铝合金挤压铸造技术研究分析

吕屈寒,李晨菲，孙健波

（佳木斯大学材料科学与工程学院，佳木斯 154007）

1 前言

挤压铸造是一种新型的铸造方法，该方法可以减少铸件的变形和缺陷，提高铸件的综合性能。挤压铸造的优点有：能够生产形状复杂的大型铸件；可以制造尺寸精度要求高的零件；可以生产复杂形状和特殊结构零件；可以获得高致密度零件。挤压铸造在航空、航天、汽车、造船、建筑等工业领域应用广泛。

2 合金熔体的准备

合金熔体的准备需要一个稳定的环境。因此，应该选择一个具有良好通风条件和环境清洁的地方。对于一些特殊材料，例如熔剂、陶瓷、陶瓷粉末等，可以选择真空冶金设备和真空泵等设备进行处理。此外，在进行挤压铸造时，需要根据实际情况选择合适的挤压铸造模具和挤压设备。如果模具尺寸不合适或模具质量不合格，则需要更换模具或重新选择压铸工艺[1]。

2.1 浇注系统

浇注系统的设计与铝合金材料和模具类型密切相关。如果铸件材料和模具结构不合适，就会导致铸件内部缺陷，进而影响其使用寿命。因此，浇注系统设计的主要目的是提高挤压铸件的质量。浇注系统分为水平、垂直和倾斜三种。水平浇注系统是指在同一平面上有多个浇口，使铸件均匀地充满整个圆面。

一般来说，倾斜浇注系统是为了方便打开浇口套，不利于排气，所以对于一些薄壁铝合金铸件来说，通常不采用这种方法。另外，在挤压铸造过程中，如果发现铝液流动速度不均匀或出现喷溅现象，应该及时调整浇口套的位置或更换浇口套。此外，在调整浇口套时，还应考虑到铸件的尺寸和壁厚。当铸件的厚度小于6 mm 时，应该使用低内径、小外径的浇口套；当铸件的厚度大于6 mm时，应该使用大内径、大外径的浇口套；当铸件的壁厚大于6 mm 时，应该使用高内径口套。

2.2 模具设计

在铝合金挤压铸造中，模具的设计也非常重要。在设计模具时，要考虑模具的结构、形状和材料等因素。一般来说，模具尺寸越大，则工件越容易出现缺陷；而模具形状越复杂，则工件的表面粗糙度也越高。因此，在设计挤压铸造模具时要注意这几点：

（1）合理选择挤压铸造模具的型腔尺寸。在设计挤压铸造模具时，可以先根据相关标准进行计算，然后再根据实际情况进行设计。例如在设计铸造模时，可以根据铝合金的熔点来确定型腔的高度和宽度。如果模腔高度太小，则容易出现漏铝现象；如果模腔高度太大，则容易出现分模困难现象。

（2）注意挤压铸造模具的材料和厚度。例如在设计铸铝模时需要选择高硬度、高强度、耐磨性好的材料；而在设计压铸件时则需要选择低硬度、低强度、耐磨性好的材料。

2.2.1 合金材料

挤压铸造需要使用的材料有很多，其中主要包括铝合金、铝镁合金和铁合金等。根据铸造条件的不同，所使用的材料也有所不同。例如，在铝硅合金中，通常使用1wt%的硅和5 wt%的铝，这两种合金都可以应用于挤压铸造。但是，由于硅含量较高，在高温下容易发生氧化，因此需要添加一些抗氧化元素。在铝镁合金中，主要使用1 wt%的镁，这些材料可以增强铝合金的抗拉强度和延伸率。另外，还应使用一些抗高温氧化性较好的材料。例如，在铁合金中使用1 wt%的铁、5 wt%的铜和3 wt%的锰可以提高其抗高温氧化性。在挤压铸造过程中，还应该注意材料的纯度问题。例如，在铝镁合金中加入铜和锰可以提高其抗氧化性和力学性能。但是，加入铜和锰后，如果没有进行适当的热处理，则会导致合金的使用寿命降低。

2.2.2 挤压过程

（1）挤压前准备工作；应对挤压设备进行检查，确保设备能够正常工作。在确定挤压温度后，应首先检查模具的尺寸是否与标准要求相符。如有不符合要求的地方，应及时调整，以确保模具能正常工作[2]。

