淺析高強鋁合金部件的鑄造及熱處理工藝

隨著航空航天及汽車領(lǐng)域中零部件集成化、輕量化的要求越來越高。輕質(zhì)、高強鋁合金在優(yōu)化鑄造性能及熱處理工藝方面，已成為高強鋁合金發(fā)展的必然趨勢。本文通過分析高強鋁合金部件的鑄造和熱處理工藝，推廣高強鑄造鋁合金在生產(chǎn)中的實際應(yīng)用。提高鋁合金鑄件的性能和質(zhì)量，加深對高強度鋁合金鑄造和熱處理工藝的進(jìn)一步研究，以便能夠最大程度地滿足實際生產(chǎn)活動的需要，確保在實踐中獲得預(yù)期效果。不斷研究新的技術(shù)理論將有助于改進(jìn)高強鋁合金的鑄造及熱處理工藝，提高高強鋁合金部件的質(zhì)量和性能。

1 鑄造高強鋁合金概述

鑄造鋁合金是指在純鋁中加入其它金屬元素通過鑄造方法澆鑄毛坯或零件的鋁合金材料。鑄造鋁合金的化學(xué)成分和加工方式與形變鋁合金存在差異性。高強度鑄造鋁合金具有強度高、耐久性好、經(jīng)濟(jì)性好、耐腐蝕等優(yōu)點。相關(guān)材料的國外研究者，通過添加不同的元素來調(diào)整高強鋁合金的硬度和強度，其合金化程度越來越高。同時，通過采用先進(jìn)的純凈化熔煉技術(shù)攻關(guān)，保障了鋁合金的雜質(zhì)含量越來越低，純度越來越高，目的是讓不同元素之間的組合達(dá)到最佳配合比

。然而，我國高強鋁合金的研究起步較晚，雖然在高強鋁合金研發(fā)方面投入了大量的人力物力，但研究成果與國外先進(jìn)國家仍存在差距。經(jīng)過多年研究，在專業(yè)化鑄造及熱處理工藝探索方面也取得了很大進(jìn)展。目前，我國高強鋁合金已大量用于航空航天及民用領(lǐng)域，如航空發(fā)動機殼體的生產(chǎn)。

鑄造高強鋁合金可分為鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金、鋁鋅合金和鋁稀土合金。不同類型的鋁合金具有不同的性能。A1-Si系合金它的鑄造性能好，強度中等，除過共晶合金外，一般具有中等的切削和焊接性能，主要用于中等載荷的結(jié)構(gòu)零件和形狀復(fù)雜的殼體類零件中

。A1-Cu系合金其具有良好的綜合性能，如較高的強度和塑性，良好的高溫性能，易于切削加工，但該合金凝固區(qū)間大，合金的偏析及熱裂傾向大。如目前國內(nèi)強度最高的ZL205A鑄造鋁合金其強度可達(dá)500Mpa以上，可達(dá)到或高于部分鋼鐵材料的強度水平，可用于承受大載荷的結(jié)構(gòu)零件，圖1是河北鋼研德凱公司生產(chǎn)的部分ZL205A熔模精密鑄件。A1-Mg系合金其具有很好的力學(xué)性能，即較高的強度和良好的延伸性能，不僅抗蝕性能穩(wěn)定，同時還具有良好的切削性能，主要用于制造耐腐蝕部件。Al-Zn系合金具有很好的力學(xué)性能和韌性，但鑄造性能和抗蝕性能較差，高溫性能不好，密度較大，應(yīng)用較少。Al-Re系合金是新型合金，主要特點是熱膨脹系數(shù)低，鑄造件性能優(yōu)良，氣密性高，不易發(fā)生熱裂和疏松。鋁稀土鑄造合金，因混合稀土與其他元素形成難溶的金屬間化合物，分布在晶界，起高溫強化作用，可在溫度300℃～400℃下長期工作。

