張士雷

摘 要：如今對(duì)鑄造鋁合金的研究包括很多方面，比如合金元素在合金中的作用、合金成分的優(yōu)化和新的合金的研究、合金的熔煉、合金液的精煉處理、合金的晶粒細(xì)化、鋁硅合金的變質(zhì)處理、傳統(tǒng)鑄造方法的優(yōu)化和開發(fā)新的鑄造方法以滿足鋁合金鑄件的大型化、薄壁化、復(fù)雜化要求。

關(guān)鍵詞：鋁合金；特點(diǎn)；成形方法

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 15%的過共晶鋁合金。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，超過這個(gè)含量是的熱裂傾向降低。通過添加中間合金細(xì)化晶粒，可以降低合金的熱裂傾向。通過利用原位反應(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?？捎米鞒惺艽蟮膭?dòng)載荷和靜載荷的零件，也可用于 300℃以下溫度工作的零件，用途很廣。

2 添加元素的作用分析

2.1 Cu元素的作用分析

銅在鋁硅鎂合金中可以起到固溶強(qiáng)化的作用，提高合金的強(qiáng)度另一方面，由于銅能與鋁合金中的鎂、鐵、錳、鎳等元素形成A12、CuA12、CuMgA19、Fe、Ni等化合物，因此同時(shí)也能提高合金的高溫強(qiáng)度。

2.2 Ni元素的作用分析

一般在鋁合金中Ni與Fe按1：1加入時(shí)，可形成耐熱性好的Al9FeNi相，提高鋁合金的耐熱性，并降低其熱膨脹系數(shù)。

2.3 Mn元素的作用分析

在鋁硅鎂合金中，Mn是一個(gè)中和鐵的有害作用的元素熔煉時(shí)雜質(zhì)Fe和Mn結(jié)合生成沉淀物進(jìn)入渣中，Mn還會(huì)和合金中的Fe反應(yīng)生成A16MnxFe1-x金屬間化合物，從而有效地提高合金的耐蝕性添加少量的Mn可以細(xì)化材料的組織，提高再結(jié)晶溫度，增強(qiáng)合金的耐熱性。

2.4 V元素的作用分析

鋁合合金中加入釩元素，可以形成Al7V化合物，這些化合物可作為固溶體的結(jié)晶核心，使晶粒細(xì)化，提高力學(xué)性能和改善工藝性能，但量不能多，過多則會(huì)出現(xiàn)大片狀化合物，降低強(qiáng)度耐蝕性等。

2.5 RE元素的作用分析

RE在鋁合金中的作用有以下3個(gè)方面：凈化作用由于RE具有很高的化學(xué)活性，與H2FeS等雜質(zhì)元素具有很強(qiáng)的化學(xué)親和力，可以與各種雜質(zhì)元素形成化合物，因而能消除H2FeS和過剩游離態(tài)Si等有害雜質(zhì)的影響變質(zhì)作用加入適量的RE，能夠有效減小鋁合金的枝晶間距，細(xì)化鑄態(tài)晶粒微合金化作用RE與Al及其合金元素能發(fā)生微合金化作用，可以提高合金常溫和高溫力學(xué)性能。

3 鋁合金鑄造成形方法

3.1 鋁合金的砂型鑄造

在鋁合金鑄件的生產(chǎn)過程中，表面和尺寸精度要求不是很高或者批量很小的零件多采用砂型鑄造，尤其是一些外形復(fù)雜，內(nèi)部有彎曲管道的復(fù)雜異形鑄件。鋁合金砂型鑄造多采用粘土砂型和有機(jī)粘結(jié)劑型砂，下面重點(diǎn)介紹這兩種造型和造芯方法。

（1）粘土砂型

粘土砂型根據(jù)合箱和澆注時(shí)的狀態(tài)不同分為濕型、干型、表面烘干型三種。濕型是造好的砂型不經(jīng)過烘干，直接澆入高溫金屬液；干砂型是在合箱和澆注前將整個(gè)砂型烘干；表面烘干型只在澆注前對(duì)型腔表面層采用適當(dāng)?shù)姆椒ê娓梢欢ㄉ疃龋ㄒ话?5―10mm，大件 20mm 以上）。

