低壓鑄造鋁合金缺陷分析與熱處理工藝研究

謝志強

（福建華威鉅全精工科技有限公司，福建 福州 350000）

在現代各類科技的指導下完成理論研究后，便開始大量投入工業生產之中。工業產品制造材料也發生明顯變化，有色金屬材料已成為工業生產的重點關注對象。而鋁合金具有較強的力學性能，密度僅為鋼的三分之一,導電性能優異,在抗腐蝕也有優良表現,所以在航天航空、礦山冶金等領域應用較為廣泛。為進一步提升應用效果，需要對其質量缺陷進行深度研究，并提出改進措施。

1 低壓鑄造鋁合金缺陷及其解決措施

（1）鑄造裂紋。如果鋁合金鑄件存在較為復雜形狀，各個位置厚薄不均勻，就會在其凝固時,各個部位產生不完全匹配的冷卻速度，進而形成內應力。一旦內應力大于材料最大抗拉強度,就會造成鑄件拉裂現象。常見鑄造裂紋有兩種，沿晶開裂的熱裂紋,觀察其裂縫存在黑色氧化物,形狀多為鋸齒狀；沿晶體內部產生開裂的冷裂紋,斷口因沒有產生氧化反應，所以會呈現發亮的銀色[1]。解決措施：在鑄造合金時，要明確化學成分,嚴格控制雜質在標準范圍內。同時，也要盡可能避免熔體被高溫影響，超過其所承載最大溫度時要控制溶體在爐內的停留時間，采用科學方法控制鑄造模具溫度與冷卻速度，保持液態金屬擁有均勻穩定的流動與冷卻速度，防止雜物不慎落入熔體。A356鋁合金合金成分中的鐵含量增加、針狀β-AlFeSi增加，對合金組織割裂作用增大，熱裂傾向增大，鋁合金輪轂、車架等強度件低壓鑄造含鐵宜控制在0.15%以內，最大不宜超過0.2%。

（2）花邊組織（白花）。邊界晶粒會擁有波浪或鋸齒形狀的花邊,其形狀與鑄造孿晶相似，多為羽毛狀，在顯微鏡下觀察其組織，可以發現組織多為薄片性質，保持平行狀態。發生這種情況多是在鑄造前成分調整不到位，或者熔體過熱，在爐內保持較長停留時間也會發生類似情況。而過濾管孔沒有擁有較粗直徑,在鑄造時擁有過高溫度、過矮的結晶器，或者變質細化劑失去效果都會出現花邊組織。解決措施:對于合金的化學成分嚴格控制，保證其雜質含量在標準范圍內，并采用科學方法合理對過濾系統展開設計，優化結晶裝置[2]。

（3）針孔。針孔是低壓鑄造中常見缺陷，形成原因主要是鋁液中含氫量超標（試塊密度小于2），在模具凝固中形成針狀密集分布氣孔，一般在加工面特別是厚大過熱時容易出現。造成鋁液含氫量超標的原因有很多種，如回爐料過多、鋁液精煉不到位、低壓用壓縮空氣含水量超標、澆注溫度過高等。解決措施：回爐料過多，控制回爐料在20%以內。鋁液精煉不到位，選用純度99.999%的氬氣或氮氣除氣，依據真空抽氣試塊測試結果來調整除氣參數（轉速，氣體流量，除氣時間），要求試塊密度不小于2.3g/Cm3。低壓用壓縮空氣含水水量超標，含水量一般用常壓露點來表示，要求-60℃～-70℃。澆注溫度過高等，一般要求不超過740℃。