2 鑄造高強鋁合金的鑄造工藝

高強鋁合金鑄件的制備工藝包括砂型鑄造、金屬型鑄造、熔模鑄造、石膏型鑄造、泡沫型鑄造、低壓鑄造等等。砂型鑄造是以原砂為骨料的鑄造工藝，其生產(chǎn)的鋁合金鑄件最大尺寸達(dá)2000mm以上，是目前鋁合金鑄件主要的鑄造方式。用其生產(chǎn)的鑄件尺寸精度達(dá)到CT8級，表面粗糙度Ra≤12.5μm，但是該鑄造方式澆鑄過程中的粘結(jié)劑分解產(chǎn)生大量氣體，因此對環(huán)境有一定影響。金屬型鑄造是將金屬液在重力作用下注入金屬鑄型中進(jìn)行凝固的過程，該法一般用于生產(chǎn)中小型鑄件，且鑄件結(jié)構(gòu)較為簡單，但由于金屬鑄型導(dǎo)熱能力好，金屬液凝固速度快，導(dǎo)致鑄件晶粒細(xì)小，鋁合金鑄件的強塑性均較好。熔模鑄造可生產(chǎn)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，可實現(xiàn)近終成型的鑄造方式，其生產(chǎn)的鑄件尺寸精度可達(dá)CT6級，表面粗糙度Ra≤6.3μm，可實現(xiàn)鑄件不加工或少加工的目的，特別適應(yīng)目前航空航天領(lǐng)域部件高質(zhì)量、輕量化、集成化的目的，深受行業(yè)青睞。石膏型鑄造是另外一種實現(xiàn)大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件的鑄造方式，以此方法生產(chǎn)的鑄件最小壁厚小于1mm，但是由于石膏導(dǎo)熱能力差，鑄造工藝控制不當(dāng)極易出現(xiàn)針孔、疏松等缺陷。低壓鑄造是利用氣體壓力將金屬液壓入鑄型，使金屬液在壓力的作用下充型凝固的鑄造工藝，這種方法特別有利于復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件的制備，且鑄件力學(xué)性能好、工藝出品率高，目前也已大量應(yīng)用于鋁合金鑄件產(chǎn)品的生產(chǎn)中。

3 鑄造高強鋁合金的熱處理工藝

鋁合金的優(yōu)越性反映在大量合金的開發(fā)和商業(yè)應(yīng)用上，其具有良好的機械和物理性能，可以對零件進(jìn)行退火、固溶熱處理、淬火、沉淀硬化、時效或上述方法結(jié)合的熱處理措施來實現(xiàn)。在熱處理過程中，鋁合金共晶相的溶解度隨著溫度的升高而增加，析出相的形成和分布直接影響材料的性能。除了與可溶性元素和化合物相關(guān)的相和形態(tài)變化外，其他效應(yīng)伴隨著高溫?zé)崽幚磉^程，如：凝固組織中的偏析現(xiàn)象被減少或消除，由凝固或預(yù)先淬火引起的殘余應(yīng)力降低，不溶相可能會發(fā)生物理變化，腐蝕敏感性可能會受到影響等等。中國熱處理標(biāo)準(zhǔn)化委員會規(guī)定了工業(yè)使用的標(biāo)準(zhǔn)鋁合金熱處理實踐要求，劃分了不同的鋁合金熱處理的不同狀態(tài)：鑄態(tài)（F）、退火（T2）、固溶加自然時效（T4）、固溶加不完全人工時效（T5）、固溶加完全人工時效（T6）、固溶加穩(wěn)定化處理（T7）、固溶加軟化處理（T8）、高低溫處理（T9）。熱處理的特定標(biāo)準(zhǔn)和使用通常由制造商根據(jù)需要制定相應(yīng)工藝規(guī)范或與賣方單獨協(xié)商。

在高強度鋁合金的鑄造和熱處理過程中，制定和實施工藝方案時，應(yīng)充分考慮高強度鋁合金的冶金質(zhì)量、尺寸精度及性能一致性。由于鋁合金鑄件結(jié)構(gòu)及合金成分的影響，必須優(yōu)化鑄造鋁合金的機械性能。并通過100%X射線檢測鑄件質(zhì)量，以確保高強度鋁合金鑄造和熱處理工藝的有效性。

4 高強度鋁合金鑄造難點分析

在實踐中，高強度鋁合金鑄件的鑄造方法仍有改進(jìn)空間。鑄造高強鋁合金作為大型復(fù)雜薄壁異形結(jié)構(gòu)鑄件的主要鑄造方式，在原材料純凈度、鑄造方法選擇方面都有非常高的要求。例如，復(fù)雜薄壁多油管路鑄件，在實際鑄造過程中，對鑄造方法的要求非常高。以下分析了鑄造的難點和問題。具體體現(xiàn)在：

