合金元素對鑄造鋁合金組織性能的影響分析

2022-08-11 13:46:00范世靜

世界有色金屬 2022年8期

鑄造鋁合金是一種傳統(tǒng)的金屬材料，其具有密度小、強度高等優(yōu)勢特點，在我國航空航天、汽車制造等產(chǎn)業(yè)領域中獲得了廣泛應用，并取得了顯著性的成效。隨著現(xiàn)代化工業(yè)及鑄造技術的發(fā)展與進步，各產(chǎn)業(yè)對鑄造鋁合金的需求量日益增多，在鋁合金當中增添不同合金元素可以呈現(xiàn)出差異化的性能特點，因此對鑄造鋁合金中不同元素的投入量產(chǎn)生的正負面影響展開全面研究具有一定的現(xiàn)實意義。

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1 鑄造鋁合金的分類及特點

1.1 AL-Si及AL-Si-Mg系鑄造鋁合金

此系鋁合金呈現(xiàn)出高強度的氣密性和鑄造工藝性，在常溫環(huán)境下可以呈現(xiàn)出良好的價值效用，并生產(chǎn)出形狀各異的高質(zhì)量鑄件，在各類產(chǎn)業(yè)領域中獲得了廣泛性應用。AL-Si系合金是當代航空工業(yè)中使用頻率最高的鑄造鋁合金種類之一，其在實際應用過程中呈現(xiàn)出良好的抗蝕性和工藝性。簡單二元AL-Si系雖然自身的鑄造性能相對較高，但強度卻較低，通常運用在金屬鑄造和壓力鑄造領域當中，可以生產(chǎn)出形狀多樣、受力性能較小的儀表殼體。

1.2 AL-Cu系鑄造鋁合金

此系鑄造鋁合金的關鍵強化相為CuAL

，其具有一定的熱穩(wěn)定性和時效硬化能力，往往適用于溫度較高的環(huán)境下展開一系列加工處理，其所具備的缺點包括抗蝕性差、鑄造工藝性差等。在航空領域中應用此種合金類型通常為ZL-201和ZL-203，后者是一種簡單形式的AL-Cu二元合金，人工時效狀態(tài)較為顯著，常用于鑄造200℃以下的承受中等負荷類型的零部件

。

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1.3 AL-Mg系鑄造鋁合金

鈦與鋁可以融合轉(zhuǎn)化為TiAL

相，成為結晶體后可以起到細化鑄造組織和焊縫組織的價值效用。在鑄造鋁合金中填入少量鈦元素便可以促使其整體機械性能獲得顯著性的提升，但原有的導電率會明顯降低。一般情況下，AL-Ti系合金在出現(xiàn)包晶現(xiàn)象后，鈦元素的臨界含量主要為0.15%，如果存在一定數(shù)量硼元素期間可以適當減少。

在此過程中，ZL-301是一種高鎂合金，通過淬火和固溶處理加工后具有較高的機械性能和抗蝕性能，但是整體組織和性能的穩(wěn)定性還有待提高。

1.4 AL-Zn系鑄造鋁合金

此種合金具有自淬火效應等基本特點，在完成鑄造工序后便可以直接投入人工時效，但因為缺少具體的淬火環(huán)節(jié)，鑄件所具備的內(nèi)應力顯著降低。此種類型的鑄造鋁合金通常適用于制造尺寸穩(wěn)定性高的鑄件范圍內(nèi)，但是其也具有一定的弊端，主要體現(xiàn)在耐熱性能偏低、比重較大、抗蝕性也不夠良好等等，所以在實際應用過程中往往會受到諸多外界因素的約束與限制。采用此系的常用合金主要包括ZL-401，此種合金呈現(xiàn)出中等耐蝕性、耐熱性較差等問題，適用于壓鑄溫度條件低于200℃的壓鑄件當中。

2 不同合金元素對鑄造鋁合金組織性能帶來的影響

“醍醐灌頂”出自于《敦煌變文集·維摩詰經(jīng)講經(jīng)文》，比喻灌輸智慧，使人大徹大悟。楊譯中“Baoyu felt as if Buddha had suddenly shown him the light”, 通過注釋法基本翻譯出了典故中的要義，雖未全盡人意，也已算成功之作了。

