg-Zn-Zr合金來說，通過部分稀土元素的加入，能夠大幅度提高鑄造工藝性能與焊接性能。在進行氫化處理后，合金的力學性能將得到改善，制造的零件具有應力承受能力、氣密性等都實現了提升，尤其是薄壁優質鑄件表現更為明顯。在高強度鑄造鋁合金生產中，必須加大對雜質含量的控制力度，采取先進的熔鑄與熱處理工藝，獲得高強度優質鑄件和部分鍛件。整個過程將減少材料的消耗，有效節約工時，產品性能也能實現提升。

2 高強度鑄造鋁合金熱處理工藝特點與目的

2.1 高強度鑄造鋁合金熱處理工藝特點

鋁合金熱處理技術就是選用某一熱處理規范，在熱處理鋁合金產品時控制加熱速度升到某一相應溫度下保溫一定時間以一定得速度冷卻，改變其合金的結構組織的一種技術。對高強度鑄造鋁合金來說，其金相組織比變形鋁合金更加粗大，在熱處理工藝上也有差異[1]。鑄造鋁合金保溫時間很長，通常會超過2 h，而變形鋁合金保溫時間很短，只需要數十分鐘。在較大冷卻速度與壓力條件下，金屬型鑄造、低壓鑄造和差壓鑄造的鑄件才能結晶凝固，相比于石膏型、砂型等鑄件，其結晶組織也更細，大幅度減少了熱處理保溫時間。對高強度鑄造鋁合金與變形鋁合金而言，兩者在壁厚上也不同，結構形狀非常復雜，有內通道、異形截面等，熱處理期間為避免發生變形、開裂等問題，需要通過專用夾具進行保護，同時淬火介質溫度也高于變形鋁合金。對此采取人工時效的方式，減少熱處理時間，也讓鑄件有更好的性能。

2.2 高強度鑄造鋁合金熱處理的目的

高強度鋁合金鑄造熱處理后，力學性能更加優異，能夠具有較強的耐腐蝕性，尺寸方面將始終維持穩定，有利于順利完成切削、焊接等操作。由于一些鑄態鋁合金缺乏較好的力學性能，難以達到使用要求，需要采取熱處理措施，保證鑄件擁有更好的力學性能，也滿足實際使用要求。簡而言之，熱處理的目的包括以下幾點：一是減小鑄件結構不合理引發的問題，具體反映在壁厚不一致，轉介區域厚度超過標準等，要防止其結晶凝固期間因為冷卻速率的差異引起內壓力；二是能有效提升鋁合金強度和硬度，金相組織也能優化，這樣塑性表現更好，便于輕松完成切削與焊接等；三是讓鑄件組織、尺寸等保持穩定，解決高溫相變引起的體積改變問題；四是解決晶間與成本偏析現象，確保組織均勻度符合要求。

3 高強度鋁合金鑄造與熱處理技術流程

3.1 坯料制備

對高強度鋁合金鑄造而言，通常需要對鋁合金材料采取熔化、精煉等措施，或者是通過真空熔煉方法進行熔煉，在鑄造、軋制和鍛造后完成成形處理。這些方法實用性雖然很強，但是卻有固溶度低、偏析嚴重等問題，影響了高強度鑄造鋁合金性能[2]。為解決這些缺陷，也開始應用快速凝固、單向凝固和粉末冶金等技術，但應用過程較為繁瑣，投入較大，難以有效控制質量。因為鋁合金成分、噴射速度和沉積質量等存在差異，造成擠壓溫度、速度等也不一樣，所以可以適當調整噴射速度、合金成分、擠壓比等參數。由于噴射成型偏析小、晶粒細化，可以保證鋁合金固溶度更高，性能也將得到改善，是高強度鋁合金鑄造中常用方法。

3.2 退火

通過退火，能夠將鑄造應力與機械加工期間形成的內應力去除，這樣加工件形狀、尺寸等更加穩定，促使Al-Si系合金的部分Si晶體球狀化，從而有效改善合金塑性。技術流程包括以下幾點：提高鋁合金鑄件溫度到280～300℃，保溫2～3 h，并與爐一起冷卻到室溫，這樣固溶體開始被分解，將第二質點聚焦析出。這樣鑄件內應力將被消除，不僅保證尺寸更加穩定，也能有效改善塑性，避免發生變形。

3.3 淬火

淬火即固溶處理與急冷處理，具體工藝流程為：先加熱鋁合金鑄件到較高溫度，通常為接近共晶體的熔點，且大部分超過500℃，保溫至少2 h，讓合金可溶相充分溶解。后續處理中要在80℃左右水溫中進行淬火，通過急速冷卻確保鑄件合金溶解的強化相得到固定，再逐步與室溫保持一致。在鑄件熱處理中也要關注變形問題，常見的有自重變形、應力釋放變形以及淬火變形等類型。自重變形是由于高溫條件下鑄件硬度不足，難以承受自身重量，應力釋放變形則為冷卻中鑄件內外溫度存在差異，造成應力釋放引起變形[3]。對淬火變形來說，主要是淬火中溫度分布不均衡，在釋放應力后產生變形，其中高強度鑄造鋁合金主要為淬火變形。在鑄件淬火過程中，要考慮使用垂直入水方式，當固溶結束要利用液壓機對鑄件進行校正，滿足圖紙要求，之后才能進行時效處理。高強度鋁合金淬火、時效溫度范圍不大，在熱處理工藝、設備等方面有著嚴格要求，需要加強控制，防止過燒帶來鑄件報廢問題。

