高強度鋁合金鑄造與熱處理技術(shù)研究

邊明勇

（新疆眾和股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830013）

1 高強度鑄造鋁合金概述

高強度鑄造鋁合金一般用于航空、航天、機械構(gòu)件等領(lǐng)域，可以滿足荷載要求，當前主要包括的類型：一是以Al-5Cu為基的固溶體型合金；二是以Al-7Si為基的亞共晶型合金。高強度鑄造鋁合金拉伸強度和屈服強度很高，壁厚效應(yīng)較低，且微量元素的差異，也為合金造成了一定影響。一方面，在Mg-Zn-Zr合金中加入微量元素Ag，能夠獲得更高的時效效應(yīng)，讓點拉伸強度超過310 MPa，屬于強度最高的鑄造鎂合金。然而其存在顯微疏松與熱裂的情況，焊接難度極大，僅僅適用于簡單形狀鑄件的鑄造中，常見的有發(fā)動機機匣、飛機輪轂等。另一方面，對Mg-Zn-Zr合金來說，通過部分稀土元素的加入，能夠大幅度提高鑄造工藝性能與焊接性能。在進行氫化處理后，合金的力學性能將得到改善，制造的零件具有應(yīng)力承受能力、氣密性等都實現(xiàn)了提升，尤其是薄壁優(yōu)質(zhì)鑄件表現(xiàn)更為明顯。在高強度鑄造鋁合金生產(chǎn)中，必須加大對雜質(zhì)含量的控制力度，采取先進的熔鑄與熱處理工藝，獲得高強度優(yōu)質(zhì)鑄件和部分鍛件。整個過程將減少材料的消耗，有效節(jié)約工時，產(chǎn)品性能也能實現(xiàn)提升。

2 高強度鑄造鋁合金熱處理工藝特點與目的

2.1 高強度鑄造鋁合金熱處理工藝特點

鋁合金熱處理技術(shù)就是選用某一熱處理規(guī)范，在熱處理鋁合金產(chǎn)品時控制加熱速度升到某一相應(yīng)溫度下保溫一定時間以一定得速度冷卻，改變其合金的結(jié)構(gòu)組織的一種技術(shù)。對高強度鑄造鋁合金來說，其金相組織比變形鋁合金更加粗大，在熱處理工藝上也有差異[1]。鑄造鋁合金保溫時間很長，通常會超過2 h，而變形鋁合金保溫時間很短，只需要數(shù)十分鐘。在較大冷卻速度與壓力條件下，金屬型鑄造、低壓鑄造和差壓鑄造的鑄件才能結(jié)晶凝固，相比于石膏型、砂型等鑄件，其結(jié)晶組織也更細，大幅度減少了熱處理保溫時間。對高強度鑄造鋁合金與變形鋁合金而言，兩者在壁厚上也不同，結(jié)構(gòu)形狀非常復(fù)雜，有內(nèi)通道、異形截面等，熱處理期間為避免發(fā)生變形、開裂等問題，需要通過專用夾具進行保護，同時淬火介質(zhì)溫度也高于變形鋁合金。對此采取人工時效的方式，減少熱處理時間，也讓鑄件有更好的性能。

2.2 高強度鑄造鋁合金熱處理的目的

高強度鋁合金鑄造熱處理后，力學性能更加優(yōu)異，能夠具有較強的耐腐蝕性，尺寸方面將始終維持穩(wěn)定，有利于順利完成切削、焊接等操作。由于一些鑄態(tài)鋁合金缺乏較好的力學性能，難以達到使用要求，需要采取熱處理措施，保證鑄件擁有更好的力學性能，也滿足實際使用要求。簡而言之，熱處理的目的包括以下幾點：一是減小鑄件結(jié)構(gòu)不合理引發(fā)的問題，具體反映在壁厚不一致，轉(zhuǎn)介區(qū)域厚度超過標準等，要防止其結(jié)晶凝固期間因為冷卻速率的差異引起內(nèi)壓力；二是能有效提升鋁合金強度和硬度，金相組織也能優(yōu)化，這樣塑性表現(xiàn)更好，便于輕松完成切削與焊接等；三是讓鑄件組織、尺寸等保持穩(wěn)定，解決高溫相變引起的體積改變問題；四是解決晶間與成本偏析現(xiàn)象，確保組織均勻度符合要求。

