高強(qiáng)度壓鑄鋁合金及其熱處理的研究

黃彩江++曹志成++劉洋

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)的合金行業(yè)也在不斷的向前發(fā)展，研究高強(qiáng)度壓鑄鋁合金及其熱處理對(duì)合金行業(yè)的意義重大。鋁合金行業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了汽車(chē)等工業(yè)的發(fā)展，但由于汽車(chē)等行業(yè)的發(fā)展加大了對(duì)鋁合金的需求量，因此，又反過(guò)來(lái)促進(jìn)了鋁合金行業(yè)的發(fā)展。但是目前的鋁合金鑄造技術(shù)很難滿(mǎn)足這么大量的市場(chǎng)需要。該研究者在該研究中通過(guò)闡述高強(qiáng)度壓鑄鋁合金及其熱處理的內(nèi)涵，分析了高強(qiáng)度壓鑄鋁合金優(yōu)化的影響因素和試驗(yàn)過(guò)程、試驗(yàn)結(jié)果以及高強(qiáng)度壓鑄鋁合金熱處理優(yōu)化的影響因素和試驗(yàn)過(guò)程、試驗(yàn)結(jié)果，為合金行業(yè)的發(fā)展提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度 鋁合金 熱處理

中圖分類(lèi)號(hào)：TG14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（b）-0090-02

High Strength Die Casting Aluminum Alloy and Its Heat Treatment

HUANG Caijiang CAO Zhicheng LIU Yang

（Huomeihongjun Aluminum and Power Co. Ltd， Tongliao， Neimenggu， 029200 China）

Abstract：With the rapid development of science and technology，China's alloy industry is constantly moving forward， research and high-strength aluminum alloy die-casting alloy heat treatment on the significance of a major industry.The development of aluminum industry， promote the development of automobile industry，but due to the development of automobile and other industries has increased the demand for aluminum and，therefore，in turn，promote the development of the aluminum industry.However， the current aluminum casting technology is difficult to meet the needs of such a large number of markets.In this study，the author describes a high strength aluminum die-casting by its heat content，analyzes the influencing factors and the factors affecting the testing process and test of high-strength aluminum die-casting process optimization， test results and high strength die-cast aluminum heat treatment optimization the test results provide a reference for the development of alloys industry.

Key words：High strength；Aluminum alloy；The heat treatment

高強(qiáng)度壓鑄的鋁合金強(qiáng)度較大、抗蝕性能和鑄造性能都比普通的鋁合金要好，因?yàn)樗哂袃?yōu)良的性能被廣泛應(yīng)用于電器工業(yè)、汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域。鋁合金行業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了汽車(chē)等工業(yè)的發(fā)展，但由于汽車(chē)等行業(yè)的發(fā)展加大了對(duì)鋁合金的需求量，因此，又反過(guò)來(lái)促進(jìn)了鋁合金行業(yè)的發(fā)展。但是目前的鋁合金鑄造技術(shù)很難滿(mǎn)足這么大量的市場(chǎng)需要。那么，研究高強(qiáng)度壓鑄鋁合金及其熱處理的優(yōu)化迫在眉睫。

1 關(guān)于高強(qiáng)度壓鑄鋁合金及其熱處理

顧名思義，高強(qiáng)度壓鑄鋁合金是一種通過(guò)高溫高壓的方式來(lái)壓鑄鋁合金材料的過(guò)程，這是一種節(jié)約能源和改善環(huán)境的材料鑄造方式，是人類(lèi)生產(chǎn)生活和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必然成果。高強(qiáng)度壓鑄鋁合金可以通過(guò)熱處理的方法強(qiáng)化鑄件的性能，是現(xiàn)有的所有材料成型的方法中最為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠又可靠的處理方法。高強(qiáng)度壓鑄的鋁合金由于其輕量化的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)以及材料密度小、塑性好、易加工、導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能較好、強(qiáng)度比較高等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)如機(jī)械制造業(yè)、航空航天業(yè)、兵器工業(yè)以及船舶業(yè)中被廣泛應(yīng)用。高強(qiáng)度壓鑄的鋁合金的使用量?jī)H次于鋼，普通的重力鑄造等合金的鑄造成型方式鑄成的材料的經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)縮孔疏松、晶粒過(guò)大等不足，但高強(qiáng)度壓鑄鋁合金結(jié)合了鑄造和鍛造特點(diǎn)的液態(tài)成形技術(shù)，不僅能夠減少縮孔疏松現(xiàn)象，還能夠細(xì)化晶粒，所以，鑄造出的鑄件有比較優(yōu)良的力學(xué)性能。與此同時(shí)，高強(qiáng)度的鑄造方式能提高流動(dòng)性小的材料的充型能力，能夠?qū)⒉牧现圃斐尚螤畋容^復(fù)雜的鑄件，而且高強(qiáng)度鑄造過(guò)程中材料的利用率比較高，制造出的零件表面比較理想，不需要再次加工。

