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【摘 要】 铝合金发展迅速，在越来越多的领域代替传统的钢铁材料从而被广泛的应用，其密度小，比强度高，可以在表面能够形成致密的氧化膜具有较好的抗腐蚀性，易于回收。本文主要对铝合金铸件的铸造工艺进行了分析。
【关键词】 铝合金；铸造；工艺
铸造铝合金在汽车、机车、航天航空领域有着广泛的应用，具有无比广阔的前景。随着科学技术以及工业经济的飞速发展，对铸造铝合金的需求日益增多。因此分析铝合金铸件的铸造工艺，对提高其铸造工艺就显得尤为重要。
一、铸造铝合金中主要合金元素及其作用
铸造铝合金中的主要合金元素有Si、Mg、Cu、Zn、Mn、Ni、Be、Ti、V、Cd、Cr、B、Zr等，Fe是主要的常存杂质。这些元素中固溶度最大的为Zn、Mg、Cu，其次依次是Mn、Si、Ti、Cr、Zr、V，而Be、RE、Ni、Cd的溶解度很小。所以铸造铝合金的主要热处理强化元素Zn、Mg、Cu。Al与Si、Mg、Zn、Mn、Ni、Be能够发生共晶反应，Ti、Zr、Cr可以和Al形成包晶反应。
Si在铝合金中形成二元共晶或多元共晶组织，能够改善合金的铸造工艺性能，减少缺陷。Si和Mg形成Mg2Si相，是Al-Si系、Al-Mg-Si系和Al-Zn-Si系合金的主要强化相。但是在Al-Mg系合金中Si质量分数一般控制在0.3%以下，因为Si含量过多的形成的粗大骨骼状的Mg2Si相难以在热处理过程中全部溶解，会导致力学性能的降低。Si含量的提高会降低合金的线膨胀系数，提高合金的耐磨性，高硅铝合金作为发动机活塞材料，是目前的研究热点之一。
Mg在Al中的溶解度较大，所以Mg对Al的固溶强化明显。在Al-Si系合金中，会形成Mg2Si相，但Mg得含量不能过高，在Al-Si系合金中控制在0.25%—1.30%。在Al-Mg系合金中Mg含量一般限制在4.5%—11.0%，防止形成的β相（Mg5Al8）不能完全溶解于α（Al）相中，使力学性能和耐蚀性下降。Mg在Al-Cu系合金中是有害的杂质，会形成三元低熔共晶体，增加热裂倾向和热处理是的过烧危险。
Cu和Al形成θ（Al2Cu）相，是Al-Cu系合金的主要强化相，铜含量的增加会增加强度，降低塑性。在Al-Cu系合金中铜含量一般不超过5.5%，因为铜的增加会使合金的凝固区间变宽，容易产生铸造缺陷，而且过多的脆性相θ（Al2Cu）热处理过程中无法全部溶解会导致力学性能的下降。
Mn在铸造铝合金中除了起固溶强化作用外，还可以使针状的β（Al9Si2Fe2）转变为AlMnFeSi相，降低Fe对力学性能的有害作用。在Al-Cu系合金中Mn是主要的添加元素，形成T（Al12Mn2Cu）相，提高合金的热稳定性，同时固溶在α（Al）中的Mn会降低原子的扩散速度，延缓时效过程，使合金的沉淀硬化效果能保持更高的温度。
稀土元素能够与Al和其他元素形成高熔点化合物，在合金中形成高熔点共晶体，能够提高合金的耐热性能。并可以起到细化组织、净化熔体、减少气体和夹杂物含量、降低线膨胀系数。
Ti、B、Zr在铝合金中形成细小的化合物TiAl3、ZrAl3、TiB2，作为结晶核心，能够强烈的细化铝固溶体的晶粒，同时使合金凝固时形成结晶骨架的时间延迟，缩小有效的结晶温度，减轻裂纹和缩松倾向，提高合金的热处理效果和力学性能。这几种元素是高强度铸造铝合金中常用的添加元素。Cd主要添加在铝铜基铸造合金中，能够显著提高合金强度，ZL204A、ZL105A、ZL210A中都有应用。
