在铝铸件的生产过程中，原料的选择与铸造工艺的制定是两大核心要素，它们直接决定了铸件的最终性能。本文将重点探讨原料成品特性及重力铸造工艺对铝铸件性能的具体影响，并提出相应的优化策略，以期为提升产品质量提供有力支持。
一、原料选择：性能之源
- 材料成分：铝合金的成分直接影响其物理性能和机械性能。例如，添加适量的硅、铜、镁等元素可以提高铝合金的强度、硬度和耐腐蚀性。因此，在选择原料时，需根据铸件的使用环境、受力状态等要求，精确控制合金成分，以确保铸件性能满足需求。
- 材料纯净度：原料中的杂质含量对铸件性能有重要影响。杂质如铁、硅等不仅会降低铝合金的塑性，还可能形成有害相，导致铸件脆性增加。因此，应选用高纯度的铝合金原料，并在熔炼过程中采取有效的除杂措施，以提高铸件质量。
- 新型材料应用 - 氮化硼纳米管：随着科技的发展，新型材料在铝铸件中的应用逐渐受到关注。例如氮化硼纳米管铝基母合金增强颗粒，已应用于国外铝基复合材料领域，尤其是航空航天、汽车以及轻量化结构零部件等领域。将大连义邦氮化硼纳米管铝基母合金颗粒，加入到某牌号铝合金铸件中，在最终铝铸件中氮化硼纳米管含量仅需0.4wt%，即可实现铝合金机械强度60 - 70%的提升，或同等强度下，减重高达50%以上。2021年，优质铝铸件专家埃克工业公司EckIndustries成功将大连义邦氮化硼纳米管NanoBarbs融入铝合金铸件中，在0.4wt%NanoBarb负载下将铝合金的屈服强度提高70%，或同等强度下，减重高达50%以上。这表明新型材料的应用对提升铝铸件性能有着巨大的潜力。
二、重力铸造工艺：性能之翼
- 铸造温度控制：铸造温度是影响铝铸件性能的关键因素之一。过高的铸造温度会导致铸件内部组织粗大，气孔增多；而过低的温度则可能使铸件产生冷隔、浇不足等缺陷。因此，需严格控制铸造温度，确保铝液在最佳温度下浇注，以获得致密、均匀的铸件组织。
- 浇注速率与方式：浇注速率和方式直接影响铸件的充型过程和凝固状态。合理的浇注速率可以避免铸件产生缩孔、气孔等缺陷，同时保证铸件内部组织致密。此外，采用低压或超低压浇注工艺可以减少熔汤与空气的接触，降低气体夹杂，进一步提升铸件质量。
- 模具设计与使用：模具是重力铸造过程中的重要工具，其设计合理性和使用状态直接影响铸件的形状、尺寸和表面质量。模具应具有良好的排气性能，以避免铸件产生气孔；同时，模具的预热温度、涂层厚度等也需严格控制，以确保铸件在凝固过程中获得理想的组织结构和表面质量。
- 重力铸造与压力铸造对比：铝合金的铸造方式分为压力铸造和重力铸造两种。压力铸造分为高压铸造和低压铸造，其特点为产品表面光洁度好，一般可达Ra6.3甚至可达Ra1.6，不可热处理，产品气密性高，铸件强度和表面硬度高，但延伸率低，模具成本较高，使用寿命短，生产效率高，可生产薄壁件，加工余量小。而重力铸造是指铝液在地球重力作用下注入铸型的工艺，又分为砂型浇铸、金属型（钢模）浇铸、消失模浇铸等，现在应用最多的是金属模（钢模）浇铸。重力铸造的铝铸件内部气孔少，可进行热处理，产品致密性低、强度稍差，但延伸率高，模具成本较低，模具使用寿命长，生产效率低，从而增加了生产成本，工艺较简单，不适合生产薄壁件。在产品壁厚大于8mm时，压铸会造成很多的气孔存于壁内，故而壁厚较厚的产品可以选择重力铸造工艺完成。通过对比可知，重力铸造在某些方面具有独特的优势，如对于一些需要热处理且对延伸率有要求的铝铸件，重力铸造更为合适。
- 常见缺陷的成因和解决方法
o 缩孔：这种缺陷常发生在铸件的肥厚部分，或者厚薄交接处。产生原因包括模具温度过高、铝液温度过高、模具排气不良、浇注系统设计不良（内浇口数量少、截面过小）、浇注速度太快或浇注中断、铸件设计壁厚太厚等。防止办法有适当降低模具温度、适当降低铝液浇注温度、在气体不易排出的部位上设置通气槽或排气塞以保持排气良好、适当增加内浇口数量和内浇口的截面、适当降低浇注速度、按铸件设计工艺性要求设计合理的壁厚和铸造圆角。
o 冷隔：一般产生在较大的水平表面的薄壁铸件上，以及合金较后汇流处。产生的原因有模具温度过低、铝液温度过低、模具排气不良、浇注系统设计不良（内浇口数量少、截面过小）、浇注速度太慢或浇注中断、铸件设计壁厚太薄或缺少适当的圆角。防止办法为适当提高模具温度、适当提高铝液浇注温度、在气体不易排出的部位上设置通气槽或排气塞保持排气良好、适当增加内浇口数量和内浇口的截面、适当提高浇注速度、避免铝液浇注中断、按铸件设计工艺性要求设计合理的较小壁厚和铸造圆角。
