低壓鑄造鋁合金缺陷分析與熱處理工藝分析

牛德良，趙立偉，崔巖峰

（中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機有限公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

伴隨著科學技術(shù)的創(chuàng)新和改進，當代制造材料的組成有了明顯的改變，高密度材料使用比例降低，低密度材料使用比例上升，輕金屬材料應(yīng)用范圍日益拓展和延伸，逐漸朝著輕量化、高性能、多功能、環(huán)保以及再生等趨勢發(fā)展。鋁合金有著較強的力學性能和強度以及鑄造性能，能夠為運輸安裝提供便利，減少零部件冷卻時間，導(dǎo)電性能良好，便于回收再利用，在減少生產(chǎn)周期的基礎(chǔ)上降低生產(chǎn)成本輸出，適合在航天航空、汽車和機械制造等工業(yè)中廣泛應(yīng)用。

1 鑄造鋁合金的基本特征

鑄造鋁合金和以往的鑄造機相比較而言，特征主要表現(xiàn)在以下幾點：

1.1 鑄造鋁合金自動控制系統(tǒng)

第一，在采取鑄造工藝的時候，引進自動化控制系統(tǒng)具有十分重要的意義，它可以避免受到不良因素的影響，提升鑄造產(chǎn)品的安全性和穩(wěn)定性，自動化控制系統(tǒng)是在以往鑄造工藝的基礎(chǔ)上形成的，它是由監(jiān)控采集系統(tǒng)、操作控制平臺等多個系統(tǒng)相互構(gòu)建而成，這一系統(tǒng)提供的鋁合金扁錠鑄造工藝參數(shù)準確性高，用戶在運行期間，可以從實際情況出發(fā)，合理選擇參數(shù)。此外，不可以隨意修改鑄造過程中的一些參數(shù)，有的參數(shù)只有在經(jīng)過用戶允許之后，才可以做出相應(yīng)的整頓，將其納入?yún)?shù)庫內(nèi)，豐富參數(shù)庫的內(nèi)容。

第二，鑄造鋁合金控制系統(tǒng)，自身具備完善的工藝參數(shù)庫，它能夠準確的控制各個環(huán)節(jié)，提升鑄件的整體水平，保證鑄件質(zhì)量，減少了人員自身功能工作壓力，并且在這一系統(tǒng)設(shè)計和布局中，輸出成本較小，便于應(yīng)用。

1.2 結(jié)晶器

結(jié)晶器和我國傳統(tǒng)的紫銅結(jié)晶器相比較而言，性能更好。結(jié)晶器是鑄造鋁合金的主要部分，它是由鋁合金結(jié)構(gòu)和不銹鋼結(jié)構(gòu)相互組建而成，方便快捷。在結(jié)晶器中，將內(nèi)部水腔分為兩個部分，分別為一次水室和二次水室，這兩種水室相互聯(lián)系，自身都具備單獨的噴水孔。在進行鑄造的時候，冷卻水流經(jīng)噴水孔，打開分水閥之后，冷卻水從兩次水室中進入一次水室，其冷卻效果較好，應(yīng)用廣泛。

1.3 其它特征

鑄造鋁合金穩(wěn)定性好，安全度高。從實際情況來看，Wagstaff的引錠頭包含兩種類型，分別為鋼質(zhì)、鋁合金質(zhì)，這兩種類型性質(zhì)相同，比較適合應(yīng)用于不同類型的鋁合金制造中。運行流程為：引錠頭腔體周圍有一些排水孔，在鑄造期間，將冷卻水從排水孔中運出，再者，引錠頭中間呈現(xiàn)凸起情況，它可以保證其穩(wěn)定性。

2 鑄造鋁合金缺陷

鋁合金屬于一項有色金屬結(jié)構(gòu)材料，由于性能良好而被廣泛應(yīng)用到了工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，比如在我國航空或者是汽車制造等行業(yè)中，均應(yīng)用了鋁合金材料。基于相對干凈的大氣環(huán)境中，鋁合金表面逐漸形成了一項保護氧化層，防止受到侵蝕影響，不過，該項氧化膜非常薄，經(jīng)常受損，當處于酸性和堿性環(huán)境中還會發(fā)生一系列的溶解現(xiàn)象。受上述情況的影響，就需要引進與之相符的表面處理工藝，將防腐防污染材料涂抹到鋁合金中，從而防止鋁合金受到腐蝕。