2 高強(qiáng)度壓鑄鋁合金優(yōu)化研究

2.1 高強(qiáng)度壓鑄鋁合金優(yōu)化的影響因素

高強(qiáng)度壓鑄鋁合金的材料成型方法對(duì)鑄件的微觀和宏觀部分都有比較大的影響，所以，找到高強(qiáng)度壓鑄鋁合金優(yōu)化的影響因素是保證零件質(zhì)量的關(guān)鍵。優(yōu)化高強(qiáng)度壓鑄鋁合金的主要影響因素包括：金屬材料的熔體質(zhì)量、比壓的大小、澆注時(shí)的溫度、澆注模具的預(yù)熱溫度以及施壓的時(shí)間間隔和保壓的時(shí)間間隔等。比壓就是單位面積鋁合金熔體所承受的壓力。高強(qiáng)度鑄造方式區(qū)別于普通鑄造的最明顯特點(diǎn)是鋁合金熔體在很高的壓力條件下結(jié)晶，而比壓就是零件組織和力學(xué)性能最大的影響因素。現(xiàn)在，絕大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為比壓對(duì)于鑄件組織和力學(xué)性能有影響是由于加大了鋁合金液的過(guò)冷度，使其形核率增大；或者是由于比壓能夠減小零件與澆注模具之間的氣隙，零件與澆注模具的界面換熱率加大，鋁合金的凝固速度加快。此外，當(dāng)比壓大小適宜時(shí)，零件的微觀組織能夠明顯得到改善，且高強(qiáng)度壓鑄時(shí)鋁合金液在高壓力下凝固，凝固時(shí)高壓對(duì)鋁合金材料有強(qiáng)制補(bǔ)縮作用，可以高效的縮孔縮松，提高鑄件質(zhì)量。高強(qiáng)度壓鑄過(guò)程中，如果比壓過(guò)小，零件的質(zhì)量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求；如果比壓過(guò)大，對(duì)鋁合金的力學(xué)性能的增強(qiáng)效果變差，還極易損壞澆注的模具，如澆注模具出現(xiàn)裂紋或者毛刺，這會(huì)增加零件脫模的難度，加大了零件成型過(guò)程中的能量消耗。所以，選擇比壓時(shí)，不僅要滿(mǎn)足鑄件的力學(xué)性能，還要考慮加工過(guò)程中對(duì)設(shè)備的消耗和成型加工成本。澆注溫度是高強(qiáng)度壓鑄鋁合金過(guò)程中的又一優(yōu)化影響因素，液態(tài)鋁合金澆注進(jìn)模具型腔時(shí)的溫度對(duì)于零件的質(zhì)量和模具的使用壽命都有很大的影響。當(dāng)澆注溫度過(guò)低時(shí)，鋁合金液的流動(dòng)性小，充型能力低，尤其是在澆注形狀比較復(fù)雜的鑄件時(shí)，很容易發(fā)生充型不足和零件表面冷隔的次品；當(dāng)澆注溫度高于標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)，鋁合金液在轉(zhuǎn)移過(guò)程中容易氧化，沖頭在高壓下易發(fā)生熔體噴濺，零件的厚大部分會(huì)發(fā)生熱節(jié)或縮孔縮松。此外，過(guò)高的澆注溫度對(duì)于澆注模具的冷熱沖擊也很大，澆注模具非常容易發(fā)生破裂。模具的預(yù)熱溫度對(duì)于高強(qiáng)度壓鑄過(guò)程中的界面熱交換率有很大的影響，不適當(dāng)?shù)哪＞哳A(yù)熱溫度會(huì)破壞零件的微觀組織和力學(xué)性能。當(dāng)澆注模具的預(yù)熱溫度低于標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)，模壁附近的鋁合金液激冷會(huì)造成鑄件表面冷隔，使形狀復(fù)雜的鑄件充型不足，降低零件的鑄件合格率，澆注模具的熱應(yīng)力也會(huì)受到損壞，容易過(guò)早失效；當(dāng)澆注模具的預(yù)熱溫度高于標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)，零件會(huì)發(fā)生熱節(jié)和縮孔縮松，澆注模具與零件之間容易粘合，降低澆注模具的使用壽命。一般情況下，鑄造過(guò)程中的保壓時(shí)間應(yīng)控制到零件完全凝固為止。如果保壓時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)加大脫模的難度，加長(zhǎng)生產(chǎn)周期，加大對(duì)模具和設(shè)備的消耗，增加生產(chǎn)成本；如果保壓時(shí)間太短，零件的厚大部位還沒(méi)有完全凝固，會(huì)發(fā)生零件補(bǔ)縮不足、表面不光潔的現(xiàn)象，降低零件的質(zhì)量。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