2.1 硅、鎂對鋁合金組織性能的影響

硅是眾多鑄造鋁合金加工生產(chǎn)階段中運用頻率最高的元素之一，其可以在實際應用階段中有效改善鋁合金的整體鑄造性能。一般情況下，硅與鋁可以共同混合為固溶體，在共晶溫度高達577℃情況下，硅元素在固溶體中所呈現(xiàn)的最大溶解度為1.65。雖然溶解度往往會根據(jù)溫度系數(shù)的降低而逐漸減少，但是此種合金通常是無法展開熱處理加以強化的。當硅含量不斷增多期間，硅與鋁會在短時間內(nèi)組建為共晶體，以此來提升鋁合金的高溫鑄造性能，切實減少收縮效果，當達到6%期間幾乎不會出現(xiàn)熱度裂痕甚至出現(xiàn)幾率為0。但是需要重點關注的問題是，當硅含量超出共晶體的整體成分標準階段中，結晶后所稀釋出的硅元素往往會出現(xiàn)游離硅的硬質(zhì)點，進而降低鋁合金的整體切削性

。

鑄造鋁合金是當代工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展及應用加工中不可或缺的金屬材料之一，其在機械制造、化學工業(yè)、航空航天和船舶設計等產(chǎn)業(yè)領域中獲得了全覆蓋式普及。從整體視角來看，鑄造鋁合金呈現(xiàn)出密度低、塑性好、強度高等優(yōu)勢特點，而且其具備了良好的導熱性、抗蝕性及導電性，因此在工業(yè)領域中獲得了廣泛業(yè)界人士的關注與認可，其整體使用量僅次于鋼材。鑄造鋁合金可以在熱處理工序的支持下提升自身機械性能和物理性能，但是合金元素的含量也是影響鑄造鋁合金組織性能的重要元素，下文將針對不同合金元素對鑄造鋁合金進組織性能帶來的正面影響及負面影響展開深層次研究與探討。

在鋁合金當中，如果硅的含量超出鐵含量，便會形成Fe

，當鐵含量超出硅含量期間，會形成Fe

。如果鐵含量與硅含量分配比例缺乏合理性便會導致鑄件出現(xiàn)嚴重裂紋問題，當鑄鋁當中的鐵含量超出標準數(shù)值后還會導致鑄件產(chǎn)生嚴重的脆性

。

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2.2 鐵對鋁合金組織性能的影響

鍶是一種表面活性類型元素，其在結晶學術上來看，此種元素可以在根本上改變金屬間化合物相的各類行為。采用鍶元素展開變質(zhì)處理可以在根本上優(yōu)化鑄造鋁合金的塑性、加工性及整體產(chǎn)品質(zhì)量。因為鍶元素具有效果顯著、變質(zhì)有效時間較長、再現(xiàn)性能良好等優(yōu)勢特點，現(xiàn)如今在AL-Si鑄造合金當中有效替代了鈉元素的投入使用。對擠壓鋁合金過程中增添0.015%～0.03%的鍶元素可以在一定程度上減少鑄造鋁合金均勻化時間60%～70%左右，切實提高材料的塑性加工性及力學性能，并在此基礎上改變金屬制品表層結構的粗糙效果。對于高硅變形鋁合金而言，在其中融入0.02%～0.07%鍶元素后，可以全面將初晶降低至最小化，其原有的力學性能和抗拉強度也獲得顯著性提升，延伸率也由原本的9%升高至12%左右。在過共晶AL-Si合金當中增添適當數(shù)量鍶元素可以減少初始晶硅粒子的具體尺寸，有效完善塑性加工性能，并為鑄造鋁合金開展冷軋和熱軋?zhí)峁└嘤欣臈l件與支持。

鎂元素對鋁合金帶來一定的強化作用，當增加1%左右的鎂元素，鑄造鋁合金的自身抗拉性能便會提升約34MPa。鋁鎂合金的耐蝕性相對較良好一些，所以ADC5、ADC6主要為耐蝕性合金類型，其在產(chǎn)生凝固所涉及的部分較為廣泛，因此呈現(xiàn)出熱脆性，逐漸會在此情況下產(chǎn)生或多或少的裂紋，進而為鋁合金的鑄造工作增添一定的難度。作為雜質(zhì)的鎂，其在鑄造鋁合金階段中，Mg

