趙雪

摘要：鋁合金具有先進(jìn)的結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用對(duì)比強(qiáng)度和比模量要求較高的結(jié)構(gòu)中，此外，鋁合金還具有良好的高溫性能。對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，鑄造不同金屬和合金的鑄造參數(shù)知識(shí)和理解與鑄造產(chǎn)品一樣重要。鋁合金鑄造是指熔化金屬并將其澆注到模具中以產(chǎn)生所需形狀的任何過(guò)程。具體的澆鑄參數(shù)，如澆注溫度、澆注速度、流動(dòng)性和金屬成分，對(duì)于能否實(shí)現(xiàn)鑄件的鑄造是至關(guān)重要的。本文對(duì)鋁合金鑄造的復(fù)合工藝以及相關(guān)理論進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：鋁合金；復(fù)合工藝；理論

本文介紹了在選定澆注溫度和澆注速度下，相同尺寸和形狀的砂型鑄造鋁合金所需要的工作。對(duì)鑄造合金的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。其目的是確定這些參數(shù)產(chǎn)生高質(zhì)量鑄件的最佳點(diǎn)。研究表明：澆注溫度低于最佳值時(shí)，模腔內(nèi)不能填充澆口或冒口，固化速度過(guò)快，截留定向凝固。另一方面，較高的澆注溫度會(huì)導(dǎo)致鑄件收縮和模具翹曲。最重要的是，許多鑄造缺陷是由于鑄造過(guò)程中沒(méi)有使用最佳鑄造條件造成的。

一、鋁合金鑄造工藝的要求

研究發(fā)現(xiàn)：熔化和澆注條件直接或間接影響鑄態(tài)材料的力學(xué)性能：硬度、延伸率、縮徑率、韌性等。例如，對(duì)一些黑色金屬的澆注速率的研究表明，與其他合金鑄件相比，鋁合金具有很高的凝固速度。最佳澆注速度也與鑄件尺寸和形狀有關(guān)。了解金屬和合金的熔化溫度對(duì)于估算相應(yīng)的澆注溫度是必要的。鑄造鋁合金的熔化溫度660℃。

當(dāng)確定一個(gè)組件的功能時(shí)，首先要問(wèn)的是：組件的作用是什么？選擇合金、鑄造工藝和熱處理要求所提出的要求。如果需要高強(qiáng)度，安全關(guān)鍵部件應(yīng)選擇一個(gè)高完整性鑄造工藝，如需要永久成型，則選擇優(yōu)質(zhì)砂鑄造或半固態(tài)鑄造工藝。由于不同合金和熱處理組合可能產(chǎn)生的力學(xué)性能差別很大。例如，許多商業(yè)鑄件通常沒(méi)有關(guān)鍵的要求，因此可以使用更經(jīng)濟(jì)的合金和生產(chǎn)方法。

二、工藝設(shè)計(jì)

一旦確定了所需組件的功能，鑄造人員就必須考慮與設(shè)計(jì)有關(guān)的問(wèn)題，如尺寸、重量和部件的復(fù)雜性。鑄造和可用合金的尺寸和設(shè)計(jì)特點(diǎn)可以影響鑄造工藝的選擇和零件的成本。砂型鑄造通常用于制造空心空腔的零件和復(fù)雜的構(gòu)件，因此不適合在永久鑄模中鑄造。

在某些情況下，通過(guò)將設(shè)計(jì)中的特征包括在近凈形鑄造件中，并消除或減少鑄件后加工（如機(jī)械加工）所需的額外成本，可以降低成品成本。然而，功能的復(fù)雜性和表面網(wǎng)絡(luò)完成或特殊性能可提高鑄件的成本。

由于組件的大小，流程選擇可能受到限制。例如，砂型鑄造可能是大型或重型鑄件的唯一工藝選擇。永久模鑄造具有較高的模具成本，但單位價(jià)格較低，特別是對(duì)于需要構(gòu)件數(shù)量較多的情況。

三、鋁合金鑄造復(fù)合工藝

鋁合金有幾個(gè)特點(diǎn)，可控性強(qiáng)，以最大限度地鑄造性能。它容易在熔融狀態(tài)下提取氫氣和氧化物，對(duì)微量元素也很敏感。一些裝飾或商業(yè)鑄件可能有質(zhì)量要求，嚴(yán)格的熔體控制和專(zhuān)門(mén)的熔融金屬加工技術(shù)可以幫助提供增強(qiáng)的機(jī)械性能。

（一）合金比例控制

在鋁液加工過(guò)程中，必須嚴(yán)格控制合金元素和雜質(zhì)的百分比。如果不這樣做，它們的特性，如安定性、可加工性、耐腐蝕性、機(jī)械性能和導(dǎo)電性都會(huì)受到不利影響。