（4）澆注不足。鑄件產品無法保證完整狀態，這是因為在澆注時溫度較低,造成鑄件會擁有較快地凝固速度,在鑄件還沒有澆滿時已經凝固成形，從而構成澆注不足的生產缺陷。這是因為澆注系統缺少寬大通道，并不能保證鋁液擁有大流量，構成瓶頸問題，或者模具排氣不良引起氣阻造成澆注不足（冷隔）。而在澆注流量無法匹配鋁液填充生產速度時，會出現澆注不足現象,讓產品作為廢品處理。解決措施：對澆注系統進行設計，使其優化鋁液流量，優化模具排氣系統。在生產時要做好模具預熱工作,有效避免在澆注時出現鋁液過快冷卻問題。涂料要保持分布合理，型腔內涂料全部保持均勻厚度。保證模具可擁有良好的排氣條件，避免出現因澆注不足產生資源浪費的廢品。模具設計時要求鑄件肉厚大于3mm，合理設計排氣塞。

（5）縮松。如果鋁合金液體偏高，或者澆注溫度過高,導致冷卻速度較為緩慢,產生巨大收縮量，造成晶粒粗大，形成疏松組織,從而生產出縮松鑄件，只能當成廢品處理。解決措施:對于現有工藝進行科學地改進，精細化控制模具加熱保溫與澆注所需的溫度。對于冒口尺寸進行科學設計，保持正常厚度涂料，避免厚薄懸殊,鑄件收縮的補給量也要重點關注。鑄件維持對稱設計。

（6）氧化夾渣和氣孔。如果因加壓參數操作不當,造成鋁液注入型腔發生噴濺現象，會導致氣泡無法釋放，反而被包裹于鑄件內，進而造成金屬氧化,產生氧化夾渣。如果鋁液含有大量氫氣，就會產生許多不規則孔洞，這些孔洞在厚大的砂型鑄件上較為常見,會對鋁合金的物理與化學性能有較大影響。對于反應性氣孔，時由于覆膜砂芯經鋁液高溫樹脂燃燒產生氣體，或是由涂料未烘干經高溫產生氣體鉆入鑄件而形成氣孔。解決措施:提高操作質量，保持鋁液平穩澆注,避免產生過大沖擊力,而澆口選擇合理內澆道設計，采用底注式澆注較為合理。

2 固溶淬火原理

目前低壓鑄造的鋁合金分成共晶型與固溶體型兩類。

（1）共晶型。現在工業生產的共晶型典型代表當屬ZL104的Al-Si-Mg-Mn合金，除擁有Al、Si、Mg、Mn主要化學元素外，還有少量Fe、Cu、Zn元素，同時控制雜質在0.6%范圍內。鑄態組織是由α固溶體、α和Si二元共晶體，摻雜AlSiMnFe和Mg2Si構成的化合物。淬火溫度促使Mg2Si溶進固體中，而作為不溶相的Si則與Al-Si-Mn-Fe產生聚集反應，淬火組織是α固溶體、α和Si與Al-Si-Mn-Fe，而低熔點的共晶體則是α、Si、Al-Si-Mn-Fe,擁有近560℃的過燒溫度。

（2）固溶體型。固溶體型并不具備鑄件不溶共晶的相關元素,而鑄件結晶或因結晶冷卻產生偏析與第二相組元，會在淬火階段被高溫影響，在強化相全部溶解后一并消失。通常情況下，淬火條件多是由α固溶體構成，擁有較為寬泛溫度范圍。較為典型當屬ZL201的Al-Cu-Mn-Ti，除Al、Cu、Mn、Ti等主要元素，還有少量Zn、Mg,要求雜質在0.3%范圍內。鑄態組織是由α固溶體、Al2Cu、Al12Mn2Cu、Al3Ti構成的化合物。而淬火加熱階段，Al2Cu會溶于α固溶體與Al固溶體，并在高溫影響下分解成的細小質點的T相(Al12Mn2Cu)。若想讓鋁合金獲得最優組織性能，可使用雙級淬火完成加熱工作：以530℃，上下浮動3℃，要求比生產規定溫度略低，完成一級加熱，從而讓Al2Cu強化相可順利與α固溶體相溶,以晶界將T相質點全部析出。而二級加熱則要與規定生產工藝溫度相符合，即540℃，可保持上下浮動3℃誤差，讓殘留Al2Cu相可全部與α固溶體相溶。該種類合金要對應Si的雜質元素嚴格控制，避免讓其含量超標。如果Si元素超標，在生產中會產生熔點達525℃的α、Si、Al2Cu三元共晶體,從而降低對鋁合金產品的淬火溫度，并對物化性能造成負面影響。