常規(guī)的熱處理工藝通常是基于高強度鋁合金鑄造行業(yè)的技術(shù)規(guī)范和要求。但是當(dāng)用于執(zhí)行不同鑄件及不同鑄造方式時，熱處理工藝就會產(chǎn)生差異。其難點主要體現(xiàn)在：鑄件尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚差異大，熱處理過程的組織調(diào)控難度加大，最終導(dǎo)致力學(xué)性能控制一致性困難。由于鑄件結(jié)構(gòu)、尺寸和壁厚的影響，鋁合金在熱處理過程中不同厚度冷卻速度差異大，導(dǎo)致鑄件組織差異大、鑄件變形控制難以達(dá)到預(yù)期效果，圖4是不同淬火溫度和鋁合金鑄件厚度的冷卻速率。熱處理工藝進(jìn)行過程中缺乏參考材料，各制造商一般都會將自己的熱處理工藝規(guī)范作為商業(yè)秘密保護(hù)起來，這增加了實際熱處理的難度，大大增加了高強度鋁合金熱處理的難度，導(dǎo)致高強度鋁合金的適用范圍受到損害。

中國科技教育的由來與現(xiàn)狀 中國早在2001年就對STEM教育有了關(guān)注，并將其由國外引入。隨著時間的推移，對STEM教育的研究在2016達(dá)到高潮，教育領(lǐng)域意識到STEM教育的重要意義，積極推動STEM教育。在一些學(xué)校中，除學(xué)科實驗室之外，科創(chuàng)教育聯(lián)盟理工實驗室也已經(jīng)完成建設(shè)，中小學(xué)引進(jìn)并開設(shè)相關(guān)課程，一些教育研究團(tuán)隊致力于開發(fā)系列課程。

高強鋁合金在鑄造過程中，不同部位的鑄造質(zhì)量出現(xiàn)差異，會出現(xiàn)力學(xué)性能一致性差的情況。但是，鑄造高強鋁合金要求具有較高的機械性能。為了滿足實際生產(chǎn)工藝的需要，保證鑄造過程中良好的力學(xué)性能。通過提高鑄造工藝力學(xué)性能參數(shù)的合理性，為擴(kuò)大高強鋁合金的適用范圍提供堅實基礎(chǔ)。大型復(fù)雜鑄件由于各部位凝固順序及凝固速度的差異導(dǎo)致各部位組織性能差異大，力學(xué)性能的一致性很難得到滿足，對鑄造產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性構(gòu)成潛在威脅。圖3是某ZL116合金某大型結(jié)構(gòu)件不同部位的組織圖（T6態(tài)），圖中可以看出鑄件2圖晶粒組織更加細(xì)小，該部位的強度和塑性也更優(yōu)。

鑄造高強鋁合金的鑄造壁厚較薄，幾何尺寸普遍偏大，鋁合金充型時間相對較長。在高強鋁合金鑄造成型過程中，部分鑄造件直徑達(dá)2000mm，高度一般大于250mm。在實際鑄造中，鋁合金填充方式的整個時間比其他中小型合金填充方式要長得多，經(jīng)常出現(xiàn)充型不完整的情況。而且成形過程需要的時間相對較長

，這給高強度鋁合金的質(zhì)量保證帶來了重大挑戰(zhàn)和困難。

5 熱處理工藝難點分析

首先從犯罪主體的年齡上來說，必須是年滿十六周歲的具有刑事責(zé)任能力的自然人，同時這里的醉酒需要達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，如果不符合標(biāo)準(zhǔn)只能認(rèn)定為“酒后駕駛”，達(dá)不到醉駕標(biāo)準(zhǔn)只需要承擔(dān)相應(yīng)的行政責(zé)任，而不需要承擔(dān)刑事責(zé)任。其次，有些學(xué)者在該罪名主體的研究上，會將無證駕駛和醉酒駕駛進(jìn)行某種程度上的混淆，因為我國新的道路交通法規(guī)定，無證駕駛的行為人需要處以一定的行政拘留和罰款，但是無證同時醉駕的行為人是不是構(gòu)成醉酒型危險駕駛罪呢？筆者認(rèn)為這個答案是肯定的。醉駕之所以受到處罰是出于對其行為的危害性考慮，跟其行為人有沒有駕駛證并沒有直接的影響，可以作為醉駕行為的一個嚴(yán)重結(jié)果。

6 高強度鋁合金鑄造及熱處理工藝方案分析

隨著社會物質(zhì)生活水平的不斷提高，社會大眾對高品質(zhì)羊肉需求量不斷增加，這直接促進(jìn)了羊養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，羊養(yǎng)殖規(guī)模不斷向集約化和規(guī)?；较虬l(fā)展。但在羊養(yǎng)殖中，散養(yǎng)養(yǎng)殖模式依然占據(jù)主導(dǎo)地位，由于養(yǎng)殖技術(shù)和養(yǎng)殖觀念比較落后，在對羊群進(jìn)行常規(guī)疫苗免疫接種后，寄生蟲病防治并沒有引起養(yǎng)殖戶的重視。該病的病原多種多樣，不同的消化道線蟲造成的臨床癥狀存在較大差異性，常表現(xiàn)混合感染。因此，在做好消化道線蟲病診治前，一定要明確消化道線蟲的種類，然后采取針對性措施進(jìn)行診治。

