鑄造工藝對(duì)ZL101鋁合金鑄件質(zhì)量影響的研究

黎靜妮 馮麗江 韋鳳萍 潘榮祿 鐘佳梅

【摘? 要】利用傳統(tǒng)的重力鑄造方法制備ZL101鋁合金，采用硬度測(cè)試、拉伸性能測(cè)試等實(shí)驗(yàn)方法研究鑄造工藝對(duì)ZL101鋁合金鑄件質(zhì)量影響。研究結(jié)果表明：熔煉溫度為720℃，合理的保溫時(shí)間能有效細(xì)化合金組織，當(dāng)保溫時(shí)間為20min時(shí)，粗大α-Al初生樹(shù)枝晶向細(xì)小胞狀晶與球狀晶轉(zhuǎn)變，共晶硅的形態(tài)也得到較好的改善，合金表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能，其中抗拉強(qiáng)度為260 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為6%，布氏硬度值為70 HBS。

【關(guān)鍵詞】ZL101鋁合金;鑄造工藝;力學(xué)性能

引言

鑄造是一種古老的制造方法，在我國(guó)可以追溯到6000年前。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，大型鑄件的質(zhì)量直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，因此，鑄造在機(jī)械制造業(yè)中占有重要的地位。鑄造技術(shù)的發(fā)展也很迅速，特別是19世紀(jì)末和20世紀(jì)上半葉，出現(xiàn)了很多的新的鑄造方法，如低壓鑄造、陶瓷鑄造、連續(xù)鑄造等，在20世紀(jì)下半葉得到完善和實(shí)用化。

鑄造是將通過(guò)熔煉的金屬液體澆注入鑄型內(nèi)，經(jīng)冷卻凝固獲得所需形狀和性能的零件的制作過(guò)程。鑄造是常用的制造方法，制造成本低，工藝靈活性大，可以獲得復(fù)雜形狀和大型的鑄件，在機(jī)械制造中占有很大的比重，如機(jī)床占60～80%，汽車(chē)占25%，拖拉機(jī)占50～60%。由于現(xiàn)今對(duì)鑄造質(zhì)量、鑄造精度、鑄造成本和鑄造自動(dòng)化等要求的提高，鑄造技術(shù)向著精密化、大型化、高質(zhì)量、自動(dòng)化和清潔化的方向發(fā)展，例如我國(guó)這幾年在精密鑄造技術(shù)、連續(xù)鑄造技術(shù)、特種鑄造技術(shù)、鑄造自動(dòng)化和鑄造成型模擬技術(shù)等方面發(fā)展迅速。

ZL101鋁合金是一種通過(guò)鑄造方式制備得到的研究和應(yīng)用最為廣泛的鋁硅鎂合金，該合金中Si元素的占比約為6.5～7.5%，其中還含有少量的Mg（0.25～0.45%），為亞共晶合金。該合金具有強(qiáng)度高、韌性以及良好的耐蝕性等多項(xiàng)優(yōu)異力學(xué)性能和物理性能，并且還可以通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚硎蛊浼庸ば阅?、材料塑性以及合金表面性能都獲得顯著提升，能夠有效滿足汽車(chē)部件的輕量化要求。適用于各種鑄造方法。根據(jù)之前的學(xué)者研究可以知道，合金經(jīng)過(guò)熱處理以后，Mg2Si等強(qiáng)化相析出后均勻的分布在基體的周?chē)?在Al-Si鍛造金屬中，鍛造的材料其組織大都為長(zhǎng)針狀的共晶硅，且α-Al枝粗大，分布較差且微觀組織粗大導(dǎo)致了合金的力學(xué)性能較差。

1.實(shí)驗(yàn)儀器和材料

本實(shí)驗(yàn)主要用到的原材料有純鋁錠、鋁硅合金、鎂錠、鋁鉺等中間合金。ZL101鋁合金試樣中主要組為Al、Si、Mg，主要成分如表1所示。

實(shí)驗(yàn)所需的主要設(shè)備有：坩堝熔煉爐（型號(hào)：A25;溫度范圍：30～1300℃）、加熱電阻爐（型號(hào)：SX2-8-10;最高上升溫度為1000℃）等。

