CN102676961A - 一种富铜铸造亚共晶铝硅合金的热处理方法 - Google Patents

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本发明一种富铜铸造亚共晶铝硅合金的热处理方法属于铝合金热处理技术领域；所要解决的技术问题为提供一种用于亚共晶铸造铝硅合金热处理强化的固溶处理方法；所采用的技术方案为：低温长时固溶处理阶段，将合金铸件由常温升温至485±5℃下保温7-8小时；中温固溶阶段，升温至515±5℃下保温4-6个小时；高温短时固溶处理阶段，升温至535±5℃下保温2-4小时；淬火阶段，采用室温水淬完成固溶处理，得到固溶处理铸件；本发明采用三级固溶处理，使合金铸件避免了组织过烧并最大限度提高其力学性能，并进一步扩大该合金在车辆工业中的应用。

Description

一种富铜铸造亚共晶铝硅合金的热处理方法
技术领域
本发明一种富铜铸造亚共晶铝硅合金的热处理方法属于铝合金热处理技术领域。
背景技术
亚共晶铝硅合金因其具有较高的比强度、良好的耐磨、抗腐蚀和铸造性能，已被广泛用来制造发动机机体、缸盖、活塞和缸套等零部件。多年来，人们对该类合金的化学成分、熔体处理、铸造工艺参数对材料性能的影响已经进行了广泛而深入的研究，随着现代工业的发展，特别是对产品轻量化和高强化的要求不断提高，对具有优良综合性能的该类合金需要量越来越大，从而也充分意识到了热处理也是提高铸造铝合金强度的重要途径之一。
 固溶处理主要用来均匀化合金，改变枝晶间相的形貌和使凝固过程中形成的不均匀且粗大相重新溶解形成过饱和溶体，为合金的时效处理做准备。富铜铸造亚共晶铝硅合金相组成比较复杂，在非平衡凝固时，合金的组织中有Si、Mg2Si、θ(Al2Cu)和Q（Al5Mg8Cu2Si6）等相。Al2Cu溶解缓慢，低固溶温度下保温时间不够时不能充分固溶于基体，温度过高又会产生过烧现象，而Mg2Si只在较高温度下才能够迅速溶解。为了避免合金中低熔点相在固溶处理过程中发生过烧现象，需选择二级甚至多级固溶处理。
尤其是单级固溶处理无法充分获得良好力学性能，而多级固溶处理则在高温阶段固溶时间过长，能源消耗大且易造成晶粒和第二相粗大，反而使固溶处理在铸造铝硅合金热处理强化中的作用难以发挥到最大限度。因此研究开发新型的固溶处理方法对于最大限度地发挥热处理对富铜铸造铝硅合金的强化作用就显得尤为重要。
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对于富铜铸造亚共晶铝硅合金来说，低温单级固溶处理时间过短则含铜的低熔点相不能充分溶解，铜和镁等原子不能充分固溶造成材料力学性能潜力不能充分发挥，高温单级固溶处理则易造成含铜的低熔点相过烧，从而对力学性能造成负面影响；而多级固溶处理则在高温阶段固溶时间过长，能源消耗大且易造成晶粒和第二相粗大，反而使固溶处理在铸造铝硅合金热处理强化中的作用难以发挥到最大限度。因此研究开发新型的固溶处理方法对于最大限度地发挥热处理对富铜铸造铝硅合金的强化作用就显得尤为重要。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提供一种用于亚共晶铸造铝硅合金热处理强化的固溶处理方法，采用这种方法可以避免组织过烧并最大限度提高其力学性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种富铜铸造亚共晶铝硅合金的热处理方法，包括以下阶段：
低温长时固溶处理阶段，将合金铸件由常温升温至485±5℃下保温7-8小时；
中温固溶阶段，升温至515±5℃下保温4-6个小时；
高温短时固溶处理阶段，升温至535±5℃下保温2-4小时；
淬火阶段，采用室温水淬完成固溶处理，得到固溶处理铸件。
所述合金铸件为富铜铸造铝合金，含铜量按重量百分比为大于等于1.5%小于等于4%。
所述固溶处理铸件室温放置时间小于12小时，然后在170±5℃下保温7-10小时进行时效处理，最后空冷完成时效处理。
