低压铸造铝合金缺陷分析与热处理工艺分析

2022-12-25牛德良赵立伟崔岩峰

世界有色金属 2022年16期

牛德良，赵立伟，崔岩峰

（中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江哈尔滨 150066）

伴随着科学技术的创新和改进，当代制造材料的组成有了明显的改变，高密度材料使用比例降低，低密度材料使用比例上升，轻金属材料应用范围日益拓展和延伸，逐渐朝着轻量化、高性能、多功能、环保以及再生等趋势发展。铝合金有着较强的力学性能和强度以及铸造性能，能够为运输安装提供便利，减少零部件冷却时间，导电性能良好，便于回收再利用，在减少生产周期的基础上降低生产成本输出，适合在航天航空、汽车和机械制造等工业中广泛应用。

1 铸造铝合金的基本特征

铸造铝合金和以往的铸造机相比较而言，特征主要表现在以下几点：

1.1 铸造铝合金自动控制系统

第一，在采取铸造工艺的时候，引进自动化控制系统具有十分重要的意义，它可以避免受到不良因素的影响，提升铸造产品的安全性和稳定性，自动化控制系统是在以往铸造工艺的基础上形成的，它是由监控采集系统、操作控制平台等多个系统相互构建而成，这一系统提供的铝合金扁锭铸造工艺参数准确性高，用户在运行期间，可以从实际情况出发，合理选择参数。此外，不可以随意修改铸造过程中的一些参数，有的参数只有在经过用户允许之后，才可以做出相应的整顿，将其纳入参数库内，丰富参数库的内容。

第二，铸造铝合金控制系统，自身具备完善的工艺参数库，它能够准确的控制各个环节，提升铸件的整体水平，保证铸件质量，减少了人员自身功能工作压力，并且在这一系统设计和布局中，输出成本较小，便于应用。

1.2 结晶器

结晶器和我国传统的紫铜结晶器相比较而言，性能更好。结晶器是铸造铝合金的主要部分，它是由铝合金结构和不锈钢结构相互组建而成，方便快捷。在结晶器中，将内部水腔分为两个部分，分别为一次水室和二次水室，这两种水室相互联系，自身都具备单独的喷水孔。在进行铸造的时候，冷却水流经喷水孔，打开分水阀之后，冷却水从两次水室中进入一次水室，其冷却效果较好，应用广泛。

1.3 其它特征

铸造铝合金稳定性好，安全度高。从实际情况来看，Wagstaff的引锭头包含两种类型，分别为钢质、铝合金质，这两种类型性质相同，比较适合应用于不同类型的铝合金制造中。运行流程为：引锭头腔体周围有一些排水孔，在铸造期间，将冷却水从排水孔中运出，再者，引锭头中间呈现凸起情况，它可以保证其稳定性。

2 铸造铝合金缺陷

铝合金属于一项有色金属结构材料，由于性能良好而被广泛应用到了工业领域内，比如在我国航空或者是汽车制造等行业中，均应用了铝合金材料。基于相对干净的大气环境中，铝合金表面逐渐形成了一项保护氧化层，防止受到侵蚀影响，不过，该项氧化膜非常薄，经常受损，当处于酸性和碱性环境中还会发生一系列的溶解现象。受上述情况的影响，就需要引进与之相符的表面处理工艺，将防腐防污染材料涂抹到铝合金中，从而防止铝合金受到腐蚀。

2.1 铸造裂纹

铸件形状有着复杂性的特征，在凝固期间项位置的冷却速度是不一样的，形成了巨大的内应力，在应力远远超出了合金材料抗拉强度以后逐渐逐渐被抗裂。裂纹表现为了热烈为和冷裂纹两方面，前者是沿晶开裂，裂缝呈现出了氧化黑色，形状不规则，冷裂纹沿着境内开裂，断口没有氧化，银色发亮。要想叫李文有效消除最为合理的工艺措施是明确合金化学成分，杂质含量不符合标准，以免熔体过热，在炉内停留的时间不能太长，合理控制铸造温度和铸造速度，保持液体金属流动和冷却的均匀性，以免插入杂物。

2.2 花边状组织

边界晶粒呈现出了波浪状花边形状态，类似于铸造边晶，呈现出了羽毛状，显微组织相互平行，产生原因是因为化学成分调整不合理，溶体太热，停留时间非常长，铸造度升高，结晶体非常爱变质。细化剂自身的作用却是要想将花边状组织有效消除，就需要严格控制合金化学成分、杂质含量，不可以超出标准合理的设计结晶装置，精准控制容量、铸造温度和时间，添加细化剂。

