高强度压铸铝合金及其热处理的研究

黄彩江++曹志成++刘洋

摘 要：随着科学技术的快速发展，我国的合金行业也在不断的向前发展，研究高强度压铸铝合金及其热处理对合金行业的意义重大。铝合金行业的发展促进了汽车等工业的发展，但由于汽车等行业的发展加大了对铝合金的需求量，因此，又反过来促进了铝合金行业的发展。但是目前的铝合金铸造技术很难满足这么大量的市场需要。该研究者在该研究中通过阐述高强度压铸铝合金及其热处理的内涵，分析了高强度压铸铝合金优化的影响因素和试验过程、试验结果以及高强度压铸铝合金热处理优化的影响因素和试验过程、试验结果，为合金行业的发展提供参考依据。

关键词：高强度 铝合金 热处理

中图分类号：TG14 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（b）-0090-02

High Strength Die Casting Aluminum Alloy and Its Heat Treatment

HUANG Caijiang CAO Zhicheng LIU Yang

（Huomeihongjun Aluminum and Power Co. Ltd， Tongliao， Neimenggu， 029200 China）

Abstract：With the rapid development of science and technology，China's alloy industry is constantly moving forward， research and high-strength aluminum alloy die-casting alloy heat treatment on the significance of a major industry.The development of aluminum industry， promote the development of automobile industry，but due to the development of automobile and other industries has increased the demand for aluminum and，therefore，in turn，promote the development of the aluminum industry.However， the current aluminum casting technology is difficult to meet the needs of such a large number of markets.In this study，the author describes a high strength aluminum die-casting by its heat content，analyzes the influencing factors and the factors affecting the testing process and test of high-strength aluminum die-casting process optimization， test results and high strength die-cast aluminum heat treatment optimization the test results provide a reference for the development of alloys industry.

Key words：High strength；Aluminum alloy；The heat treatment

高强度压铸的铝合金强度较大、抗蚀性能和铸造性能都比普通的铝合金要好，因为它具有优良的性能被广泛应用于电器工业、汽车、航空航天等领域。铝合金行业的发展促进了汽车等工业的发展，但由于汽车等行业的发展加大了对铝合金的需求量，因此，又反过来促进了铝合金行业的发展。但是目前的铝合金铸造技术很难满足这么大量的市场需要。那么，研究高强度压铸铝合金及其热处理的优化迫在眉睫。

1 关于高强度压铸铝合金及其热处理

顾名思义，高强度压铸铝合金是一种通过高温高压的方式来压铸铝合金材料的过程，这是一种节约能源和改善环境的材料铸造方式，是人类生产生活和社会可持续发展的必然成果。高强度压铸铝合金可以通过热处理的方法强化铸件的性能，是现有的所有材料成型的方法中最为经济实惠又可靠的处理方法。高强度压铸的铝合金由于其轻量化的结构优势以及材料密度小、塑性好、易加工、导电及导热性能较好、强度比较高等优点在工业如机械制造业、航空航天业、兵器工业以及船舶业中被广泛应用。高强度压铸的铝合金的使用量仅次于钢，普通的重力铸造等合金的铸造成型方式铸成的材料的经常会出现缩孔疏松、晶粒过大等不足，但高强度压铸铝合金结合了铸造和锻造特点的液态成形技术，不仅能够减少缩孔疏松现象，还能够细化晶粒，所以，铸造出的铸件有比较优良的力学性能。与此同时，高强度的铸造方式能提高流动性小的材料的充型能力，能够将材料制造成形状比较复杂的铸件，而且高强度铸造过程中材料的利用率比较高，制造出的零件表面比较理想，不需要再次加工。

