淺談鑄造鋁合金常用生產(chǎn)工藝

尹華成

摘 要：現(xiàn)代鑄造鋁合金按主要加入的元素可分為4個(gè)系列，即：鋁硅系、鋁銅系、鋁鎂系及鋁鋅系。對(duì)這4個(gè)系列，各國(guó)都有相應(yīng)的合金和合金牌號(hào)的標(biāo)記。中國(guó)采用ZL+3位數(shù)字標(biāo)記法，第一位數(shù)字表示合金系，其中：1表示鋁硅合金系，2表示鋁銅合金系，3表示鋁鎂合金系，4表示鋁鋅合金系，第二、三位數(shù)字表示合金序號(hào)。中國(guó)的幾種典型鑄造鋁合金如表所示，根據(jù)合金的使用特性可分為：耐熱鑄造鋁合金、氣密鑄造鋁合金、耐蝕鑄造鋁合金和可焊鑄造鋁合金。因此，提高鑄件生產(chǎn)質(zhì)量，既要注重實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，又要發(fā)展鑄造工藝?yán)碚摗６嗄陙?lái)，鋁合金鑄造工作者為提高鑄件質(zhì)量，總結(jié)了大量的新技術(shù)和新工藝，豐富并發(fā)展了鑄造技術(shù)理論。本文就對(duì)鋁合金鑄造的實(shí)用工藝，進(jìn)行闡述。

1 鑄造鋁合金的工藝特點(diǎn)

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(guò)15%的過(guò)共晶鋁合金。Al-Si系具有良好的鑄造性能，氣密性好，流動(dòng)性好，熱裂傾向小。在Al-Si系合金中主要的強(qiáng)化相有Al2Cu、Mg2Si和Al2CuMg，經(jīng)過(guò)變質(zhì)處理和熱處理后，合金的力學(xué)性能會(huì)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(yīng)用最廣的。ZL102 合金為共晶型合金，具有好的鑄造性能，流動(dòng)性好，沒(méi)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(xué)性能和切削加工性能差，所以合金需要變質(zhì)處理，改變硅的形態(tài)，使共晶硅變細(xì)。ZL114A 具有較好的鑄造性能，具有較高的強(qiáng)度且具有較好的塑性，可焊性較好，在航天航空和軍工領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)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(nèi)，Al2Cu 是最主要的強(qiáng)化相，在室溫和高溫下有較好的強(qiáng)度和熱穩(wěn)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(chǎn)帶來(lái)較大的工藝難度。特別是當(dāng)含量處于4%―5%時(shí)熱裂傾向最大，超過(guò)這個(gè)含量是的熱裂傾向降低。通過(guò)添加中間合金細(xì)化晶粒，可以降低合金的熱裂傾向。通過(guò)利用原位反應(yīng)合成技術(shù)制備Al-Ti-B中間合金晶粒細(xì)化劑細(xì)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(zhì)分布，大大減少鑄造缺陷，大幅度提高材料性能。通過(guò)控制合金的凝固條件，當(dāng)平均凝固速度提高時(shí)，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(qū)間較寬，熱裂傾向較大，鑄造性能較差。ZL201 合金的機(jī)械性能較高，熱處理后強(qiáng)度可以達(dá)到 300～400MPa。可用作承受大的動(dòng)載荷和靜載荷的零件，也可用300℃以下溫度工作的零件，用途很廣。

2 鋁合金鑄造的實(shí)用工藝

2.1變質(zhì)處理

近十年來(lái)，由于鍶變質(zhì)劑被越來(lái)越多的采用，從而為鋁合金鑄造開(kāi)拓了新的途徑。

通過(guò)使鑄件快速凝固或加入變質(zhì)劑（通常用鈉或鍶）都可達(dá)到變質(zhì)處理的目的。鈉或鍶變質(zhì)劑都能明顯地提高延伸率，同時(shí)對(duì)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度幾乎無(wú)影響或影響很小，并能較改善切削加工性。