2.3 光亮晶粒

在铸件发生了合金元素非常低的贫乏固溶液的情况下，晶粒粗大，呈现出了树枝状态网络组织，硬度比正常组织沿低，产生原因是因为铸造期间漏斗温度非常低，底部逐渐形成了低成分固溶液一次晶的结构，依照原成分不断长大，在重量达到一定程度以后，形成了光亮晶粒，降低了合金强韧度。具体的均匀涂抹物料浇筑之前提前预热，漏斗沉入金属液不可以过深，严格控制铸造的温度均匀平稳。

2.4 浇不足

由于浇筑温度特别低，铸件凝固速度非常快，不符合标准要求，存在着凝固成型的现象，形成了浇不足的情况，形成了铸件产品不完善的情况。由于浇筑系统通道比较狭窄，铝液流量小，形成了瓶颈，在浇筑流量小于铝业填充速度的情况下，变形成了问题，成为废品。预防措施是对相关的系统加以设计和改进，增加铝业的容量预热模板的过程中，避免铝业冷速过快，使涂了保持均匀性，不可以太薄，保障模具的排气通畅。

2.5 缩松

铝合金液温度和浇筑温度处于偏高的状态，冷却速度十分缓慢，收缩程度大，导致晶粒粗大，力学性能下降，形成了废品，预防措施是改进工艺，制定规范性的操作流程，合理控制合金加热温度和浇筑温度，涂料不可以太薄，尽量确保住件设计的对称性，厚薄悬殊不可以太大。

2.6 氧化夹渣和气孔

由于操作不到位，铝业进入了型腔以后产生了喷溅现象，气体被包裹在铸件内部，金属产生了氧化，形成氧化夹杂铝业内有着体积较小的氢气时，将会形成不规则的小孔洞，一般表现为厚大砂型铸件。铝合金铸件的物理和化学性能下降，影响了产品组织性能的核心效果，所以需要引进合理的工艺，精心操作，浇筑过程中保持铝业流速的平衡性，降低冲击力，明确具体的融化温度和浇筑温度，检验炉料的清洁度。

3 实验操作流程

3.1 实验材料和相关仪器

在本次实验探究期间，采取的实验材料是非常多的，大体上表现为以下几点：

其一，以5083铝合金为主，把三组一样的铝合金材料当成一项样本，分别进行命名，命为甲组、乙组和丙组。

其二，把表面钝化剂、自抛光无铜防污漆、环氧丙烯酸连接漆以及环氧厚浆防腐底漆等留作备用。

其三，在该项实验环节中，所应用的实验仪器包含了电化学阻抗谱仪、液压附着力测试仪。

3.2 制备防腐防污涂层体系

为了和相关的实验要求相一致，在本文中，将自抛光无铜防污漆当成了防腐防污层内的一号涂层，具体厚度是80μm，道数为一道。然后把环氧丙烯酸连接备用漆和环氧厚浆防腐底漆分别作为防腐防污涂层内的二号涂层以及三号涂层，具体厚度是50μm，道数为一道。最后，将环氧锌黄防腐漆设置成防腐防污涂层的四号图层，该项图层和上述的二三涂层厚度是一样的，都是50μm，道数为一道。

3.3 表面处理

（1）对基材进行打磨处理；在对第一组样本进行基材打磨处理的过程中，首先，需提前做好样本表面的除油工作，使用1.5#的砂纸打磨表面，具体打磨到粗糙度≥20μm，应用无水乙醇清洗干净，最后将防腐涂层体系涂抹均匀。

（2）在乙组铝合金材料中应用钝化处理工艺。首先，处于样板表面实施涂油处理工作，采取1.5#的砂纸打磨样板表面，一直到表面粗糙度≥20μm即可，应用无水乙醇清洗打磨以后的样本，完全干燥以后将表面钝化剂涂抹到样板表面，使表面产生良好的钝化膜，最后涂抹防腐涂层。

