铝合金铸造复合工艺及理论

赵雪

摘要：铝合金具有先进的结构，可以应用对比强度和比模量要求较高的结构中，此外，铝合金还具有良好的高温性能。对于工程师来说，铸造不同金属和合金的铸造参数知识和理解与铸造产品一样重要。铝合金铸造是指熔化金属并将其浇注到模具中以产生所需形状的任何过程。具体的浇铸参数，如浇注温度、浇注速度、流动性和金属成分，对于能否实现铸件的铸造是至关重要的。本文对铝合金铸造的复合工艺以及相关理论进行了研究。

关键词：铝合金；复合工艺；理论

本文介绍了在选定浇注温度和浇注速度下，相同尺寸和形状的砂型铸造铝合金所需要的工作。对铸造合金的力学性能进行了测试。其目的是确定这些参数产生高质量铸件的最佳点。研究表明：浇注温度低于最佳值时，模腔内不能填充浇口或冒口，固化速度过快，截留定向凝固。另一方面，较高的浇注温度会导致铸件收缩和模具翘曲。最重要的是，许多铸造缺陷是由于铸造过程中没有使用最佳铸造条件造成的。

一、铝合金铸造工艺的要求

研究发现：熔化和浇注条件直接或间接影响铸态材料的力学性能：硬度、延伸率、缩径率、韧性等。例如，对一些黑色金属的浇注速率的研究表明，与其他合金铸件相比，铝合金具有很高的凝固速度。最佳浇注速度也与铸件尺寸和形状有关。了解金属和合金的熔化温度对于估算相应的浇注温度是必要的。铸造铝合金的熔化温度660℃。

当确定一个组件的功能时，首先要问的是：组件的作用是什么？选择合金、铸造工艺和热处理要求所提出的要求。如果需要高强度，安全关键部件应选择一个高完整性铸造工艺，如需要永久成型，则选择优质砂铸造或半固态铸造工艺。由于不同合金和热处理组合可能产生的力学性能差别很大。例如，许多商业铸件通常没有关键的要求，因此可以使用更经济的合金和生产方法。

二、工艺设计

一旦确定了所需组件的功能，铸造人员就必须考虑与设计有关的问题，如尺寸、重量和部件的复杂性。铸造和可用合金的尺寸和设计特点可以影响铸造工艺的选择和零件的成本。砂型铸造通常用于制造空心空腔的零件和复杂的构件，因此不适合在永久铸模中铸造。

在某些情况下，通过将设计中的特征包括在近净形铸造件中，并消除或减少铸件后加工（如机械加工）所需的额外成本，可以降低成品成本。然而，功能的复杂性和表面网络完成或特殊性能可提高铸件的成本。

由于组件的大小，流程选择可能受到限制。例如，砂型铸造可能是大型或重型铸件的唯一工艺选择。永久模铸造具有较高的模具成本，但单位价格较低，特别是对于需要构件数量较多的情况。

三、铝合金铸造复合工艺

铝合金有几个特点，可控性强，以最大限度地铸造性能。它容易在熔融状态下提取氢气和氧化物，对微量元素也很敏感。一些装饰或商业铸件可能有质量要求，严格的熔体控制和专门的熔融金属加工技术可以帮助提供增强的机械性能。

（一）合金比例控制

在铝液加工过程中，必须严格控制合金元素和杂质的百分比。如果不这样做，它们的特性，如安定性、可加工性、耐腐蚀性、机械性能和导电性都会受到不利影响。

铝合金在熔炼和保温过程中容易发生化学变化。这些变化最明显的是失去置换的潜力，这可以显著改变机械性能显著。如果铸造部件用于制造质量要求高的材料，这些反应必须通过设备调节和保温来控制。

（二）精炼与改造

熔融铝对微量元素很敏感，但这种敏感性可以通过添加微量材料来促进铸件微观结构的变化而被利用。晶粒细化和硅改性都能改善最终构件的力学性能。它们还可以作为有用的工具来优化性能和热处理响应，以满足特定部件的服务要求，并帮助开发某些铸造性能。

在凝固过程中，铝在长柱状晶组织中凝固。这些颗粒会变大，直到它们撞击另一个晶粒或模壁。晶粒细化是在熔融金属中加入成核点（以钛和硼中间合金的形式）加入额外晶粒的处理过程。通过改进，在熔融铝中加入钠或锶来改变硅晶体的形态（形状）。

（三）熔融金属处理

铝合金容易从大气和其他来源的湿气中吸收氢，从而导致缺陷。氢气可在固体铸件中形成气孔，而氧化铝等金属间杂质可作为夹杂物凝固在铸件中。气孔和夹杂物对铸件质量有负面影响，防止铸件满足较高的使用要求。熔化实践通常包括用惰性净化气体脱气除去氢和助熔以清除浇注前氧化物和其它夹杂物的熔融鋁。

（四）合金的选择

有许多可用的合金可供选择以满足不同的要求。一旦确定铸造方法，合金的选择是有限的，因为不是所有的合金都可以使用所有铸造方法。有时，在纸上显示最佳性能的合金可能具有生产特性，使其在总体上比其他合格合金更不可取。因此，最好与金属铸造设备进行协商，根据方案的可行性、相对成本、生产成本和结果的可重复性等因素提出建议。

在合金选择中，应用要求也是一个关键考虑因素。如果需要高强度，必须使用热处理合金。考虑到其余的要求，如气密性、耐腐蚀性和可加工性，合金选择性可能进一步减少。铝金属基复合材料（包括非金属增强铝基复合材料）纳入铝基。复合材料结构可以是连续的或不连续的，最常见的是碳化硅。其他增强材料包括硼、氧化铝和石墨纤维以及各种颗粒、短纤维和晶须。Al MMCs有较好的刚度、耐磨性和导热性比铝合金底座。

（五）热处理

许多铝铸件满足铸态的性能要求，不需要进一步加工。然而，为了改善性能和提高强度和延展性，铝铸件通常通过热处理和冷却循环来进行热处理。这种热处理涉及三种基本操作：溶液、淬火和老化。溶液处理包括将铸件加热到接近共晶温度，以溶解共晶成分并形成固体均匀溶液。

在这种溶液处理之后，铸件可以被淬火或快速冷却，通常是在沸水中，这有助于保持室温下的均匀溶液。铝铸件热处理的第三步是自然或人工时效，增加强度和硬度。时效硬化原理也可用于进行热处理。这三种热处理的组合称为回火。铝铸件热处理的主要目的是开发满足部件应用关键要求的最佳力学性能组合。

四、结语

铸铝组件用于许多不同的功能，如装饰业主的组件，航空航天和汽车应用的关键安全部件。有许多不同方法可以用来生产这种用途广泛的铝铸造组件。合金和铸造工艺的选择将在采购过程中起重要作用，影响元件性能和成本。铸铝组件功能（服务要求），设计（形状和大小）和生产量等因素对铸造方法的选择、合金的选择和成本以及零件的质量都有很大的影响。

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（作者单位：沈阳飞机工业（集团）有限公司）