試驗(yàn)分析不同的影響因素對(duì)于高強(qiáng)度壓鑄鋁合金優(yōu)化的影響時(shí)，這里選擇采用單因素分析法。試驗(yàn)比壓對(duì)于鋁合金的微觀組織和力學(xué)性能的影響時(shí)，控制比壓在0～74兆帕之間，觀察鋁合金的抗拉能力、屈服能力和伸長(zhǎng)率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋁合金的抗拉能力、屈服能力和伸長(zhǎng)率都隨著比壓的加大而增加，當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)控制壓力超過(guò)74兆帕?xí)r，發(fā)現(xiàn)鋁合金的抗拉能力、屈服能力和伸長(zhǎng)率沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明壓力超過(guò)74兆帕?xí)r比壓對(duì)于鋁合金的力學(xué)性能的影響減小。其他條件相同，控制澆注溫度，隨著澆注溫度的升高，鋁合金鑄件的質(zhì)量先升高后下降，當(dāng)澆注溫度為鋁合金的最高結(jié)晶溫度1 000攝氏度左右時(shí)鑄件質(zhì)量最優(yōu)。所以，鋁合金的澆注溫度應(yīng)該選擇合金的最高結(jié)晶溫度?？刂破渌麠l件相同，改變模具的預(yù)熱溫度，觀察鑄件的質(zhì)量和模具的反應(yīng)，鋁合金的高強(qiáng)度澆注過(guò)程中模具的預(yù)熱的最適宜溫度一般為2 000～3 000攝氏度。此外，壓力試驗(yàn)時(shí)我們還發(fā)現(xiàn)：當(dāng)加大壓力且鋁合金液體的溫度超過(guò)鋁合金液相線(xiàn)很大時(shí)，這種壓力會(huì)使得晶粒的尺寸加大，而當(dāng)鋁合金液體的溫度與鋁合金液相線(xiàn)基本等同時(shí)，這種壓力會(huì)對(duì)鋁合金液體過(guò)冷有非常明顯的作用，能夠得到比較優(yōu)質(zhì)的微觀組織，當(dāng)鋁合金液體的溫度小于鋁合金液相線(xiàn)時(shí)，能夠得到尺寸比較微小的零件微觀組織。試驗(yàn)研究鋁合金液體溫度時(shí)，應(yīng)該控制其他條件相同，改變鋁合金的液體溫度，結(jié)果顯示：對(duì)于高強(qiáng)度壓鑄鋁合金，稍大于6 800攝氏度時(shí)對(duì)于提高零件頂部的性能有幫助，而稍小于6 800攝氏度時(shí)，對(duì)于零件底部的性能有幫助，因此，液態(tài)鋁合金的最適宜溫度大約為6 800攝氏度左右。

