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關鍵詞：高強度 鋁合金 熱處理
高強度壓鑄的鋁合金強度較大、抗蝕性能和鑄造性能都比普通的鋁合金要好，因為它具有優良的性能被廣泛應用于電器工業、汽車、航空航天等領域。鋁合金行業的發展促進了汽車等工業的發展，但由于汽車等行業的發展加大了對鋁合金的需求量，因此，又反過來促進了鋁合金行業的發展。但是目前的鋁合金鑄造技術很難滿足這么大量的市場需要。那么，研究高強度壓鑄鋁合金及其熱處理的優化迫在眉睫。
1 關于高強度壓鑄鋁合金及其熱處理
顧名思義，高強度壓鑄鋁合金是一種通過高溫高壓的方式來壓鑄鋁合金材料的過程，這是一種節約能源和改善環境的材料鑄造方式，是人類生產生活和社會可持續發展的必然成果。高強度壓鑄鋁合金可以通過熱處理的方法強化鑄件的性能，是現有的所有材料成型的方法中最為經濟實惠又可靠的處理方法。高強度壓鑄的鋁合金由于其輕量化的結構優勢以及材料密度小、塑性好、易加工、導電及導熱性能較好、強度比較高等優點在工業如機械制造業、航空航天業、兵器工業以及船舶業中被廣泛應用。高強度壓鑄的鋁合金的使用量僅次于鋼，普通的重力鑄造等合金的鑄造成型方式鑄成的材料的經常會出現縮孔疏松、晶粒過大等不足，但高強度壓鑄鋁合金結合了鑄造和鍛造特點的液態成形技術，不僅能夠減少縮孔疏松現象，還能夠細化晶粒，所以，鑄造出的鑄件有比較優良的力學性能。與此同時，高強度的鑄造方式能提高流動性小的材料的充型能力，能夠將材料制造成形狀比較復雜的鑄件，而且高強度鑄造過程中材料的利用率比較高，制造出的零件表面比較理想，不需要再次加工。
2 高強度壓鑄鋁合金優化研究
2.1 高強度壓鑄鋁合金優化的影響因素
高強度壓鑄鋁合金的材料成型方法對鑄件的微觀和宏觀部分都有比較大的影響，所以，找到高強度壓鑄鋁合金優化的影響因素是保證零件質量的關鍵。優化高強度壓鑄鋁合金的主要影響因素包括：金屬材料的熔體質量、比壓的大小、澆注時的溫度、澆注模具的預熱溫度以及施壓的時間間隔和保壓的時間間隔等。比壓就是單位面積鋁合金熔體所承受的壓力。高強度鑄造方式區別于普通鑄造的最明顯特點是鋁合金熔體在很高的壓力條件下結晶，而比壓就是零件組織和力學性能最大的影響因素?，F在，絕大多數學者認為比壓對于鑄件組織和力學性能有影響是由于加大了鋁合金液的過冷度，使其形核率增大；或者是由于比壓能夠減小零件與澆注模具之間的氣隙，零件與澆注模具的界面換熱率加大，鋁合金的凝固速度加快。此外，當比壓大小適宜時，零件的微觀組織能夠明顯得到改善，且高強度壓鑄時鋁合金液在高壓力下凝固，凝固時高壓對鋁合金材料有強制補縮作用，可以高效的縮孔縮松，提高鑄件質量。高強度壓鑄過程中，如果比壓過小，零件的質量達不到標準要求；如果比壓過大，對鋁合金的力學性能的增強效果變差，還極易損壞澆注的模具，如澆注模具出現裂紋或者毛刺，這會增加零件脫模的難度，加大了零件成型過程中的能量消耗。所以，選擇比壓時，不僅要滿足鑄件的力學性能，還要考慮加工過程中對設備的消耗和成型加工成本。澆注溫度是高強度壓鑄鋁合金過程中的又一優化影響因素，液態鋁合金澆注進模具型腔時的溫度對于零件的質量和模具的使用壽命都有很大的影響。