鋁合金擠壓鑄造技術研究分析

呂屈寒,李晨菲，孫健波

（佳木斯大學材料科學與工程學院，佳木斯 154007）

1 前言

擠壓鑄造是一種新型的鑄造方法，該方法可以減少鑄件的變形和缺陷，提高鑄件的綜合性能。擠壓鑄造的優點有：能夠生產形狀復雜的大型鑄件；可以制造尺寸精度要求高的零件；可以生產復雜形狀和特殊結構零件；可以獲得高致密度零件。擠壓鑄造在航空、航天、汽車、造船、建筑等工業領域應用廣泛。

2 合金熔體的準備

合金熔體的準備需要一個穩定的環境。因此，應該選擇一個具有良好通風條件和環境清潔的地方。對于一些特殊材料，例如熔劑、陶瓷、陶瓷粉末等，可以選擇真空冶金設備和真空泵等設備進行處理。此外，在進行擠壓鑄造時，需要根據實際情況選擇合適的擠壓鑄造模具和擠壓設備。如果模具尺寸不合適或模具質量不合格，則需要更換模具或重新選擇壓鑄工藝[1]。

2.1 澆注系統

澆注系統的設計與鋁合金材料和模具類型密切相關。如果鑄件材料和模具結構不合適，就會導致鑄件內部缺陷，進而影響其使用壽命。因此，澆注系統設計的主要目的是提高擠壓鑄件的質量。澆注系統分為水平、垂直和傾斜三種。水平澆注系統是指在同一平面上有多個澆口，使鑄件均勻地充滿整個圓面。

一般來說，傾斜澆注系統是為了方便打開澆口套，不利于排氣，所以對于一些薄壁鋁合金鑄件來說，通常不采用這種方法。另外，在擠壓鑄造過程中，如果發現鋁液流動速度不均勻或出現噴濺現象，應該及時調整澆口套的位置或更換澆口套。此外，在調整澆口套時，還應考慮到鑄件的尺寸和壁厚。當鑄件的厚度小于6 mm 時，應該使用低內徑、小外徑的澆口套；當鑄件的厚度大于6 mm時，應該使用大內徑、大外徑的澆口套；當鑄件的壁厚大于6 mm 時，應該使用高內徑口套。

2.2 模具設計

在鋁合金擠壓鑄造中，模具的設計也非常重要。在設計模具時，要考慮模具的結構、形狀和材料等因素。一般來說，模具尺寸越大，則工件越容易出現缺陷；而模具形狀越復雜，則工件的表面粗糙度也越高。因此，在設計擠壓鑄造模具時要注意這幾點：

（1）合理選擇擠壓鑄造模具的型腔尺寸。在設計擠壓鑄造模具時，可以先根據相關標準進行計算，然后再根據實際情況進行設計。例如在設計鑄造模時，可以根據鋁合金的熔點來確定型腔的高度和寬度。如果模腔高度太小，則容易出現漏鋁現象；如果模腔高度太大，則容易出現分模困難現象。

（2）注意擠壓鑄造模具的材料和厚度。例如在設計鑄鋁模時需要選擇高硬度、高強度、耐磨性好的材料；而在設計壓鑄件時則需要選擇低硬度、低強度、耐磨性好的材料。

2.2.1 合金材料

擠壓鑄造需要使用的材料有很多，其中主要包括鋁合金、鋁鎂合金和鐵合金等。根據鑄造條件的不同，所使用的材料也有所不同。例如，在鋁硅合金中，通常使用1wt%的硅和5 wt%的鋁，這兩種合金都可以應用于擠壓鑄造。但是，由于硅含量較高，在高溫下容易發生氧化，因此需要添加一些抗氧化元素。在鋁鎂合金中，主要使用1 wt%的鎂，這些材料可以增強鋁合金的抗拉強度和延伸率。另外，還應使用一些抗高溫氧化性較好的材料。例如，在鐵合金中使用1 wt%的鐵、5 wt%的銅和3 wt%的錳可以提高其抗高溫氧化性。在擠壓鑄造過程中，還應該注意材料的純度問題。例如，在鋁鎂合金中加入銅和錳可以提高其抗氧化性和力學性能。但是，加入銅和錳后，如果沒有進行適當的熱處理，則會導致合金的使用壽命降低。

2.2.2 擠壓過程

（1）擠壓前準備工作；應對擠壓設備進行檢查，確保設備能夠正常工作。在確定擠壓溫度后，應首先檢查模具的尺寸是否與標準要求相符。如有不符合要求的地方，應及時調整，以確保模具能正常工作[2]。