2.1 鑄造裂紋

鑄件形狀有著復(fù)雜性的特征，在凝固期間項位置的冷卻速度是不一樣的，形成了巨大的內(nèi)應(yīng)力，在應(yīng)力遠遠超出了合金材料抗拉強度以后逐漸逐漸被抗裂。裂紋表現(xiàn)為了熱烈為和冷裂紋兩方面，前者是沿晶開裂，裂縫呈現(xiàn)出了氧化黑色，形狀不規(guī)則，冷裂紋沿著境內(nèi)開裂，斷口沒有氧化，銀色發(fā)亮。要想叫李文有效消除最為合理的工藝措施是明確合金化學成分，雜質(zhì)含量不符合標準，以免熔體過熱，在爐內(nèi)停留的時間不能太長，合理控制鑄造溫度和鑄造速度，保持液體金屬流動和冷卻的均勻性，以免插入雜物。

2.2 花邊狀組織

邊界晶粒呈現(xiàn)出了波浪狀花邊形狀態(tài)，類似于鑄造邊晶，呈現(xiàn)出了羽毛狀，顯微組織相互平行，產(chǎn)生原因是因為化學成分調(diào)整不合理，溶體太熱，停留時間非常長，鑄造度升高，結(jié)晶體非常愛變質(zhì)。細化劑自身的作用卻是要想將花邊狀組織有效消除，就需要嚴格控制合金化學成分、雜質(zhì)含量，不可以超出標準合理的設(shè)計結(jié)晶裝置，精準控制容量、鑄造溫度和時間，添加細化劑。

2.3 光亮晶粒

在鑄件發(fā)生了合金元素非常低的貧乏固溶液的情況下，晶粒粗大，呈現(xiàn)出了樹枝狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)組織，硬度比正常組織沿低，產(chǎn)生原因是因為鑄造期間漏斗溫度非常低，底部逐漸形成了低成分固溶液一次晶的結(jié)構(gòu)，依照原成分不斷長大，在重量達到一定程度以后，形成了光亮晶粒，降低了合金強韌度。具體的均勻涂抹物料澆筑之前提前預(yù)熱，漏斗沉入金屬液不可以過深，嚴格控制鑄造的溫度均勻平穩(wěn)。

2.4 澆不足

由于澆筑溫度特別低，鑄件凝固速度非常快，不符合標準要求，存在著凝固成型的現(xiàn)象，形成了澆不足的情況，形成了鑄件產(chǎn)品不完善的情況。由于澆筑系統(tǒng)通道比較狹窄，鋁液流量小，形成了瓶頸，在澆筑流量小于鋁業(yè)填充速度的情況下，變形成了問題，成為廢品。預(yù)防措施是對相關(guān)的系統(tǒng)加以設(shè)計和改進，增加鋁業(yè)的容量預(yù)熱模板的過程中，避免鋁業(yè)冷速過快，使涂了保持均勻性，不可以太薄，保障模具的排氣通暢。

2.5 縮松

鋁合金液溫度和澆筑溫度處于偏高的狀態(tài)，冷卻速度十分緩慢，收縮程度大，導(dǎo)致晶粒粗大，力學性能下降，形成了廢品，預(yù)防措施是改進工藝，制定規(guī)范性的操作流程，合理控制合金加熱溫度和澆筑溫度，涂料不可以太薄，盡量確保住件設(shè)計的對稱性，厚薄懸殊不可以太大。

2.6 氧化夾渣和氣孔

由于操作不到位，鋁業(yè)進入了型腔以后產(chǎn)生了噴濺現(xiàn)象，氣體被包裹在鑄件內(nèi)部，金屬產(chǎn)生了氧化，形成氧化夾雜鋁業(yè)內(nèi)有著體積較小的氫氣時，將會形成不規(guī)則的小孔洞，一般表現(xiàn)為厚大砂型鑄件。鋁合金鑄件的物理和化學性能下降，影響了產(chǎn)品組織性能的核心效果，所以需要引進合理的工藝，精心操作，澆筑過程中保持鋁業(yè)流速的平衡性，降低沖擊力，明確具體的融化溫度和澆筑溫度，檢驗爐料的清潔度。