本发明与现有技术相比具有的有益效果为：本发明采用三级固溶处理，使合金铸件在低温长时固溶处理下，低熔点富Cu相充分溶解，避免过烧，中、高温下固溶使块状难熔Al2Cu、Mg2Si和部分Si相溶解，以及共晶Si相发生颈缩、熔断，最终球化，最大限度的提高了力学性能，从而有助于进一步扩大该合金在车辆工业中的应用。
固溶温度、保温时间和淬火时的冷却速度是影响固溶处理的主要因素，其中固溶温度的影响最显著。在一定范围内，提高固溶温度，可以增加溶质原子在基体内的固溶度，提高固溶强化效果。固溶度越高，固溶体中溶质原子浓度越高，固溶强化效果越好；而且提高固溶温度使相变驱动力增加，并使溶质原子在合金中的扩散速率增大，使固溶体成分更加均匀，可减少析出相的临界晶核尺寸，提高形核率，使时效过程中析出的析出相数量增加，且更加细小、弥散，增加强化效果。但是固溶温度升高，一方面伴随着晶粒长大，使合金强度降低；另一方面不易溶解或来不及溶解的低熔点相将熔化，从而在淬火后形成孔洞，见图4(b)。在富铜铸造亚共晶铝硅合金中，Mg元素的存在，一方面提高了含Cu相的体积分数，导致形成块状的Al2Cu相而不是细小的共晶Al2Cu相。在固溶处理中，块状的Al2Cu相非常难以溶解进铝基体，从而削弱了Cu原子作为固溶强化介质的效果。另一方面使得合金在凝固的最后阶段通过复杂的共晶反应生成了Cu-Mg金属间化合物相Al5Mg8Cu2Si6，形成了低熔点共晶组织。如在508℃左右相应的反应为：Al+Al2Cu+Si+Al5Mg8Cu2Si6→Liq，在520℃存在反应：Al+Al2Cu+Si→Liq，在525℃则存在反应：Al+Al2Cu+Si+β-Al5FeSi→Liq。采用三级固溶处理，在低温长时固溶处理下，可使低熔点富Cu相充分溶解，避免过烧，中、高温下固溶可使块状难熔Al2Cu、Mg2Si和部分Si相溶解，以及共晶Si相发生颈缩、熔断，最终球化，使Cu、Mg及部分Si溶质原子充分固溶于α(Al)基体中，提高Cu元素在基体中分布的均匀性，并通过淬火形成α(Al)过饱和固溶体，使合金在固溶过程中所形成的空位等晶体缺陷能够保留下来，因此过饱和固溶体和这些晶体缺陷会对合金产生强化作用。
图2为ZAlSi7Cu4Mg合金硬度随着固溶时间延长的变化，合金在485℃固溶0.5-2小时硬度明显增加，随后变缓，当固溶时间8小时时，硬度达到峰值，随后继续延长固溶时间，则硬度略有下降。在固溶初期，合金基体中Cu含量的增长速度比较快。合金的硬度随溶质原子过饱和度的增大而逐渐提高。随着固溶时间的延长，基体中Cu原子增长缓慢，故硬度增加变缓。图3是不同固溶制度对合金硬度的影响。在相同固溶时间下，485℃下单级固溶比铸态试样硬度提高78.5%，而535℃下单级固溶处理试样硬度比铸态的提高64%。二级固溶处理为在485℃保温6h，然后在535℃保温4h，分别比485℃和535℃下单级固溶处理试样硬度高出24%和35%。三级固溶处理为在485℃保温8h，然后在520℃保温4h，最后在535℃保温4h，试样硬度最高。图4是高温单级固溶处理（535℃×4h）典型过烧组织。图4(a)中黑色相为Si相，灰色相为基体α(Al)相，枝晶间浅灰色的为富Cu相。图4(b)中A为富Cu相，B为富Cu相和富Fe相的聚集区。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
图1为本发明固溶处理方法的温度时间关系示意图。
图2为ZAlSi7Cu4Mg合金硬度随着固溶时间延长的变化图。
图3为不同固溶制度对铸件硬度影响的示意图。
图4为单级固溶处理（535℃×4h）典型组织电镜图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