Be主要应用在铝镁基铸造铝合金中比如ZL114A。Be添加入合金熔体时，能够在表面上形成一层氧化铍保护薄膜，这种薄膜能减少熔渣，提高铝液纯洁度，以及改善流动性。由于Be对氧和氮具有很大的亲合力，所以它对熔体除气也是高效的。铸造过程中，Be还有助于减少金属与砂型起反应.并防止镁优先氧化。这样就能得到较纯净的、质量较高的优质铸件，这种铸件具有较好的表面光洁度、较高的强度和良好的塑性。但Be得加入会引起晶粒变粗，所以在添加Be的同时加入Ti或Zr以细化晶粒。
Fe在铸造合金中通常是一种有害杂质，在铝合金中形成粗大的针状或片状的化合物，割裂基体，降低力学性能。同时β是凝固过程中的领先形成相，会阻碍金属液的流动，造成热节部位缩松的增加。通常加入Mn改变Fe的化合物形貌，使之呈枝杈状、骨骼状或颗粒状从而改善其性能。Be和RE也有类似的作用。
二、铝合金铸造成形方法
（一）铝合金的砂型铸造
在铝合金铸件的生产过程中，表面和尺寸精度要求不是很高或者批量很小的零件多采用砂型铸造，尤其是一些外形复杂，内部有弯曲管道的复杂异形铸件。根据砂型、砂芯本身建立强度过程中其粘结力产生的机制不同，大体可分为三类如图1，可以分为湿型、干型、表面干型和各种化学硬化砂型。
铝合金砂型铸造多采用粘土砂型和有机粘结剂型砂，下面重点介绍这两种造型和造芯方法。
1、粘土砂型
粘土砂型根据合箱和浇注时的状态不同分为湿型、干型、表面烘干型三种。湿型是造好的砂型不经过烘干，直接浇入高温金属液；干砂型是在合箱和浇注前将整个砂型烘干；表面烘干型只在浇注前对型腔表面层采用适当的方法烘干一定深度（一般5—10mm，大件20mm以上）。
铝合金与镁合金铸件、小型铸铁件的生产常使用湿型。湿型生产周期缩短，生产率高，并节省投资和能耗，特别适合于机械化和自动化生产。干型由于烘干能够显著的降低发气量，大大减少了气孔、砂眼、夹砂等缺陷。但是生产周期长，需要烘干设备，增加燃料消耗，恶化劳动条件，难于实现机械化和自动化。干型主要用于质量要求高、结构复杂的中大型铸件的单间小批量生产。表面烘干型介于湿型和干型之间，常用于生产中大型铝合金铸件。 2、有机粘结剂砂砂型和砂芯
有机粘结剂型（芯）砂种类很多，现在通常使用的是合成树脂粘结砂。按粘结剂的硬化工艺和硬化温度分为模具内冷硬和模具内热硬，模具内冷硬包括吹气冷芯盒法和自硬冷芯盒，模具内热硬包括热芯盒法和热壳法。
热壳法采用覆膜砂，覆膜砂具有良好的流动性和存放性，制作的砂芯强度高、尺寸精度高，能够获得较好的铸件表面质量。其不仅用于造型，更主要的是用于造芯。壳法工艺特别适合制造出大的中空壳芯。砂芯的存放性好，透气性好。但必须采用金属型，耗能较高，生产环境较差。
热芯盒法和温芯盒法制芯，是用液态热固性树脂粘结剂和催化剂配制成的芯砂，填入加热到一定温度的芯盒内，其粘结剂在很短时间即可缩聚而硬化。热芯盒法硬化温度在200-250℃之间，温芯盒法是指芯盒温度低于175℃的造芯方法。温芯盒法，芯盒温度低，砂芯表面不会过烧，可使砂芯表面光洁和具有最高强度，防止热芯盒法常出现的局部过烧和硬化不足的现象，并且会降低能耗改善环境。
自硬冷芯盒法是将砂子、液态催化剂混合均匀后，填充到芯盒或砂箱中，稍加紧实，在室温下硬化成型。
自硬冷芯盒法提高了铸件的尺寸精度，便于实现自动化，模具可以采用多种材料，旧砂可以再生。但砂芯的强度低容易吸潮，砂芯浇注时膨胀量大。自硬法不仅仅用于造芯，也可以造型，适用于单件和小批量生产。