2.實(shí)驗(yàn)方法

ZL101合金熔煉的流程是：將預(yù)先稱好量的純鋁放入熔煉爐內(nèi)，隨爐緩慢加熱到750℃。鋁熔化完全后，把稱好的鋁硅中間合金放到熔煉爐中，待其完全熔后，再把事先用鋁箔包好的Mg加入爐中，待合金完全融化，保溫20 min，加入惰性氣體除氣，扒渣，靜置30分鐘。澆注預(yù)熱至200-300°C的模具（如圖1所示）中，待其凝固后即可開(kāi)模，取出試樣。試樣規(guī)格如圖1所示。

3.實(shí)驗(yàn)分析

圖3、圖4、圖5、圖6為ZL101在不同的鑄造工藝下的拉伸曲線圖。從圖中可以清楚地看出，合理的側(cè)保溫時(shí)間能提高ZL101的力學(xué)性能。熔煉時(shí)間為720℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間的增加，合金的抗拉強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)熔煉溫度為720℃+保溫時(shí)間20min時(shí)，ZL101鋁合金的抗拉強(qiáng)度最優(yōu)。表2為ZL101鋁合金熔體在不同保溫時(shí)間后的硬度值，從表中可以看出，當(dāng)保溫時(shí)間為25Min時(shí)，合金布氏硬度值為72HB。

在鑄造過(guò)程中，隨著冷卻強(qiáng)度的增加，鋁合金鑄件結(jié)晶速度提高，熔體中溶質(zhì)元素來(lái)不及擴(kuò)散，過(guò)冷度增加，晶核增多，因而得到細(xì)小晶粒。此外，提高冷卻速度，還可以細(xì)化一次晶化合物尺寸，減小區(qū)域偏析的程度;鑄造速度的快慢直接影響鑄錠的結(jié)晶速度及過(guò)渡帶寬窄，是決定鑄錠質(zhì)量的重要參數(shù)。隨著鑄造速度的提高，鑄錠形成冷裂紋的傾向降低，熱裂紋的傾向升高;提高鑄造溫度，使鑄錠晶粒粗化傾向增加。在一定范圍內(nèi)提高鑄造溫度，鑄錠液穴變深，結(jié)晶前沿溫度梯度變陡，結(jié)晶時(shí)冷卻速度大，晶內(nèi)結(jié)構(gòu)細(xì)化，降低鑄造溫度，熔體粘度增加，補(bǔ)縮條件變壞，疏松、氧化膜缺陷增多。在較低的澆注溫度下時(shí)， 鋁合金的初生 α-Al 組織以少量等軸狀和薔薇狀的 形態(tài)出現(xiàn)， 在較高的澆注溫度下， 組織中的初生 α-Al 則傾向于以樹(shù)枝晶形態(tài)出現(xiàn)， 而且隨著澆注溫度的增高， 枝晶間距也不斷增大 。這是因?yàn)樵谳^高溫度下進(jìn)行澆注， 鑄件將較多熱量傳給金屬型腔， 使型腔被加熱到較高溫度， 減慢了合金凝 固時(shí)的冷卻速度， 鑄件凝固時(shí)間變長(zhǎng)， 初生 α-Al 長(zhǎng)大時(shí)間增加， 故容易出現(xiàn)明顯的粗大樹(shù)枝晶。 而隨著澆注溫度降低， 金屬傳給型腔的熱量不斷減少， 使合金在凝固過(guò)程中具有較高冷卻速度， 鑄件組織逐漸由較為粗大的樹(shù)枝晶轉(zhuǎn)變成相對(duì)細(xì)小的 薔薇狀枝晶， 且枝晶間距變小，進(jìn)而導(dǎo)致初生 α-Al 長(zhǎng)大時(shí)間短，不易形成發(fā)達(dá)樹(shù)枝晶， 而呈現(xiàn)出較多的細(xì)小初生α-Al等軸晶。通過(guò)以上冷卻速度、鑄造速度、鑄造溫度、澆注溫度等鑄造工藝的調(diào)整控制，才能保證鋁合金具有良好的組織和性能，滿足人們的需求。

