铝合金熔铸关键环节——凝固过程介绍
一、铝合金凝固的重要性及应用
铝合金因其具有高强度、低密度、良好的加工性能和耐腐蚀性等优点，被广泛应用于各种工业领域。特别是在汽车、航空航天、电子等行业中，铝合金材料成为了不可或缺的关键组成部分。而铝合金的凝固过程对于其最终的性能和质量具有重要影响，因此深入了解铝合金的凝固过程至关重要。
二、铝合金的凝固过程
2.1 凝固阶段
铝合金的凝固过程是金属液态转变为固态的过程，涉及到热力学、动力学以及形核与长大等多个方面。主要由三个阶段组成：形核、长大和晶粒长大。
形核：熔体结晶需要先形成晶核，熔体中的晶核分两种，自发晶核是在低于结晶温度时，熔体由于能量起伏或液相起伏形成的晶核；非自发晶核是外来粒子进入熔体后而形成的晶核。
长大：晶核形成后开始长大，在这个过程中，铝合金熔体的温度和成分、冷却速率、振动等因素都会对其长大过程产生影响。
晶粒长大：众多的晶核不断长大，当它们相互碰撞时，就形成了晶粒。
2.2 实际生产中的凝固过程
在半连续铸造过程中，熔体的浇铸和凝固是同时连续地进行的。对铸锭而言，冷却是分两次实现的，一次冷却是在结晶器内完成的，熔体进入结晶器后靠结晶器导热，在结晶器内形成一定厚度的凝固壳；此后随着铸造机下降，被拉出结晶器，遇到结晶器底部浇出的冷却水（称之为二次冷却），从此完成凝固的全部过程，这个凝固过程在金属学中称为金属结晶。
三、铝合金凝固的影响因素
3.1 熔体结晶条件
晶核形成：如前文所述，晶核分为自发晶核和非自发晶核，晶核的数量和分布对凝固组织有重要影响。
过冷度：熔体的温度只有在冷却到低于熔点的温度下才能结晶，温度越低过冷度越大。一般情况下增大过冷度，熔体中的生核率和晶粒的长大速度都增加，但生核速度大于晶粒的增长速度，所以一般情况下金属结晶时过冷度越大，所得到晶粒越细小。在半连续铸造生产中增加过冷度的主要途径有降低铸造速度使单位时间内铸锭冷却量增加；降低冷却水的温度使单位时间内铸锭的温降增加；加大冷却水的水压使单位时间内浇到铸锭上的水量增加使铸锭的温降增加；降低铸造温度使铸锭的结晶过程缩短。
3.2 铸造工艺参数
凝固时间：合理的凝固时间可以确保合金充分凝固，避免出现孔洞和夹杂物等缺陷。
冷却速度：较快的冷却速度可以抑制凝固相的生长，有助于形成细小的均匀组织。但冷却速度过快可能会导致铸件产生裂纹等缺陷。
铸造温度：较高的铸造温度可以加快凝固速度，有助于形成细小的凝固相和均匀的组织结构。但铸造温度过高可能会导致晶粒粗大等问题。
3.3 合金成分
合金中添加的不同元素，如硅、镁和铜等，会对凝固组织的形成产生显著影响。例如，硅可以形成细小的硅相，有助于提高合金的强度和硬度；镁可以形成Mg₂Si相，有助于提高合金的塑性和韧性；铜可以形成富铜相，有助于提高合金的抗腐蚀性能。
四、铝合金凝固组织
4.1 正常晶粒组织
从理论上讲，在工业生产条件下，铸锭的晶粒组织由三个区域组成，即外层表面的细等轴晶区，由此往里的柱状晶区和中心等轴晶区。但在实际铝合金生产中，铸锭在强度大的冷却条件下，经过Al - Ti - B的细化处理，铝合金铸锭的组织往往全部是等轴晶。铸锭晶粒的大小将直接影响铝加工制品的力学性能和加工性能，所以它被作为衡量铸锭质量的一个主要指标。
4.2 异常晶粒组织
