铸造铝合金的工艺特点解析

铝合金的铸造性能，即合金在铸造过程中的工艺性，是一个综合的概念，通常理解为在充满铸型、结晶和冷却过程中表现最为突出的那些性能的综合。通常包括流动性收缩性、气密性、铸造压力、吸气性等。铝合金的这些基本特性取决于合金的成分，但也与铸造因素、合金加热温度、铸型复杂程度、浇冒口系统、铸件壁厚、浇口形状等有关。

1.流动性

流动性指合金液体充填铸型的能力。流动性大小决定合金能否铸造复杂的铸件。在铝合金中共晶合金的流动性最好。

影响流动性的因素很多，主要是成分、温度以及合金液体的洁净程度，铸造工艺（如铸型导热性，浇注压力）等。

实际生产中，在合金已确定的情况下，除了强化熔炼工艺（加强除气与除渣）外还必须改善铸型工艺（砂型透气性、金属型模具排气及预热温度），并在不影响铸件质量的前提下适当提高浇注温度，以保证合金的流动性。

2.收缩性

收缩是指合金从液态到凝固完毕直至冷却至常温的过程中所产生的体积和尺寸减小的变化。一般来讲，合金从液体浇注到凝固，直至冷却到室温，共分三个阶段，分别为液态收缩、凝固收缩和固态收缩，每个阶段的收缩对铸件质量都有重要影响，如前两种收缩对铸件的缩孔大小有决定作用，应力的产生、尺寸的变化则主要由固态收缩决定而固态收缩与液态收缩又共同影响着热裂纹的形成。通常铸件收缩又分为体收缩和线收缩。为方便起见，在实际生产中一般应用线收缩。

铝合金收缩大小，通常以百分数表示，称为收缩率，包括线收缩和体收缩

由高温t0降至t时的体积收缩率，可用下式表示：

式中 Ev———体积收缩率；

V0———被测合金试样在高温t0的体积（cm³）；

V———被测合金试样降温至t时的体积（cm³）。

铸造铝合金液从浇注到凝固，在最后凝固的地方总会出现宏观或显微缩孔。肉眼可见的宏观缩孔又可以分为集中缩孔与分散性缩孔。集中缩孔的孔径大而集中，并分布在铸件顶部或截面厚的热节处。分散性缩孔又称分散性疏松，其形貌分散而细小，大部分分布在铸件轴心和热节部位。显微缩孔肉眼难以看到，显微缩孔大部分分布在晶界上或树枝晶的枝晶间。

缩孔和疏松是铸件的主要缺陷类型，产生的原因是液态收缩和凝固收缩得不到补充。生产中发现，铸造铝合金凝固范围越小，越容易形成集中缩孔，凝固范围越宽，越容易形成分散性缩孔。因此，在设计中必须使铸造铝合金件符合顺序凝固原则，即铸件在液态到凝固期间的体收缩应及时得到合金液的补充，使缩孔和疏松集中在铸件外部冒口中。对易产生分散疏松的铝合金铸件，冒口设置数量比集中缩孔要多，并在易产生疏松处设置冷铁，使其同时或快速凝固。

高温t0降至t时的线收缩可用下式表示：

式中 EL———线收缩率；

L0———被测合金试样在高温t0的长度（cm）；

L———被测合金试样降温至t时的长度（cm）。

线收缩率大小将直接影响铸件的质量。线收缩越大，铝铸件产生裂纹、应力集中的倾向也越大；冷却后铸件形状变化也越大。铝铸件的收缩又在因铸件表面与铸型摩擦力产生的摩擦阻碍、铸型凸出部分和型芯引起的机械阻碍及铸件内各部分冷速差异造成的热阻碍等作用下不能自由收缩，通常称受阻收缩。形状简单的（如圆柱形）铸件，其收缩的受阻影响较小，大大小于受阻收缩，被近似地视为自由收缩。

不同的铸造铝合金有不同的铸造收缩率，表2-7是几种常见铸造铝合金的收缩率。(www.xing528.com)

表2-7 铸造铝合金的收缩率

3.热裂性

铝铸件热裂纹的产生，主要原因是铸件收缩应力超过了金属晶粒间的结合力，因而大多沿晶界产生。从裂纹断口观察可见金属往往已氧化，失去金属光泽。裂纹的形状呈锯齿形，表面较宽，内部较窄。