當澆注溫度過低時，鋁合金液的流動性小，充型能力低，尤其是在澆注形狀比較復雜的鑄件時，很容易發生充型不足和零件表面冷隔的次品；當澆注溫度高于標準溫度時，鋁合金液在轉移過程中容易氧化，沖頭在高壓下易發生熔體噴濺，零件的厚大部分會發生熱節或縮孔縮松。此外，過高的澆注溫度對于澆注模具的冷熱沖擊也很大，澆注模具非常容易發生破裂。模具的預熱溫度對于高強度壓鑄過程中的界面熱交換率有很大的影響，不適當的模具預熱溫度會破壞零件的微觀組織和力學性能。當澆注模具的預熱溫度低于標準溫度時，模壁附近的鋁合金液激冷會造成鑄件表面冷隔，使形狀復雜的鑄件充型不足，降低零件的鑄件合格率，澆注模具的熱應力也會受到損壞，容易過早失效；當澆注模具的預熱溫度高于標準溫度時，零件會發生熱節和縮孔縮松，澆注模具與零件之間容易粘合，降低澆注模具的使用壽命。一般情況下，鑄造過程中的保壓時間應控制到零件完全凝固為止。如果保壓時間太長會加大脫模的難度，加長生產周期，加大對模具和設備的消耗，增加生產成本；如果保壓時間太短，零件的厚大部位還沒有完全凝固，會發生零件補縮不足、表面不光潔的現象，降低零件的質量。
2.2 試驗過程及結果
試驗分析不同的影響因素對于高強度壓鑄鋁合金優化的影響時，這里選擇采用單因素分析法。試驗比壓對于鋁合金的微觀組織和力學性能的影響時，控制比壓在0～74兆帕之間，觀察鋁合金的抗拉能力、屈服能力和伸長率，結果發現鋁合金的抗拉能力、屈服能力和伸長率都隨著比壓的加大而增加，當實驗時控制壓力超過74兆帕時，發現鋁合金的抗拉能力、屈服能力和伸長率沒有明顯變化，說明壓力超過74兆帕時比壓對于鋁合金的力學性能的影響減小。其他條件相同，控制澆注溫度，隨著澆注溫度的升高，鋁合金鑄件的質量先升高后下降，當澆注溫度為鋁合金的最高結晶溫度1 000攝氏度左右時鑄件質量最優。所以，鋁合金的澆注溫度應該選擇合金的最高結晶溫度?？刂破渌麠l件相同，改變模具的預熱溫度，觀察鑄件的質量和模具的反應，鋁合金的高強度澆注過程中模具的預熱的最適宜溫度一般為2 000～3 000攝氏度。此外，壓力試驗時我們還發現：當加大壓力且鋁合金液體的溫度超過鋁合金液相線很大時，這種壓力會使得晶粒的尺寸加大，而當鋁合金液體的溫度與鋁合金液相線基本等同時，這種壓力會對鋁合金液體過冷有非常明顯的作用，能夠得到比較優質的微觀組織，當鋁合金液體的溫度小于鋁合金液相線時，能夠得到尺寸比較微小的零件微觀組織。試驗研究鋁合金液體溫度時，應該控制其他條件相同，改變鋁合金的液體溫度，結果顯示：對于高強度壓鑄鋁合金，稍大于6 800攝氏度時對于提高零件頂部的性能有幫助，而稍小于6 800攝氏度時，對于零件底部的性能有幫助，因此，液態鋁合金的最適宜溫度大約為6 800攝氏度左右。
3 高強度壓鑄鋁合金熱處理優化研究
3.1 高強度壓鑄鋁合金熱處理優化的影響因素
