低壓鑄造鋁合金缺陷分析與熱處理工藝研究

謝志強(qiáng)

（福建華威鉅全精工科技有限公司，福建 福州 350000）

在現(xiàn)代各類科技的指導(dǎo)下完成理論研究后，便開始大量投入工業(yè)生產(chǎn)之中。工業(yè)產(chǎn)品制造材料也發(fā)生明顯變化，有色金屬材料已成為工業(yè)生產(chǎn)的重點關(guān)注對象。而鋁合金具有較強(qiáng)的力學(xué)性能，密度僅為鋼的三分之一,導(dǎo)電性能優(yōu)異,在抗腐蝕也有優(yōu)良表現(xiàn),所以在航天航空、礦山冶金等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。為進(jìn)一步提升應(yīng)用效果，需要對其質(zhì)量缺陷進(jìn)行深度研究，并提出改進(jìn)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(fù)雜形狀，各個位置厚薄不均勻，就會在其凝固時,各個部位產(chǎn)生不完全匹配的冷卻速度，進(jìn)而形成內(nèi)應(yīng)力。一旦內(nèi)應(yīng)力大于材料最大抗拉強(qiáng)度,就會造成鑄件拉裂現(xiàn)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(nèi)部產(chǎn)生開裂的冷裂紋,斷口因沒有產(chǎn)生氧化反應(yīng)，所以會呈現(xiàn)發(fā)亮的銀色[1]。解決措施：在鑄造合金時，要明確化學(xué)成分,嚴(yán)格控制雜質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。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(nèi)的停留時間，采用科學(xué)方法控制鑄造模具溫度與冷卻速度，保持液態(tài)金屬擁有均勻穩(wěn)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(qiáng)度件低壓鑄造含鐵宜控制在0.15%以內(nèi)，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(fā)現(xiàn)組織多為薄片性質(zhì)，保持平行狀態(tài)。發(fā)生這種情況多是在鑄造前成分調(diào)整不到位，或者熔體過熱，在爐內(nèi)保持較長停留時間也會發(fā)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(jié)晶器，或者變質(zhì)細(xì)化劑失去效果都會出現(xiàn)花邊組織。解決措施:對于合金的化學(xué)成分嚴(yán)格控制，保證其雜質(zhì)含量在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，并采用科學(xué)方法合理對過濾系統(tǒng)展開設(shè)計，優(yōu)化結(jié)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(biāo)（試塊密度小于2），在模具凝固中形成針狀密集分布?xì)饪?，一般在加工面特別是厚大過熱時容易出現(xiàn)。造成鋁液含氫量超標(biāo)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(biāo)、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(nèi)。鋁液精煉不到位，選用純度99.999%的氬氣或氮氣除氣，依據(jù)真空抽氣試塊測試結(jié)果來調(diào)整除氣參數(shù)（轉(zhuǎn)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(biāo)，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(chǎn)品無法保證完整狀態(tài)，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(jīng)凝固成形，從而構(gòu)成澆注不足的生產(chǎn)缺陷。這是因為澆注系統(tǒng)缺少寬大通道，并不能保證鋁液擁有大流量，構(gòu)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(chǎn)速度時，會出現(xiàn)澆注不足現(xiàn)象,讓產(chǎn)品作為廢品處理。解決措施：對澆注系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，使其優(yōu)化鋁液流量，優(yōu)化模具排氣系統(tǒng)。在生產(chǎn)時要做好模具預(yù)熱工作,有效避免在澆注時出現(xiàn)鋁液過快冷卻問題。涂料要保持分布合理，型腔內(nèi)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(xiàn)因澆注不足產(chǎn)生資源浪費的廢品。模具設(shè)計時要求鑄件肉厚大于3mm，合理設(shè)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(dǎo)致冷卻速度較為緩慢,產(chǎn)生巨大收縮量，造成晶粒粗大，形成疏松組織,從而生產(chǎn)出縮松鑄件，只能當(dāng)成廢品處理。解決措施:對于現(xiàn)有工藝進(jìn)行科學(xué)地改進(jìn)，精細(xì)化控制模具加熱保溫與澆注所需的溫度。對于冒口尺寸進(jìn)行科學(xué)設(shè)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(guān)注。鑄件維持對稱設(shè)計。