2 高强度压铸铝合金优化研究

2.1 高强度压铸铝合金优化的影响因素

高强度压铸铝合金的材料成型方法对铸件的微观和宏观部分都有比较大的影响，所以，找到高强度压铸铝合金优化的影响因素是保证零件质量的关键。优化高强度压铸铝合金的主要影响因素包括：金属材料的熔体质量、比压的大小、浇注时的温度、浇注模具的预热温度以及施压的时间间隔和保压的时间间隔等。比压就是单位面积铝合金熔体所承受的压力。高强度铸造方式区别于普通铸造的最明显特点是铝合金熔体在很高的压力条件下结晶，而比压就是零件组织和力学性能最大的影响因素。现在，绝大多数学者认为比压对于铸件组织和力学性能有影响是由于加大了铝合金液的过冷度，使其形核率增大；或者是由于比压能够减小零件与浇注模具之间的气隙，零件与浇注模具的界面换热率加大，铝合金的凝固速度加快。此外，当比压大小适宜时，零件的微观组织能够明显得到改善，且高强度压铸时铝合金液在高压力下凝固，凝固时高压对铝合金材料有强制补缩作用，可以高效的缩孔缩松，提高铸件质量。高强度压铸过程中，如果比压过小，零件的质量达不到标准要求；如果比压过大，对铝合金的力学性能的增强效果变差，还极易损坏浇注的模具，如浇注模具出现裂纹或者毛刺，这会增加零件脱模的难度，加大了零件成型过程中的能量消耗。所以，选择比压时，不仅要满足铸件的力学性能，还要考虑加工过程中对设备的消耗和成型加工成本。浇注温度是高强度压铸铝合金过程中的又一优化影响因素，液态铝合金浇注进模具型腔时的温度对于零件的质量和模具的使用寿命都有很大的影响。当浇注温度过低时，铝合金液的流动性小，充型能力低，尤其是在浇注形状比较复杂的铸件时，很容易发生充型不足和零件表面冷隔的次品；当浇注温度高于标准温度时，铝合金液在转移过程中容易氧化，冲头在高压下易发生熔体喷溅，零件的厚大部分会发生热节或缩孔缩松。此外，过高的浇注温度对于浇注模具的冷热冲击也很大，浇注模具非常容易发生破裂。模具的预热温度对于高强度压铸过程中的界面热交换率有很大的影响，不适当的模具预热温度会破坏零件的微观组织和力学性能。当浇注模具的预热温度低于标准温度时，模壁附近的铝合金液激冷会造成铸件表面冷隔，使形状复杂的铸件充型不足，降低零件的铸件合格率，浇注模具的热应力也会受到损坏，容易过早失效；当浇注模具的预热温度高于标准温度时，零件会发生热节和缩孔缩松，浇注模具与零件之间容易粘合，降低浇注模具的使用寿命。一般情况下，铸造过程中的保压时间应控制到零件完全凝固为止。如果保压时间太长会加大脱模的难度，加长生产周期，加大对模具和设备的消耗，增加生产成本；如果保压时间太短，零件的厚大部位还没有完全凝固，会发生零件补缩不足、表面不光洁的现象，降低零件的质量。

2.2 试验过程及结果

试验分析不同的影响因素对于高强度压铸铝合金优化的影响时，这里选择采用单因素分析法。试验比压对于铝合金的微观组织和力学性能的影响时，控制比压在0～74兆帕之间，观察铝合金的抗拉能力、屈服能力和伸长率，结果发现铝合金的抗拉能力、屈服能力和伸长率都随着比压的加大而增加，当实验时控制压力超过74兆帕时，发现铝合金的抗拉能力、屈服能力和伸长率没有明显变化，说明压力超过74兆帕时比压对于铝合金的力学性能的影响减小。其他条件相同，控制浇注温度，随着浇注温度的升高，铝合金铸件的质量先升高后下降，当浇注温度为铝合金的最高结晶温度1 000摄氏度左右时铸件质量最优。所以，铝合金的浇注温度应该选择合金的最高结晶温度。控制其他条件相同，改变模具的预热温度，观察铸件的质量和模具的反应，铝合金的高强度浇注过程中模具的预热的最适宜温度一般为2 000～3 000摄氏度。此外，压力试验时我们还发现：当加大压力且铝合金液体的温度超过铝合金液相线很大时，这种压力会使得晶粒的尺寸加大，而当铝合金液体的温度与铝合金液相线基本等同时，这种压力会对铝合金液体过冷有非常明显的作用，能够得到比较优质的微观组织，当铝合金液体的温度小于铝合金液相线时，能够得到尺寸比较微小的零件微观组织。试验研究铝合金液体温度时，应该控制其他条件相同，改变铝合金的液体温度，结果显示：对于高强度压铸铝合金，稍大于6 800摄氏度时对于提高零件顶部的性能有帮助，而稍小于6 800摄氏度时，对于零件底部的性能有帮助，因此，液态铝合金的最适宜温度大约为6 800摄氏度左右。

