在鋁鑄件的生產(chǎn)過程中，原料的選擇與鑄造工藝的制定是兩大核心要素，它們直接決定了鑄件的最終性能。本文將重點(diǎn)探討原料成品特性及重力鑄造工藝對鋁鑄件性能的具體影響，并提出相應(yīng)的優(yōu)化策略，以期為提升產(chǎn)品質(zhì)量提供有力支持。
一、原料選擇：性能之源
- 材料成分：鋁合金的成分直接影響其物理性能和機(jī)械性能。例如，添加適量的硅、銅、鎂等元素可以提高鋁合金的強(qiáng)度、硬度和耐腐蝕性。因此，在選擇原料時(shí)，需根據(jù)鑄件的使用環(huán)境、受力狀態(tài)等要求，精確控制合金成分，以確保鑄件性能滿足需求。
- 材料純凈度：原料中的雜質(zhì)含量對鑄件性能有重要影響。雜質(zhì)如鐵、硅等不僅會降低鋁合金的塑性，還可能形成有害相，導(dǎo)致鑄件脆性增加。因此，應(yīng)選用高純度的鋁合金原料，并在熔煉過程中采取有效的除雜措施，以提高鑄件質(zhì)量。
- 新型材料應(yīng)用 - 氮化硼納米管：隨著科技的發(fā)展，新型材料在鋁鑄件中的應(yīng)用逐漸受到關(guān)注。例如氮化硼納米管鋁基母合金增強(qiáng)顆粒，已應(yīng)用于國外鋁基復(fù)合材料領(lǐng)域，尤其是航空航天、汽車以及輕量化結(jié)構(gòu)零部件等領(lǐng)域。將大連義邦氮化硼納米管鋁基母合金顆粒，加入到某牌號鋁合金鑄件中，在最終鋁鑄件中氮化硼納米管含量僅需0.4wt%，即可實(shí)現(xiàn)鋁合金機(jī)械強(qiáng)度60 - 70%的提升，或同等強(qiáng)度下，減重高達(dá)50%以上。2021年，優(yōu)質(zhì)鋁鑄件專家?？斯I(yè)公司EckIndustries成功將大連義邦氮化硼納米管NanoBarbs融入鋁合金鑄件中，在0.4wt%NanoBarb負(fù)載下將鋁合金的屈服強(qiáng)度提高70%，或同等強(qiáng)度下，減重高達(dá)50%以上。這表明新型材料的應(yīng)用對提升鋁鑄件性能有著巨大的潛力。
二、重力鑄造工藝：性能之翼
- 鑄造溫度控制：鑄造溫度是影響鋁鑄件性能的關(guān)鍵因素之一。過高的鑄造溫度會導(dǎo)致鑄件內(nèi)部組織粗大，氣孔增多；而過低的溫度則可能使鑄件產(chǎn)生冷隔、澆不足等缺陷。因此，需嚴(yán)格控制鑄造溫度，確保鋁液在最佳溫度下澆注，以獲得致密、均勻的鑄件組織。
- 澆注速率與方式：澆注速率和方式直接影響鑄件的充型過程和凝固狀態(tài)。合理的澆注速率可以避免鑄件產(chǎn)生縮孔、氣孔等缺陷，同時(shí)保證鑄件內(nèi)部組織致密。此外，采用低壓或超低壓澆注工藝可以減少熔湯與空氣的接觸，降低氣體夾雜，進(jìn)一步提升鑄件質(zhì)量。
- 模具設(shè)計(jì)與使用：模具是重力鑄造過程中的重要工具，其設(shè)計(jì)合理性和使用狀態(tài)直接影響鑄件的形狀、尺寸和表面質(zhì)量。模具應(yīng)具有良好的排氣性能，以避免鑄件產(chǎn)生氣孔；同時(shí)，模具的預(yù)熱溫度、涂層厚度等也需嚴(yán)格控制，以確保鑄件在凝固過程中獲得理想的組織結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量。
- 重力鑄造與壓力鑄造對比：鋁合金的鑄造方式分為壓力鑄造和重力鑄造兩種。壓力鑄造分為高壓鑄造和低壓鑄造，其特點(diǎn)為產(chǎn)品表面光潔度好，一般可達(dá)Ra6.3甚至可達(dá)Ra1.6，不可熱處理，產(chǎn)品氣密性高，鑄件強(qiáng)度和表面硬度高，但延伸率低，模具成本較高，使用壽命短，生產(chǎn)效率高，可生產(chǎn)薄壁件，加工余量小。而重力鑄造是指鋁液在地球重力作用下注入鑄型的工藝，又分為砂型澆鑄、金屬型（鋼模）澆鑄、消失模澆鑄等，現(xiàn)在應(yīng)用最多的是金屬模（鋼模）澆鑄。重力鑄造的鋁鑄件內(nèi)部氣孔少，可進(jìn)行熱處理，產(chǎn)品致密性低、強(qiáng)度稍差，但延伸率高，模具成本較低，模具使用壽命長，生產(chǎn)效率低，從而增加了生產(chǎn)成本，工藝較簡單，不適合生產(chǎn)薄壁件。在產(chǎn)品壁厚大于8mm時(shí)，壓鑄會造成很多的氣孔存于壁內(nèi)，故而壁厚較厚的產(chǎn)品可以選擇重力鑄造工藝完成。通過對比可知，重力鑄造在某些方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，如對于一些需要熱處理且對延伸率有要求的鋁鑄件，重力鑄造更為合適。