6.1 可靠的鑄造工藝方案分析

應(yīng)考慮高強度鋁合金鑄件的原材料的雜質(zhì)含量，以確保合金熔化的純凈度。以保證其獲得良好的鑄造效果，并優(yōu)化其安全性能。通過了解和掌握高強鋁合金在鑄造過程中的合金配比、鑄造溫度和工作過程是一項重要的試驗研究。為了保證高強度鋁合金滿足相應(yīng)質(zhì)量要求，保證良好的鑄造效果和高效的鑄造工藝，應(yīng)考慮以下幾個方面：了解合金中的雜質(zhì)含量，評估鑄件的機械性能，改進(jìn)鑄造工藝。首先，從原材料方面選擇合適的高強度鋁合金原料，評估每個制造商的產(chǎn)品是否符合材料選擇標(biāo)準(zhǔn)，并評估鑄件的機械性能，確保選材質(zhì)量。其次，通過測定高強度鋁合金的抗拉強度和屈服強度，嚴(yán)格保證高強鋁合金的伸長率，了解添加不同合金的功能特性，確保鑄造鋁合金的質(zhì)量和可靠性

。為了提高鑄造方案的適用性和合金的熔煉效果，通過計算機動態(tài)模擬分析，對鑄造方案中存在的問題進(jìn)行詳細(xì)的分析，并采取相應(yīng)的措施加以解決。同時，合理設(shè)置鑄造工藝參數(shù)，確保鑄件化學(xué)成分的均勻性和穩(wěn)定性，提前制定完善的工藝方案。與相關(guān)技術(shù)操作人員和相關(guān)技術(shù)理論進(jìn)行仔細(xì)思考和討論，及時、準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)不合適的工藝方案并進(jìn)行調(diào)整，確保方案的適用性。

循環(huán)經(jīng)濟(jì)以資源的高效利用和循環(huán)利用為核心，在循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈當(dāng)中，廢塑料回收利用是不可或缺的重要組成部分。中國是全球最大的廢塑料再利用國家之一，據(jù)預(yù)測到2025年，中國的城市固體廢物產(chǎn)生量或?qū)⑦_(dá)到世界總量的近四分之一。提高廢塑料回收利用率，對于發(fā)展可循環(huán)經(jīng)濟(jì)有著極大的促進(jìn)作用。

6.2 科學(xué)的熱處理工藝方案分析

在制定高強度鋁合金的熱處理工藝時，應(yīng)根據(jù)其功能特性確定適當(dāng)?shù)臒崽幚韰?shù)，為后續(xù)熱處理方案的實施提供堅實基礎(chǔ)。在研究高強度熱處理工藝方案時，應(yīng)確定相應(yīng)的熱處理參數(shù)。對熱處理溫度范圍、熱處理時間進(jìn)行調(diào)整，應(yīng)特別注意熱處理工藝參數(shù)的合理性，以確保相關(guān)參數(shù)在熱處理過程中的有效性。充分研究鑄件熱處理過程的變形規(guī)律，采用反變形工裝設(shè)計，對熱處理過程鑄件的變形情況加以控制，保證鑄件尺寸偏差。

7 結(jié)語

提高高強鋁合金鑄件的生產(chǎn)加工水平，必須充分考慮各種熱處理技術(shù)的優(yōu)勢。為延長鑄件壽命提供可靠的技術(shù)保證。因此，在今后高強度鋁合金的生產(chǎn)過程中，應(yīng)充分重視鑄造和熱處理工藝，明確工藝操作要點。提高操作人員的責(zé)任感，實現(xiàn)工藝的有效控制，促進(jìn)高強鋁合金生產(chǎn)加工的持續(xù)改進(jìn)，促進(jìn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展。在先進(jìn)的操作技能和理論知識的引導(dǎo)下，鑄件也可以滿足生產(chǎn)本身的標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，將先進(jìn)的理論和技術(shù)知識整合到生產(chǎn)和鑄造系統(tǒng)中是非常有用的。正確認(rèn)識高強鋁合金鑄造技術(shù)的應(yīng)用和探索，提高高強鋁合金的鑄造效率。目前，我國對超強鋁合金熱處理的研究和開發(fā)相對緩慢，在熱處理研究方面與國際水平存在一定差距。只有加大投入研究資源，才能使我們的研究成果得到進(jìn)一步提高。

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