高强度铝合金铸造和热处理方法探究

王策 王龙

摘要：在科学技术不断发展过程中，高强度铝合金铸造工艺也越来越成熟，并衍生出多种新技术理论，促进高强度铝合金铸造工艺的完善与发展。为进一步保证高强度铝合金铸造质量与效率，本文重点探究高强度铝合金的制造工艺和热处理方法，为相关技术人员提供一定参考。

关键词：高强度铝合金;铸造工艺;热处理

一、前言

高强度铝合金铸件对铸造工艺和热处理方法有很大依附性，需要相关技术人员正确掌握高强度铝合金铸造工艺，结合铸件特点制定合理的铸造方案和热处理方案，在此基础上保证铸件性能与质量。在对高强度铝合金进行铸造加工期间，要充分掌握铸件铸造提出的生产要求，优选合理、先进的铸造技术和热处理方法，保证铸件性能，并不断提升铸造工作效率。

二、高强度铝合金铸造工艺

1、铸件分析

为详细探讨高强度铝合金的铸造工艺，本文以某大型熔模精密铸件为例分析其铸造生产过程。在该铸件铸造生产期间，要求大型熔模精密铸件铸造为锥形，材料选择高强度铝铜合金，外形尺寸是（φ20cm～38cm）×50cm，最大壁厚是35mm，最小壁厚是3.5mm。该铸件设计方案显示在铸件外圆方向布局有4根筋条，每一根筋条和筋条两端属于受力部位。铸件选用高强度铝铜合金材料，其中包含0.15%～0.35%的钛元素、0.3%～0.5%的锰元素、4.6%～5.3%的铜元素，除此以外还包含部分钒元素、硼元素、锆元素、镉元素等。

2、铸造方案

铸造此熔模精密铸件过程中，在确定材料后同步选择硅溶胶熔模精密铸造工艺。浇注系统设计中，使侧柱和底柱彼此相结合，同时让缝隙式浇道和周边所设置的4根立柱相组合。因为重力浇铸期间金属液会对直浇道底部产生一定冲击力，影响流动性，所以经过综合考量，决定选择蛇形直浇道。铸造之前严格依据有关规定全面检验高强度铝合金材料质量，保证材料中所有杂质含量都符合相关规定，同时要事先准备好精铝锭和其他相关中间合金，回炉料用量不可超过总炉料30%[1]。由于所选材料中包含杂质元素铁，所以熔炼环节主要选择石墨坩埚。

熔炼及浇注过程中，先在石墨坩埚当中添加回炉料和精铝锭，严密观察合金融化过程，金属液温度上升至700～710℃之后，向其中加入金属均匀搅拌5～10min。合金融化温度上升至740℃左右，向其中加入中间合金，均匀搅拌5～10℃。当温度降低到约720℃可进入到精炼环节，精炼期间温度保持在720～740℃区间[2]。通过合理控制温度，可避免出现渣难以上浮，进而造成铸件发生夹渣缺陷问题，并保证精炼效果。熔模精炼铸造期间，精炼剂主要选择六氯乙烷，用量是总炉料的0.5%～0.8%。精炼液利用铝箔纸分包为7份左右，在钟罩利用下分批将其压入铝液内，后均匀、持续的搅拌15min。精炼结束后，静置约18 min，当温度降低到720～730℃，经检查保证镜面试样符合相关规定后，按照技术规程进行规范、快速的浇注，浇注时间不可超过2h。

3、缺陷处理

铸造高强度铝合金期间，容易受到材料特性、人员操作不当等因素影响使铸件出现疏松、夹渣等缺陷，所以要求工作人员在铸造高强度铝合金期间严格把控好操作流程，一旦发生铸造缺陷要及时处理。比如在铸造锥形熔模精密铸件过程中，要求工作人员严格控制好材料连续浇注操作和浇注时间，保证在2h以内做完各项浇注操作，并确保合金材料成分均匀。由于浇注期间所选精炼剂为六氯乙烷，所以要同步选择高纯氩旋转喷吹精炼方法，促使合金精炼效果明显提升，并保证均匀、充分的搅拌合金液。