（2） 擠壓工藝參數；鋁合金的凝固溫度范圍為1600℃-1900℃；鋁合金的凝固速度范圍為0-20mm/s；鋁合金的凝固時間范圍為5-30s；鋁合金的凝固溫度范圍為300℃-350℃。對于不同合金的凝固特點，應采取相應的工藝參數。

（3）擠壓速度及壓力控制是決定合金質量的關鍵因素。擠壓速度應根據合金材料和產品質量要求來確定，通常不超過40m/s。在正常情況下，應根據生產工藝要求控制擠壓速度。對于大批量生產的產品，應采用自動控制系統來控制擠壓速度。

（4）溫度控制，為了保證金屬在模具中冷卻得均勻，應盡可能采用常溫或較低溫度進行模具加工。如果采用高溫模具進行加工，則應通過保溫措施使其溫度降至200℃以下。

2.2.3 鋁型材

鋁型材是指以鋁合金為主要材料制成的各種規格、形狀和尺寸的型材。鋁型材具有重量輕、強度高、導熱性好等特點，廣泛應用于工業、建筑和交通運輸等領域。

在鋁型材的生產過程中，需要對鋁型材進行擠壓鑄造，這種方式是將鋁型材直接加熱到300℃-400℃，然后擠壓到模具中。擠壓鑄造不僅可以提高生產效率，還可以節約大量的能源。然而，由于鋁型材具有較大的尺寸，并且具有較大的表面積和表面張力，因此鋁型材的表面質量往往不是很好。此外，由于擠壓鑄造需要很大的壓力，所以對設備和模具材料要求較高。因此，這種方法雖然可以提高生產效率，但是生產成本也很高。對于一些大型的鋁型材生產企業來說，這種方法并不合適。

2.3 鋁合金鑄件

（1）鑄件的形狀應根據使用要求和生產設備條件進行設計，并考慮到零件的形狀和尺寸，合理設計。例如，當零件的尺寸較大時，可以設計成曲面造型。在曲面造型過程中，必須考慮到曲面造型的準確性，因此曲面造型成為了一種趨勢。對于一些特殊的零件，如帶有螺紋和帶孔的零件，可以設計成平面造型。

（2）鑄件壁厚是指鑄件內部結構對外部結構的遮擋量。通常，鑄件壁厚與所使用的模具材料、擠壓工藝等密切相關。對于壁厚較大的產品，應考慮到擠壓過程中的變形和溫度梯度，確保壁厚設計合理。

（3）鑄件尺寸應根據零件的結構、形狀和尺寸確定。

3 壓鑄模的準備

擠壓鑄造模具是擠壓鑄造技術的基礎，是整個生產過程的關鍵。壓鑄件的質量直接取決于壓鑄模的質量，所以，壓鑄模的生產和制造就顯得尤為重要。

3.1 材料的選擇

壓鑄模的主要材料有鑄造鋼、低合金鋼和鋁合金三大類。在擠壓鑄造工藝中，應根據具體情況選擇合適的材料，并根據材料的性能合理地選擇擠壓鑄造模具。當壓鑄件尺寸較小且形狀復雜時，可以選擇鑄鋼；當壓鑄件尺寸較大，形狀簡單時，可以選擇鑄鋼和鋁合金；對于壓鑄模的表面粗糙度要求較高時，可以選擇模具鋼。對于硬度要求不高的壓鑄模，可選擇鑄鐵模具或高碳鋼模具[3]。

3.2 加工工藝

壓鑄模的加工工藝對其質量影響很大。在加工過程中，應盡量采用較好的刀具和切削參數，并根據壓鑄產品的形狀來選擇合適的切削方法。此外，為了避免因為切削力過大而導致壓鑄產品表面粗糙度降低，應合理控制切削速度。由于擠壓鑄造是一種高速運動的過程，所以在加工過程中應盡量避免刀具產生過大的熱變形。另外，為保證擠壓鑄造模具的使用壽命，還應選擇合理的熱處理工藝，并在模具上加工出與材料相對應的熱影響區。同時，為了避免加工時出現過熱現象，還應保證模具表面與金屬液接觸時不發生化學反應和粘結現象。在進行熱處理時，應根據實際情況選擇不同的溫度、時間和氣氛。

4 鑄件澆注階段

4.1 澆注溫度

澆注溫度是決定合金熔體能否順利凝固的關鍵因素，與擠壓鑄造相比，擠壓鑄造中澆注溫度通常為480-550℃，在此溫度范圍內，合金熔體具有良好的流動性，能夠順利流動并進行凝固。同時，該溫度范圍還能夠減小壓鑄模中的氣體壓力，提高金屬液的充型能力。

