低压铸造铝合金缺陷分析与热处理工艺研究

谢志强

（福建华威钜全精工科技有限公司，福建 福州 350000）

在现代各类科技的指导下完成理论研究后，便开始大量投入工业生产之中。工业产品制造材料也发生明显变化，有色金属材料已成为工业生产的重点关注对象。而铝合金具有较强的力学性能，密度仅为钢的三分之一,导电性能优异,在抗腐蚀也有优良表现,所以在航天航空、矿山冶金等领域应用较为广泛。为进一步提升应用效果，需要对其质量缺陷进行深度研究，并提出改进措施。

1 低压铸造铝合金缺陷及其解决措施

（1）铸造裂纹。如果铝合金铸件存在较为复杂形状，各个位置厚薄不均匀，就会在其凝固时,各个部位产生不完全匹配的冷却速度，进而形成内应力。一旦内应力大于材料最大抗拉强度,就会造成铸件拉裂现象。常见铸造裂纹有两种，沿晶开裂的热裂纹,观察其裂缝存在黑色氧化物,形状多为锯齿状；沿晶体内部产生开裂的冷裂纹,断口因没有产生氧化反应，所以会呈现发亮的银色[1]。解决措施：在铸造合金时，要明确化学成分,严格控制杂质在标准范围内。同时，也要尽可能避免熔体被高温影响，超过其所承载最大温度时要控制溶体在炉内的停留时间，采用科学方法控制铸造模具温度与冷却速度，保持液态金属拥有均匀稳定的流动与冷却速度，防止杂物不慎落入熔体。A356铝合金合金成分中的铁含量增加、针状β-AlFeSi增加，对合金组织割裂作用增大，热裂倾向增大，铝合金轮毂、车架等强度件低压铸造含铁宜控制在0.15%以内，最大不宜超过0.2%。

（2）花边组织（白花）。边界晶粒会拥有波浪或锯齿形状的花边,其形状与铸造孪晶相似，多为羽毛状，在显微镜下观察其组织，可以发现组织多为薄片性质，保持平行状态。发生这种情况多是在铸造前成分调整不到位，或者熔体过热，在炉内保持较长停留时间也会发生类似情况。而过滤管孔没有拥有较粗直径,在铸造时拥有过高温度、过矮的结晶器，或者变质细化剂失去效果都会出现花边组织。解决措施:对于合金的化学成分严格控制，保证其杂质含量在标准范围内，并采用科学方法合理对过滤系统展开设计，优化结晶装置[2]。

（3）针孔。针孔是低压铸造中常见缺陷，形成原因主要是铝液中含氢量超标（试块密度小于2），在模具凝固中形成针状密集分布气孔，一般在加工面特别是厚大过热时容易出现。造成铝液含氢量超标的原因有很多种，如回炉料过多、铝液精炼不到位、低压用压缩空气含水量超标、浇注温度过高等。解决措施：回炉料过多，控制回炉料在20%以内。铝液精炼不到位，选用纯度99.999%的氩气或氮气除气，依据真空抽气试块测试结果来调整除气参数（转速，气体流量，除气时间），要求试块密度不小于2.3g/Cm3。低压用压缩空气含水水量超标，含水量一般用常压露点来表示，要求-60℃～-70℃。浇注温度过高等，一般要求不超过740℃。

（4）浇注不足。铸件产品无法保证完整状态，这是因为在浇注时温度较低,造成铸件会拥有较快地凝固速度,在铸件还没有浇满时已经凝固成形，从而构成浇注不足的生产缺陷。这是因为浇注系统缺少宽大通道，并不能保证铝液拥有大流量，构成瓶颈问题，或者模具排气不良引起气阻造成浇注不足（冷隔）。而在浇注流量无法匹配铝液填充生产速度时，会出现浇注不足现象,让产品作为废品处理。解决措施：对浇注系统进行设计，使其优化铝液流量，优化模具排气系统。在生产时要做好模具预热工作,有效避免在浇注时出现铝液过快冷却问题。涂料要保持分布合理，型腔内涂料全部保持均匀厚度。保证模具可拥有良好的排气条件，避免出现因浇注不足产生资源浪费的废品。模具设计时要求铸件肉厚大于3mm，合理设计排气塞。

（5）缩松。如果铝合金液体偏高，或者浇注温度过高,导致冷却速度较为缓慢,产生巨大收缩量，造成晶粒粗大，形成疏松组织,从而生产出缩松铸件，只能当成废品处理。解决措施:对于现有工艺进行科学地改进，精细化控制模具加热保温与浇注所需的温度。对于冒口尺寸进行科学设计，保持正常厚度涂料，避免厚薄悬殊,铸件收缩的补给量也要重点关注。铸件维持对称设计。

（6）氧化夹渣和气孔。如果因加压参数操作不当,造成铝液注入型腔发生喷溅现象，会导致气泡无法释放，反而被包裹于铸件内，进而造成金属氧化,产生氧化夹渣。如果铝液含有大量氢气，就会产生许多不规则孔洞，这些孔洞在厚大的砂型铸件上较为常见,会对铝合金的物理与化学性能有较大影响。对于反应性气孔，时由于覆膜砂芯经铝液高温树脂燃烧产生气体，或是由涂料未烘干经高温产生气体钻入铸件而形成气孔。解决措施:提高操作质量，保持铝液平稳浇注,避免产生过大冲击力,而浇口选择合理内浇道设计，采用底注式浇注较为合理。

