熱擠壓用2系鋁合金鋁棒毛坯的重力鑄造工藝研究

王海濤，任榮，馮業(yè)文，孟現(xiàn)長

1.濱州渤?；钊邢薰?山東濱州 256600

2.東北大學(xué)冶金學(xué)院 遼寧沈陽 110819

1 序言

2系鋁合金是以Al-Cu系為基礎(chǔ)，然后再加入Mg、Mn等元素合成，硬度比較高，其中Cu含量最高，在3%～5%，強(qiáng)度和硬度也都較高，機(jī)械加工性能優(yōu)異，應(yīng)用較廣泛，是硬鋁中用量最大的合金。2系鋁合金是一種可熱處理強(qiáng)化加工的變形鋁合金，熱處理后強(qiáng)化效果更明顯。借助材料的塑性成形性能，根據(jù)生產(chǎn)要求在一定的溫度下對金屬進(jìn)行擠壓使其成為所需形狀。2A12鋁合金屬于Al-Cu-Mg系，其生產(chǎn)難度和擠壓難度較大，是變形鋁合金中最難擠壓的一個(gè)系列[1-2]。

2系鋁合金熱擠壓所用的鋁棒可用砂型鑄造、垂直直冷鑄造等工藝，但是砂型鑄造出的鑄件尺寸精度不高且每個(gè)鑄型只能澆注一次，生產(chǎn)效率太低；垂直直冷鑄棒鑄造成本較高、不易操作。而重力鑄造較其他鑄造方式有著很大的優(yōu)勢，液體金屬耗量少，可大大節(jié)省成本且鑄造出的鋁棒尺寸精度高，表面較光潔，不易損壞[3]。

金屬型重力鑄造是將金屬液傾注進(jìn)鑄型模具中，在金屬液自身重力作用下自下而上緩慢充滿型腔，隨后冷卻、凝固成形得到所需形狀的制品，成本較低且工序簡單。因此，我們制定了合理的生產(chǎn)工藝制度，通過重力鑄造獲取鋁棒毛坯鑄件，探究其是否能夠滿足2系鋁合金熱擠壓所用的棒材性能。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

國標(biāo)GB/P 3190—2008 中2A12鋁合金的化學(xué)成分要求和澆注的鋁棒毛坯試驗(yàn)原材料的化學(xué)成分見表1。

2.2 試驗(yàn)方法

（1）合金熔配 此次試驗(yàn)的原料主要包括純Al、Mg、Fe、Mn、Si、Zn，以及Al-Cu、Al-Ni、Al-Ti等中間合金，采用上述合金成分精確配置200kg爐料。

各元素根據(jù)所占比例稱量準(zhǔn)確后，將配料裝入石墨坩堝的電阻爐中，要嚴(yán)格控制熔煉的溫度及熔煉時(shí)間，不宜過高或過低。將熔煉溫度控制在800～850℃，先將純鋁在坩堝中熔化后，然后依次加入其他純金屬和中間合金。由于鎂元素化學(xué)性質(zhì)較活潑，因此最后加入純鎂。

待合金全部熔化后，靜置一段時(shí)間使其降溫，待熔液溫度降到750～780℃、扒渣后靜置10min后加入鎂塊，緩慢攪拌等待5～8min，使其成分均勻，然后取樣快速分析并調(diào)整成分，待成分合格后，開始在轉(zhuǎn)速為25r/min的除氣機(jī)上進(jìn)行精煉除氣操作，每100kg爐料加入六氯乙烷精煉劑300g，除氣12min，分兩次進(jìn)行。精煉除氣后靜置、扒渣并取樣測試氫含量，測得氫含量為0.08mL/100gAl，符合要求，待全部化學(xué)成分合格后立即進(jìn)行澆注。

表1 2A12鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）模具設(shè)計(jì) 根據(jù)重力鑄造工藝的要求設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 重力澆注模具

1）本次澆注鋁棒毛坯的模具材料采用的是45鋼，熱處理后的硬度為55～58HRC。

2）為有利于金屬液平穩(wěn)地進(jìn)入型腔，減少沖擊，將直澆道設(shè)計(jì)成蛇形狀。

3）在橫澆道處加有泡沫過濾器，垂直放在橫澆道內(nèi)，根據(jù)過濾器的過濾速度及過濾能力等因素，本次試驗(yàn)采用的過濾器規(guī)格是50PPI，孔徑越小，過濾效果就越好，這種小孔徑的過濾器能更有效地過濾出小尺寸夾雜物。過濾后的金屬液黏度降低、流動(dòng)性提高。

（3）鋁棒澆注

1）模具澆注前預(yù)熱。在澆注前要對鑄型模具進(jìn)行清理并預(yù)熱，未預(yù)熱的模具不能進(jìn)行澆注。若未進(jìn)行預(yù)熱直接澆注，不但會使注入的金屬液冷卻速度過快，流動(dòng)性降低，從而易造成縮孔、裂紋、氣孔等缺陷，還會使模具引起劇烈的膨脹和收縮，縮短模具的使用壽命[4]。本方案采用的預(yù)熱方法是將鑄型模具放在爐上烘烤，之后再將爐中金屬液澆注在鑄型模具表面，將其燙熱，從而提高模具的預(yù)熱溫度，模具的預(yù)熱溫度為300～350℃。

2）模具預(yù)熱后噴刷涂料。噴刷的涂料通常選用氧化鋅、水玻璃、石墨粉等各種耐火材料，噴涂時(shí)要平穩(wěn)地控制噴槍，將金屬型涂料噴涂至模具內(nèi)表面的各個(gè)地方。金屬型涂料可以改善鑄件的表面質(zhì)量，增加金屬液的流動(dòng)性，還容易使鑄件從模具中取出。