4.2 澆注系統

在鋁合金擠壓鑄造中，澆注系統主要包括壓射室、分型面、冒口等。在實際生產中，為了保證鑄件的質量，通常需要根據產品的結構和技術要求選擇合適的壓射系統和澆注系統。在擠壓鑄造中，澆注系統由澆道和冷鐵兩部分組成。冷鐵通常設置在壓射室底部或底部上方，并與熱鐵進行連通。

4.3 壓射速度

在鋁合金擠壓鑄造中，壓射速度是決定金屬液能否順利流動并進行凝固的重要因素。為了保證鋁合金熔體具有良好的流動性和充型能力，必須根據產品結構和技術要求選擇合適的壓射速度。通常情況下，鋁合金壓射速大約為15m/s-30m/s 左右；對于薄壁鋁合金鑄件一般采用20-25m/s 左右；對于厚壁鋁合金鑄件一般采用30-50m/s 左右；對于一些特殊零件或大型鑄件可以適當降低壓射速，采用100-200m/s 左右的壓射速度。

4.4 壓射壓力

壓射壓力是影響鋁合金擠壓鑄造質量和速度的重要因素之一。在實際生產中，壓射壓力是指在一定的壓射比條件下澆注系統中金屬液流動時所能承受的最大壓力（單位為MPa）。通常情況下，壓射壓力在6-10 MPa之間比較合適；但是在實際生產中通常采用壓射比為2-4 之間較為合適；根據產品結構和技術要求，壓射壓力可以適當降低一些。

4.5 冷卻方式和冷卻速度

在擠壓鑄造中，冷卻方式和冷卻速度對鑄件質量有重要影響。在實際生產中一般采用分段式冷卻方式；對于厚壁鋁合金鑄件可以采用整體式冷卻方式；對于壁厚較薄的鋁合金鑄件可以采用浸漬式冷卻法；對于壁厚較大的鋁合金鑄件可以采用整體式冷卻法。

4.6 澆注溫度和模具溫度

在鋁合金擠壓鑄造中，澆注溫度和模具溫度是影響合金液流動速度、充型能力和產品質量的重要因素之一。在實際生產中，由于產品結構和技術要求不同，往往需要選擇不同的澆注溫度和模具溫度；例如薄壁鋁合金鑄件一般采用250-400℃的澆注溫度；對于壁厚較大的鑄件或者大型零件需要采用500-600℃的澆注溫度；對于壁厚較大、復雜形狀、特殊結構鑄件需要采用800-900℃的澆注溫度。

4.7 脫模劑和補縮劑等其他輔助材料

在擠壓鑄造中使用的脫模劑有：樹脂類脫模劑、聚乙烯醇類脫模劑、硅溶膠類脫模劑、無機類脫模劑等；在實際生產中常用的補縮劑有：金屬硅溶膠、金屬硅酸鈉和鋁酸鈉等。

5 優化方向

（1）在鋁合金擠壓鑄造過程中，模具結構的設計對擠壓鑄造過程中鑄件缺陷和性能影響較大。因此，必須優化模具結構設計，提高模具使用壽命，提高擠壓鑄造的生產效率。

（2）采用擠壓鑄造生產鋁合金大型鑄件時，可以根據實際情況，通過調整模具結構和澆注系統設計來減少缺陷的產生。

（3）在鋁合金擠壓鑄造過程中，有許多影響因素需要考慮：合金熔體的流動性、壓鑄機的壓力、壓鑄速度、澆注溫度、模具溫度、擠壓速度等。為了優化鋁合金擠壓鑄造技術，必須根據實際情況調整相關參數，并采取適當的措施。

（4）在鋁合金擠壓鑄造過程中，模具表面的質量會影響鑄件表面的質量。因此，必須采取相應的措施來提高模具表面的質量。

（5）為了提高鋁合金擠壓鑄造技術水平，必須對鋁合金擠壓鑄造技術進行研究和開發。

（6）為了進一步提高鋁合金擠壓鑄造技術水平，還必須加強對人才的培養和培訓工作。只有這樣才能更好地滿足市場對鋁合金擠壓鑄造產品日益增長的需求。

6 結論

鋁合金擠壓鑄造是一種先進的鑄造方法，具有生產效率高、質量好、成本低等優點。我國在鋁合金擠壓鑄造方面的研究還比較落后，與發達國家相比，還有較大差距。近年來，隨著我國經濟的快速發展，對鋁合金的需求量也不斷增加，所以需要加強對鋁合金擠壓鑄造技術的研究與開發。為此，研制出一套高性能的全自動擠出鑄造裝備，并擁有自己的知識產權，對推動國內擠壓鑄造工業的發展有著重要的意義。