铝铸件中的裂纹有时产生在表面，有时在内部，根据裂纹产生的部位通常称为外裂和内裂。外裂发生在铸件尖角处或截面厚度突变处等应力集中的部位。内裂则在铸件内部最后凝固的地方，但一般不会贯穿整个铸件的断面。

不同牌号的铝合金铸件产生热裂纹的倾向也不同，这是因为铸铝合金凝固过程中开始形成完整的结晶骨架的温度与凝固温度之差越大，合金收缩率也越大，热裂纹倾向也越大，如Al-Cu、Al-Mg系合金产生热裂纹倾向比Al-Si系合金大。即使同一种合金也会因铸型的阻力、铸件的结构、浇注工艺等因素使热裂纹的生成倾向发生变化。生产中常采取退让性铸型，或改进铸铝合金的浇注系统及合理配置冷铁等工艺措施，使铝铸件避免产生裂纹。

4.气密性

铸铝合金气密性是指铝铸件在高压气体或液体的作用下不渗漏的程度，实际上体现了铸件内部组织致密的程度。铸铝合金的气密性与合金的性质有关，不同铸铝合金气密性不同，合金凝固范围越小，产生疏松的倾向也越小，同时产生析出性气孔也少，则合金的气密性也越高。ZAlSi12、ZAlSi9Mg合金的气密性较好；固溶体合金，如ZAlCu₄ ZAlMg10气密性较差。

同一种铸铝合金的气密性好坏，也与铸造工艺有关，如降低铸铝合金浇注温度、放置冷铁以加快冷却速度以及在压力下凝固结晶等，均可使铝铸件的气密性提高。

5.铸造应力 铸造应力包括热应力、相变应力及收缩应力三种。

热应力是由于铸件不同的几何形状相交处断面厚薄不均，冷却收缩不一致引起的在薄壁处形成压应力，在厚壁处形成拉应力，导致在铸件中产生残余应力。

相变应力是由于某些铸铝合金在凝固后冷却过程中产生相变，随之带来体积和尺寸变化。主要是铝铸件壁厚不均，不在同一时间内发生相变所致。

收缩应力是铝铸件收缩时受到铸型、型芯的阻碍而产生的拉应力所致。这种应力是暂时的，铝铸件开箱时会自行消失。但开箱时间不当，则常常会造成热裂纹，特别是金属型浇注的铝合金往往会因此产生热裂纹。

铸铝合金件中的残余应力会降低合金的力学性能，影响铸件的加工精度。铝铸件中的残余应力可通过退火处理予以消除。

6.吸气性

铝合金易吸气，这是铸造铝合金的特性。主要由于液态铝及铝合金的组分与空气炉料、炉衬及铸型等所含水分发生反应而产生的氢气被铝液吸收所致：

2Al＋3H₂O＝Al₂O₃＋3H₂

氢是唯一大量溶于铝液中的气体，氢在固态铝中的溶解度为0.1mL／100gAl，铝合金液温度越高，吸收的氢也越多；在700℃时，每100g铝中氢的溶解量为0.8mL，温度升到850℃时，氢的溶解度增加2～3倍，达2.0mL左右。当铝液中含碱土金属杂质时氢在铝液中的溶解度会显著增加。

铸铝合金除熔炼时吸气外，在浇入铸型时也会吸气，进入铸型内的液态金属随温度下降，析出多余的气体，有一部分逸不出的气体留在铸件内形成气孔，这就是通常所称的针孔。气孔有时会与缩孔结合在一起，铝液中析出的气体留在了缩孔内。若气泡受热产生的压力很大，则气孔表面光滑，孔的周边有一圈光亮层；若气泡产生的压力小，则孔内表面多皱纹，看上去又具有缩孔的特征。

铸铝合金液中氢含量越高，铸件中产生的气孔也越多，氢含量保持在0.1mL 100gAl以下时，一般可获得无气孔的铸件。

减少吸气的办法，除设计合理的浇注系统外，应加强熔炼过程中的保护和相应的除气净化措施。而减少铝液的氧化及夹杂含量也有助于减少铝的氢含量。