Si會導致逐漸變得脆弱無比，因此通常要控制元素投放標準為0.3%左右。

農(nóng)業(yè)是靠“天”吃飯的產(chǎn)業(yè)。如果不能提高對自然災害的防御能力和自救能力，那么一旦發(fā)生氣象災害，就會出現(xiàn)無法控制的局面，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中造成無法估量的損失。防御技能不完善是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素之一。所以當前農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的最大問題就是如何做好氣象防災減災工作。當氣象科技的作用得到充分發(fā)揮時，就能最大限度地減輕農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中各個環(huán)節(jié)的損失，這不僅有助于農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展，還能加快社會向前發(fā)展的步伐，而且對促進人類與自然的和諧發(fā)展具有重要意義。

2.3 鈦、硼、鍶對鋁合金組織性能的影響

AL-Mg系鑄造鋁合金也被廣泛稱為耐蝕鑄造鋁合金，其被劃分于強硬度、高抗蝕性合金范疇內(nèi)，呈現(xiàn)出良好的切削加工性能，被廣泛應用于食品加工、化工部門及造船工業(yè)等領域中。此系鑄造鋁合金所具備的缺點體現(xiàn)在鑄造工藝性和耐熱性較差，在實際應用中最常見的合金包括ZL-301、ZL-302和ZL-303等等。

在鋁合金當中，當鐵的投入量超出0.5%期間，鋁合金的強度可以獲得顯著加強并略微降低自身的伸長量，而當鐵元素含量超出0.8%期間鋁合金的伸長率會大幅度降低。從整體視角來看，鋁合金中所含有的鐵元素往往會轉(zhuǎn)化為FeAL

針狀結晶，因為壓鑄處于急冷狀態(tài)，所以最終析出的晶體相對較細，有害成分比較少。據(jù)相關調(diào)查研究表明，在標準范圍內(nèi)，鐵元素無法在不降低或略微降低抗熱裂性的基礎上強化高硅鋁合金的鑄造性能。但是當鋁合金內(nèi)部具有大含量鐵期間，往往會生成顯而易見的金屬化合物，進而產(chǎn)生硬質(zhì)點，導致鑄造零部件在實際加工環(huán)節(jié)中較為困難，刀具在后續(xù)的實際應用期間也會出現(xiàn)嚴重性磨損破壞問題，無法在根本上保障零件尺寸的穩(wěn)定性和安全性。除此之外，當鐵含量低于0.6%期間，切削刀具的磨損量也會根據(jù)鐵含量的增加而提升。當鐵元素含量＞1.2%期間，其會明顯的降低鑄造鋁合金的流動性，進而對鑄件整體質(zhì)量造成負面影響，切實減少壓鑄設備中金屬構件的使用年限。另外，雖然存在刀具磨損等相關問題，但因硬度較高的鐵可以導致鋁合金出現(xiàn)切削斷裂等現(xiàn)象，所以增添一定標準數(shù)量的鐵元素可以在根本上完善合金的具體切削性能。

總的來說，鈦、硼和鍶三種合金元素雖然在鑄造鋁合金當中整體含量相對較少，但是卻起到了不可忽視的價值效應，不但可以在根本上細化晶粒結構，還可以提升合金組織的整體性能，相關科研人員需要在結合實際情況的基礎上合理控制三種元素在鑄造鋁合金當中的投入量，以此來生產(chǎn)出高性能、高質(zhì)量的鋁合金產(chǎn)品。

硅、鎂合金對于鑄造鋁合金產(chǎn)生著不容小覷的價值效用，硅可以在根本上強化鋁合金的鑄造性能，而鎂可以全面提升鋁合金的機械性能，而且硅與鎂的高度結合還可以形成MgSi，全面強化鑄造鋁合金的機械性能。但是需要重點注意的問題是，硅元素與鎂元素在投入使用期間需要嚴格控制其具體用量，確保其不超出固定的標準數(shù)值。對于鑄造鋁合金而言，硅元素含量適宜控制在7%左右，而鎂元素的含量保持在0.3%即可。