粗大晶粒：在宏观组织中出现的均匀或不均匀的大晶粒均称为粗大晶粒。粗大晶粒产生的原因主要是当铸造冷却速度慢时过冷度小，生成晶核的数量小，晶粒成长速度快则会产生均匀的粗大晶粒。其次是熔铸工艺的影响，如熔体过烧或局部过热使熔体中的非自发晶核急剧熔解，结晶核减少；熔体在炉内停留时间过长，大量的非自发晶核活性减弱；铸造温度高，熔体中的晶核生成困难，相对晶粒的增长速度增加；铸造漏斗尺寸不合适或摆放不正和漏斗堵眼，造成液流分配不均匀，使液穴中温度不均匀，温度高的地方晶粒成长速度快而形成大晶粒；Al-Ti-B等细化剂加入方式不正确或在熔体中停留时间过长，使细化效果降低。
防止产生粗大晶粒的措施：包括加强操作，严格控制熔体过烧或局部过热，熔炼过程中要加强搅拌，经常测温；防止熔体在炉内停留时间过长，一般不允许超过4小时，如超时必须重新精炼和增加Al-Ti-B细化剂用量；根据实际情况选择合理的铸造温度；铸造检查好漏斗不得有堵眼，漏斗眼尺寸因长期使用损坏，大小相差悬殊时修补后再用，在使用时漏斗要放在中心部位；根据不同的合金合理选择Al-Ti-B的加入量。
羽毛状晶：羽毛状晶属于畸形晶粒，因其形状在低倍试片中酷似羽毛故称之。该组织严重地影响铸锭质量和加工制品性能，所以应严格控制，其预防措施恰巧和预防粗大晶粒一致。
五、铝合金凝固的常见缺陷及防止措施
5.1 气孔
形成原因：铝合金吸入的气体以氢气为主，氢的来源通常是铝和水蒸气的化学反应。如果除氢不彻底，铝液就可能含有大量的气体，从而导致气孔的产生。铸件冷却速度越快，当氢气的含量大于其溶解度时即以气泡的形式析出，来不及排出就在铸件凝固过程中形成细小分散的气孔，即所谓的针孔且多呈圆形不均匀，常出现在铸件的厚大断面和冷却速率较慢的部位。此外，铝液在充型过程中，压室和模具型腔中的气体较难逸出，很容易形成气孔。
预防措施：采用针对性除气手段降低熔体含气量，如铝合金熔体二次除气处理技术，即在使用环保精炼剂一次除气精炼处理工艺后，再加上吹氮气旋转除气SNIF法；采用双系统高真空压铸工艺，快速抽除模具型腔内的气体，使金属液在负压下填充型腔；优化喷涂工艺，避免脱模剂在与高温铝液接触时瞬间气化导致铸件形成气孔或色斑。
六、铝合金凝固组织的细化方法
6.1 机械物理细化晶粒法
在铸造铝合金制备的浇注和结晶过程中，采用机械物理（如机械振动、机械搅拌）是一种细化晶粒的方法。机械物理（振动和搅拌）为液态铝合金提供了充足的能量，增加了成核能力和晶粒的成核速率。同时，结晶晶体受到机械物理（振动和搅拌）产生的对流冲击的影响，在这种作用下，晶体被破坏，破碎的晶体形成新的晶核。但由于其操作控制具有一定难度，人为影响因素比较大，因此在铸造铝合金中，尤其是在制备高品质的铝材工业生产中存在很大缺陷。
6.2 物理场细化晶粒法
对金属凝固组织施加物理场，如超声波等。在20世纪末，全球科学技术水平得到飞速发展，使得人们可以有效地制备超声波并研究其对晶粒细化的作用。
6.3 化学细化晶粒法
向熔体中加入少量的活性物质，促进熔体内部生成晶核或改变晶粒的成长过程，在变形铝合金中一般选用Ti、Zr、B、C等作为晶粒细化剂。例如，向铝合金熔体中加入Al-Ti-B丝就属于变质处理的方法。
七、铝合金凝固技术的发展
综上所述，铝合金的凝固过程是一个复杂的物理化学过程，受到多种因素的影响。了解铝合金凝固的过程、影响因素、常见缺陷及防止措施以及细化方法等，对于提高铝合金的质量和性能具有重要意义。同时，不断探索和发展新的铝合金凝固技术，将有助于推动铝合金在更多领域的应用。
来源：再生铝熔铸
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