3 淬火溫度

鑄造鋁合金如果在不造成組織過熱的前提條件下，逐步提升淬火時的加熱溫度,可協助強化相加快與Al基固溶體相溶，從而縮減形成飽和狀態時間，進而提升鋁合金強化效果。一般情況下，共晶型淬火溫度要控制在過燒溫度10℃至15℃以下，而固溶體型淬火溫度控制在過燒溫度的5℃至10℃以下。

4 保溫時間

在淬火后的保溫時間和鑄造鋁合金的原始成分、溶解速度與組織狀態有關。一般共晶型的強化組元并不多,會造成Mg2Si擁有較高溶解速度。所以在正常淬火溫度條件下,保溫1至4小時就可滿足技術條件所需的組織性能。同時，在保溫時期，鋁合金性能與保溫時間成正比關系。如果保溫時間過長，例如保溫9小時以上，鋁合金性能反而會在Si元素聚集效果加強影響下，產生降低。

5 冷卻速度和轉移時間

對于淬火階段冷卻速度,要保證現在溶解于固溶體內的強化相，在淬火階段不會產生析出現象，同時嚴格控制淬火的轉移時間。冷卻速度受到淬火介質的性質影響，保持熱容量、黏滯等。而淬火的冷卻介質應選擇存在溫度差異的清潔水，不僅獲取便利，成本較低，而且也容易控制實驗效果。通過不同溫度的清潔水可得到有層次冷卻速度,對于各類鋁合金產品均有較強適用性。鋁合金冷卻速度在水溫提升的同時會產生下降現象，而水溫降低又會提升冷卻速度。

6 鑄造鋁合金的時效

作為鋁合金在時效階段組織轉變的特點，遷移擴散會導致過飽和的固溶體產生脫溶分解現象。當溶質原子在溶解狀態下，會因過飽和而成核析出，集結聚集也會隨微雜質析出，產生未溶解過剩相聚集現象。一般情況下，時效原理為：在合金固溶完成淬火工序后，在時效期的沉淀相會產生析出現象，并以GP區、θ''（GPⅡ區）、θ'、θ（CuAl2）順序產生轉變。而Al-Cu合金其時效沉淀則為：GP區、β'、β（Mg3Al3），Al-Si-Mg合金其時效沉淀則為：GP區、β'、β（Mg2Si）。以鋁合金使用性能可劃分成強化時效、完全時效與淬火處理、軟化時效、不完全時效與淬火處理。鋁合金產品需要較高強度,但是在塑性指標不高時，可用強化時效處理鋁合金。

從各類實驗數據中分析，鑄造鋁合金無論是共晶型還是固溶體型,如果保持正常淬火，維持175℃至185℃時效溫度，并保持5至10小時的保溫，可獲得良好強化效果。如果時效溫度或時間不滿足生產需求,就無法達到生產技術要求，鋁合金組織和性能也會相應下降。

7 結論

在應用熱處理工藝處理鋁合金質量缺陷時，要嚴格控制溫度與處理時，保證鋁合金可獲得高強度與硬度,提升產品質量。同時，也要在生產中不斷更新工藝，檢查當前生產設備是否存在故障，研究問題產生的原因，采用科學方法解決問題。企業也要定期對一線生產工人做專業培訓，培養安全生產意識，全面提升生產水平，保證鋁合金產品可獲得市場認可，進而提升企業在行業的知名度，做好拓展市場的前期準備工作。