3 高強度鋁合金鑄造與熱處理技術(shù)流程

3.1 坯料制備

對高強度鋁合金鑄造而言，通常需要對鋁合金材料采取熔化、精煉等措施，或者是通過真空熔煉方法進行熔煉，在鑄造、軋制和鍛造后完成成形處理。這些方法實用性雖然很強，但是卻有固溶度低、偏析嚴重等問題，影響了高強度鑄造鋁合金性能[2]。為解決這些缺陷，也開始應(yīng)用快速凝固、單向凝固和粉末冶金等技術(shù)，但應(yīng)用過程較為繁瑣，投入較大，難以有效控制質(zhì)量。因為鋁合金成分、噴射速度和沉積質(zhì)量等存在差異，造成擠壓溫度、速度等也不一樣，所以可以適當調(diào)整噴射速度、合金成分、擠壓比等參數(shù)。由于噴射成型偏析小、晶粒細化，可以保證鋁合金固溶度更高，性能也將得到改善，是高強度鋁合金鑄造中常用方法。

3.2 退火

通過退火，能夠?qū)㈣T造應(yīng)力與機械加工期間形成的內(nèi)應(yīng)力去除，這樣加工件形狀、尺寸等更加穩(wěn)定，促使Al-Si系合金的部分Si晶體球狀化，從而有效改善合金塑性。技術(shù)流程包括以下幾點：提高鋁合金鑄件溫度到280～300℃，保溫2～3 h，并與爐一起冷卻到室溫，這樣固溶體開始被分解，將第二質(zhì)點聚焦析出。這樣鑄件內(nèi)應(yīng)力將被消除，不僅保證尺寸更加穩(wěn)定，也能有效改善塑性，避免發(fā)生變形。

3.3 淬火

淬火即固溶處理與急冷處理，具體工藝流程為：先加熱鋁合金鑄件到較高溫度，通常為接近共晶體的熔點，且大部分超過500℃，保溫至少2 h，讓合金可溶相充分溶解。后續(xù)處理中要在80℃左右水溫中進行淬火，通過急速冷卻確保鑄件合金溶解的強化相得到固定，再逐步與室溫保持一致。在鑄件熱處理中也要關(guān)注變形問題，常見的有自重變形、應(yīng)力釋放變形以及淬火變形等類型。自重變形是由于高溫條件下鑄件硬度不足，難以承受自身重量，應(yīng)力釋放變形則為冷卻中鑄件內(nèi)外溫度存在差異，造成應(yīng)力釋放引起變形[3]。對淬火變形來說，主要是淬火中溫度分布不均衡，在釋放應(yīng)力后產(chǎn)生變形，其中高強度鑄造鋁合金主要為淬火變形。在鑄件淬火過程中，要考慮使用垂直入水方式，當固溶結(jié)束要利用液壓機對鑄件進行校正，滿足圖紙要求，之后才能進行時效處理。高強度鋁合金淬火、時效溫度范圍不大，在熱處理工藝、設(shè)備等方面有著嚴格要求，需要加強控制，防止過燒帶來鑄件報廢問題。

3.4 時效

高強度鋁合金鑄件進行淬火后，通過加熱保持所需溫度，出爐后則逐步冷卻到室溫，確保過飽和固溶體分解，讓合金基體組織更加穩(wěn)定。合金時效包含以下流程：在升溫、時間延長后，過飽和固溶體點陣內(nèi)原子完成重組，構(gòu)成溶質(zhì)原子富集區(qū)，即G-PⅠ區(qū)。當G-PⅠ區(qū)消失后，第二相原子以一定規(guī)律偏聚構(gòu)成G-PⅡ區(qū)，即亞穩(wěn)定的第二相。很多G-PⅡ區(qū)和少量亞穩(wěn)定進行融合，且亞穩(wěn)定相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定相、第二相質(zhì)點聚集等階段。在時效處理過程中，具體分為自然時效、人工時效等，前者要始終維持室溫，為時效強化處理創(chuàng)造條件。后者主要由不完全人工時效、完全人工時效以及過時效等類型構(gòu)成，對不完全人工時效來說，提高鑄件溫度至150～170℃，并保溫3～5 h，這樣抗拉強度將得到改善，也能獲得更好的塑性與韌性，缺點是會影響其耐蝕性。對完全人工時效來說，先加熱鑄件至175～185℃，保溫5～24 h，抗拉強度也將提升，而缺點是會影響伸長率。對過時效來說，即穩(wěn)定化回火，提高鑄件溫度至200～220℃，保溫5～8 h，強度將有一定程度的降低，塑性得到改善，同時抗應(yīng)力和抗腐蝕能力均獲得了提升。