气硬冷芯盒法是将树脂砂填入芯盒，而后吹气硬化制成砂芯。气硬冷芯盒法造芯（型）的脱模时间较自硬冷芯盒法短，利于高效大批量造芯。
（二）铝合金的金属型铸造
金属型的热容量、传热系数比砂型大得多，而且寿命长，会加快合金液的凝固速度，从而减少气孔和缩孔、疏松等缺陷，铸件表面能得到细晶组织，显著地提高铸件的力学性能和表面质量，而且铝合金的金属型铸造生产效率高，劳动环境和劳动条件好。但金属型几乎没有退让性，排气性差，所以应尽早开模，防止形成冷裂纹，设置排气塞排气槽，增强排气，防止憋气形成气孔或者未浇足。
铝合金的金属型铸造通常采用底注式和顶注式浇注。底注式浇注充型平稳，不会产生激溅，有较好的挡渣作用，但容易在铸件的侧壁上产生氧化夹渣。更重要的是底注式浇注合金液的凝固往往为同时凝固，不能实现顺序的凝固，容易出现缩松缺陷。顶注式浇注的优点就是能实现顺序凝固，能使铸件减少缩松及薄壁件的浇不足、冷隔等缺陷的发生。但是顶注式合金液易产生夹渣、氧化、激溅等缺陷，通过采取降低铝液充型压头、过滤装置、控制流速等手段来防止。
（三）铝合金其他铸造方法
除了最常用的砂型铸造和金属型铸造外，铝合金还有很多铸造方法。比如压力铸造、低压铸造、差压铸造、真空吸铸、调压铸造、石膏型精密铸造、消失模铸造和英国赛车发动机Cosworth公司发明的CP法等。
三、结语
铝合金铸件有着其他铸件不能比拟的优势，例如耐腐蚀、质量轻、美观等优势，使其被用户的所青睐，尤其是在汽车轻量化以来，铸造铝合金铸件在汽车工业当中得到了广泛应用。为此我们分析铝合金铸件的铸造工艺，希望能够提高技术，创新技术，为铝合金铸件的应用提供助力。
参考文献：
[1]李顺祥，赵亚尧，王浩，张晓群，田素兰.提高铸造铝合金产品品质和工艺优化[J].云南冶金，2010，（1）.
[2]张真溪，孙敏，张金山.铸造铝合金生产工艺的优化[J].轻金属，2011，（11）.
【关键词】 铝合金；铸造；工艺
铸造铝合金在汽车、机车、航天航空领域有着广泛的应用，具有无比广阔的前景。随着科学技术以及工业经济的飞速发展，对铸造铝合金的需求日益增多。因此分析铝合金铸件的铸造工艺，对提高其铸造工艺就显得尤为重要。
一、铸造铝合金中主要合金元素及其作用
铸造铝合金中的主要合金元素有Si、Mg、Cu、Zn、Mn、Ni、Be、Ti、V、Cd、Cr、B、Zr等，Fe是主要的常存杂质。这些元素中固溶度最大的为Zn、Mg、Cu，其次依次是Mn、Si、Ti、Cr、Zr、V，而Be、RE、Ni、Cd的溶解度很小。所以铸造铝合金的主要热处理强化元素Zn、Mg、Cu。Al与Si、Mg、Zn、Mn、Ni、Be能够发生共晶反应，Ti、Zr、Cr可以和Al形成包晶反应。
Si在铝合金中形成二元共晶或多元共晶组织，能够改善合金的铸造工艺性能，减少缺陷。Si和Mg形成Mg2Si相，是Al-Si系、Al-Mg-Si系和Al-Zn-Si系合金的主要强化相。但是在Al-Mg系合金中Si质量分数一般控制在0.3%以下，因为Si含量过多的形成的粗大骨骼状的Mg2Si相难以在热处理过程中全部溶解，会导致力学性能的降低。Si含量的提高会降低合金的线膨胀系数，提高合金的耐磨性，高硅铝合金作为发动机活塞材料，是目前的研究热点之一。
