鑄造工藝對ZL101鋁合金鑄件質量影響的研究

黎靜妮 馮麗江 韋鳳萍 潘榮祿 鐘佳梅

【摘? 要】利用傳統的重力鑄造方法制備ZL101鋁合金，采用硬度測試、拉伸性能測試等實驗方法研究鑄造工藝對ZL101鋁合金鑄件質量影響。研究結果表明：熔煉溫度為720℃，合理的保溫時間能有效細化合金組織，當保溫時間為20min時，粗大α-Al初生樹枝晶向細小胞狀晶與球狀晶轉變，共晶硅的形態也得到較好的改善，合金表現出較好的力學性能，其中抗拉強度為260 MPa，斷后伸長率為6%，布氏硬度值為70 HBS。

【關鍵詞】ZL101鋁合金;鑄造工藝;力學性能

引言

鑄造是一種古老的制造方法，在我國可以追溯到6000年前。隨著工業技術的發展，大型鑄件的質量直接影響著產品的質量，因此，鑄造在機械制造業中占有重要的地位。鑄造技術的發展也很迅速，特別是19世紀末和20世紀上半葉，出現了很多的新的鑄造方法，如低壓鑄造、陶瓷鑄造、連續鑄造等，在20世紀下半葉得到完善和實用化。

鑄造是將通過熔煉的金屬液體澆注入鑄型內，經冷卻凝固獲得所需形狀和性能的零件的制作過程。鑄造是常用的制造方法，制造成本低，工藝靈活性大，可以獲得復雜形狀和大型的鑄件，在機械制造中占有很大的比重，如機床占60～80%，汽車占25%，拖拉機占50～60%。由于現今對鑄造質量、鑄造精度、鑄造成本和鑄造自動化等要求的提高，鑄造技術向著精密化、大型化、高質量、自動化和清潔化的方向發展，例如我國這幾年在精密鑄造技術、連續鑄造技術、特種鑄造技術、鑄造自動化和鑄造成型模擬技術等方面發展迅速。

ZL101鋁合金是一種通過鑄造方式制備得到的研究和應用最為廣泛的鋁硅鎂合金，該合金中Si元素的占比約為6.5～7.5%，其中還含有少量的Mg（0.25～0.45%），為亞共晶合金。該合金具有強度高、韌性以及良好的耐蝕性等多項優異力學性能和物理性能，并且還可以通過適當的熱處理使其加工性能、材料塑性以及合金表面性能都獲得顯著提升，能夠有效滿足汽車部件的輕量化要求。適用于各種鑄造方法。根據之前的學者研究可以知道，合金經過熱處理以后，Mg2Si等強化相析出后均勻的分布在基體的周圍;在Al-Si鍛造金屬中，鍛造的材料其組織大都為長針狀的共晶硅，且α-Al枝粗大，分布較差且微觀組織粗大導致了合金的力學性能較差。

1.實驗儀器和材料

本實驗主要用到的原材料有純鋁錠、鋁硅合金、鎂錠、鋁鉺等中間合金。ZL101鋁合金試樣中主要組為Al、Si、Mg，主要成分如表1所示。

實驗所需的主要設備有：坩堝熔煉爐（型號：A25;溫度范圍：30～1300℃）、加熱電阻爐（型號：SX2-8-10;最高上升溫度為1000℃）等。

2.實驗方法

ZL101合金熔煉的流程是：將預先稱好量的純鋁放入熔煉爐內，隨爐緩慢加熱到750℃。鋁熔化完全后，把稱好的鋁硅中間合金放到熔煉爐中，待其完全熔后，再把事先用鋁箔包好的Mg加入爐中，待合金完全融化，保溫20 min，加入惰性氣體除氣，扒渣，靜置30分鐘。澆注預熱至200-300°C的模具（如圖1所示）中，待其凝固后即可開模，取出試樣。試樣規格如圖1所示。

3.實驗分析

圖3、圖4、圖5、圖6為ZL101在不同的鑄造工藝下的拉伸曲線圖。從圖中可以清楚地看出，合理的側保溫時間能提高ZL101的力學性能。熔煉時間為720℃時，隨著保溫時間的增加，合金的抗拉強度逐漸增大。當熔煉溫度為720℃+保溫時間20min時，ZL101鋁合金的抗拉強度最優。表2為ZL101鋁合金熔體在不同保溫時間后的硬度值，從表中可以看出，當保溫時間為25Min時，合金布氏硬度值為72HB。