3 實驗操作流程

3.1 實驗材料和相關(guān)儀器

在本次實驗探究期間，采取的實驗材料是非常多的，大體上表現(xiàn)為以下幾點：

其一，以5083鋁合金為主，把三組一樣的鋁合金材料當成一項樣本，分別進行命名，命為甲組、乙組和丙組。

其二，把表面鈍化劑、自拋光無銅防污漆、環(huán)氧丙烯酸連接漆以及環(huán)氧厚漿防腐底漆等留作備用。

其三，在該項實驗環(huán)節(jié)中，所應(yīng)用的實驗儀器包含了電化學阻抗譜儀、液壓附著力測試儀。

3.2 制備防腐防污涂層體系

為了和相關(guān)的實驗要求相一致，在本文中，將自拋光無銅防污漆當成了防腐防污層內(nèi)的一號涂層，具體厚度是80μm，道數(shù)為一道。然后把環(huán)氧丙烯酸連接備用漆和環(huán)氧厚漿防腐底漆分別作為防腐防污涂層內(nèi)的二號涂層以及三號涂層，具體厚度是50μm，道數(shù)為一道。最后，將環(huán)氧鋅黃防腐漆設(shè)置成防腐防污涂層的四號圖層，該項圖層和上述的二三涂層厚度是一樣的，都是50μm，道數(shù)為一道。

3.3 表面處理

（1）對基材進行打磨處理；在對第一組樣本進行基材打磨處理的過程中，首先，需提前做好樣本表面的除油工作，使用1.5#的砂紙打磨表面，具體打磨到粗糙度≥20μm，應(yīng)用無水乙醇清洗干凈，最后將防腐涂層體系涂抹均勻。

（2）在乙組鋁合金材料中應(yīng)用鈍化處理工藝。首先，處于樣板表面實施涂油處理工作，采取1.5#的砂紙打磨樣板表面，一直到表面粗糙度≥20μm即可，應(yīng)用無水乙醇清洗打磨以后的樣本，完全干燥以后將表面鈍化劑涂抹到樣板表面，使表面產(chǎn)生良好的鈍化膜，最后涂抹防腐涂層。

（3）將陽極氧化處理工藝應(yīng)用于丙組鋁合金材料中。對樣板表面實施涂油和拋光工作，待完成以后采取陽極氧化處理方式，大約放置4～5天以后涂上防腐涂層。

3.4 性能測試

①拉開法附著力試驗；當前階段，需要對樣本涂抹環(huán)氧厚漿防腐底漆和環(huán)氧鋅黃防腐漆，等到一周左右涂層徹底干燥以后，進行拉開附著力試驗，有效測試出防腐涂層的具體附著力，探究表面處理工藝對于鋁合金防腐涂層性能產(chǎn)生的一系列影響。②電化學阻抗試驗；借助電化學阻抗譜儀測試涂裝和沒有涂裝防腐涂層的樣板，了解到電路圖實際情況，掌握樣本的耐蝕性能變化狀態(tài)。③耐海水浸泡試驗；將環(huán)氧厚漿防腐底漆和環(huán)氧鋅黃防腐漆涂抹到樣本中，等到涂層徹底干燥以后，把樣本的一面劃傷，采取耐海水浸泡方式把樣本浸泡在海水內(nèi)，仔細探究劃傷處的腐蝕產(chǎn)物形成和具體拓展現(xiàn)象。④雙氧水和稀土鹽對鋁合金表面抗腐蝕性的影響；通過打磨鋁合金樣本試片，實施脫脂處理和冷熱水沖洗等流程以后，采取正交實驗方式進行研究工作，分析不同溶液濃度和溫度對于鋁合金表面形成氧化膜產(chǎn)生的諸多影響。研究探究得出，當處于相應(yīng)范圍中，稀土鹽濃度越高的話，那么鋁合金形成轉(zhuǎn)換膜的速度也就越高，而添加雙氧水可以保持膜的均勻性，增強鋁合金表面抗腐蝕效果，從中看出，雙氧水起著良好的效果，扮演著催化劑的角色。在溫度為34℃左右的時候，轉(zhuǎn)化膜的抗腐蝕能力最高，而溫度持續(xù)提升的時候，性能也會降低。所以，要想提升鋁合金的抗腐蝕效果，就需要掌握好溶液的濃度和反應(yīng)溫度。

4 具體的實驗結(jié)果探究

4.1 對于腐蝕擴散的分析

通過詳細探究鋁合金樣板圖層劃傷一面可以看出，經(jīng)由打磨處理以后的樣本處于海水內(nèi)浸泡五個月以后，劃傷位置便會出現(xiàn)較少的黃色腐蝕物體，而且伴隨著時間的延長，該項腐蝕性物體就會增加，之前的劃痕邊緣隨之鼓起，不過浸泡五個月以后的樣板不會產(chǎn)生氧化膜掉落的現(xiàn)象。

