鑄造鋁合金冷卻速度對凝固組織的影響實(shí)驗(yàn)分析

張國棟

（晉能控股集團(tuán)裝備制造公司中央機(jī)廠，山西 大同 037000）

在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，鋼鐵是重要的材料，得到了廣泛應(yīng)用。隨著科技的進(jìn)步，鋼鐵材料已不能滿足高科技行業(yè)輕量化的需求。鋁合金作為良好的輕量化材料，廣泛應(yīng)用于高鐵、航空等行業(yè)[1]。鑄造鋁合金相對鋼鐵材料不僅同樣具有成熟的鑄造工藝技術(shù)，且輕量化、高強(qiáng)度的特征使其成為使用量增加最多的金屬材料。鑄造鋁合金的耐磨性較好，添加了硅元素提高了鋁合金的流動(dòng)性[2]，減少了在鑄造過程中產(chǎn)生的缺陷。鑄造鋁合金在鑄造生產(chǎn)的過程中，模型的冷卻速度不同，對鋁合金產(chǎn)品的成型及組織材料具有不同的影響。針對鑄造鋁合金的冷卻速度的影響[3]，對不同冷卻速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，為鑄造過程的工藝參數(shù)選擇提供參考，通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)，提高鑄造鋁合金的性能。

1 鑄造鋁合金冷卻速度實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

選擇薄壁鋁合金鑄造件，輪廓尺寸為176 mm×157 mm×256 mm，壁厚最大值為29 mm，最小值為4 mm，底座壁厚為13.5 mm，整體質(zhì)量為3.8 kg，分析冷卻速度對鑄造鋁合金形成固態(tài)組織的影響作用。由于鑄件的整體構(gòu)型相對復(fù)雜，在傳統(tǒng)的鑄造生產(chǎn)中，常采用重力砂型鑄造的方式，但因壁厚相差較大[4]，構(gòu)件各部位的冷卻速度不同，造成產(chǎn)品的成品率較低。

對構(gòu)件采用低壓鑄造的方式進(jìn)行生產(chǎn)，金屬液通過自下而上的方式進(jìn)行充型，可以減少金屬液的卷氣、飛濺等引起的缺陷[5]，在壓力的作用下金屬液完成凝固，可以提高構(gòu)件的組織致密性，提高產(chǎn)品的成品率。

鑄件材質(zhì)選用A356鋁合金，在電阻爐中將金屬融化后取出溶液中的雜質(zhì)及氧化層，在形成的合金液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的C2Cl6作為精煉劑，煉制20 min，煉制溫度保持在450℃，靜置15 min。采用側(cè)注的方式進(jìn)行澆注，在壓力的作用下通過管道進(jìn)入澆道內(nèi)流入型腔中[6]。澆注方式采用手抬澆包的方式，澆注溫度為740℃，澆注速度為100 mm/s，將合金液澆注到澆口杯中[7]，保證金屬液充滿澆口杯。

在進(jìn)行鑄造的過程中，對構(gòu)件的不同位置處設(shè)置不同的冷鐵，從而改變金屬液的冷卻速度，冷鐵的位置分布如圖1所示。在構(gòu)件的四個(gè)不同位置處，A處的壁厚為13 mm，設(shè)置冷鐵，B處的壁厚為10 mm，沒有冷鐵，C處的壁厚為29 mm，設(shè)置冷鐵，D處的壁厚為29 mm，沒有冷鐵。

圖1 不同冷卻位置的設(shè)置

進(jìn)行構(gòu)件的澆注后，進(jìn)行凝固的過程可以分為三個(gè)階段，即液相階段、糊狀階段及固相階段。金屬液進(jìn)入砂箱后，由于與砂箱的溫度差異較大，急劇散熱，溫度的下降較為迅速[8]，此階段為液相階段。隨著溫度的下降，液體逐漸凝固，形成糊狀的組織，并釋放出結(jié)晶形成的潛熱，造成冷卻速度的降低，此階段為糊狀階段。隨著溫度的繼續(xù)下降，金屬結(jié)晶的相變逐漸結(jié)束[9]，金屬液完全凝固，形成構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，此階段為固相階段。在構(gòu)件的大致相同的壁厚位置處，設(shè)置有、無冷鐵兩種不同的冷卻方式，改變冷卻速度，對形成的構(gòu)件金屬組織進(jìn)行分析。