将Al-6.5Si-3.5Cu-0.35Mg合金砂型铸造试样放入热风淬火时效一体炉中，由室温加热至在485±5℃下保温8小时；然后升温至中温固溶阶段，即在515±5℃下保温6个小时；然后升温至高温短时固溶处理阶段，即在535±5℃下保温4小时；最后进行迅速淬火，室温水淬，淬火转移时间≤15秒；铸件从淬火后到时效处理在炉外放置时间6小时；铸件在170±5℃下保温9小时进行时效处理，时效处理后空冷，以使强化相弥散析出，获得最佳强化效果，按照GB228-2002T金属材料室温拉伸试验方法检测获得力学性能为：抗拉强度362MPa，伸长率4.8%。
实施例2
将Al-6.8Si-2.5Cu-0.35Mg合金金属型铸造试样放入热风淬火时效一体炉中，由室温加热至在485±5℃下保温7小时；然后升温至中温固溶阶段，即在515±5℃下保温4个小时；然后升温至高温短时固溶处理阶段。即在535±5℃下保温3小时；最后进行迅速淬火，室温水淬，淬火转移时间≤15秒；铸件从淬火后到时效处理在炉外放置时间4小时；铸件在170±5℃下保温8小时进行时效处理，时效处理后空冷，以使强化相弥散析出，获得最佳强化效果，按照GB228-2002T金属材料室温拉伸试验方法检测获得力学性能为：抗拉强度380MPa，伸长率6%。
实施例3
将Al-6.8Si-2.5Cu-0.35Mg合金砂型铸造试样放入热风淬火时效一体炉中，由室温加热至在485±5℃下保温7小时；然后升温至中温固溶阶段，即在515±5℃下保温5个小时；然后升温至高温短时固溶处理阶段。即在535±5℃下保温2小时；最后进行迅速淬火，室温水淬，淬火转移时间≤15秒；铸件从淬火后到时效处理在炉外放置时间12小时；铸件在170±5℃下保温7小时进行时效处理，时效处理后空冷，以使强化相弥散析出，获得最佳强化效果，按照GB228-2002T金属材料室温拉伸试验方法检测获得力学性能为：抗拉强度355MPa，伸长率5%。
实施例4
将Al-6.8Si-1.5Cu-0.35Mg合金金属型铸造试样放入热风淬火时效一体炉中，由室温加热至在485±5℃下保温7小时；然后升温至中温固溶阶段。即在515±5℃下保温4个小时；然后升温至高温短时固溶处理阶段。即在535±5℃下保温2小时；最后进行迅速淬火，室温水淬，淬火转移时间≤15秒；铸件从淬火后到时效处理在炉外放置时间2小时。铸件在170±5℃下保温10小时进行时效处理，时效处理后空冷，以使强化相弥散析出，获得最佳强化效果，按照GB228-2002T金属材料室温拉伸试验方法检测获得力学性能为：抗拉强度365MPa，伸长率8%。
本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从那一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制发明，权利要求书指出了本发明的范围，而上述的说明并未指出本发明的范围，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何变化，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (3)

1.一种富铜铸造亚共晶铝硅合金的热处理方法，其特征在于包括以下阶段：
低温长时固溶处理阶段，将合金铸件由常温升温至485±5℃下保温7-8小时；
中温固溶阶段，升温至515±5℃下保温4-6个小时；
高温短时固溶处理阶段，升温至535±5℃下保温2-4小时；
淬火阶段，采用室温水淬完成固溶处理，得到固溶处理铸件。
2.根据权利要求1所述的一种富铜铸造亚共晶铝硅合金的热处理方法，其特征在于所述合金铸件为富铜铸造铝合金，含铜量按重量百分比为大于等于1.5%小于等于4%。
3.根据权利要求1所述的一种富铜铸造亚共晶铝硅合金的热处理方法，其特征在于所述固溶处理铸件室温放置时间小于12小时，然后在170±5℃下保温7-10小时进行时效处理，最后空冷完成时效处理。
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