在铸造此熔模精密铸件过程中，因为方案中设置了四根筋条，而筋条根部厚度分布不均匀，所以铸件铸造期间容易出现疏松缺陷。工作人员在铸造过程中，可通过刷水方式防范疏松缺陷，不过此方式具有较大控制难度，容易发生针孔、气泡等缺陷。所以，为进一步规避铸件疏松缺陷，可于铸件中每一条筋条根部的薄厚衔接部位加设工艺补贴，以此可使相应部位薄厚更加均匀，从根源上避免铸件疏松。

三、高强度铝合金热处理方法

高强度铝合金铸件热处理，关键是进一步强化铸件力学性能，使铸件机械性能进一步提升。相比于普通铝合金材料，高强度鋁合金更具强度优势，不过在铸造环节也更容易受到多种因素影响发生夹渣、疏松等铸造缺陷，进而影响到铸件力学性能。所以，此熔模精密铸件在铸造生产期间进行热处理，要结合实际情况合理设置固溶温度，若固溶温度设置过低同时保温时间在9h以下，很难使强化相融入到铝基本元素内[3]。同时在淬火过程中要严格控制好铸件冷却速度，注意零件装炉间隙应充足，以免因相互交叠影响到铸件冷却速度。该大型熔模精密铸件在铸造生产期间为保证其力学性能，要结合有关标准和实际情况合理设置热处理工艺参数。合金固溶温度应保持在530～540℃区间，同时固溶保温时间需保持在10～18h区间，要求时效温度于170～180℃区间，时效保温时间应在 4h至6h区间。

铸件出炉转移到淬火槽这一环节时间要在20s以内，以保证铸件力学性能。铸件热处理期间，若环境温度低于10℃，铸件出炉转移至淬火槽的时间不可超过15s。铸件在固溶处理之后要及时冷却，冷却介质主要选择UCON水溶性介质（浓度6%～10%），时效处理过程中要合理选择箱式循环空气过滤器，并严格控制好时效温度。通过应用固定工装，可对铸件变形加大控制力，并有效提升铸件热处理效率。铸件车间可安装智能温度调控装置，使环境温度稳定保持在10℃及以上。高强度铝合金大熔模精密铸件经相关工艺参数热处理后，其抗拉强度一般可达到甚至超过470MPa，断后伸长率均值保持在3%，最高为4.5%。

结束语

高强度铝合金铸件铸造生产过程中，要注意结合实际情况，按照相关技术规范与要求，选择合适的铸造工艺，科学制定热处理方案，把握好各项关键要素，严格控制精炼温度、合金融化温度、热处理工艺参数等。在高强度铝合金铸件铸造以及热处理期间，工作人员要全程严密观察，及时发现问题并同步进行有效处理，保证铸件整体力学性能。

参考文献：

[1]李宇飞，冯志军，李泽华，阮明，苏鑫.挤压铸造高强度铝合金汽车转向节铸件[J].特种铸造及有色合金，2019，39（12）：1308-1311.

[2]王华侨，王永凤，郭玉，张权，付忠奎，冯四伟，罗海涛，赵华萍，李玉胜，翟虎，赵连君，赵偲宇.大型薄壁高强度铝合金异型舱壳精密砂型铸造成型关键技术应用研究[J].模具制造，2019，19（03）：59-68.

[3]侯远飞，刘崇宇，戴海桃，陈勇，徐峥峥，彭英浩.钪添加及热处理对搅拌摩擦加工态7系铝合金组织及力学性能的影响[J].材料热处理学报，2020，41（06）：32-38.

作者简介：

第一作者：王策（1993-），男，陕西西安人，汉族，本科，助理工程师，研究方向：铸造技术。

第二作者，王龙（1993-），男，陕西宝鸡人，汉族，本科，助理工程师，研究方向：铸造技术。