高強(qiáng)度鋁合金鑄造和熱處理方法探究

王策 王龍

摘要：在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展過程中，高強(qiáng)度鋁合金鑄造工藝也越來越成熟，并衍生出多種新技術(shù)理論，促進(jìn)高強(qiáng)度鋁合金鑄造工藝的完善與發(fā)展。為進(jìn)一步保證高強(qiáng)度鋁合金鑄造質(zhì)量與效率，本文重點(diǎn)探究高強(qiáng)度鋁合金的制造工藝和熱處理方法，為相關(guān)技術(shù)人員提供一定參考。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度鋁合金;鑄造工藝;熱處理

一、前言

高強(qiáng)度鋁合金鑄件對(duì)鑄造工藝和熱處理方法有很大依附性，需要相關(guān)技術(shù)人員正確掌握高強(qiáng)度鋁合金鑄造工藝，結(jié)合鑄件特點(diǎn)制定合理的鑄造方案和熱處理方案，在此基礎(chǔ)上保證鑄件性能與質(zhì)量。在對(duì)高強(qiáng)度鋁合金進(jìn)行鑄造加工期間，要充分掌握鑄件鑄造提出的生產(chǎn)要求，優(yōu)選合理、先進(jìn)的鑄造技術(shù)和熱處理方法，保證鑄件性能，并不斷提升鑄造工作效率。

二、高強(qiáng)度鋁合金鑄造工藝

1、鑄件分析

為詳細(xì)探討高強(qiáng)度鋁合金的鑄造工藝，本文以某大型熔模精密鑄件為例分析其鑄造生產(chǎn)過程。在該鑄件鑄造生產(chǎn)期間，要求大型熔模精密鑄件鑄造為錐形，材料選擇高強(qiáng)度鋁銅合金，外形尺寸是（φ20cm～38cm）×50cm，最大壁厚是35mm，最小壁厚是3.5mm。該鑄件設(shè)計(jì)方案顯示在鑄件外圓方向布局有4根筋條，每一根筋條和筋條兩端屬于受力部位。鑄件選用高強(qiáng)度鋁銅合金材料，其中包含0.15%～0.35%的鈦元素、0.3%～0.5%的錳元素、4.6%～5.3%的銅元素，除此以外還包含部分釩元素、硼元素、鋯元素、鎘元素等。

2、鑄造方案

鑄造此熔模精密鑄件過程中，在確定材料后同步選擇硅溶膠熔模精密鑄造工藝。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使側(cè)柱和底柱彼此相結(jié)合，同時(shí)讓縫隙式澆道和周邊所設(shè)置的4根立柱相組合。因?yàn)橹亓茶T期間金屬液會(huì)對(duì)直澆道底部產(chǎn)生一定沖擊力，影響流動(dòng)性，所以經(jīng)過綜合考量，決定選擇蛇形直澆道。鑄造之前嚴(yán)格依據(jù)有關(guān)規(guī)定全面檢驗(yàn)高強(qiáng)度鋁合金材料質(zhì)量，保證材料中所有雜質(zhì)含量都符合相關(guān)規(guī)定，同時(shí)要事先準(zhǔn)備好精鋁錠和其他相關(guān)中間合金，回爐料用量不可超過總爐料30%[1]。由于所選材料中包含雜質(zhì)元素鐵，所以熔煉環(huán)節(jié)主要選擇石墨坩堝。

熔煉及澆注過程中，先在石墨坩堝當(dāng)中添加回爐料和精鋁錠，嚴(yán)密觀察合金融化過程，金屬液溫度上升至700～710℃之后，向其中加入金屬均勻攪拌5～10min。合金融化溫度上升至740℃左右，向其中加入中間合金，均勻攪拌5～10℃。當(dāng)溫度降低到約720℃可進(jìn)入到精煉環(huán)節(jié)，精煉期間溫度保持在720～740℃區(qū)間[2]。通過合理控制溫度，可避免出現(xiàn)渣難以上浮，進(jìn)而造成鑄件發(fā)生夾渣缺陷問題，并保證精煉效果。熔模精煉鑄造期間，精煉劑主要選擇六氯乙烷，用量是總爐料的0.5%～0.8%。精煉液利用鋁箔紙分包為7份左右，在鐘罩利用下分批將其壓入鋁液內(nèi)，后均勻、持續(xù)的攪拌15min。精煉結(jié)束后，靜置約18 min，當(dāng)溫度降低到720～730℃，經(jīng)檢查保證鏡面試樣符合相關(guān)規(guī)定后，按照技術(shù)規(guī)程進(jìn)行規(guī)范、快速的澆注，澆注時(shí)間不可超過2h。

3、缺陷處理

鑄造高強(qiáng)度鋁合金期間，容易受到材料特性、人員操作不當(dāng)?shù)纫蛩赜绊懯硅T件出現(xiàn)疏松、夾渣等缺陷，所以要求工作人員在鑄造高強(qiáng)度鋁合金期間嚴(yán)格把控好操作流程，一旦發(fā)生鑄造缺陷要及時(shí)處理。比如在鑄造錐形熔模精密鑄件過程中，要求工作人員嚴(yán)格控制好材料連續(xù)澆注操作和澆注時(shí)間，保證在2h以內(nèi)做完各項(xiàng)澆注操作，并確保合金材料成分均勻。由于澆注期間所選精煉劑為六氯乙烷，所以要同步選擇高純氬旋轉(zhuǎn)噴吹精煉方法，促使合金精煉效果明顯提升，并保證均勻、充分的攪拌合金液。