4.2 附著力性能

通過分析具體的附著力性能可以看出，甲組以及乙組的鋁合金樣板防腐涂層附著力呈現(xiàn)出了一定的上升狀態(tài)，在這其中，甲組鋁合金樣板腐蝕涂層的附著力為16.4兆帕，而乙組鋁合金樣板防腐涂層的附著力達到了20.0兆帕。在環(huán)氧厚漿防腐底漆涂層內(nèi)部中還存在著界面斷裂的情況，不過沒有發(fā)生層間受損問題。乙組鋁合金樣板防腐涂層的附著力隨之降低，待放置4個小時以后變?yōu)?.3兆帕，繼續(xù)放置一天的話慢慢下降到6.5兆帕。

通過上述存在的現(xiàn)象我們可以得出以下幾點結(jié)論，如下所示：其一，針對于鋁合金材料而言，經(jīng)由鈍化以后，表面便會產(chǎn)生一定的鈍化膜，而且表面上存在的鈍化液會加劇氧化膜內(nèi)部防腐涂層的滲透速度，以此達到防腐涂層填充氧化膜空穴的目的。對于防腐涂層和鈍化膜來講，兩者有著良好的性能，特別是相容性，效果最佳。從上述性能可以看出，表面鈍化處理工藝的大力應(yīng)用有利于增強鋁合金防腐涂層的附著力。其二，鋁合金材料經(jīng)由打磨以后表面就會產(chǎn)生帶孔穴和疏松的氧化膜，孔穴有利于防腐涂層全面滲透于鋁合金表面中，并且和環(huán)氧鋅黃防腐漆形成一定的化學性能，進而達到錨固的效果?；谠擁梼?yōu)勢的幫助下，能夠進一步提升鋁合金防腐涂層的附著力。

其三，當對鋁合金材料進行了表面和氧化處理工作之后，就會自主形成雙層氧化膜，上下層之間有著明顯的區(qū)別，其中，上層屬于多孔氧化膜，而下層則是微孔致密層，和自然形成的氧化膜相比較來看，不管是耐蝕性還是耐腐性，均是非常高的，同時和防腐防污涂層的絡(luò)酸根之間不會形成化學現(xiàn)象。經(jīng)由分析得出，陽極氧化處理工藝的應(yīng)用會使鋁合金防腐防污涂層的附著性能降低。

4.3 耐蝕性能

在該項研究環(huán)節(jié)中，甲組樣板模擬電阻值發(fā)生了相應(yīng)的降低現(xiàn)象，待使用海水浸泡五個月以后，模擬電阻值降低到了800000000Ω～130000000Ω；丙組樣板的耐蝕性能呈現(xiàn)出了提高趨勢，在海水浸泡五個月以后，模擬電阻值是100000000Ω～130000000Ω。對以上情況進行探究之后，得出了以下幾方面要點：

其一，處于大氣環(huán)境內(nèi)，鋁合金表面形成了自然氧化膜，該項氧化膜的模擬電阻值是1480Ω，不過，對于防腐涂層模擬電阻值來講，一般能夠達到1000000000Ω，比自然氧化膜中的模擬電阻值要遠遠高出許多，因此該方面性能高，所以防腐涂層可以有效提高鋁合金的耐蝕性能。

其二，通過比較浸泡前后的鋁合金樣板模擬電阻值可以得出，陽極氧化膜有利于提升鋁合金和防腐涂層間的界面電阻，但是鈍化膜則難以達到該項要求。所以，當實施鋁合金陽極氧化處理工作以后，需要馬上涂裝防腐涂層，這樣一來，有利于將鋁合金防腐涂層的防腐效果體現(xiàn)出來，確保整體質(zhì)量。

5 結(jié)語

從以上論述來看，應(yīng)當明確具體的時效時間和時效溫度，這是提升產(chǎn)品質(zhì)量和性能的一項要點。以往傳統(tǒng)生產(chǎn)一般是采取單級時效，不過經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，使用雙級時效可以得到較強的強度以及硬度發(fā)揮出良好的強化效果，效溫度遠遠低于規(guī)定時效溫度，保溫以后加以處理，而應(yīng)用新工藝可以發(fā)揮出較高的技術(shù)經(jīng)濟效益。