2 鑄造鋁合金冷卻速度實(shí)驗(yàn)?zāi)探M織分析

在金屬液進(jìn)行冷卻凝固的過程，即內(nèi)部枝晶完成成形、生長、粗化的過程。在型腔內(nèi)部的金屬液溫度降低到液相線溫度時(shí)，金屬液鋁合金開始結(jié)核，枝晶開始生長，且沿著溫度的梯度方向生長。隨著溫度的繼續(xù)降低[10]，枝晶開始隨機(jī)生長或逐漸粗化。當(dāng)溫度達(dá)到固相線時(shí)，枝晶停止生長。在冷卻凝固的過程中，冷卻的速度越快，則金屬液的過冷度越大，產(chǎn)生的凝固組織的變化越大。

對形成的金屬構(gòu)件的4個(gè)不同位置采用掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行探測分析，其SEM照片如圖2所示。由圖2可以看出，在形成的構(gòu)件中，4個(gè)位置的組織均較為致密，沒有明顯的缺陷。將圖中的A、B及C、D照片進(jìn)行兩兩對比，可以看出在相同近似的壁厚下，采用冷鐵的位置處形成的二次枝晶的間距較小[11]，且A、B位置處的枝晶間距明顯小于C、D位置處。這是由于壁厚較小時(shí)或采用冷鐵后，金屬液的冷卻速度快，過冷度較大，形成的二次枝晶的間距較小。由此可知，在鑄造鋁合金冷卻的過程中，在相同的條件下，較快的冷卻速度有利于減小枝晶的間距，對枝晶間距的細(xì)化具有較好的效果。

圖2 不同位置處的SEM照片

冷卻速度對鋁凝固的枝晶間距具有明顯的影響作用，而凝固過程中，共晶硅形成于鋁枝晶之間[12]，對構(gòu)件不同位置出的共晶硅進(jìn)行電子顯微鏡掃描，得到不同位置處的共晶硅SEM照片，如圖3所示。

圖3 不同位置處的共晶硅SEM照片

從圖3中可以看出，在A、B、C位置處的共晶硅多呈短棒或球狀組織的形式，且B、C兩處的細(xì)小組織相對A處的要多，且分布不均，A處的共晶硅組織分布較為均勻，而D處的共晶硅則多呈片狀組織的分布，且分布較為集中。在A、B位置處，由于壁厚較小，在凝固過程中過飽和的硅原子在較快的冷卻速度下難以形成有效的聚集，從而造成共晶硅的組織較為細(xì)小。在C、D位置處，在相同的壁厚作用下，C位置由于冷卻速度較快，金屬液凝固加快，造成了硅原子的擴(kuò)散作用不能充分發(fā)揮，無法形成較大的共晶硅組織。由此可知，在鑄造鋁合金冷卻的過程中，在相同的條件下，較快的冷卻速度有利于減小共晶硅組織，對共晶硅組織的細(xì)化具有較好的效果。

3 結(jié)語

鋁合金材料是高科技行業(yè)發(fā)展輕量化重要的金屬材料，由于材質(zhì)的成分較為復(fù)雜，在進(jìn)行鑄造的過程中，模型冷卻速度的不同，對材料的成型組織具有較大的影響。針對鑄造鋁合金的凝固過程，選用薄壁的鋁合金構(gòu)件，在不同位置設(shè)置冷鐵，從而改變金屬液的冷卻速度，并對冷卻后的金屬組織進(jìn)行分析。結(jié)果表明，金屬液進(jìn)行冷卻凝固的過程，即內(nèi)部枝晶組織完成成形、生長、粗化的過程，在相同的條件下，較快的冷卻速度有利于減小枝晶的間距。在枝晶組織之間的共晶硅組織，在相同的條件下，較快的冷卻速度有利于減小共晶硅組織。對鑄造鋁合金加快冷卻速度，可以提高對組織的枝晶細(xì)化及共晶硅組織的細(xì)化，從而提高鑄造鋁合金的性能，有利于鋁合金材質(zhì)的使用。