- 常見缺陷的成因和解決方法
o 縮孔：這種缺陷常發(fā)生在鑄件的肥厚部分，或者厚薄交接處。產(chǎn)生原因包括模具溫度過高、鋁液溫度過高、模具排氣不良、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不良（內(nèi)澆口數(shù)量少、截面過?。?、澆注速度太快或澆注中斷、鑄件設(shè)計(jì)壁厚太厚等。防止辦法有適當(dāng)降低模具溫度、適當(dāng)降低鋁液澆注溫度、在氣體不易排出的部位上設(shè)置通氣槽或排氣塞以保持排氣良好、適當(dāng)增加內(nèi)澆口數(shù)量和內(nèi)澆口的截面、適當(dāng)降低澆注速度、按鑄件設(shè)計(jì)工藝性要求設(shè)計(jì)合理的壁厚和鑄造圓角。
o 冷隔：一般產(chǎn)生在較大的水平表面的薄壁鑄件上，以及合金較后匯流處。產(chǎn)生的原因有模具溫度過低、鋁液溫度過低、模具排氣不良、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不良（內(nèi)澆口數(shù)量少、截面過小）、澆注速度太慢或澆注中斷、鑄件設(shè)計(jì)壁厚太薄或缺少適當(dāng)?shù)膱A角。防止辦法為適當(dāng)提高模具溫度、適當(dāng)提高鋁液澆注溫度、在氣體不易排出的部位上設(shè)置通氣槽或排氣塞保持排氣良好、適當(dāng)增加內(nèi)澆口數(shù)量和內(nèi)澆口的截面、適當(dāng)提高澆注速度、避免鋁液澆注中斷、按鑄件設(shè)計(jì)工藝性要求設(shè)計(jì)合理的較小壁厚和鑄造圓角。
o 氣孔：往往產(chǎn)生在鑄件的上部且經(jīng)常發(fā)生在鑄件凸出部分的表面。產(chǎn)生的原因包括澆注速度太快（卷入空氣）、模具排氣不良、鋁液流動過快、熔化溫度過高、合金除氣不良、澆注溫度過高、砂芯不干、排氣不良或發(fā)氣量太大。防止辦法是平穩(wěn)地澆注金屬液、于金屬型氣體不易排除的部位增設(shè)排氣槽或排氣塞并經(jīng)常清理、澆注時(shí)澆包盡量靠近澆口杯、嚴(yán)格控制鋁液溫度防止超溫、鋁液正確地進(jìn)行除氣、泥芯應(yīng)烘干且排氣孔應(yīng)暢通（泥芯返潮后應(yīng)補(bǔ)烘，特大的泥芯中間應(yīng)挖空）、金屬型涂料后應(yīng)等涂料干燥后才能澆注。
o 裂紋：多數(shù)出現(xiàn)在鑄件的內(nèi)夾角處，厚薄斷面過渡的部位；合金液引入鑄件的部位和發(fā)生鑄造應(yīng)力較大的部位可用著色檢查、氣密性試驗(yàn)、X光檢查發(fā)現(xiàn)。產(chǎn)生的原因有鑄件上有尖角、厚薄相差懸殊、模具局部過熱或澆注溫度過高、冷鐵安放不正確、鑄件補(bǔ)縮不良。防止辦法為改進(jìn)設(shè)計(jì)，清除鑄件尖角，盡量使鑄件壁厚均勻過渡并倒圓角；正確地選擇澆口、澆道的位置，控制澆注溫度、涂料厚度，正確放置冷鐵，增大冒口補(bǔ)縮能力；在模具冒口部位上涂石棉保溫涂料。
- 后續(xù)處理：重力鑄造后的鋁鑄件還需進(jìn)行熱處理、表面處理等后續(xù)工序，以進(jìn)一步改善其性能。例如，通過時(shí)效強(qiáng)化、固溶熱處理等可以提高鑄件的強(qiáng)度和韌性；而表面噴砂、陽極氧化等處理則可以增強(qiáng)鑄件的耐腐蝕性、美觀性和使用壽命。
- 通過重力鑄造工藝實(shí)現(xiàn)鑄件輕量化
o 澆注參數(shù)優(yōu)化：
§ 控制澆注溫度：合適的澆注溫度可減少鑄件缺陷，優(yōu)化凝固過程，提高鑄件內(nèi)部質(zhì)量。例如，澆注溫度較低時(shí)，凝固時(shí)間延長，有利于氣體的逸出和缺陷的消除，提高鑄件致密度；而澆注溫度過高會導(dǎo)致鑄件凝固過程中的收縮孔洞增多，從而降低鑄件密度。