4.討論

由于鋁的熔點(diǎn)低，流動(dòng)性好，具有很好的鑄造性能，因此容易制造出形狀復(fù)雜的零件。擠壓鑄造是對(duì)澆注鑄型型腔內(nèi)的液態(tài)金屬施加較高的機(jī)械壓力，并使其成形和凝固，從而獲得鑄件的一種工藝方法。擠壓鑄造工藝技術(shù)具有產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良，節(jié)約能源，改善環(huán)境及廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，愈來(lái)愈受世人關(guān)注，各國(guó)加速了該工藝的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。隨著我國(guó)汽車(chē)、軍工、航天等行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)擠壓鑄造件的需求量加大，且對(duì)鑄件的要求性能越來(lái)越高。因此，研究擠壓鑄造工藝參數(shù)對(duì)鑄件微觀組織和力學(xué)性能的影響具有重要的意義。學(xué)者通過(guò)使用田口方法，近液相線試驗(yàn)分析法來(lái)優(yōu)化擠壓鑄造技術(shù)參數(shù)，以期獲得具有優(yōu)良特性的ZL101鋁合金制件。學(xué)者采用田口方法研究擠壓鑄造制件的最佳工藝參數(shù);同時(shí)，采用田口方法的方差，研究最佳擠壓鑄造工藝參數(shù);最后采用近液相線試驗(yàn)法研究工藝參數(shù)對(duì)ZL101鋁合金制件微觀組織，力學(xué)性能，密度，孔隙率，收縮率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：采用田口方法對(duì)ZL101鋁合金擠壓鑄造進(jìn)行優(yōu)化，獲得最佳的工藝參數(shù)為壓力為150MPa，模具預(yù)熱溫度為100℃，澆注溫度為720℃。采用帕累托ANOVA方差計(jì)算出擠壓鑄造工藝參數(shù)對(duì)拉伸強(qiáng)度，伸長(zhǎng)率和硬度的貢獻(xiàn)率。擠壓鑄造壓力對(duì)拉伸強(qiáng)度，硬度和伸長(zhǎng)率的貢獻(xiàn)率分別是59.8%，65.4%和68.8%;擠壓鑄造澆注溫度對(duì)拉伸強(qiáng)度，硬度和伸長(zhǎng)率的貢獻(xiàn)率分是36.4%，20.9%，19.1%;

擠壓鑄造模具預(yù)熱溫度對(duì)拉伸強(qiáng)度，硬度和伸長(zhǎng)率的貢獻(xiàn)率分別是3.8%和13.7%，12.1%。擠壓鑄造工藝參數(shù)對(duì)ZL101鋁合金貢獻(xiàn)率為壓力>澆注溫度>模具預(yù)熱溫度。在近液相線制備的擠壓鑄造制件具有近球形組織，組織致密，孔隙相對(duì)較少。隨著澆注溫度的降低，鑄件密度逐漸增加，孔隙逐漸減少。當(dāng)澆注溫度為6300C，晶粒的平均尺寸值是36.36μm，平均球狀系數(shù)的值是0.75。隨著壓力的升高，密度逐漸增加，孔隙逐漸減少，收縮率逐漸減小。當(dāng)壓力為150MPa時(shí)，制件的微觀組織和力學(xué)性能相對(duì)較好。

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基金資助：2019年百色學(xué)院自治區(qū)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：《鑄造工藝對(duì)ZL101鋁合金鑄件質(zhì)量影響的研究》（項(xiàng)目編號(hào)201910609078）。

作者簡(jiǎn)介：黎靜妮（1996-），女，漢族，百色學(xué)院金屬材料工程專業(yè)2016級(jí)學(xué)生。

百色學(xué)院? ? 廣西百色? ? 533000