3.4 時效

高強度鋁合金鑄件進行淬火后，通過加熱保持所需溫度，出爐后則逐步冷卻到室溫，確保過飽和固溶體分解，讓合金基體組織更加穩定。合金時效包含以下流程：在升溫、時間延長后，過飽和固溶體點陣內原子完成重組，構成溶質原子富集區，即G-PⅠ區。當G-PⅠ區消失后，第二相原子以一定規律偏聚構成G-PⅡ區，即亞穩定的第二相。很多G-PⅡ區和少量亞穩定進行融合，且亞穩定相轉變為穩定相、第二相質點聚集等階段。在時效處理過程中，具體分為自然時效、人工時效等，前者要始終維持室溫，為時效強化處理創造條件。后者主要由不完全人工時效、完全人工時效以及過時效等類型構成，對不完全人工時效來說，提高鑄件溫度至150～170℃，并保溫3～5 h，這樣抗拉強度將得到改善，也能獲得更好的塑性與韌性，缺點是會影響其耐蝕性。對完全人工時效來說，先加熱鑄件至175～185℃，保溫5～24 h，抗拉強度也將提升，而缺點是會影響伸長率。對過時效來說，即穩定化回火，提高鑄件溫度至200～220℃，保溫5～8 h，強度將有一定程度的降低，塑性得到改善，同時抗應力和抗腐蝕能力均獲得了提升。

3.5 循環處理

先冷卻鋁合金鑄件保持-50℃、-70℃或-195℃，控制好保溫時間，提高鑄件溫度到350℃，這樣合金內固溶體點陣將不斷收縮和膨脹，各相晶粒將形成一定位移，固溶體結晶點陣內的原子偏聚區和金屬間化合物的質點將始終保持穩定狀態。如此一來，對產品零件尺寸、體積來說將穩定，在反復加熱、冷卻的過程中，能夠在處理尺寸穩定、精密度較高的零件中廣泛應用，如檢測儀器內部各種零件等。

3.6 鑄件澆注

在高強度鋁合金鑄造中，一般選擇重力與低壓澆注等方法，其中低壓鑄造與重力鑄造效果更好。在低壓條件下，金屬液能夠平穩充入鑄型內，逐步形成下高上低的溫度梯度，在壓力環境中鑄件會結晶，其力學性能也將大幅度提升。低壓鑄造速度能夠結合實際情況加強控制，避免絮流帶來吸氣、二次氧化等現象，防止出現氣泡、夾渣等問題。此外，鑄件澆筑位置不一樣，其難易程度和質量也不相同，采取垂直澆注的方法，能夠利用縫隙立筒澆注系統的建立，確保鑄件熱量分布更加均勻[4]。這樣能夠為鑄件順序凝固、排氣等創造有利條件，也能在運用綜合激冷方法后，對鑄件各部位冷卻速度進行調整，提高了尺寸的精確度。

3.7 熱處理操作技術要點

1）充分考慮鑄件結構形狀、尺寸、合金特性等情況，靈活選擇熱處理技術。

2）是先全面、細致檢查熱處理設備、輔助設備和儀表等性能，保證能夠正常運行，爐膛中各區域溫度差需要加強控制，不超出±5℃的范圍。

3）裝爐的過程中先對鑄件進行吹砂、沖洗等操作，去除其中的油污、臟物以及泥土，合金牌號要正確。

4）部分鑄件由于形狀容易發生改變，要置于專用底盤或支架上，消除懸壁部分。

5）檢查鑄件性能的單鑄或附鑄試棒，要與工件進行同爐熱處理，提高鑄件的各項性能。

6）保溫過程中要隨時檢查、校正爐膛各處溫度，避免局部高溫或燒化。

7）斷電后短時間無法恢復的情況，保溫中的鑄件需要第一時間出爐淬火，通電后完成裝爐、保溫和熱處理。

8）鹽槽內淬過火鑄件，應在淬火后及時利用熱水沖洗，降低殘鹽，防止出現腐蝕。

9）對淬火后鑄件變形狀況，要盡快校正。

10）進行時效處理的鑄件，淬火后0.5 h內應時效處理。

4 結語

近年來高強度鑄造鋁合金在航空航天等行業中應用較為廣泛，是一種重要的材料，在科技進步與發展中將有更大的市場空間。為了進一步提高鋁合金強度，需要深入分析鋁合金成分，改進制備工藝，尤其是采用更先進的熱處理工藝。這樣鋁合金強度、任性和抗腐蝕性都能提升，真正滿足時代快速發展的需求。