2.4 其他微量合金元素對鋁合金組織性能的影響

在鋁合金中添加適量銅元素，其整體性能呈現(xiàn)出顯著性提高，自身所具備的切削性也獲得了大范圍強化。但是從整體視角來看，其所具備的耐腐蝕性有所降低，往往會在各類試驗階段中出現(xiàn)熱間裂痕等問題，而富有雜質(zhì)屬性的銅也會發(fā)生此類情況。

鎳與銅呈現(xiàn)出完全統(tǒng)一的基本特點，其具有強化鋁合金硬度、抗拉性等基本性質(zhì)，而且會在實際應用過程中對鋁合金原本的耐蝕性帶來不必要的影響，想要在根本上優(yōu)化并完善高溫耐熱性，相關人員往往會在開展各類試驗過程中增添適當數(shù)量的鎳，但是會在投入使用后出現(xiàn)耐蝕性、熱導性大幅度降低等不良問題

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錳元素在投入應用期間可以在一定程度上抑制鑄造鋁合金的二次結晶進度，在根本上提升再結晶過程中所產(chǎn)生的溫度條件，并在此基礎上全面細化再結晶階段中所含有的晶粒。MnAL6的價值作用體現(xiàn)在對雜質(zhì)鐵進行全方位溶解處理，進而將其轉(zhuǎn)化為（Fe，Mn）AL6，在根本上將鐵帶來的負面影響降低至最小化。一般情況下，當鑄造鋁合金當中含有一定數(shù)量的雜質(zhì)鋅，也會出現(xiàn)溫度升高、脆性增大等現(xiàn)象，進而導致鑄件出現(xiàn)或多或少的裂紋。

從整體視角來看，在鋁合金當中往往還會存留錫、鈣和鉛等雜質(zhì)元素，這些元素因自身所具備的熔點有高有低、結構性質(zhì)完全不同，所以與鋁相互結合轉(zhuǎn)化后的化合物也存在一定的差異性，進而對鋁合金的性能組織產(chǎn)生不同的影響程度。一般情況下，鈣在鋁中固溶度相對較低，與鋁共同轉(zhuǎn)化為CaAL

化合物，鈣可以在根本上優(yōu)化并完善鋁合金的切削性能。而鉛和錫均屬于低熔點金屬性質(zhì)，其在鋁中固溶度相對較小，其雖然可以在實際應用階段中降低合金強度，但也能有效改善其整體的切削性能。由此可見，以上所論述的幾種元素均會對鑄造鋁合金組織性能帶來不同程度的影響效果，但是這些合金元素的存在雖然無法規(guī)避，但是相關科研人員可以采用科學有效的措施方法加以控制，將微量元素的具體含量降低至最小化，以此來提高鑄造鋁合金的整體性能。

2.5 稀土對鋁合金組織性能的影響

一般情況下，稀土元素的不同含量也會對鑄造鋁合金各項組織性能產(chǎn)生差異性的正面影響和負面影響，進而導致鋁合金的抗拉性能及延伸率不同程度的變化，下文將針對稀土元素投入量不同的情況下，對鑄造鋁合金各項組織性能的變化趨勢展開全方位研究與討論。

由圖2可以明顯看出，當在鑄造鋁合金當中不斷投入稀土后，鋁合金的抗拉性及延伸率都獲得了大幅度提升。當稀土含量處在0.15%期間。合金的抗拉強度便升高至461.58MPa，而在對鋁合金展開不間斷性的稀土含量增加工作后，鑄造鋁合金的整體抗拉性能也秉持著持續(xù)下降的規(guī)律發(fā)展著。從整體目光來看，合金當中具有0.15%含量稀土的力學性能比未投入稀土期間的256.27MPa提升了約80.1%，延伸率也提升了三倍左右。由此可見，稀土含量的增加對于鑄造鋁合金的力學性能產(chǎn)生較大的影響。如果增添適當數(shù)量的稀土元素，并采用科學有效的措施工藝進行加工處理，稀土元素可以在根本上提高鑄造鋁合金的整體熔煉質(zhì)量。