高強度壓鑄鋁合金熱處理優化的影響因素包括以下幾點：固溶溫度、固溶時間、時效溫度、時效時間、淬火速度以及微量元素的添加等。在高強度壓鑄鋁合金熱處理過程中，相同的固溶溫度和固溶時間條件下，高強度壓鑄鋁合金比普通壓鑄方法中的晶間第二相溶解更加充分。高強度壓鑄合金在熱處理過時效后具有更優良的穩定性，這主要是由于高強度壓鑄合金的晶粒細，彌散沉淀顆粒小且數量多的緣故。在高強度壓鑄鋁合金熱處理時添加鈧對于鋁合金液體的沉淀行為有及時、強化的作用。當固溶溫度為5 400攝氏度時，熔體中的鈧化三鋁能夠基本固溶進鑄件內，并且在之后的均勻沉淀強化中，可以使鋁合金鑄件強化的有效晶體顆粒間的距離明顯減小，很大程度上增強鑄件的力學性能；當固溶溫度為5 000攝氏度時，熔體中的絕大多數鈧化三鋁還沒有溶解到鑄件內，這會導致時效過程中鈧化三鋁直接在鑄件表面上彌散析出，鈧化三鋁的均勻沉淀被抑制，從而使得鑄件的力學性能降低。此外，固溶時間控制在12h是比較合適的時間，>12h的固溶時間就不會再提高鑄件的力學性能。對于拉伸后的鋁合金的沉淀強化，當1 900攝氏度的時效后6～10h鋁合金鑄件的硬度值達到最大，如果繼續時效鑄件的硬度會下降；而1 500攝氏度的時效下，鋁合金鑄件會時效后48時候出現斜方晶系的沉淀，即鋁合金鑄件的硬度進入第二階段的強化。硫相是鋁合金鑄件進入第二階段強化的主要因素，硫相在鋁合金鑄件硬度最大時會在鋁合金鑄件表面形成密集的沉淀組織。當時效溫度大約在2 500攝氏度時，鋁合金熔體的時效響應速度也比較大，但是由于析出相的改變，這個溫度下鑄件的峰值強度要比1 650攝氏度時效溫度下的鋁合金鑄件峰值強度要小很多，這說明高溫時效會抑制鑄件沉淀析出；相比之下短時間的人工時效對于鋁合金鑄件的高溫持久性能可能更有利一些。此外，在對鋁合金鑄件進行固溶處理時，隨著固溶溫度的增大，鋁合金鑄件的力學性能會先增加后下降，相對于固溶溫度來講，固溶時間對于鋁合金的微觀組織和力學性能的影響不是很明顯。
3.2 試驗過程及結果
試驗分析不同的影響因素對于高強度壓鑄鋁合金熱處理優化的影響時，這里選擇采用單因素分析法。將鋁合金的熱處理過程控制其他條件相同，單一因素不同，如不同的固溶溫度、不同的固溶時間、不同的時效溫度、不同的時效時間、不同的淬火速度條件下以及加入不同的微量元素下分別進行熱處理，觀察鋁合金移位中沉淀的發生情況、最終鑄件的力學性能以及模具等設備的反應情況等。試驗結果發現：當固溶溫度為5 400攝氏度、固溶時間為12h、時效溫度約1 700攝氏度、時效時間為8h時所采用的優化熱處理所制造的鋁合金力學性能最優。此外，試驗發現在高強度壓鑄鋁合金熱處理時添加鈧對于鋁合金液體的沉淀行為有及時、強化的作用，鋁合金鑄件的硬度會增大。在鋁合金熔體中加入適量的銀，添加銀的鋁合金鑄件中沉淀的析出相明顯多于沒有添加銀的鋁合金；而且添加0.6%的銀的鋁合金在熱處理狀態下可以大量的沉淀析出，這樣，鋁合金鑄件的硬度更大，而加入0.9%的銀的鋁合金在熱處理狀態下也可以大量的沉淀析出，但是沉淀析出不多，鋁合金鑄件的硬度也沒有那么大，結果表明添加0.6%的銀的鋁合金鑄件質量最優。
4 結語
該研究采用單因素分析法試驗了不同的影響因素對于高強度壓鑄鋁合金及其熱處理的影響并得出最優的處理條件。在高強度壓鑄鋁合金時用最佳的壓鑄條件可以很大程度上改善原合金的力學性能并有效保護模具等加工設備。在經過適當的熱處理后，也能夠有效提高壓鑄鋁合金的力學性能?？傊?，應該不斷地運用先進的科學技術去探究高強度壓鑄鋁合金及其熱處理的優化，使鋁合金的綜合力學性能達到最好，進而帶動其他行業的發展。
參考文獻
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