（3）将阳极氧化处理工艺应用于丙组铝合金材料中。对样板表面实施涂油和抛光工作，待完成以后采取阳极氧化处理方式，大约放置4～5天以后涂上防腐涂层。

3.4 性能测试

①拉开法附着力试验；当前阶段，需要对样本涂抹环氧厚浆防腐底漆和环氧锌黄防腐漆，等到一周左右涂层彻底干燥以后，进行拉开附着力试验，有效测试出防腐涂层的具体附着力，探究表面处理工艺对于铝合金防腐涂层性能产生的一系列影响。②电化学阻抗试验；借助电化学阻抗谱仪测试涂装和没有涂装防腐涂层的样板，了解到电路图实际情况，掌握样本的耐蚀性能变化状态。③耐海水浸泡试验；将环氧厚浆防腐底漆和环氧锌黄防腐漆涂抹到样本中，等到涂层彻底干燥以后，把样本的一面划伤，采取耐海水浸泡方式把样本浸泡在海水内，仔细探究划伤处的腐蚀产物形成和具体拓展现象。④双氧水和稀土盐对铝合金表面抗腐蚀性的影响；通过打磨铝合金样本试片，实施脱脂处理和冷热水冲洗等流程以后，采取正交实验方式进行研究工作，分析不同溶液浓度和温度对于铝合金表面形成氧化膜产生的诸多影响。研究探究得出，当处于相应范围中，稀土盐浓度越高的话，那么铝合金形成转换膜的速度也就越高，而添加双氧水可以保持膜的均匀性，增强铝合金表面抗腐蚀效果，从中看出，双氧水起着良好的效果，扮演着催化剂的角色。在温度为34℃左右的时候，转化膜的抗腐蚀能力最高，而温度持续提升的时候，性能也会降低。所以，要想提升铝合金的抗腐蚀效果，就需要掌握好溶液的浓度和反应温度。

4 具体的实验结果探究

4.1 对于腐蚀扩散的分析

通过详细探究铝合金样板图层划伤一面可以看出，经由打磨处理以后的样本处于海水内浸泡五个月以后，划伤位置便会出现较少的黄色腐蚀物体，而且伴随着时间的延长，该项腐蚀性物体就会增加，之前的划痕边缘随之鼓起，不过浸泡五个月以后的样板不会产生氧化膜掉落的现象。

4.2 附着力性能

通过分析具体的附着力性能可以看出，甲组以及乙组的铝合金样板防腐涂层附着力呈现出了一定的上升状态，在这其中，甲组铝合金样板腐蚀涂层的附着力为16.4兆帕，而乙组铝合金样板防腐涂层的附着力达到了20.0兆帕。在环氧厚浆防腐底漆涂层内部中还存在着界面断裂的情况，不过没有发生层间受损问题。乙组铝合金样板防腐涂层的附着力随之降低，待放置4个小时以后变为9.3兆帕，继续放置一天的话慢慢下降到6.5兆帕。

通过上述存在的现象我们可以得出以下几点结论，如下所示：其一，针对于铝合金材料而言，经由钝化以后，表面便会产生一定的钝化膜，而且表面上存在的钝化液会加剧氧化膜内部防腐涂层的渗透速度，以此达到防腐涂层填充氧化膜空穴的目的。对于防腐涂层和钝化膜来讲，两者有着良好的性能，特别是相容性，效果最佳。从上述性能可以看出，表面钝化处理工艺的大力应用有利于增强铝合金防腐涂层的附着力。其二，铝合金材料经由打磨以后表面就会产生带孔穴和疏松的氧化膜，孔穴有利于防腐涂层全面渗透于铝合金表面中，并且和环氧锌黄防腐漆形成一定的化学性能，进而达到锚固的效果。基于该项优势的帮助下，能够进一步提升铝合金防腐涂层的附着力。

其三，当对铝合金材料进行了表面和氧化处理工作之后，就会自主形成双层氧化膜，上下层之间有着明显的区别，其中，上层属于多孔氧化膜，而下层则是微孔致密层，和自然形成的氧化膜相比较来看，不管是耐蚀性还是耐腐性，均是非常高的，同时和防腐防污涂层的络酸根之间不会形成化学现象。经由分析得出，阳极氧化处理工艺的应用会使铝合金防腐防污涂层的附着性能降低。

4.3 耐蚀性能

在该项研究环节中，甲组样板模拟电阻值发生了相应的降低现象，待使用海水浸泡五个月以后，模拟电阻值降低到了800000000Ω～130000000Ω；丙组样板的耐蚀性能呈现出了提高趋势，在海水浸泡五个月以后，模拟电阻值是100000000Ω～130000000Ω。对以上情况进行探究之后，得出了以下几方面要点：

其一，处于大气环境内，铝合金表面形成了自然氧化膜，该项氧化膜的模拟电阻值是1480Ω，不过，对于防腐涂层模拟电阻值来讲，一般能够达到1000000000Ω，比自然氧化膜中的模拟电阻值要远远高出许多，因此该方面性能高，所以防腐涂层可以有效提高铝合金的耐蚀性能。

其二，通过比较浸泡前后的铝合金样板模拟电阻值可以得出，阳极氧化膜有利于提升铝合金和防腐涂层间的界面电阻，但是钝化膜则难以达到该项要求。所以，当实施铝合金阳极氧化处理工作以后，需要马上涂装防腐涂层，这样一来，有利于将铝合金防腐涂层的防腐效果体现出来，确保整体质量。