Mg在Al中的溶解度较大，所以Mg对Al的固溶强化明显。在Al-Si系合金中，会形成Mg2Si相，但Mg得含量不能过高，在Al-Si系合金中控制在0.25%—1.30%。在Al-Mg系合金中Mg含量一般限制在4.5%—11.0%，防止形成的β相（Mg5Al8）不能完全溶解于α（Al）相中，使力学性能和耐蚀性下降。Mg在Al-Cu系合金中是有害的杂质，会形成三元低熔共晶体，增加热裂倾向和热处理是的过烧危险。
Cu和Al形成θ（Al2Cu）相，是Al-Cu系合金的主要强化相，铜含量的增加会增加强度，降低塑性。在Al-Cu系合金中铜含量一般不超过5.5%，因为铜的增加会使合金的凝固区间变宽，容易产生铸造缺陷，而且过多的脆性相θ（Al2Cu）热处理过程中无法全部溶解会导致力学性能的下降。
Mn在铸造铝合金中除了起固溶强化作用外，还可以使针状的β（Al9Si2Fe2）转变为AlMnFeSi相，降低Fe对力学性能的有害作用。在Al-Cu系合金中Mn是主要的添加元素，形成T（Al12Mn2Cu）相，提高合金的热稳定性，同时固溶在α（Al）中的Mn会降低原子的扩散速度，延缓时效过程，使合金的沉淀硬化效果能保持更高的温度。
稀土元素能够与Al和其他元素形成高熔点化合物，在合金中形成高熔点共晶体，能够提高合金的耐热性能。并可以起到细化组织、净化熔体、减少气体和夹杂物含量、降低线膨胀系数。
Ti、B、Zr在铝合金中形成细小的化合物TiAl3、ZrAl3、TiB2，作为结晶核心，能够强烈的细化铝固溶体的晶粒，同时使合金凝固时形成结晶骨架的时间延迟，缩小有效的结晶温度，减轻裂纹和缩松倾向，提高合金的热处理效果和力学性能。这几种元素是高强度铸造铝合金中常用的添加元素。Cd主要添加在铝铜基铸造合金中，能够显著提高合金强度，ZL204A、ZL105A、ZL210A中都有应用。
Be主要应用在铝镁基铸造铝合金中比如ZL114A。Be添加入合金熔体时，能够在表面上形成一层氧化铍保护薄膜，这种薄膜能减少熔渣，提高铝液纯洁度，以及改善流动性。由于Be对氧和氮具有很大的亲合力，所以它对熔体除气也是高效的。铸造过程中，Be还有助于减少金属与砂型起反应.并防止镁优先氧化。这样就能得到较纯净的、质量较高的优质铸件，这种铸件具有较好的表面光洁度、较高的强度和良好的塑性。但Be得加入会引起晶粒变粗，所以在添加Be的同时加入Ti或Zr以细化晶粒。
Fe在铸造合金中通常是一种有害杂质，在铝合金中形成粗大的针状或片状的化合物，割裂基体，降低力学性能。同时β是凝固过程中的领先形成相，会阻碍金属液的流动，造成热节部位缩松的增加。通常加入Mn改变Fe的化合物形貌，使之呈枝杈状、骨骼状或颗粒状从而改善其性能。Be和RE也有类似的作用。
二、铝合金铸造成形方法
（一）铝合金的砂型铸造
在铝合金铸件的生产过程中，表面和尺寸精度要求不是很高或者批量很小的零件多采用砂型铸造，尤其是一些外形复杂，内部有弯曲管道的复杂异形铸件。根据砂型、砂芯本身建立强度过程中其粘结力产生的机制不同，大体可分为三类如图1，可以分为湿型、干型、表面干型和各种化学硬化砂型。
铝合金砂型铸造多采用粘土砂型和有机粘结剂型砂，下面重点介绍这两种造型和造芯方法。
1、粘土砂型
粘土砂型根据合箱和浇注时的状态不同分为湿型、干型、表面烘干型三种。湿型是造好的砂型不经过烘干，直接浇入高温金属液；干砂型是在合箱和浇注前将整个砂型烘干；表面烘干型只在浇注前对型腔表面层采用适当的方法烘干一定深度（一般5—10mm，大件20mm以上）。
