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度、硬度和耐腐蝕性。因此，在選擇原料時，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%，即可實現(xiàn)鋁合金機械強度60 - 70%的提升，或同等強度下，減重高達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負載下將鋁合金的屈服強度提高70%，或同等強度下，減重高達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，進一步提升鑄件質(zhì)量。
- 模具設(shè)計與使用：模具是重力鑄造過程中的重要工具，其設(shè)計合理性和使用狀態(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，模具的預(yù)熱溫度、涂層厚度等也需嚴格控制，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，其特點為產(chǎn)品表面光潔度好，一般可達Ra6.3甚至可達Ra1.6，不可熱處理，產(chǎn)品氣密性高，鑄件強度和表面硬度高，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，可進行熱處理，產(chǎn)品致密性低、強度稍差，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，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)計壁厚太厚等。防止辦法有適當降低模具溫度、適當降低鋁液澆注溫度、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、適當增加內(nèi)澆口數(shù)量和內(nèi)澆口的截面、適當降低澆注速度、按鑄件設(shè)計工藝性要求設(shè)計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)計不良（內(nèi)澆口數(shù)量少、截面過?。?、澆注速度太慢或澆注中斷、鑄件設(shè)計壁厚太薄或缺少適當?shù)膱A角。防止辦法為適當提高模具溫度、適當提高鋁液澆注溫度、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、適當增加內(nèi)澆口數(shù)量和內(nèi)澆口的截面、適當提高澆注速度、避免鋁液澆注中斷、按鑄件設(shè)計工藝性要求設(shè)計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、澆注時澆包盡量靠近澆口杯、嚴格控制鋁液溫度防止超溫、鋁液正確地進行除氣、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、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、鑄件補縮不良。防止辦法為改進設(shè)計，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行熱處理、表面處理等后續(xù)工序，以進一步改善其性能。例如，通過時效強化、固溶熱處理等可以提高鑄件的強度和韌性；而表面噴砂、陽極氧化等處理則可以增強鑄件的耐腐蝕性、美觀性和使用壽命。
- 通過重力鑄造工藝實現(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，凝固時間延長，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筋設(shè)計，在滿足強度要求的前提下減輕鑄件重量。
§ 空心化設(shè)計：在非關(guān)鍵區(qū)域采用空心化結(jié)構(gòu)，如利用拓撲優(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)來實現(xiàn)最佳性能組合。如對于需要較高強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)。
- 引入先進技術(shù)：隨著科技的進步，越來越多的先進技術(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；而先進的鑄件缺陷修復(fù)技術(shù)如激光補焊、超聲波補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發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)部缺陷；同時，對鑄件進行力學(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)計澆注速率與方式、加強模具設(shè)計與使用管理、詳細處理常見鑄造缺陷、實施有效的后續(xù)處理以及引入先進技術(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，改進模具設(shè)計增加排氣性能。結(jié)果鑄件的強度提高了12%，氣孔缺陷明顯減少，產(chǎn)品合格率從73%提升到了95%。