鋁合金在熔煉和保溫過(guò)程中容易發(fā)生化學(xué)變化。這些變化最明顯的是失去置換的潛力，這可以顯著改變機(jī)械性能顯著。如果鑄造部件用于制造質(zhì)量要求高的材料，這些反應(yīng)必須通過(guò)設(shè)備調(diào)節(jié)和保溫來(lái)控制。

（二）精煉與改造

熔融鋁對(duì)微量元素很敏感，但這種敏感性可以通過(guò)添加微量材料來(lái)促進(jìn)鑄件微觀結(jié)構(gòu)的變化而被利用。晶粒細(xì)化和硅改性都能改善最終構(gòu)件的力學(xué)性能。它們還可以作為有用的工具來(lái)優(yōu)化性能和熱處理響應(yīng)，以滿足特定部件的服務(wù)要求，并幫助開(kāi)發(fā)某些鑄造性能。

在凝固過(guò)程中，鋁在長(zhǎng)柱狀晶組織中凝固。這些顆粒會(huì)變大，直到它們撞擊另一個(gè)晶?；蚰１凇＞Я＜?xì)化是在熔融金屬中加入成核點(diǎn)（以鈦和硼中間合金的形式）加入額外晶粒的處理過(guò)程。通過(guò)改進(jìn)，在熔融鋁中加入鈉或鍶來(lái)改變硅晶體的形態(tài)（形狀）。

（三）熔融金屬處理

鋁合金容易從大氣和其他來(lái)源的濕氣中吸收氫，從而導(dǎo)致缺陷。氫氣可在固體鑄件中形成氣孔，而氧化鋁等金屬間雜質(zhì)可作為夾雜物凝固在鑄件中。氣孔和夾雜物對(duì)鑄件質(zhì)量有負(fù)面影響，防止鑄件滿足較高的使用要求。熔化實(shí)踐通常包括用惰性?xún)艋瘹怏w脫氣除去氫和助熔以清除澆注前氧化物和其它夾雜物的熔融鋁。

（四）合金的選擇

有許多可用的合金可供選擇以滿足不同的要求。一旦確定鑄造方法，合金的選擇是有限的，因?yàn)椴皇撬械暮辖鸲伎梢允褂盟需T造方法。有時(shí)，在紙上顯示最佳性能的合金可能具有生產(chǎn)特性，使其在總體上比其他合格合金更不可取。因此，最好與金屬鑄造設(shè)備進(jìn)行協(xié)商，根據(jù)方案的可行性、相對(duì)成本、生產(chǎn)成本和結(jié)果的可重復(fù)性等因素提出建議。

在合金選擇中，應(yīng)用要求也是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。如果需要高強(qiáng)度，必須使用熱處理合金?？紤]到其余的要求，如氣密性、耐腐蝕性和可加工性，合金選擇性可能進(jìn)一步減少。鋁金屬基復(fù)合材料（包括非金屬增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料）納入鋁基。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以是連續(xù)的或不連續(xù)的，最常見(jiàn)的是碳化硅。其他增強(qiáng)材料包括硼、氧化鋁和石墨纖維以及各種顆粒、短纖維和晶須。Al MMCs有較好的剛度、耐磨性和導(dǎo)熱性比鋁合金底座。

（五）熱處理

許多鋁鑄件滿足鑄態(tài)的性能要求，不需要進(jìn)一步加工。然而，為了改善性能和提高強(qiáng)度和延展性，鋁鑄件通常通過(guò)熱處理和冷卻循環(huán)來(lái)進(jìn)行熱處理。這種熱處理涉及三種基本操作：溶液、淬火和老化。溶液處理包括將鑄件加熱到接近共晶溫度，以溶解共晶成分并形成固體均勻溶液。

在這種溶液處理之后，鑄件可以被淬火或快速冷卻，通常是在沸水中，這有助于保持室溫下的均勻溶液。鋁鑄件熱處理的第三步是自然或人工時(shí)效，增加強(qiáng)度和硬度。時(shí)效硬化原理也可用于進(jìn)行熱處理。這三種熱處理的組合稱(chēng)為回火。鋁鑄件熱處理的主要目的是開(kāi)發(fā)滿足部件應(yīng)用關(guān)鍵要求的最佳力學(xué)性能組合。

四、結(jié)語(yǔ)

鑄鋁組件用于許多不同的功能，如裝飾業(yè)主的組件，航空航天和汽車(chē)應(yīng)用的關(guān)鍵安全部件。有許多不同方法可以用來(lái)生產(chǎn)這種用途廣泛的鋁鑄造組件。合金和鑄造工藝的選擇將在采購(gòu)過(guò)程中起重要作用，影響元件性能和成本。鑄鋁組件功能（服務(wù)要求），設(shè)計(jì)（形狀和大?。┖蜕a(chǎn)量等因素對(duì)鑄造方法的選擇、合金的選擇和成本以及零件的質(zhì)量都有很大的影響。

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（作者單位：沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司）