o 气孔：往往产生在铸件的上部且经常发生在铸件凸出部分的表面。产生的原因包括浇注速度太快（卷入空气）、模具排气不良、铝液流动过快、熔化温度过高、合金除气不良、浇注温度过高、砂芯不干、排气不良或发气量太大。防止办法是平稳地浇注金属液、于金属型气体不易排除的部位增设排气槽或排气塞并经常清理、浇注时浇包尽量靠近浇口杯、严格控制铝液温度防止超温、铝液正确地进行除气、泥芯应烘干且排气孔应畅通（泥芯返潮后应补烘，特大的泥芯中间应挖空）、金属型涂料后应等涂料干燥后才能浇注。
o 裂纹：多数出现在铸件的内夹角处，厚薄断面过渡的部位；合金液引入铸件的部位和发生铸造应力较大的部位可用着色检查、气密性试验、X光检查发现。产生的原因有铸件上有尖角、厚薄相差悬殊、模具局部过热或浇注温度过高、冷铁安放不正确、铸件补缩不良。防止办法为改进设计，清除铸件尖角，尽量使铸件壁厚均匀过渡并倒圆角；正确地选择浇口、浇道的位置，控制浇注温度、涂料厚度，正确放置冷铁，增大冒口补缩能力；在模具冒口部位上涂石棉保温涂料。
- 后续处理：重力铸造后的铝铸件还需进行热处理、表面处理等后续工序，以进一步改善其性能。例如，通过时效强化、固溶热处理等可以提高铸件的强度和韧性；而表面喷砂、阳极氧化等处理则可以增强铸件的耐腐蚀性、美观性和使用寿命。
- 通过重力铸造工艺实现铸件轻量化
o 浇注参数优化：
§ 控制浇注温度：合适的浇注温度可减少铸件缺陷，优化凝固过程，提高铸件内部质量。例如，浇注温度较低时，凝固时间延长，有利于气体的逸出和缺陷的消除，提高铸件致密度；而浇注温度过高会导致铸件凝固过程中的收缩孔洞增多，从而降低铸件密度。
§ 优化浇注速率：控制浇注速率可避免铸件产生缩孔、气孔等缺陷，保障铸件内部组织致密。填充速度过快会导致铸件中产生气孔和缩孔，降低铸件的致密度；填充速度过慢则会导致铸件表面产生冷隔和浇不足现象。
§ 采用低压或超低压浇注工艺：此类工艺可减少熔汤与空气的接触，降低气体夹杂，形成细小致密的铸件组织。
o 结构优化：
§ 减小壁厚：合理优化铸件结构，通过优化壁厚分布和采用局部加强筋设计，在满足强度要求的前提下减轻铸件重量。
§ 空心化设计：在非关键区域采用空心化结构，如利用拓扑优化方法生成具有复杂内部结构的高性能轻量化空心铸件。
三、优化策略与实践
- 原料与工艺的协同优化：原料选择与铸造工艺应相互匹配，共同作用于铝铸件的性能提升。例如，针对特定性能的铸件需求，可以通过调整合金成分和铸造工艺参数来实现最佳性能组合。如对于需要较高强度和较好耐腐蚀性的铝铸件，可以选择含有适量硅、铜、镁等元素的铝合金原料，并配合精确的铸造温度控制、合理的浇注速率与方式等工艺参数。
- 引入先进技术：随着科技的进步，越来越多的先进技术被应用于铝铸件的生产中。如增材制造技术可以直接制造轻量化复杂结构铸件；而先进的铸件缺陷修复技术如激光补焊、超声波补焊等则可以快速高效地修复铸件缺陷，保证铸件性能。
- 质量控制与检测：在铝铸件的生产过程中，应加强质量控制与检测工作。通过射线探伤、超声检测等方法及时发现铸件内部缺陷；同时，对铸件进行力学性能测试、耐腐蚀性测试等，以确保其满足使用要求。
综上所述，原料选择与重力铸造工艺对铝铸件性能的影响至关重要。通过优化原料成分、提高材料纯净度、精确控制铸造温度、合理设计浇注速率与方式、加强模具设计与使用管理、详细处理常见铸造缺陷、实施有效的后续处理以及引入先进技术等措施，可以显著提升铝铸件的性能和质量。这将为铝铸件在汽车、航空航天、机械制造等领域的广泛应用提供有力支撑。
以下是一些实际案例说明原料选择和工艺优化对铸件性能的提升效果：
· 某汽车发动机缸体铝铸件生产中，原本使用普通铝合金原料，铸件存在强度不足和容易出现气孔的问题。后来选用了高纯度且优化了合金成分（添加了特定比例的硅和镁元素）的铝合金原料，并优化了重力铸造工艺，精确控制铸造温度在735度，调整浇注速率为0.5KG/S，改进模具设计增加排气性能。结果铸件的强度提高了12%，气孔缺陷明显减少，产品合格率从73%提升到了95%。