高強(qiáng)度鋁合金鑄造與熱處理技術(shù)探討

咼文武 顏廷勇 陳曉亮 郭通通 郭強(qiáng)

摘 要：現(xiàn)階段，在高強(qiáng)度鑄造鋁合金生產(chǎn)中，采取先進(jìn)的熔鑄與熱處理工藝，可以獲得高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)鑄件和部分鍛件。整個(gè)過(guò)程將減少材料的消耗，有效節(jié)約工時(shí)，產(chǎn)品性能也能實(shí)現(xiàn)提升?；诖耍疚木透邚?qiáng)度鋁合金鑄造與熱處理技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要探討。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度;鋁合金鑄造;熱處理技術(shù)

1高強(qiáng)度鑄造鋁合金熱處理工藝特點(diǎn)

現(xiàn)階段，對(duì)高強(qiáng)度鑄造鋁合金來(lái)說(shuō)，其金相組織比變形鋁合金更加粗大，在熱處理工藝上也有差異。鑄造鋁合金保溫時(shí)間很長(zhǎng)，通常會(huì)超過(guò)2h，而變形鋁合金保溫時(shí)間很短，只需要數(shù)十分鐘。在較大冷卻速度與壓力條件下，金屬型鑄造、低壓鑄造和差壓鑄造的鑄件才能結(jié)晶凝固，相比于石膏型、砂型等鑄件，其結(jié)晶組織也更細(xì)，大幅度減少了熱處理保溫時(shí)間。對(duì)高強(qiáng)度鑄造鋁合金與變形鋁合金而言，兩者在壁厚上也不同，結(jié)構(gòu)形狀非常復(fù)雜，有內(nèi)通道、異形截面等，熱處理期間為避免發(fā)生變形、開(kāi)裂等問(wèn)題，需要通過(guò)專用夾具進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)淬火介質(zhì)溫度也高于變形鋁合金。對(duì)此采取人工時(shí)效的方式，減少熱處理時(shí)間，也讓鑄件有更好的性能。

2 高強(qiáng)度鋁合金鑄造與熱處理技術(shù)

2.1 坯料制備

對(duì)鋁合金材料采取熔化、精煉等措施，或者是通過(guò)真空熔煉方法進(jìn)行熔煉，在鑄造、軋制和鍛造后完成成形處理。這些方法實(shí)用性雖然很強(qiáng)，但是卻有固溶度低、偏析嚴(yán)重等問(wèn)題，影響了高強(qiáng)度鑄造鋁合金性能。為解決這些缺陷，也開(kāi)始應(yīng)用快速凝固、單向凝固和粉末冶金等技術(shù)，但應(yīng)用過(guò)程較為繁瑣，投入較大，難以有效控制質(zhì)量。因?yàn)殇X合金成分、噴射速度和沉積質(zhì)量等存在差異，造成擠壓溫度、速度等也不一樣，所以可以適當(dāng)調(diào)整噴射速度、合金成分、擠壓比等參數(shù)。由于噴射成型偏析小、晶粒細(xì)化，可以保證鋁合金固溶度更高，性能也將得到改善，是高強(qiáng)度鋁合金鑄造中常用方法。

2.2 退火

技術(shù)流程包括以下幾點(diǎn)：提高鋁合金鑄件溫度到280～300℃，保溫2～3h，并與爐一起冷卻到室溫，這樣固溶體開(kāi)始被分解，將第二質(zhì)點(diǎn)聚焦析出。這樣鑄件內(nèi)應(yīng)力將被消除，不僅保證尺寸更加穩(wěn)定，也能有效改善塑性，避免發(fā)生變形。