（2） 挤压工艺参数；铝合金的凝固温度范围为1600℃-1900℃；铝合金的凝固速度范围为0-20mm/s；铝合金的凝固时间范围为5-30s；铝合金的凝固温度范围为300℃-350℃。对于不同合金的凝固特点，应采取相应的工艺参数。

（3）挤压速度及压力控制是决定合金质量的关键因素。挤压速度应根据合金材料和产品质量要求来确定，通常不超过40m/s。在正常情况下，应根据生产工艺要求控制挤压速度。对于大批量生产的产品，应采用自动控制系统来控制挤压速度。

（4）温度控制，为了保证金属在模具中冷却得均匀，应尽可能采用常温或较低温度进行模具加工。如果采用高温模具进行加工，则应通过保温措施使其温度降至200℃以下。

2.2.3 铝型材

铝型材是指以铝合金为主要材料制成的各种规格、形状和尺寸的型材。铝型材具有重量轻、强度高、导热性好等特点，广泛应用于工业、建筑和交通运输等领域。

在铝型材的生产过程中，需要对铝型材进行挤压铸造，这种方式是将铝型材直接加热到300℃-400℃，然后挤压到模具中。挤压铸造不仅可以提高生产效率，还可以节约大量的能源。然而，由于铝型材具有较大的尺寸，并且具有较大的表面积和表面张力，因此铝型材的表面质量往往不是很好。此外，由于挤压铸造需要很大的压力，所以对设备和模具材料要求较高。因此，这种方法虽然可以提高生产效率，但是生产成本也很高。对于一些大型的铝型材生产企业来说，这种方法并不合适。

2.3 铝合金铸件

（1）铸件的形状应根据使用要求和生产设备条件进行设计，并考虑到零件的形状和尺寸，合理设计。例如，当零件的尺寸较大时，可以设计成曲面造型。在曲面造型过程中，必须考虑到曲面造型的准确性，因此曲面造型成为了一种趋势。对于一些特殊的零件，如带有螺纹和带孔的零件，可以设计成平面造型。

（2）铸件壁厚是指铸件内部结构对外部结构的遮挡量。通常，铸件壁厚与所使用的模具材料、挤压工艺等密切相关。对于壁厚较大的产品，应考虑到挤压过程中的变形和温度梯度，确保壁厚设计合理。

（3）铸件尺寸应根据零件的结构、形状和尺寸确定。

3 压铸模的准备

挤压铸造模具是挤压铸造技术的基础，是整个生产过程的关键。压铸件的质量直接取决于压铸模的质量，所以，压铸模的生产和制造就显得尤为重要。

3.1 材料的选择

压铸模的主要材料有铸造钢、低合金钢和铝合金三大类。在挤压铸造工艺中，应根据具体情况选择合适的材料，并根据材料的性能合理地选择挤压铸造模具。当压铸件尺寸较小且形状复杂时，可以选择铸钢；当压铸件尺寸较大，形状简单时，可以选择铸钢和铝合金；对于压铸模的表面粗糙度要求较高时，可以选择模具钢。对于硬度要求不高的压铸模，可选择铸铁模具或高碳钢模具[3]。

3.2 加工工艺

压铸模的加工工艺对其质量影响很大。在加工过程中，应尽量采用较好的刀具和切削参数，并根据压铸产品的形状来选择合适的切削方法。此外，为了避免因为切削力过大而导致压铸产品表面粗糙度降低，应合理控制切削速度。由于挤压铸造是一种高速运动的过程，所以在加工过程中应尽量避免刀具产生过大的热变形。另外，为保证挤压铸造模具的使用寿命，还应选择合理的热处理工艺，并在模具上加工出与材料相对应的热影响区。同时，为了避免加工时出现过热现象，还应保证模具表面与金属液接触时不发生化学反应和粘结现象。在进行热处理时，应根据实际情况选择不同的温度、时间和气氛。

4 铸件浇注阶段

4.1 浇注温度

浇注温度是决定合金熔体能否顺利凝固的关键因素，与挤压铸造相比，挤压铸造中浇注温度通常为480-550℃，在此温度范围内，合金熔体具有良好的流动性，能够顺利流动并进行凝固。同时，该温度范围还能够减小压铸模中的气体压力，提高金属液的充型能力。