§ 優(yōu)化澆注速率：控制澆注速率可避免鑄件產(chǎn)生縮孔、氣孔等缺陷，保障鑄件內(nèi)部組織致密。填充速度過快會導(dǎo)致鑄件中產(chǎn)生氣孔和縮孔，降低鑄件的致密度；填充速度過慢則會導(dǎo)致鑄件表面產(chǎn)生冷隔和澆不足現(xiàn)象。
§ 采用低壓或超低壓澆注工藝：此類工藝可減少熔湯與空氣的接觸，降低氣體夾雜，形成細(xì)小致密的鑄件組織。
o 結(jié)構(gòu)優(yōu)化：
§ 減小壁厚：合理優(yōu)化鑄件結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化壁厚分布和采用局部加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，在滿足強(qiáng)度要求的前提下減輕鑄件重量。
§ 空心化設(shè)計(jì)：在非關(guān)鍵區(qū)域采用空心化結(jié)構(gòu)，如利用拓?fù)鋬?yōu)化方法生成具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高性能輕量化空心鑄件。
三、優(yōu)化策略與實(shí)踐
- 原料與工藝的協(xié)同優(yōu)化：原料選擇與鑄造工藝應(yīng)相互匹配，共同作用于鋁鑄件的性能提升。例如，針對特定性能的鑄件需求，可以通過調(diào)整合金成分和鑄造工藝參數(shù)來實(shí)現(xiàn)最佳性能組合。如對于需要較高強(qiáng)度和較好耐腐蝕性的鋁鑄件，可以選擇含有適量硅、銅、鎂等元素的鋁合金原料，并配合精確的鑄造溫度控制、合理的澆注速率與方式等工藝參數(shù)。
- 引入先進(jìn)技術(shù)：隨著科技的進(jìn)步，越來越多的先進(jìn)技術(shù)被應(yīng)用于鋁鑄件的生產(chǎn)中。如增材制造技術(shù)可以直接制造輕量化復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件；而先進(jìn)的鑄件缺陷修復(fù)技術(shù)如激光補(bǔ)焊、超聲波補(bǔ)焊等則可以快速高效地修復(fù)鑄件缺陷，保證鑄件性能。
- 質(zhì)量控制與檢測：在鋁鑄件的生產(chǎn)過程中，應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量控制與檢測工作。通過射線探傷、超聲檢測等方法及時(shí)發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)部缺陷；同時(shí)，對鑄件進(jìn)行力學(xué)性能測試、耐腐蝕性測試等，以確保其滿足使用要求。
綜上所述，原料選擇與重力鑄造工藝對鋁鑄件性能的影響至關(guān)重要。通過優(yōu)化原料成分、提高材料純凈度、精確控制鑄造溫度、合理設(shè)計(jì)澆注速率與方式、加強(qiáng)模具設(shè)計(jì)與使用管理、詳細(xì)處理常見鑄造缺陷、實(shí)施有效的后續(xù)處理以及引入先進(jìn)技術(shù)等措施，可以顯著提升鋁鑄件的性能和質(zhì)量。這將為鋁鑄件在汽車、航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供有力支撐。
以下是一些實(shí)際案例說明原料選擇和工藝優(yōu)化對鑄件性能的提升效果：
· 某汽車發(fā)動機(jī)缸體鋁鑄件生產(chǎn)中，原本使用普通鋁合金原料，鑄件存在強(qiáng)度不足和容易出現(xiàn)氣孔的問題。后來選用了高純度且優(yōu)化了合金成分（添加了特定比例的硅和鎂元素）的鋁合金原料，并優(yōu)化了重力鑄造工藝，精確控制鑄造溫度在735度，調(diào)整澆注速率為0.5KG/S，改進(jìn)模具設(shè)計(jì)增加排氣性能。結(jié)果鑄件的強(qiáng)度提高了12%，氣孔缺陷明顯減少，產(chǎn)品合格率從73%提升到了95%。