（6）氧化夾渣和氣孔。如果因加壓參數(shù)操作不當(dāng),造成鋁液注入型腔發(fā)生噴濺現(xiàn)象，會導(dǎo)致氣泡無法釋放，反而被包裹于鑄件內(nèi)，進(jìn)而造成金屬氧化,產(chǎn)生氧化夾渣。如果鋁液含有大量氫氣，就會產(chǎn)生許多不規(guī)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(xué)性能有較大影響。對于反應(yīng)性氣孔，時由于覆膜砂芯經(jīng)鋁液高溫樹脂燃燒產(chǎn)生氣體，或是由涂料未烘干經(jīng)高溫產(chǎn)生氣體鉆入鑄件而形成氣孔。解決措施:提高操作質(zhì)量，保持鋁液平穩(wěn)澆注,避免產(chǎn)生過大沖擊力,而澆口選擇合理內(nèi)澆道設(shè)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(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)的共晶型典型代表當(dāng)屬ZL104的Al-Si-Mg-Mn合金，除擁有Al、Si、Mg、Mn主要化學(xué)元素外，還有少量Fe、Cu、Zn元素，同時控制雜質(zhì)在0.6%范圍內(nèi)。鑄態(tài)組織是由α固溶體、α和Si二元共晶體，摻雜AlSiMnFe和Mg2Si構(gòu)成的化合物。淬火溫度促使Mg2Si溶進(jìn)固體中，而作為不溶相的Si則與Al-Si-Mn-Fe產(chǎn)生聚集反應(yīng)，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(guān)元素,而鑄件結(jié)晶或因結(jié)晶冷卻產(chǎn)生偏析與第二相組元，會在淬火階段被高溫影響，在強(qiáng)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(gòu)成，擁有較為寬泛溫度范圍。較為典型當(dāng)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(zhì)在0.3%范圍內(nèi)。鑄態(tài)組織是由α固溶體、Al2Cu、Al12Mn2Cu、Al3Ti構(gòu)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(xì)小質(zhì)點的T相(Al12Mn2Cu)。若想讓鋁合金獲得最優(yōu)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(chǎn)規(guī)定溫度略低，完成一級加熱，從而讓Al2Cu強(qiáng)化相可順利與α固溶體相溶,以晶界將T相質(zhì)點全部析出。而二級加熱則要與規(guī)定生產(chǎn)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(yīng)Si的雜質(zhì)元素嚴(yán)格控制，避免讓其含量超標(biāo)。如果Si元素超標(biāo)，在生產(chǎn)中會產(chǎn)生熔點達(dá)525℃的α、Si、Al2Cu三元共晶體,從而降低對鋁合金產(chǎn)品的淬火溫度，并對物化性能造成負(fù)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(xié)助強(qiáng)化相加快與Al基固溶體相溶，從而縮減形成飽和狀態(tài)時間，進(jìn)而提升鋁合金強(qiáng)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(tài)有關(guān)。一般共晶型的強(qiáng)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(shù)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(guān)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(qiáng)影響下，產(chǎn)生降低。

5 冷卻速度和轉(zhuǎn)移時間

對于淬火階段冷卻速度,要保證現(xiàn)在溶解于固溶體內(nèi)的強(qiáng)化相，在淬火階段不會產(chǎn)生析出現(xiàn)象，同時嚴(yán)格控制淬火的轉(zhuǎn)移時間。冷卻速度受到淬火介質(zhì)的性質(zhì)影響，保持熱容量、黏滯等。而淬火的冷卻介質(zhì)應(yīng)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(chǎn)品均有較強(qiáng)適用性。鋁合金冷卻速度在水溫提升的同時會產(chǎn)生下降現(xiàn)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(zhuǎn)變的特點，遷移擴(kuò)散會導(dǎo)致過飽和的固溶體產(chǎn)生脫溶分解現(xiàn)象。當(dāng)溶質(zhì)原子在溶解狀態(tài)下，會因過飽和而成核析出，集結(jié)聚集也會隨微雜質(zhì)析出，產(chǎn)生未溶解過剩相聚集現(xiàn)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(chǎn)生析出現(xiàn)象，并以GP區(qū)、θ''（GPⅡ區(qū)）、θ'、θ（CuAl2）順序產(chǎn)生轉(zhuǎn)變。而Al-Cu合金其時效沉淀則為：GP區(qū)、β'、β（Mg3Al3），Al-Si-Mg合金其時效沉淀則為：GP區(qū)、β'、β（Mg2Si）。以鋁合金使用性能可劃分成強(qiáng)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(chǎn)品需要較高強(qiáng)度,但是在塑性指標(biāo)不高時，可用強(qiáng)化時效處理鋁合金。

從各類實驗數(shù)據(jù)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(qiáng)化效果。如果時效溫度或時間不滿足生產(chǎn)需求,就無法達(dá)到生產(chǎn)技術(shù)要求，鋁合金組織和性能也會相應(yīng)下降。

7 結(jié)論

在應(yīng)用熱處理工藝處理鋁合金質(zhì)量缺陷時，要嚴(yán)格控制溫度與處理時，保證鋁合金可獲得高強(qiáng)度與硬度,提升產(chǎn)品質(zhì)量。同時，也要在生產(chǎn)中不斷更新工藝，檢查當(dāng)前生產(chǎn)設(shè)備是否存在故障，研究問題產(chǎn)生的原因，采用科學(xué)方法解決問題。企業(yè)也要定期對一線生產(chǎn)工人做專業(yè)培訓(xùn)，培養(yǎng)安全生產(chǎn)意識，全面提升生產(chǎn)水平，保證鋁合金產(chǎn)品可獲得市場認(rèn)可，進(jìn)而提升企業(yè)在行業(yè)的知名度，做好拓展市場的前期準(zhǔn)備工作。