2 固溶淬火原理

目前低压铸造的铝合金分成共晶型与固溶体型两类。

（1）共晶型。现在工业生产的共晶型典型代表当属ZL104的Al-Si-Mg-Mn合金，除拥有Al、Si、Mg、Mn主要化学元素外，还有少量Fe、Cu、Zn元素，同时控制杂质在0.6%范围内。铸态组织是由α固溶体、α和Si二元共晶体，掺杂AlSiMnFe和Mg2Si构成的化合物。淬火温度促使Mg2Si溶进固体中，而作为不溶相的Si则与Al-Si-Mn-Fe产生聚集反应，淬火组织是α固溶体、α和Si与Al-Si-Mn-Fe，而低熔点的共晶体则是α、Si、Al-Si-Mn-Fe,拥有近560℃的过烧温度。

（2）固溶体型。固溶体型并不具备铸件不溶共晶的相关元素,而铸件结晶或因结晶冷却产生偏析与第二相组元，会在淬火阶段被高温影响，在强化相全部溶解后一并消失。通常情况下，淬火条件多是由α固溶体构成，拥有较为宽泛温度范围。较为典型当属ZL201的Al-Cu-Mn-Ti，除Al、Cu、Mn、Ti等主要元素，还有少量Zn、Mg,要求杂质在0.3%范围内。铸态组织是由α固溶体、Al2Cu、Al12Mn2Cu、Al3Ti构成的化合物。而淬火加热阶段，Al2Cu会溶于α固溶体与Al固溶体，并在高温影响下分解成的细小质点的T相(Al12Mn2Cu)。若想让铝合金获得最优组织性能，可使用双级淬火完成加热工作：以530℃，上下浮动3℃，要求比生产规定温度略低，完成一级加热，从而让Al2Cu强化相可顺利与α固溶体相溶,以晶界将T相质点全部析出。而二级加热则要与规定生产工艺温度相符合，即540℃，可保持上下浮动3℃误差，让残留Al2Cu相可全部与α固溶体相溶。该种类合金要对应Si的杂质元素严格控制，避免让其含量超标。如果Si元素超标，在生产中会产生熔点达525℃的α、Si、Al2Cu三元共晶体,从而降低对铝合金产品的淬火温度，并对物化性能造成负面影响。

3 淬火温度

铸造铝合金如果在不造成组织过热的前提条件下，逐步提升淬火时的加热温度,可协助强化相加快与Al基固溶体相溶，从而缩减形成饱和状态时间，进而提升铝合金强化效果。一般情况下，共晶型淬火温度要控制在过烧温度10℃至15℃以下，而固溶体型淬火温度控制在过烧温度的5℃至10℃以下。

4 保温时间

在淬火后的保温时间和铸造铝合金的原始成分、溶解速度与组织状态有关。一般共晶型的强化组元并不多,会造成Mg2Si拥有较高溶解速度。所以在正常淬火温度条件下,保温1至4小时就可满足技术条件所需的组织性能。同时，在保温时期，铝合金性能与保温时间成正比关系。如果保温时间过长，例如保温9小时以上，铝合金性能反而会在Si元素聚集效果加强影响下，产生降低。

5 冷却速度和转移时间

对于淬火阶段冷却速度,要保证现在溶解于固溶体内的强化相，在淬火阶段不会产生析出现象，同时严格控制淬火的转移时间。冷却速度受到淬火介质的性质影响，保持热容量、黏滞等。而淬火的冷却介质应选择存在温度差异的清洁水，不仅获取便利，成本较低，而且也容易控制实验效果。通过不同温度的清洁水可得到有层次冷却速度,对于各类铝合金产品均有较强适用性。铝合金冷却速度在水温提升的同时会产生下降现象，而水温降低又会提升冷却速度。

6 铸造铝合金的时效

作为铝合金在时效阶段组织转变的特点，迁移扩散会导致过饱和的固溶体产生脱溶分解现象。当溶质原子在溶解状态下，会因过饱和而成核析出，集结聚集也会随微杂质析出，产生未溶解过剩相聚集现象。一般情况下，时效原理为：在合金固溶完成淬火工序后，在时效期的沉淀相会产生析出现象，并以GP区、θ''（GPⅡ区）、θ'、θ（CuAl2）顺序产生转变。而Al-Cu合金其时效沉淀则为：GP区、β'、β（Mg3Al3），Al-Si-Mg合金其时效沉淀则为：GP区、β'、β（Mg2Si）。以铝合金使用性能可划分成强化时效、完全时效与淬火处理、软化时效、不完全时效与淬火处理。铝合金产品需要较高强度,但是在塑性指标不高时，可用强化时效处理铝合金。

从各类实验数据中分析，铸造铝合金无论是共晶型还是固溶体型,如果保持正常淬火，维持175℃至185℃时效温度，并保持5至10小时的保温，可获得良好强化效果。如果时效温度或时间不满足生产需求,就无法达到生产技术要求，铝合金组织和性能也会相应下降。

7 结论

在应用热处理工艺处理铝合金质量缺陷时，要严格控制温度与处理时，保证铝合金可获得高强度与硬度,提升产品质量。同时，也要在生产中不断更新工艺，检查当前生产设备是否存在故障，研究问题产生的原因，采用科学方法解决问题。企业也要定期对一线生产工人做专业培训，培养安全生产意识，全面提升生产水平，保证铝合金产品可获得市场认可，进而提升企业在行业的知名度，做好拓展市场的前期准备工作。