3 高强度压铸铝合金热处理优化研究

3.1 高强度压铸铝合金热处理优化的影响因素

高强度压铸铝合金热处理优化的影响因素包括以下几点：固溶温度、固溶时间、时效温度、时效时间、淬火速度以及微量元素的添加等。在高强度压铸铝合金热处理过程中，相同的固溶温度和固溶时间条件下，高强度压铸铝合金比普通压铸方法中的晶间第二相溶解更加充分。高强度压铸合金在热处理过时效后具有更优良的稳定性，这主要是由于高强度压铸合金的晶粒细，弥散沉淀颗粒小且数量多的缘故。在高强度压铸铝合金热处理时添加钪对于铝合金液体的沉淀行为有及时、强化的作用。当固溶温度为5 400摄氏度时，熔体中的钪化三铝能够基本固溶进铸件内，并且在之后的均匀沉淀强化中，可以使铝合金铸件强化的有效晶体颗粒间的距离明显减小，很大程度上增强铸件的力学性能；当固溶温度为5 000摄氏度时，熔体中的绝大多数钪化三铝还没有溶解到铸件内，这会导致时效过程中钪化三铝直接在铸件表面上弥散析出，钪化三铝的均匀沉淀被抑制，从而使得铸件的力学性能降低。此外，固溶时间控制在12h是比较合适的时间，>12h的固溶时间就不会再提高铸件的力学性能。对于拉伸后的铝合金的沉淀强化，当1 900摄氏度的时效后6～10h铝合金铸件的硬度值达到最大，如果继续时效铸件的硬度会下降；而1 500摄氏度的时效下，铝合金铸件会时效后48时候出现斜方晶系的沉淀，即铝合金铸件的硬度进入第二阶段的强化。硫相是铝合金铸件进入第二阶段强化的主要因素，硫相在铝合金铸件硬度最大时会在铝合金铸件表面形成密集的沉淀组织。当时效温度大约在2 500摄氏度时，铝合金熔体的时效响应速度也比较大，但是由于析出相的改变，这个温度下铸件的峰值强度要比1 650摄氏度时效温度下的铝合金铸件峰值强度要小很多，这说明高温时效会抑制铸件沉淀析出；相比之下短时间的人工时效对于铝合金铸件的高温持久性能可能更有利一些。此外，在对铝合金铸件进行固溶处理时，随着固溶温度的增大，铝合金铸件的力学性能会先增加后下降，相对于固溶温度来讲，固溶时间对于铝合金的微观组织和力学性能的影响不是很明显。

3.2 试验过程及结果

试验分析不同的影响因素对于高强度压铸铝合金热处理优化的影响时，这里选择采用单因素分析法。将铝合金的热处理过程控制其他条件相同，单一因素不同，如不同的固溶温度、不同的固溶时间、不同的时效温度、不同的时效时间、不同的淬火速度条件下以及加入不同的微量元素下分别进行热处理，观察铝合金移位中沉淀的发生情况、最终铸件的力学性能以及模具等设备的反应情况等。试验结果发现：当固溶温度为5 400摄氏度、固溶时间为12h、时效温度约1 700摄氏度、时效时间为8h时所采用的优化热处理所制造的铝合金力学性能最优。此外，试验发现在高强度压铸铝合金热处理时添加钪对于铝合金液体的沉淀行为有及时、强化的作用，铝合金铸件的硬度会增大。在铝合金熔体中加入适量的银，添加银的铝合金铸件中沉淀的析出相明显多于没有添加银的铝合金；而且添加0.6%的银的铝合金在热处理状态下可以大量的沉淀析出，这样，铝合金铸件的硬度更大，而加入0.9%的银的铝合金在热处理状态下也可以大量的沉淀析出，但是沉淀析出不多，铝合金铸件的硬度也没有那么大，结果表明添加0.6%的银的铝合金铸件质量最优。

4 结语

该研究采用单因素分析法试验了不同的影响因素对于高强度压铸铝合金及其热处理的影响并得出最优的处理条件。在高强度压铸铝合金时用最佳的压铸条件可以很大程度上改善原合金的力学性能并有效保护模具等加工设备。在经过适当的热处理后，也能够有效提高压铸铝合金的力学性能。总之，应该不断地运用先进的科学技术去探究高强度压铸铝合金及其热处理的优化，使铝合金的综合力学性能达到最好，进而带动其他行业的发展。

参考文献

[1] 黄晓锋，田载友，朱凯，等.压铸铝合金及压铸技术的研究进展[J].热加工工艺，2013，37（17）：137-141.

[2] 陈荣石，穆光华.高强度压铸铝合金及其热处理的研究[J].铸造设备研究，2012，12（6）：20-24.