3 高強(qiáng)度壓鑄鋁合金熱處理優(yōu)化研究

3.1 高強(qiáng)度壓鑄鋁合金熱處理優(yōu)化的影響因素

高強(qiáng)度壓鑄鋁合金熱處理優(yōu)化的影響因素包括以下幾點(diǎn)：固溶溫度、固溶時(shí)間、時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)間、淬火速度以及微量元素的添加等。在高強(qiáng)度壓鑄鋁合金熱處理過(guò)程中，相同的固溶溫度和固溶時(shí)間條件下，高強(qiáng)度壓鑄鋁合金比普通壓鑄方法中的晶間第二相溶解更加充分。高強(qiáng)度壓鑄合金在熱處理過(guò)時(shí)效后具有更優(yōu)良的穩(wěn)定性，這主要是由于高強(qiáng)度壓鑄合金的晶粒細(xì)，彌散沉淀顆粒小且數(shù)量多的緣故。在高強(qiáng)度壓鑄鋁合金熱處理時(shí)添加鈧對(duì)于鋁合金液體的沉淀行為有及時(shí)、強(qiáng)化的作用。當(dāng)固溶溫度為5 400攝氏度時(shí)，熔體中的鈧化三鋁能夠基本固溶進(jìn)鑄件內(nèi)，并且在之后的均勻沉淀強(qiáng)化中，可以使鋁合金鑄件強(qiáng)化的有效晶體顆粒間的距離明顯減小，很大程度上增強(qiáng)鑄件的力學(xué)性能；當(dāng)固溶溫度為5 000攝氏度時(shí)，熔體中的絕大多數(shù)鈧化三鋁還沒(méi)有溶解到鑄件內(nèi)，這會(huì)導(dǎo)致時(shí)效過(guò)程中鈧化三鋁直接在鑄件表面上彌散析出，鈧化三鋁的均勻沉淀被抑制，從而使得鑄件的力學(xué)性能降低。此外，固溶時(shí)間控制在12h是比較合適的時(shí)間，>12h的固溶時(shí)間就不會(huì)再提高鑄件的力學(xué)性能。對(duì)于拉伸后的鋁合金的沉淀強(qiáng)化，當(dāng)1 900攝氏度的時(shí)效后6～10h鋁合金鑄件的硬度值達(dá)到最大，如果繼續(xù)時(shí)效鑄件的硬度會(huì)下降；而1 500攝氏度的時(shí)效下，鋁合金鑄件會(huì)時(shí)效后48時(shí)候出現(xiàn)斜方晶系的沉淀，即鋁合金鑄件的硬度進(jìn)入第二階段的強(qiáng)化。硫相是鋁合金鑄件進(jìn)入第二階段強(qiáng)化的主要因素，硫相在鋁合金鑄件硬度最大時(shí)會(huì)在鋁合金鑄件表面形成密集的沉淀組織。當(dāng)時(shí)效溫度大約在2 500攝氏度時(shí)，鋁合金熔體的時(shí)效響應(yīng)速度也比較大，但是由于析出相的改變，這個(gè)溫度下鑄件的峰值強(qiáng)度要比1 650攝氏度時(shí)效溫度下的鋁合金鑄件峰值強(qiáng)度要小很多，這說(shuō)明高溫時(shí)效會(huì)抑制鑄件沉淀析出；相比之下短時(shí)間的人工時(shí)效對(duì)于鋁合金鑄件的高溫持久性能可能更有利一些。此外，在對(duì)鋁合金鑄件進(jìn)行固溶處理時(shí)，隨著固溶溫度的增大，鋁合金鑄件的力學(xué)性能會(huì)先增加后下降，相對(duì)于固溶溫度來(lái)講，固溶時(shí)間對(duì)于鋁合金的微觀組織和力學(xué)性能的影響不是很明顯。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

試驗(yàn)分析不同的影響因素對(duì)于高強(qiáng)度壓鑄鋁合金熱處理優(yōu)化的影響時(shí)，這里選擇采用單因素分析法。將鋁合金的熱處理過(guò)程控制其他條件相同，單一因素不同，如不同的固溶溫度、不同的固溶時(shí)間、不同的時(shí)效溫度、不同的時(shí)效時(shí)間、不同的淬火速度條件下以及加入不同的微量元素下分別進(jìn)行熱處理，觀察鋁合金移位中沉淀的發(fā)生情況、最終鑄件的力學(xué)性能以及模具等設(shè)備的反應(yīng)情況等。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)固溶溫度為5 400攝氏度、固溶時(shí)間為12h、時(shí)效溫度約1 700攝氏度、時(shí)效時(shí)間為8h時(shí)所采用的優(yōu)化熱處理所制造的鋁合金力學(xué)性能最優(yōu)。此外，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在高強(qiáng)度壓鑄鋁合金熱處理時(shí)添加鈧對(duì)于鋁合金液體的沉淀行為有及時(shí)、強(qiáng)化的作用，鋁合金鑄件的硬度會(huì)增大。在鋁合金熔體中加入適量的銀，添加銀的鋁合金鑄件中沉淀的析出相明顯多于沒(méi)有添加銀的鋁合金；而且添加0.6%的銀的鋁合金在熱處理狀態(tài)下可以大量的沉淀析出，這樣，鋁合金鑄件的硬度更大，而加入0.9%的銀的鋁合金在熱處理狀態(tài)下也可以大量的沉淀析出，但是沉淀析出不多，鋁合金鑄件的硬度也沒(méi)有那么大，結(jié)果表明添加0.6%的銀的鋁合金鑄件質(zhì)量最優(yōu)。

4 結(jié)語(yǔ)

該研究采用單因素分析法試驗(yàn)了不同的影響因素對(duì)于高強(qiáng)度壓鑄鋁合金及其熱處理的影響并得出最優(yōu)的處理?xiàng)l件。在高強(qiáng)度壓鑄鋁合金時(shí)用最佳的壓鑄條件可以很大程度上改善原合金的力學(xué)性能并有效保護(hù)模具等加工設(shè)備。在經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗?，也能夠有效提高壓鑄鋁合金的力學(xué)性能?？傊?，應(yīng)該不斷地運(yùn)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)去探究高強(qiáng)度壓鑄鋁合金及其熱處理的優(yōu)化，使鋁合金的綜合力學(xué)性能達(dá)到最好，進(jìn)而帶動(dòng)其他行業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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