（2）有機(jī)粘結(jié)劑砂砂型和砂芯

有機(jī)粘結(jié)劑型（芯）砂種類很多，現(xiàn)在通常使用的是合成樹脂粘結(jié)砂。按粘結(jié)劑的硬化工藝和硬化溫度分為模具內(nèi)冷硬和模具內(nèi)熱硬，模具內(nèi)冷硬包括吹氣冷芯盒法和自硬冷芯盒，模具內(nèi)熱硬包括熱芯盒法和熱殼法。熱殼法采用覆膜砂，覆膜砂具有良好的流動(dòng)性和存放性，制作的砂芯強(qiáng)度高、尺寸精度高，能夠獲得較好的鑄件表面質(zhì)量。其不僅用于造型，更主要的是用于造芯。殼法工藝特別適合制造出大的中空殼芯。砂芯的存放性好，透氣性好。但必須采用金屬型，耗能較高，生產(chǎn)環(huán)境較差。熱芯盒法和溫芯盒法制芯，是用液態(tài)熱固性樹脂粘結(jié)劑和催化劑配制成的芯砂，填入加熱到一定溫度的芯盒內(nèi)，其粘結(jié)劑在很短時(shí)間即可縮聚而硬化。熱芯盒法硬化溫度在 200-250℃之間，溫芯盒法是指芯盒溫度低于 175℃的造芯方法。

溫芯盒法、熱芯盒法比較分析

3.2 鋁合金的金屬型鑄造

金屬型的熱容量、傳熱系數(shù)比砂型大得多，而且壽命長(zhǎng)，會(huì)加快合金液的凝固速度，從而減少氣孔和縮孔、疏松等缺陷，鑄件表面能得到細(xì)晶組織，顯著地提高鑄件的力學(xué)性能和表面質(zhì)量，而且鋁合金的金屬型鑄造生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)環(huán)境和勞動(dòng)條件好。但金屬型幾乎沒有退讓性，排氣性差，所以應(yīng)盡早開模，防止形成冷裂紋，設(shè)置排氣塞排氣槽，增強(qiáng)排氣，防止憋氣形成氣孔或者未澆足。鋁合金的金屬型鑄造通常采用底注式和頂注式澆注。底注式澆注充型平穩(wěn)，不會(huì)產(chǎn)生激濺，有較好的擋渣作用，但容易在鑄件側(cè)壁上形成氧化夾渣。更重要的是底注式澆注合金液的凝固通常為同時(shí)凝固，難以實(shí)現(xiàn)順序凝固，易產(chǎn)生縮松缺陷。頂注式澆注的優(yōu)勢(shì)就是能夠?qū)崿F(xiàn)順序凝固，能鑄件減少縮松、以及薄壁件的冷隔、澆不足等缺陷的產(chǎn)生。但也容易產(chǎn)生激濺、氧化、夾渣等缺陷，通過采用過濾裝置、降低鋁液充型壓頭、控制流速等手段避免。

3.3 鋁合金其他鑄造方法

除了最常用的砂型鑄造和金屬型鑄造外，鋁合金還有很多鑄造方法。比如壓力鑄造、低壓鑄造、差壓鑄造、真空吸鑄、調(diào)壓鑄造、石膏型精密鑄造、消失模鑄造和英國(guó)賽車發(fā)動(dòng)機(jī) Cosworth 公司發(fā)明的 CP 法等。調(diào)壓鑄造由西北工業(yè)大學(xué)發(fā)明，是對(duì)差壓鑄造改進(jìn)。與其他反重力鑄造技術(shù)相比具有真空除氣、調(diào)壓充型、正壓凝固的特點(diǎn)，使其相比差壓鑄造和真空吸鑄具有更好的充型能力，針孔控制能力。

4 結(jié)論

當(dāng)然，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蝕性，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、輪船、特別是一些航天航空領(lǐng)域更加適用明顯，具有無比廣闊的前景?？傊覀冃枰M(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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