2.3淬火

具體工藝流程為：先加熱鋁合金鑄件到較高溫度，通常為接近共晶體的熔點(diǎn)，且大部分超過(guò)500℃，保溫至少2h，讓合金可溶相充分溶解。后續(xù)處理中要在80℃左右水溫中進(jìn)行淬火，通過(guò)急速冷卻確保鑄件合金溶解的強(qiáng)化相得到固定，再逐步與室溫保持一致。在鑄件熱處理中也要關(guān)注變形問(wèn)題，常見(jiàn)的有自重變形、應(yīng)力釋放變形以及淬火變形等類型。自重變形是由于高溫條件下鑄件硬度不足，難以承受自身重量，應(yīng)力釋放變形則為冷卻中鑄件內(nèi)外溫度存在差異，造成應(yīng)力釋放引起變形[3]。對(duì)淬火變形來(lái)說(shuō)，主要是淬火中溫度分布不均衡，在釋放應(yīng)力后產(chǎn)生變形，其中高強(qiáng)度鑄造鋁合金主要為淬火變形。在鑄件淬火過(guò)程中，要考慮使用垂直入水方式，當(dāng)固溶結(jié)束要利用液壓機(jī)對(duì)鑄件進(jìn)行校正，滿足圖紙要求，之后才能進(jìn)行時(shí)效處理。高強(qiáng)度鋁合金淬火、時(shí)效溫度范圍不大，在熱處理工藝、設(shè)備等方面有著嚴(yán)格要求，需要加強(qiáng)控制，防止過(guò)燒帶來(lái)鑄件報(bào)廢問(wèn)題。

2.4 時(shí)效

合金時(shí)效包含以下流程：在升溫、時(shí)間延長(zhǎng)后，過(guò)飽和固溶體點(diǎn)陣內(nèi)原子完成重組，構(gòu)成溶質(zhì)原子富集區(qū)，即G-PⅠ區(qū)。當(dāng)G-PⅠ區(qū)消失后，第二相原子以一定規(guī)律偏聚構(gòu)成G-PⅡ區(qū)，即亞穩(wěn)定的第二相。很多G-PⅡ區(qū)和少量亞穩(wěn)定進(jìn)行融合，且亞穩(wěn)定相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定相、第二相質(zhì)點(diǎn)聚集等階段。在時(shí)效處理過(guò)程中，具體分為自然時(shí)效、人工時(shí)效等，前者要始終維持室溫，為時(shí)效強(qiáng)化處理創(chuàng)造條件。后者主要由不完全人工時(shí)效、完全人工時(shí)效以及過(guò)時(shí)效等類型構(gòu)成，對(duì)不完全人工時(shí)效來(lái)說(shuō)，提高鑄件溫度至150～170℃，并保溫3～5h，這樣抗拉強(qiáng)度將得到改善，也能獲得更好的塑性與韌性，缺點(diǎn)是會(huì)影響其耐蝕性。對(duì)完全人工時(shí)效來(lái)說(shuō)，先加熱鑄件至175～185℃，保溫5～24h，抗拉強(qiáng)度也將提升，而缺點(diǎn)是會(huì)影響伸長(zhǎng)率。對(duì)過(guò)時(shí)效來(lái)說(shuō)，即穩(wěn)定化回火，提高鑄件溫度至200～220℃，保溫5～8h，強(qiáng)度將有一定程度的降低，塑性得到改善，同時(shí)抗應(yīng)力和抗腐蝕能力均獲得了提升。

2.5 循環(huán)處理

先冷卻鋁合金鑄件保持-50℃、-70℃或-195℃，控制好保溫時(shí)間，提高鑄件溫度到350℃，這樣合金內(nèi)固溶體點(diǎn)陣將不斷收縮和膨脹，各相晶粒將形成一定位移，固溶體結(jié)晶點(diǎn)陣內(nèi)的原子偏聚區(qū)和金屬間化合物的質(zhì)點(diǎn)將始終保持穩(wěn)定狀態(tài)。如此一來(lái)，對(duì)產(chǎn)品零件尺寸、體積來(lái)說(shuō)將穩(wěn)定，在反復(fù)加熱、冷卻的過(guò)程中，能夠在處理尺寸穩(wěn)定、精密度較高的零件中廣泛應(yīng)用，如檢測(cè)儀器內(nèi)部各種零件等。

