鑄造工藝對鋁合金組織及性能的作用探究

2024年1月4日發(作者：情人情)

鑄造工藝對鋁合金組織及性能的作用探究

摘要：在我國經濟實力逐漸壯大，科學技術不斷創新的今天，作為一種重要的工業材料，鋁合金的應用范圍十分廣泛。而就鋁合金的鑄造技術而言，隨著近年來相關技術的成熟與發展也獲得了長足的進步。

關鍵詞：鑄造工藝；鋁合金組織；性能；作用

引言

伴隨我國當前經濟與科技的穩定發展，我國工業在發展的過程中都得到一定的改進。雖然鑄造鋁合金應用前景廣泛，但現代工業的發展對鋁合金提出了更高的要求，高強鋁合金的研制成為近年來鑄造鋁合金的重點。擠壓鑄造技術能夠生產形狀復雜、壁厚較大、普通鑄造無法完成的零部件等，自問世以來其應用范圍不斷擴大。擠壓鑄造工藝簡便，鑄件力學性能提高，缺陷少，容易實現自動化，但其鑄造工藝對鑄件質量影響較大。

1鑄造工藝

1.1半固態壓鑄

所謂的半固態壓鑄實際上就是在液態金屬呈凝固狀態以前進行有效的攪拌，在一定的冷卻速率下獲得更高的固體組分漿料。當下具體應用的有攪溶鑄造法與流變鑄造法，在將近三十年的發展歷程中，半固態成型技術由于其獨特的優勢與廣泛的應用前景飽受關注。首先在攪拌的過程中已經有大量的融化潛熱消散，所以這有效降低了澆注的溫度同時減少了對于相關部件的熱沖擊。其次半固態金屬粘度遠高于液態金屬，其在內澆道處的流速較低，所以在充填式能夠有效的方式噴濺與湍流，這也避免了過多空氣的卷入。第三由于半固態金屬的收縮較小，所以鑄件的質量也會相對提升。最后，由于半固態金屬在輸送到壓室的過程中呈現一種軟固體的形態，所以就操作而言也相對簡便。

1.2真空低壓消失模殼型鑄造

首先用泡沫模制成合金消失模的原型，利用熔模鑄造制殼技術使泡沫模表面結殼；然后，經過失模、焙燒等流程，將殼型裝入砂箱制作造型；最后，使金屬液在真空和壓力的作用下形成合金鑄件。這一系列鑄造流程可以降低合金鑄件的模型制造成本、對鑄件尺寸進行靈活設計和調整、提高鑄件鑄造精度、解決孔洞缺陷和澆注方式溫度過高的問題，是薄壁鋁鎂合金精密鑄件的生產新方法。

1.3熱等靜壓鑄造工藝

熱等靜壓是指將在密閉容器中對鑄件制品施加壓力，同時營造高溫環境，在高溫和高壓的共同作業下，合金鑄件被燒結、致密化形成設計師設計出的造型。熱等靜壓是當前高新材料開發、生產過程中的重要手段，對鑄件整體力學性能的提升具有重要意義。

1.4先進模式的液態高壓鑄造

為了提升高壓鑄件的質量，同時也為了縮減模具制造的周期與成本，運用

CAE技術進行設計制造無疑也是十分理想的選擇。由于高圧鑄造中所需面對的壓力較大且充型時間較短，所以國際范圍內對于很多層面的預算精度還有待提升。其中邊界條件作為制約預測精度的關鍵所在，加強邊界條件的優化至關重要。通過對高圧鑄造過程中的不同因素進行測定，繼而得到較為精準的CAE邊界條件，以此來優化模具結構以及鑄造過程，這便是更為先進的液態高壓鑄造工藝。

2鑄造工藝對鋁合金組織及性能的作用

2.1微觀組織

經過熱處理后，真空低壓消失模殼型鑄件的晶粒直徑較小且組織致密，平均面積較小；經過JX2000分析軟件可知孔隙率較小，即孔洞方面的缺陷較少；且熱處理前后真空低壓消失模殼型鑄件的晶粒直徑變化不大，組織更加致密而已。消失模鑄件的晶粒直徑較大，且呈現樹枝狀，平均面積較大，經分析軟件鑒定孔隙率較大，缺陷較多，且熱處理前后晶粒直徑變化較大，但仍然存在樹枝狀晶體和較大的孔洞，分布更加均勻。熱等靜壓鑄件在熱處理前后晶粒直徑變化不大，但孔洞缺陷明顯減少，且密度提高，最佳狀態下可以接近理論上的鋁合金密度；熱處理后的晶粒更加致密，隨不能完全排除缺陷，卻大幅度降低缺陷處尺寸，且對合金中金屬元素相的強度有較大幅度的提高，間接提高了合金的抗拉強度和延展性。