在鑄造過程中，隨著冷卻強度的增加，鋁合金鑄件結晶速度提高，熔體中溶質元素來不及擴散，過冷度增加，晶核增多，因而得到細小晶粒。此外，提高冷卻速度，還可以細化一次晶化合物尺寸，減小區域偏析的程度;鑄造速度的快慢直接影響鑄錠的結晶速度及過渡帶寬窄，是決定鑄錠質量的重要參數。隨著鑄造速度的提高，鑄錠形成冷裂紋的傾向降低，熱裂紋的傾向升高;提高鑄造溫度，使鑄錠晶粒粗化傾向增加。在一定范圍內提高鑄造溫度，鑄錠液穴變深，結晶前沿溫度梯度變陡，結晶時冷卻速度大，晶內結構細化，降低鑄造溫度，熔體粘度增加，補縮條件變壞，疏松、氧化膜缺陷增多。在較低的澆注溫度下時， 鋁合金的初生 α-Al 組織以少量等軸狀和薔薇狀的 形態出現， 在較高的澆注溫度下， 組織中的初生 α-Al 則傾向于以樹枝晶形態出現， 而且隨著澆注溫度的增高， 枝晶間距也不斷增大 。這是因為在較高溫度下進行澆注， 鑄件將較多熱量傳給金屬型腔， 使型腔被加熱到較高溫度， 減慢了合金凝 固時的冷卻速度， 鑄件凝固時間變長， 初生 α-Al 長大時間增加， 故容易出現明顯的粗大樹枝晶。 而隨著澆注溫度降低， 金屬傳給型腔的熱量不斷減少， 使合金在凝固過程中具有較高冷卻速度， 鑄件組織逐漸由較為粗大的樹枝晶轉變成相對細小的 薔薇狀枝晶， 且枝晶間距變小，進而導致初生 α-Al 長大時間短，不易形成發達樹枝晶， 而呈現出較多的細小初生α-Al等軸晶。通過以上冷卻速度、鑄造速度、鑄造溫度、澆注溫度等鑄造工藝的調整控制，才能保證鋁合金具有良好的組織和性能，滿足人們的需求。

4.討論

由于鋁的熔點低，流動性好，具有很好的鑄造性能，因此容易制造出形狀復雜的零件。擠壓鑄造是對澆注鑄型型腔內的液態金屬施加較高的機械壓力，并使其成形和凝固，從而獲得鑄件的一種工藝方法。擠壓鑄造工藝技術具有產品質量優良，節約能源，改善環境及廉價等優點，愈來愈受世人關注，各國加速了該工藝的開發進程。隨著我國汽車、軍工、航天等行業的飛速發展，對擠壓鑄造件的需求量加大，且對鑄件的要求性能越來越高。因此，研究擠壓鑄造工藝參數對鑄件微觀組織和力學性能的影響具有重要的意義。學者通過使用田口方法，近液相線試驗分析法來優化擠壓鑄造技術參數，以期獲得具有優良特性的ZL101鋁合金制件。學者采用田口方法研究擠壓鑄造制件的最佳工藝參數;同時，采用田口方法的方差，研究最佳擠壓鑄造工藝參數;最后采用近液相線試驗法研究工藝參數對ZL101鋁合金制件微觀組織，力學性能，密度，孔隙率，收縮率的影響。實驗結果發現：采用田口方法對ZL101鋁合金擠壓鑄造進行優化，獲得最佳的工藝參數為壓力為150MPa，模具預熱溫度為100℃，澆注溫度為720℃。采用帕累托ANOVA方差計算出擠壓鑄造工藝參數對拉伸強度，伸長率和硬度的貢獻率。擠壓鑄造壓力對拉伸強度，硬度和伸長率的貢獻率分別是59.8%，65.4%和68.8%;擠壓鑄造澆注溫度對拉伸強度，硬度和伸長率的貢獻率分是36.4%，20.9%，19.1%;

擠壓鑄造模具預熱溫度對拉伸強度，硬度和伸長率的貢獻率分別是3.8%和13.7%，12.1%。擠壓鑄造工藝參數對ZL101鋁合金貢獻率為壓力>澆注溫度>模具預熱溫度。在近液相線制備的擠壓鑄造制件具有近球形組織，組織致密，孔隙相對較少。隨著澆注溫度的降低，鑄件密度逐漸增加，孔隙逐漸減少。當澆注溫度為6300C，晶粒的平均尺寸值是36.36μm，平均球狀系數的值是0.75。隨著壓力的升高，密度逐漸增加，孔隙逐漸減少，收縮率逐漸減小。當壓力為150MPa時，制件的微觀組織和力學性能相對較好。

參考文獻

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基金資助：2019年百色學院自治區級大學生創新創業訓練計劃項目：《鑄造工藝對ZL101鋁合金鑄件質量影響的研究》（項目編號201910609078）。

作者簡介：黎靜妮（1996-），女，漢族，百色學院金屬材料工程專業2016級學生。

百色學院? ? 廣西百色? ? 533000