铝合金与镁合金铸件、小型铸铁件的生产常使用湿型。湿型生产周期缩短，生产率高，并节省投资和能耗，特别适合于机械化和自动化生产。干型由于烘干能够显著的降低发气量，大大减少了气孔、砂眼、夹砂等缺陷。但是生产周期长，需要烘干设备，增加燃料消耗，恶化劳动条件，难于实现机械化和自动化。干型主要用于质量要求高、结构复杂的中大型铸件的单间小批量生产。表面烘干型介于湿型和干型之间，常用于生产中大型铝合金铸件。 2、有机粘结剂砂砂型和砂芯
有机粘结剂型（芯）砂种类很多，现在通常使用的是合成树脂粘结砂。按粘结剂的硬化工艺和硬化温度分为模具内冷硬和模具内热硬，模具内冷硬包括吹气冷芯盒法和自硬冷芯盒，模具内热硬包括热芯盒法和热壳法。
热壳法采用覆膜砂，覆膜砂具有良好的流动性和存放性，制作的砂芯强度高、尺寸精度高，能够获得较好的铸件表面质量。其不仅用于造型，更主要的是用于造芯。壳法工艺特别适合制造出大的中空壳芯。砂芯的存放性好，透气性好。但必须采用金属型，耗能较高，生产环境较差。
热芯盒法和温芯盒法制芯，是用液态热固性树脂粘结剂和催化剂配制成的芯砂，填入加热到一定温度的芯盒内，其粘结剂在很短时间即可缩聚而硬化。热芯盒法硬化温度在200-250℃之间，温芯盒法是指芯盒温度低于175℃的造芯方法。温芯盒法，芯盒温度低，砂芯表面不会过烧，可使砂芯表面光洁和具有最高强度，防止热芯盒法常出现的局部过烧和硬化不足的现象，并且会降低能耗改善环境。
自硬冷芯盒法是将砂子、液态催化剂混合均匀后，填充到芯盒或砂箱中，稍加紧实，在室温下硬化成型。
自硬冷芯盒法提高了铸件的尺寸精度，便于实现自动化，模具可以采用多种材料，旧砂可以再生。但砂芯的强度低容易吸潮，砂芯浇注时膨胀量大。自硬法不仅仅用于造芯，也可以造型，适用于单件和小批量生产。
气硬冷芯盒法是将树脂砂填入芯盒，而后吹气硬化制成砂芯。气硬冷芯盒法造芯（型）的脱模时间较自硬冷芯盒法短，利于高效大批量造芯。
（二）铝合金的金属型铸造
金属型的热容量、传热系数比砂型大得多，而且寿命长，会加快合金液的凝固速度，从而减少气孔和缩孔、疏松等缺陷，铸件表面能得到细晶组织，显著地提高铸件的力学性能和表面质量，而且铝合金的金属型铸造生产效率高，劳动环境和劳动条件好。但金属型几乎没有退让性，排气性差，所以应尽早开模，防止形成冷裂纹，设置排气塞排气槽，增强排气，防止憋气形成气孔或者未浇足。
铝合金的金属型铸造通常采用底注式和顶注式浇注。底注式浇注充型平稳，不会产生激溅，有较好的挡渣作用，但容易在铸件的侧壁上产生氧化夹渣。更重要的是底注式浇注合金液的凝固往往为同时凝固，不能实现顺序的凝固，容易出现缩松缺陷。顶注式浇注的优点就是能实现顺序凝固，能使铸件减少缩松及薄壁件的浇不足、冷隔等缺陷的发生。但是顶注式合金液易产生夹渣、氧化、激溅等缺陷，通过采取降低铝液充型压头、过滤装置、控制流速等手段来防止。
（三）铝合金其他铸造方法
除了最常用的砂型铸造和金属型铸造外，铝合金还有很多铸造方法。比如压力铸造、低压铸造、差压铸造、真空吸铸、调压铸造、石膏型精密铸造、消失模铸造和英国赛车发动机Cosworth公司发明的CP法等。
三、结语
铝合金铸件有着其他铸件不能比拟的优势，例如耐腐蚀、质量轻、美观等优势，使其被用户的所青睐，尤其是在汽车轻量化以来，铸造铝合金铸件在汽车工业当中得到了广泛应用。为此我们分析铝合金铸件的铸造工艺，希望能够提高技术，创新技术，为铝合金铸件的应用提供助力。
参考文献：
[1]李顺祥，赵亚尧，王浩，张晓群，田素兰.提高铸造铝合金产品品质和工艺优化[J].云南冶金，2010，（1）.
[2]张真溪，孙敏，张金山.铸造铝合金生产工艺的优化[J].轻金属，2011，（11）.