2.2對鋁合金的鑄造工藝方法進行合理的選擇

在實際工業生產中，很多鋁合金鑄件雖然在結構表現上相對簡單，但其很多部位都存在厚薄不均勻的情況，加之熱節點的位置較多，因此對零件表面以及內部質量有著很高的要求，工藝控制的難度很高。對于中大型薄壁鋁合金鑄件，工藝方法的選擇是一個關鍵點。

2.3提升合金的力學性能

純鎂鋁在加入2%的稀土元素之后，其硬度可以提升一倍。在鑄造鋁鎂ZL10系合金中加入0.3%的稀土元素，其硬度會由60提升到106，同時還可以進一步降低合金的膨脹，高溫強度能夠提升至20%~25%。稀土元素在鎂鋁合金中有著高熔點特征，會呈現出網狀或骨架狀，且會擴散到晶體間與枝晶間，然后使其與集基體融合入，在溫度和強化晶界方面有著極大的優勢。另外，針對于鑄造工藝對鋁合金力學性能的影響作用來講，真空低壓消失模殼型鑄造件在經過熱處理以后，可以提升鑄造件的抗拉強度與硬度，在過程中可以借助顯微鏡發展其斷面孔洞缺陷較少，主要都是以鍛煉方式為主的韌性斷口。而消失模鑄件的抗拉強度與硬度普遍低于真空低壓消失模殼型鑄造，在經過熱處理之后提升幅度相對較小，其斷裂方式基本上都是以脆性端口為主，說明消失模鑄件的抗拉強度與硬度較低。針對于擠壓鑄造工藝來講，其在提升鋁合金力學性能方面有著極大的優勢，同時還可以對鋁合金疏松與氣孔等問題進行全面改善，另外，這一鑄造工藝所形成的鑄造品可以直接進行熱處理，進而獲得更加細致的晶粒。基于此，可以說明真空低壓消失模殼型鑄造工藝可以使鋁合金的致密性較高、孔洞率降低、抗拉強度與鑄件硬度變強，這一鑄造工藝可以全面提升鋁合金的力學性能。

2.4確定工藝模擬和工藝優化的工作流程

在鋁合金鑄造工藝模擬和優化的過程中，首先利用三維設計軟件完成建模工作，之后分為兩條線。一方面，通過CAD接口軟件對鑄造工藝設計進行前處理，具體內容包括模數計算、孤立熔池計算、澆注系統計算等，最終統一匯集到鑄造工藝設計分析后處理環節，然后重新輸入到三維設計軟件中。另一方面，則是通過CAE接口軟件對鑄造工藝進行前處理，基于數據進行流動場計算以及溫度場計算，之后進行鑄造工藝分析后處理，在此基礎還是那個進行鑄造工藝合理性判斷，若是，則輸出，用于實際生產。若否，則要重新回到第一步，通過有限差分軟件進行工藝分析處理，重新計算各項參數。在鑄造模型構建和模擬計算環節，要按照鑄造工藝要求添加低壓鑄造相應的工藝參數。

2.5斷口形貌對比

不同鑄造工藝下的斷口形貌差異，其中消失模鑄造工藝下鑄件拉伸試樣斷口中出現了較多孔洞，并且孔洞的分布比較廣泛，深度和尺寸均較大；但是真空低

壓消失模殼型鑄造工藝下的鑄件拉伸試驗端口中孔洞明顯比消失模鑄件少，并且大部分孔洞深度和尺寸較小。在真空低壓消失模殼型鑄造中斷口多出現的是韌窩形貌，并且這些韌窩不但分布均勻且深度較大，說明其斷口主要為韌性斷口；消失模鑄造鑄件斷口的韌窩形貌并不是特別明顯，并且數量比較少、深度較小，只是在部分區域中出現，因此判定其為脆性斷口。

結語

綜上所述，在傳統鋁合金鑄造中，工藝設計都是依靠專業技術人員的經驗和知識，在這樣的情況下，工藝生產很可能因重大缺陷的存在而前功盡棄，造成時間和資金的大量浪費。對此，可以引入現代化計算機技術，通過反復試驗的方式確定最佳的工藝方法，在計算機模擬中對鑄造工藝存在的問題進行確定，針對性的做出優化，實現產品生產質量的提升以及生產周期的縮短，提高經濟效益。

參考文獻

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