在鋁合金鑄件中，尤其是亞共晶合金（iS含量小于12%，例如356合金 ）變質(zhì)程度是極其重要的。

通過(guò)變質(zhì)可使延伸率有明顯的提高，阻止了初晶硅晶粒的長(zhǎng)大，使其保持細(xì)小球狀晶粒，因此能獲得較高的延伸率。

為了得到最好的效果，在每次處理時(shí)都應(yīng)對(duì)變質(zhì)劑和變質(zhì)程度進(jìn)行認(rèn)真的分析。因?yàn)橛行┨幚矸▽?duì)某種鑄件是合適的，而對(duì)另一種鑄件則未必合適。

2.2熱處理

變質(zhì)是用以提高合金的延伸率，而熱處理用以提高合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。許多鑄造鋁合金都需要進(jìn)行熱處理，在這些鋁合金中最普通355，356和357合金。

固熔熱處理的目的是使溶質(zhì)元素充分溶解。為了達(dá)到此目的，鑄件的溫度升到接近于或低于合金的熔化溫度。由于合金的化學(xué)成分不 同，因而其固溶溫度也各不相同。下表為推薦用于355，356 和357合金的固溶熱處理的溫度。

鑄件應(yīng)按表所示的溫度保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間以溶解可溶的組元。溶解所需的時(shí)間取決于組元的粗細(xì)和晶粒的大小，而組元的粗細(xì)和晶粒的大小又與凝固期間的激冷速度有關(guān)，就355 和356合金的金屬型鑄件而言，有的工藝規(guī)定在此溫度保溫12小時(shí)或更長(zhǎng)的時(shí)間，然后將鑄件淬入熱水中以保持固溶組織。

為保證獲得良好的機(jī)械性能，應(yīng)盡量縮短鑄件從熱處理爐中取出到淬火之間的時(shí)間間隔（小于15秒）。

淬火后，鑄件進(jìn)行沉淀熱處理，這種熱處理方法可獲得通常需很長(zhǎng)時(shí)間才能得到的鑄件性能，為此沉淀熱處理常常稱(chēng)之為人工時(shí)效。

在人工時(shí)效期間，硅、鎂和銅以金屬間化合物從固溶體中析出，部分的硅與鎂化合成Mg2 Si，而剩余的硅以初晶硅存在。

2.3精煉及氣休含量的測(cè)定

防止針孔的最好方法是精煉鋁合金液，精煉是鋁合金除氣最廣泛采用的方法，精煉采用產(chǎn)生氣泡的添加劑或用氣體通過(guò)熔融的鋁合金液以去除氫和氧化物。

除了氣體精煉劑以外，還使用固體精煉劑。壓制成塊的六氯乙烷是固體精煉劑中最常用的一種，它容易加入鋁液并能生產(chǎn)出質(zhì)量良好的鑄件。而其缺點(diǎn)是產(chǎn)生有害氣體。

除了能同時(shí)去除氣體和氧化物的精煉以外，采用過(guò)濾法除去其他的夾雜物也是很有效的。為了去除細(xì)小的雜質(zhì)顆粒可采用泡沫陶瓷過(guò)濾片。

為了判斷精煉效果，進(jìn)行含氣檢驗(yàn)是必要的。為此最常用的是減壓凝固裝置。這種裝置對(duì)于氣體和氧化物的定性測(cè)量是可靠的，至于定量測(cè)定則可使用爐前測(cè)氫氣相色譜儀。

3 結(jié)論

和其他金屬相比較鋁的比強(qiáng)度高，表面可以形成嚴(yán)密的氧化膜這樣具有一定的抗腐性，如今鋁合金發(fā)展迅速，逐漸代替鋼鐵材料適用于現(xiàn)在的各個(gè)領(lǐng)域。而且鑄造鋁合金在汽車(chē)、輪船、特別是一些航天航空領(lǐng)域更加適用明顯，具有無(wú)比廣闊的前景。總之我們需要進(jìn)一步提高合金的性能，確保生產(chǎn)出合格的鑄件。

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