3.5 循環(huán)處理

先冷卻鋁合金鑄件保持-50℃、-70℃或-195℃，控制好保溫時間，提高鑄件溫度到350℃，這樣合金內(nèi)固溶體點陣將不斷收縮和膨脹，各相晶粒將形成一定位移，固溶體結(jié)晶點陣內(nèi)的原子偏聚區(qū)和金屬間化合物的質(zhì)點將始終保持穩(wěn)定狀態(tài)。如此一來，對產(chǎn)品零件尺寸、體積來說將穩(wěn)定，在反復(fù)加熱、冷卻的過程中，能夠在處理尺寸穩(wěn)定、精密度較高的零件中廣泛應(yīng)用，如檢測儀器內(nèi)部各種零件等。

3.6 鑄件澆注

在高強度鋁合金鑄造中，一般選擇重力與低壓澆注等方法，其中低壓鑄造與重力鑄造效果更好。在低壓條件下，金屬液能夠平穩(wěn)充入鑄型內(nèi)，逐步形成下高上低的溫度梯度，在壓力環(huán)境中鑄件會結(jié)晶，其力學性能也將大幅度提升。低壓鑄造速度能夠結(jié)合實際情況加強控制，避免絮流帶來吸氣、二次氧化等現(xiàn)象，防止出現(xiàn)氣泡、夾渣等問題。此外，鑄件澆筑位置不一樣，其難易程度和質(zhì)量也不相同，采取垂直澆注的方法，能夠利用縫隙立筒澆注系統(tǒng)的建立，確保鑄件熱量分布更加均勻[4]。這樣能夠為鑄件順序凝固、排氣等創(chuàng)造有利條件，也能在運用綜合激冷方法后，對鑄件各部位冷卻速度進行調(diào)整，提高了尺寸的精確度。

3.7 熱處理操作技術(shù)要點

1）充分考慮鑄件結(jié)構(gòu)形狀、尺寸、合金特性等情況，靈活選擇熱處理技術(shù)。

2）是先全面、細致檢查熱處理設(shè)備、輔助設(shè)備和儀表等性能，保證能夠正常運行，爐膛中各區(qū)域溫度差需要加強控制，不超出±5℃的范圍。

3）裝爐的過程中先對鑄件進行吹砂、沖洗等操作，去除其中的油污、臟物以及泥土，合金牌號要正確。

4）部分鑄件由于形狀容易發(fā)生改變，要置于專用底盤或支架上，消除懸壁部分。

5）檢查鑄件性能的單鑄或附鑄試棒，要與工件進行同爐熱處理，提高鑄件的各項性能。

6）保溫過程中要隨時檢查、校正爐膛各處溫度，避免局部高溫或燒化。

7）斷電后短時間無法恢復(fù)的情況，保溫中的鑄件需要第一時間出爐淬火，通電后完成裝爐、保溫和熱處理。

8）鹽槽內(nèi)淬過火鑄件，應(yīng)在淬火后及時利用熱水沖洗，降低殘鹽，防止出現(xiàn)腐蝕。

9）對淬火后鑄件變形狀況，要盡快校正。

10）進行時效處理的鑄件，淬火后0.5 h內(nèi)應(yīng)時效處理。

4 結(jié)語

近年來高強度鑄造鋁合金在航空航天等行業(yè)中應(yīng)用較為廣泛，是一種重要的材料，在科技進步與發(fā)展中將有更大的市場空間。為了進一步提高鋁合金強度，需要深入分析鋁合金成分，改進制備工藝，尤其是采用更先進的熱處理工藝。這樣鋁合金強度、任性和抗腐蝕性都能提升，真正滿足時代快速發(fā)展的需求。