3）控制澆注溫度和澆注速度。澆注時(shí)的澆注速度應(yīng)先慢后快再慢。為避免金屬液流動(dòng)過長造成氧化，應(yīng)盡量使包嘴靠近澆道口，澆注時(shí)需兩人連續(xù)不斷地進(jìn)行澆注，不可斷流，保持穩(wěn)定的澆注速度，盡量使金屬液平穩(wěn)地沿澆道口進(jìn)入型腔，緩慢地自下而上填滿型腔，平穩(wěn)充型有利于排氣和撇渣?？刂茲沧囟葹?50～780℃，澆注速度為25～30mm/min。

4）控制開模時(shí)間。因?yàn)榭紤]到鑄型模具中鑄件的質(zhì)量，應(yīng)使模具在鑄造生產(chǎn)過程中保持溫度的穩(wěn)定，當(dāng)澆注完并開模取出鑄件后，如果靠自然冷卻將模具冷卻至規(guī)定溫度后再澆注，則需要的時(shí)間會較長，因此待澆注完成后，將模具整體放入水中進(jìn)行冷卻，這樣冷卻凝固速度快且有利于開模，還保持了鋁棒組織的晶粒度。待冷卻后將模具從水中取出，靜置幾分鐘后開模。開模后鑄件不動(dòng)，先將型芯取出，然后再取出鑄件。

（4）均勻化處理 2A12鋁合金是可熱處理強(qiáng)化變形鋁合金，經(jīng)固溶處理、自然時(shí)效或人工時(shí)效后可改善其力學(xué)性能，去除內(nèi)應(yīng)力，并具有優(yōu)異的成形性能和機(jī)械加工性能[5]。澆注好的鋁棒毛坯進(jìn)行后續(xù)熱處理，本次選用490℃的均勻化處理，保溫12h后出爐空冷，之后開始對其進(jìn)行熱擠壓操作。

（5）熱擠壓及熱處理 熱擠壓是在熱鍛溫度下對料桶內(nèi)的金屬坯料施加外力，借助材料塑性好的特點(diǎn)，使其通過擠壓模具的?？字辛鞒?，獲得所需斷面形狀和尺寸的一種加工方法[6]。本次擠壓試驗(yàn)在300t臥式熱擠壓機(jī)上進(jìn)行，擠壓比為12，擠壓溫度設(shè)定為450℃；擠壓前鋁棒進(jìn)行預(yù)備熱處理，預(yù)熱溫度為450℃，預(yù)熱時(shí)間3h；擠壓模具預(yù)熱溫度為480℃，保溫2h。之后將最優(yōu)化熱擠壓試驗(yàn)下的鋁棒在溫度為55～60℃的水中進(jìn)行淬火冷卻，隨后進(jìn)行時(shí)效處理，在溫度為160℃下時(shí)效8h，取出后空冷，并對擠壓后鋁棒進(jìn)行力學(xué)性能測試及分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 重力鑄造樣品件

根據(jù)生產(chǎn)條件及要求，通過重力鑄造生產(chǎn)了鋁棒毛坯，并進(jìn)行了均勻化處理和熱擠壓等，加工后樣品如圖2所示。

圖2 重力鑄造鋁棒及加工后效果

3.2 金相組織分析

在490℃×12h均勻化處理完成后的鋁棒底部取試塊進(jìn)行金相分析，圖3所示為鋁棒毛坯均勻化處理后的金相組織，從圖中可以看出經(jīng)過490℃保溫12h均勻化處理后的鋁棒鑄錠合金的鋁基體組織致密、分布較均勻，共晶網(wǎng)基本消失，且較難溶解的相發(fā)生分離，形成亮灰色的長條狀Fe相和暗灰色的不規(guī)則含F(xiàn)e和Si的相，非平衡低熔點(diǎn)的相溶解了很多。枝晶偏析組織基本消除，第二相組織細(xì)小并分布均勻，溶解到基體中的強(qiáng)化相增多，達(dá)到了強(qiáng)化的目的。

圖3 金相組織

3.3 力學(xué)性能分析

根據(jù)國標(biāo)技術(shù)要求，2A12鋁合金抗拉強(qiáng)度≥410MPa、屈服強(qiáng)度≥265MPa、硬度≥100HBW、伸長率≥12%。擠壓并完成熱處理后對其力學(xué)性能進(jìn)行測試，選取三個(gè)鋁棒從其中各取一個(gè)試樣，依照標(biāo)準(zhǔn)圖樣車削加工成拉伸試棒，隨后進(jìn)行力學(xué)性能測試，所獲得的力學(xué)性能數(shù)據(jù)如圖4所示。從圖4可以看出，熱處理后的樣品強(qiáng)度都有所提高且較穩(wěn)定，伸長率也稍有提高。其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率和硬度已達(dá)到指標(biāo)，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 鋁棒試樣的力學(xué)性能

4 結(jié)束語

1）通過對模具進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)并制定工藝參數(shù)及配合過濾等措施，用重力鑄造方法獲取了2系鋁合金熱擠壓所用的鋁棒毛坯。

2）熱處理后的鋁棒鑄件具有均勻細(xì)小的晶粒組織且表面質(zhì)量、尺寸均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3）采用重力鑄造并用熱處理工藝處理的鋁棒力學(xué)性能較好，從實(shí)際生產(chǎn)的制品來看，達(dá)到2系鋁合金熱擠壓所用棒材的材料性能要求，采用重力鑄造具有可行性。