在鑄造此熔模精密鑄件過程中，因?yàn)榉桨钢性O(shè)置了四根筋條，而筋條根部厚度分布不均勻，所以鑄件鑄造期間容易出現(xiàn)疏松缺陷。工作人員在鑄造過程中，可通過刷水方式防范疏松缺陷，不過此方式具有較大控制難度，容易發(fā)生針孔、氣泡等缺陷。所以，為進(jìn)一步規(guī)避鑄件疏松缺陷，可于鑄件中每一條筋條根部的薄厚銜接部位加設(shè)工藝補(bǔ)貼，以此可使相應(yīng)部位薄厚更加均勻，從根源上避免鑄件疏松。

三、高強(qiáng)度鋁合金熱處理方法

高強(qiáng)度鋁合金鑄件熱處理，關(guān)鍵是進(jìn)一步強(qiáng)化鑄件力學(xué)性能，使鑄件機(jī)械性能進(jìn)一步提升。相比于普通鋁合金材料，高強(qiáng)度鋁合金更具強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，不過在鑄造環(huán)節(jié)也更容易受到多種因素影響發(fā)生夾渣、疏松等鑄造缺陷，進(jìn)而影響到鑄件力學(xué)性能。所以，此熔模精密鑄件在鑄造生產(chǎn)期間進(jìn)行熱處理，要結(jié)合實(shí)際情況合理設(shè)置固溶溫度，若固溶溫度設(shè)置過低同時(shí)保溫時(shí)間在9h以下，很難使強(qiáng)化相融入到鋁基本元素內(nèi)[3]。同時(shí)在淬火過程中要嚴(yán)格控制好鑄件冷卻速度，注意零件裝爐間隙應(yīng)充足，以免因相互交疊影響到鑄件冷卻速度。該大型熔模精密鑄件在鑄造生產(chǎn)期間為保證其力學(xué)性能，要結(jié)合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際情況合理設(shè)置熱處理工藝參數(shù)。合金固溶溫度應(yīng)保持在530～540℃區(qū)間，同時(shí)固溶保溫時(shí)間需保持在10～18h區(qū)間，要求時(shí)效溫度于170～180℃區(qū)間，時(shí)效保溫時(shí)間應(yīng)在 4h至6h區(qū)間。

鑄件出爐轉(zhuǎn)移到淬火槽這一環(huán)節(jié)時(shí)間要在20s以內(nèi)，以保證鑄件力學(xué)性能。鑄件熱處理期間，若環(huán)境溫度低于10℃，鑄件出爐轉(zhuǎn)移至淬火槽的時(shí)間不可超過15s。鑄件在固溶處理之后要及時(shí)冷卻，冷卻介質(zhì)主要選擇UCON水溶性介質(zhì)（濃度6%～10%），時(shí)效處理過程中要合理選擇箱式循環(huán)空氣過濾器，并嚴(yán)格控制好時(shí)效溫度。通過應(yīng)用固定工裝，可對(duì)鑄件變形加大控制力，并有效提升鑄件熱處理效率。鑄件車間可安裝智能溫度調(diào)控裝置，使環(huán)境溫度穩(wěn)定保持在10℃及以上。高強(qiáng)度鋁合金大熔模精密鑄件經(jīng)相關(guān)工藝參數(shù)熱處理后，其抗拉強(qiáng)度一般可達(dá)到甚至超過470MPa，斷后伸長(zhǎng)率均值保持在3%，最高為4.5%。

結(jié)束語

高強(qiáng)度鋁合金鑄件鑄造生產(chǎn)過程中，要注意結(jié)合實(shí)際情況，按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范與要求，選擇合適的鑄造工藝，科學(xué)制定熱處理方案，把握好各項(xiàng)關(guān)鍵要素，嚴(yán)格控制精煉溫度、合金融化溫度、熱處理工藝參數(shù)等。在高強(qiáng)度鋁合金鑄件鑄造以及熱處理期間，工作人員要全程嚴(yán)密觀察，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并同步進(jìn)行有效處理，保證鑄件整體力學(xué)性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]李宇飛，馮志軍，李澤華，阮明，蘇鑫.擠壓鑄造高強(qiáng)度鋁合金汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件[J].特種鑄造及有色合金，2019，39（12）：1308-1311.

[2]王華僑，王永鳳，郭玉，張權(quán)，付忠奎，馮四偉，羅海濤，趙華萍，李玉勝，翟虎，趙連君，趙偲宇.大型薄壁高強(qiáng)度鋁合金異型艙殼精密砂型鑄造成型關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究[J].模具制造，2019，19（03）：59-68.

[3]侯遠(yuǎn)飛，劉崇宇，戴海桃，陳勇，徐崢崢，彭英浩.鈧添加及熱處理對(duì)攪拌摩擦加工態(tài)7系鋁合金組織及力學(xué)性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2020，41（06）：32-38.

作者簡(jiǎn)介：

第一作者：王策（1993-），男，陜西西安人，漢族，本科，助理工程師，研究方向：鑄造技術(shù)。

第二作者，王龍（1993-），男，陜西寶雞人，漢族，本科，助理工程師，研究方向：鑄造技術(shù)。