2.6 鑄件澆注

在高強(qiáng)度鋁合金鑄造中，一般選擇重力與低壓澆注等方法，其中低壓鑄造與重力鑄造效果更好。在低壓條件下，金屬液能夠平穩(wěn)充入鑄型內(nèi)，逐步形成下高上低的溫度梯度，在壓力環(huán)境中鑄件會(huì)結(jié)晶，其力學(xué)性能也將大幅度提升。低壓鑄造速度能夠結(jié)合實(shí)際情況加強(qiáng)控制，避免絮流帶來(lái)吸氣、二次氧化等現(xiàn)象，防止出現(xiàn)氣泡、夾渣等問(wèn)題。此外，鑄件澆筑位置不一樣，其難易程度和質(zhì)量也不相同，采取垂直澆注的方法，能夠利用縫隙立筒澆注系統(tǒng)的建立，確保鑄件熱量分布更加均勻。這樣能夠?yàn)殍T件順序凝固、排氣等創(chuàng)造有利條件，也能在運(yùn)用綜合激冷方法后，對(duì)鑄件各部位冷卻速度進(jìn)行調(diào)整，提高了尺寸的精確度。

2.7 熱熱處理操作技術(shù)要點(diǎn)

退火工藝制度為：↑490℃/料390℃，↓390℃，390℃/料390℃，390℃×120min，↓0℃/料100℃。氮?dú)庵脫Q至氧含量小于0.2%后，爐氣全速升溫至490℃，料溫高點(diǎn)到（390-10）℃后，爐氣開(kāi)始降溫，爐氣降溫到390℃，此時(shí)料溫低點(diǎn)到溫（390±3）℃后，爐氣在390℃保溫2h后，快速降溫冷卻至料溫100℃時(shí)出爐。卷材在退火爐爐內(nèi)的熱處理經(jīng)過(guò)加熱、保溫及降溫三個(gè)工藝過(guò)程，這三個(gè)過(guò)程直接影響卷材的熱處理質(zhì)量。因?yàn)楸貢r(shí)長(zhǎng)為恒定的時(shí)間，降溫時(shí)長(zhǎng)和冷卻系統(tǒng)有關(guān)，因此用戶生產(chǎn)最關(guān)心的是加熱時(shí)長(zhǎng)，此過(guò)程直接決定了整個(gè)工藝的時(shí)長(zhǎng)和能源消耗。圖1所示工藝是用戶目前常用的熱處理工藝，加熱溫差（100℃）是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)確定。卷材高點(diǎn)到溫時(shí)，溫差設(shè)定為-10℃，爐氣開(kāi)始降溫。同時(shí)料溫低點(diǎn)繼續(xù)升溫到目標(biāo)溫度，同時(shí)高點(diǎn)也升溫到目標(biāo)溫度。整個(gè)過(guò)程確保高點(diǎn)料溫不超溫（溫差≤±3℃）。整個(gè)熱處理工藝爐氣最高溫度和卷材的目標(biāo)溫度之間的溫差和卷材高點(diǎn)到溫時(shí)爐氣的降溫方式?jīng)Q定卷材整個(gè)熱處理的工藝時(shí)長(zhǎng)。因此對(duì)此種工藝的加熱溫差和加熱時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行分析研究，并在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行驗(yàn)證。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，近年來(lái)高強(qiáng)度鑄造鋁合金在航空航天等行業(yè)中應(yīng)用較為廣泛，是一種重要的材料，在科技進(jìn)步與發(fā)展中將有更大的市場(chǎng)空間。為了進(jìn)一步提高鋁合金強(qiáng)度，需要深入分析鋁合金成分，改進(jìn)制備工藝，尤其是采用更先進(jìn)的熱處理工藝。這樣鋁合金強(qiáng)度、任性和抗腐蝕性都能提升，真正滿足時(shí)代快速發(fā)展的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]周正海，鄭朋飛，趙磊.高強(qiáng)度鋁合金鑄造及熱處理工藝[J].中國(guó)高新區(qū)，2019（15）：151-152.

[2]林波，張賓.低壓鑄造鋁合金輪轂?zāi)＞咴O(shè)計(jì)優(yōu)化[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（12）：134-135.

[3]雷曉燕，王娟.高強(qiáng)度鋁合金鑄造及熱處理工藝分析[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（06）：114-117.628C8EA6-48F1-4F50-BCFB-9A2FFB71D491