4.2 浇注系统

在铝合金挤压铸造中，浇注系统主要包括压射室、分型面、冒口等。在实际生产中，为了保证铸件的质量，通常需要根据产品的结构和技术要求选择合适的压射系统和浇注系统。在挤压铸造中，浇注系统由浇道和冷铁两部分组成。冷铁通常设置在压射室底部或底部上方，并与热铁进行连通。

4.3 压射速度

在铝合金挤压铸造中，压射速度是决定金属液能否顺利流动并进行凝固的重要因素。为了保证铝合金熔体具有良好的流动性和充型能力，必须根据产品结构和技术要求选择合适的压射速度。通常情况下，铝合金压射速大约为15m/s-30m/s 左右；对于薄壁铝合金铸件一般采用20-25m/s 左右；对于厚壁铝合金铸件一般采用30-50m/s 左右；对于一些特殊零件或大型铸件可以适当降低压射速，采用100-200m/s 左右的压射速度。

4.4 压射压力

压射压力是影响铝合金挤压铸造质量和速度的重要因素之一。在实际生产中，压射压力是指在一定的压射比条件下浇注系统中金属液流动时所能承受的最大压力（单位为MPa）。通常情况下，压射压力在6-10 MPa之间比较合适；但是在实际生产中通常采用压射比为2-4 之间较为合适；根据产品结构和技术要求，压射压力可以适当降低一些。

4.5 冷却方式和冷却速度

在挤压铸造中，冷却方式和冷却速度对铸件质量有重要影响。在实际生产中一般采用分段式冷却方式；对于厚壁铝合金铸件可以采用整体式冷却方式；对于壁厚较薄的铝合金铸件可以采用浸渍式冷却法；对于壁厚较大的铝合金铸件可以采用整体式冷却法。

4.6 浇注温度和模具温度

在铝合金挤压铸造中，浇注温度和模具温度是影响合金液流动速度、充型能力和产品质量的重要因素之一。在实际生产中，由于产品结构和技术要求不同，往往需要选择不同的浇注温度和模具温度；例如薄壁铝合金铸件一般采用250-400℃的浇注温度；对于壁厚较大的铸件或者大型零件需要采用500-600℃的浇注温度；对于壁厚较大、复杂形状、特殊结构铸件需要采用800-900℃的浇注温度。

4.7 脱模剂和补缩剂等其他辅助材料

在挤压铸造中使用的脱模剂有：树脂类脱模剂、聚乙烯醇类脱模剂、硅溶胶类脱模剂、无机类脱模剂等；在实际生产中常用的补缩剂有：金属硅溶胶、金属硅酸钠和铝酸钠等。

5 优化方向

（1）在铝合金挤压铸造过程中，模具结构的设计对挤压铸造过程中铸件缺陷和性能影响较大。因此，必须优化模具结构设计，提高模具使用寿命，提高挤压铸造的生产效率。

（2）采用挤压铸造生产铝合金大型铸件时，可以根据实际情况，通过调整模具结构和浇注系统设计来减少缺陷的产生。

（3）在铝合金挤压铸造过程中，有许多影响因素需要考虑：合金熔体的流动性、压铸机的压力、压铸速度、浇注温度、模具温度、挤压速度等。为了优化铝合金挤压铸造技术，必须根据实际情况调整相关参数，并采取适当的措施。

（4）在铝合金挤压铸造过程中，模具表面的质量会影响铸件表面的质量。因此，必须采取相应的措施来提高模具表面的质量。

（5）为了提高铝合金挤压铸造技术水平，必须对铝合金挤压铸造技术进行研究和开发。

（6）为了进一步提高铝合金挤压铸造技术水平，还必须加强对人才的培养和培训工作。只有这样才能更好地满足市场对铝合金挤压铸造产品日益增长的需求。

6 结论

铝合金挤压铸造是一种先进的铸造方法，具有生产效率高、质量好、成本低等优点。我国在铝合金挤压铸造方面的研究还比较落后，与发达国家相比，还有较大差距。近年来，随着我国经济的快速发展，对铝合金的需求量也不断增加，所以需要加强对铝合金挤压铸造技术的研究与开发。为此，研制出一套高性能的全自动挤出铸造装备，并拥有自己的知识产权，对推动国内挤压铸造工业的发展有着重要的意义。