铸造铝合金冷却速度对凝固组织的影响实验分析

张国栋

（晋能控股集团装备制造公司中央机厂，山西 大同 037000）

在工业生产应用中，钢铁是重要的材料，得到了广泛应用。随着科技的进步，钢铁材料已不能满足高科技行业轻量化的需求。铝合金作为良好的轻量化材料，广泛应用于高铁、航空等行业[1]。铸造铝合金相对钢铁材料不仅同样具有成熟的铸造工艺技术，且轻量化、高强度的特征使其成为使用量增加最多的金属材料。铸造铝合金的耐磨性较好，添加了硅元素提高了铝合金的流动性[2]，减少了在铸造过程中产生的缺陷。铸造铝合金在铸造生产的过程中，模型的冷却速度不同，对铝合金产品的成型及组织材料具有不同的影响。针对铸造铝合金的冷却速度的影响[3]，对不同冷却速度进行实验分析，为铸造过程的工艺参数选择提供参考，通过优化生产工艺参数，提高铸造铝合金的性能。

1 铸造铝合金冷却速度实验的设计

选择薄壁铝合金铸造件，轮廓尺寸为176 mm×157 mm×256 mm，壁厚最大值为29 mm，最小值为4 mm，底座壁厚为13.5 mm，整体质量为3.8 kg，分析冷却速度对铸造铝合金形成固态组织的影响作用。由于铸件的整体构型相对复杂，在传统的铸造生产中，常采用重力砂型铸造的方式，但因壁厚相差较大[4]，构件各部位的冷却速度不同，造成产品的成品率较低。

对构件采用低压铸造的方式进行生产，金属液通过自下而上的方式进行充型，可以减少金属液的卷气、飞溅等引起的缺陷[5]，在压力的作用下金属液完成凝固，可以提高构件的组织致密性，提高产品的成品率。

铸件材质选用A356铝合金，在电阻炉中将金属融化后取出溶液中的杂质及氧化层，在形成的合金液中加入质量分数为0.5%的C2Cl6作为精炼剂，炼制20 min，炼制温度保持在450℃，静置15 min。采用侧注的方式进行浇注，在压力的作用下通过管道进入浇道内流入型腔中[6]。浇注方式采用手抬浇包的方式，浇注温度为740℃，浇注速度为100 mm/s，将合金液浇注到浇口杯中[7]，保证金属液充满浇口杯。

在进行铸造的过程中，对构件的不同位置处设置不同的冷铁，从而改变金属液的冷却速度，冷铁的位置分布如图1所示。在构件的四个不同位置处，A处的壁厚为13 mm，设置冷铁，B处的壁厚为10 mm，没有冷铁，C处的壁厚为29 mm，设置冷铁，D处的壁厚为29 mm，没有冷铁。

图1 不同冷却位置的设置

进行构件的浇注后，进行凝固的过程可以分为三个阶段，即液相阶段、糊状阶段及固相阶段。金属液进入砂箱后，由于与砂箱的温度差异较大，急剧散热，温度的下降较为迅速[8]，此阶段为液相阶段。随着温度的下降，液体逐渐凝固，形成糊状的组织，并释放出结晶形成的潜热，造成冷却速度的降低，此阶段为糊状阶段。随着温度的继续下降，金属结晶的相变逐渐结束[9]，金属液完全凝固，形成构件的结构，此阶段为固相阶段。在构件的大致相同的壁厚位置处，设置有、无冷铁两种不同的冷却方式，改变冷却速度，对形成的构件金属组织进行分析。

2 铸造铝合金冷却速度实验凝固组织分析

在金属液进行冷却凝固的过程，即内部枝晶完成成形、生长、粗化的过程。在型腔内部的金属液温度降低到液相线温度时，金属液铝合金开始结核，枝晶开始生长，且沿着温度的梯度方向生长。随着温度的继续降低[10]，枝晶开始随机生长或逐渐粗化。当温度达到固相线时，枝晶停止生长。在冷却凝固的过程中，冷却的速度越快，则金属液的过冷度越大，产生的凝固组织的变化越大。

对形成的金属构件的4个不同位置采用扫描电子显微镜（SEM）进行探测分析，其SEM照片如图2所示。由图2可以看出，在形成的构件中，4个位置的组织均较为致密，没有明显的缺陷。将图中的A、B及C、D照片进行两两对比，可以看出在相同近似的壁厚下，采用冷铁的位置处形成的二次枝晶的间距较小[11]，且A、B位置处的枝晶间距明显小于C、D位置处。这是由于壁厚较小时或采用冷铁后，金属液的冷却速度快，过冷度较大，形成的二次枝晶的间距较小。由此可知，在铸造铝合金冷却的过程中，在相同的条件下，较快的冷却速度有利于减小枝晶的间距，对枝晶间距的细化具有较好的效果。

图2 不同位置处的SEM照片

冷却速度对铝凝固的枝晶间距具有明显的影响作用，而凝固过程中，共晶硅形成于铝枝晶之间[12]，对构件不同位置出的共晶硅进行电子显微镜扫描，得到不同位置处的共晶硅SEM照片，如图3所示。

图3 不同位置处的共晶硅SEM照片

从图3中可以看出，在A、B、C位置处的共晶硅多呈短棒或球状组织的形式，且B、C两处的细小组织相对A处的要多，且分布不均，A处的共晶硅组织分布较为均匀，而D处的共晶硅则多呈片状组织的分布，且分布较为集中。在A、B位置处，由于壁厚较小，在凝固过程中过饱和的硅原子在较快的冷却速度下难以形成有效的聚集，从而造成共晶硅的组织较为细小。在C、D位置处，在相同的壁厚作用下，C位置由于冷却速度较快，金属液凝固加快，造成了硅原子的扩散作用不能充分发挥，无法形成较大的共晶硅组织。由此可知，在铸造铝合金冷却的过程中，在相同的条件下，较快的冷却速度有利于减小共晶硅组织，对共晶硅组织的细化具有较好的效果。

3 结语

铝合金材料是高科技行业发展轻量化重要的金属材料，由于材质的成分较为复杂，在进行铸造的过程中，模型冷却速度的不同，对材料的成型组织具有较大的影响。针对铸造铝合金的凝固过程，选用薄壁的铝合金构件，在不同位置设置冷铁，从而改变金属液的冷却速度，并对冷却后的金属组织进行分析。结果表明，金属液进行冷却凝固的过程，即内部枝晶组织完成成形、生长、粗化的过程，在相同的条件下，较快的冷却速度有利于减小枝晶的间距。在枝晶组织之间的共晶硅组织，在相同的条件下，较快的冷却速度有利于减小共晶硅组织。对铸造铝合金加快冷却速度，可以提高对组织的枝晶细化及共晶硅组织的细化，从而提高铸造铝合金的性能，有利于铝合金材质的使用。