CN108239733A - 一种有效改善Al-Si-Cu系合金强韧性的双级时效处理方法 - Google Patents

一种有效改善Al-Si-Cu系合金强韧性的双级时效处理方法 Download PDF

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杨福宝
杜康
李大全
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Abstract

本发明涉及一种改善Al‑Si‑Cu系合金强韧性的双级时效处理方法，属于铝合金热处理领域。该方法包括自然时效和人工时效，在人工时效前先进行自然时效，自然时效为固溶处理后在自然环境中停留一定的时间，再进入时效炉进行人工时效。本发明通过合理控制固溶处理后到开始人工时效的停放时间，即可达到提升合金零件强韧性能的目的，适于在生产中进行推广，可以明显缓解Al‑Si‑Cu系合金T6热处理单级人工时效沉淀析出强化相颗粒粗大和密度不足的问题，有效改善合金的强韧综合性能。

Description

一种有效改善Al-Si-Cu系合金强韧性的双级时效处理方法
技术领域
本发明涉及一种有效改善Al-Si-Cu系合金强韧性的双级时效处理方法，属于铝合金热处理领域。本发明涉及到可热处理强化的时效硬化型铝合金领域，主要针对含铜的Al-Si合金，即国标铸造铝合金ZL105～ZL111和压铸专用铝合金YL112～113，对应的美国标准牌号主要是3XX系，典型牌号319合金。该发明也适用于具有自然时效硬化特性的铝合金，具体工艺规范需要根据特定合金的析出强化规律进行调整。
背景技术
含Cu铝硅系合金是目前铝合金中用量最大的一类铸造铝合金，其Al-Si二元基体为其提供了良好的铸造性能和成型性能。众所周知，该类合金必须经过变质和热处理才能够发挥其优良的强韧性能，这种特性源于该类合金中含有的Si、Cu、Mg元素随温度变化的溶解析出行为，其中“固溶处理+人工时效”(T6)是Al-Si-Cu系合金的常规热处理工艺，通过T6处理，合金可以获得较高的强度，但塑性却大大削弱，延伸率低是该类合金在实际生产和应用中十分关注的力性指标，塑形的不足直接影响合金的韧性及服役性能。
Al-Si-Cu系合金成分中硅含量接近共晶成分点，而硅在铝中的溶解度很低，大部分硅以单质硅颗粒形式存在，硅颗粒的形状及颗粒大小对合金的强度与塑形的影响很大，因此人们将更多的关注点集中在硅变质方面，进而忽略了时效机理研究及时效工艺变化对合金组织性能影响的研究。另外，由于最大限度的追求生产效率，对铝合金的自然时效特性不够重视，同时对各种铝合金的自然时效行为也缺乏深入的研究，所以固溶处理+人工时效成为铝硅合金零件的通用热处理工艺规范，可变的只是依据硅含量的不同调整热处理温度、根据壁厚和零件形状特征确定保温时间和淬火介质。
铝合金的综合性能在很大程度上依赖于热处理工艺，就T6热处理而言，时效强化较固溶强化具有更大的可操作性。对于铸造铝合金，仅仅依靠固溶强化形成过饱和的亚稳态固溶体是不能很好的提高其机械性能的，尤其是对于二元合金，在仅含Mg，Si，Zn，Cr或Mn的情况下，不论其是完全固溶还是部分析出，强化效果都弱。时效过程是第二相的析出过程，包括形核和长大过程。时效强化的机理是固溶原子能够团簇在一起形成富集区(一般称GP区)，进一步形成与基体共格(θ”)、半共格(θ’)、非共格(θ)的结构体。当形成共格的析出相时，引起强烈的晶格畸变，大量的位错和被共格的原子团钉扎效应，产生了应变强化的效果。当形成半共格时，伴随着大量无序界面和大角度晶界的出现，强化效果会减弱。其中的θ相指代Al-Cu系中的Al2Cu相。
通过固溶处理合金获得过饱和状态，包括固溶原子和空位的双重饱和。随后的时效析出强化阶段发生空位与固溶原子共同交互作用，从而促进析出相的聚集和长大。在室温下自发强化的过程称自然时效，自然时效以GP区强化为主，塑性高强度较低，人工时效以过渡区沉淀相强化为主，强度高塑性低，而预时效温度也一般较低，包括自然时效，目的是在合金中形成高密度的GP区。概括起来说就是，自然时效时一般形成过渡相，人工时效时由于温度高产生平衡相。
双级或者多级时效的目的就是在于要在低温时GP区大量弥散析出并且转化为θ”相，这样高温时效时保证GP区不溶解，而是长大。合金热处理过程实质就是原子的扩散运动过程，受其扩散速率影响。无论是固溶强化，还是时效析出过程，最终的性能差异悬殊归根结底都是受扩散控制，而温度和时间是影响这一切过程的关键因素。
发明内容
本发明的目的是开发一种可有效改善Al-Si-Cu系合金强韧性的双级时效热处理工艺，改善Al-Si-Cu系合金T6热处理单级人工时效沉淀析出强化相颗粒粗大和密度不足的问题，有效改善合金的强韧综合性能。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种可有效改善Al-Si-Cu系合金强韧性的双级时效热处理工艺方法，所述的双级时效热处理包括自然时效和人工时效，在人工时效前先进行自然时效，所述的自然时效为固溶处理后在自然环境中停留一定的时间，再进入时效炉进行人工时效。
在上述方法中，所述的自然时效时间一般控制在8h-48h，根据实际情况可以确定为12h、16h、24h、48h；所述的自然时效的温度一般保持在0℃以上，优选在室温(25℃)下进行。
本发明中可热处理强化的时效硬化型铝合金，主要针对含铜的Al-Si合金，包括国标铸造铝合金ZL105～ZL111和压铸专用铝合金YL112～113，对应的美国标准牌号主要是3XX系，典型牌号319合金。
本发明的独创性体现在对Al-Si-Cu系合金自然时效硬化特性及规律的充分认识和掌握，基于前期大量工艺试验和组织、力性分析的基础上归纳总结出来的热处理工艺制度，实验证明将经过固溶处理后合金室温停留(即自然时效)8-48小时，然后进入热处理炉进行人工时效，其合金硬度、抗拉强度和延伸率与连续进行的“固溶+人工时效”工艺相比强度与延伸率均有明显提高，其根源是增加自然时效的T6热处理后合金组织中的沉淀析出相密度增加高达20-40％。
经过本发明的双级时效热处理工艺处理后，Al-Si-Cu系合金的合金强度(硬度)、延伸率与连续进行的“固溶+人工时效”工艺相比分别提高8％和15％以上，强韧性改善源于自然时效造成的带来GP区体积减小、沉淀析出相密度增大的贡献。本发明通过合理控制固溶(淬火)处理后到开始人工时效的停放时间，即可达到提升合金零件强韧性能的目的，适于在生产中进行推广，可以明显缓解Al-Si-Cu系合金T6热处理单级人工时效沉淀析出强化相颗粒粗大和密度不足的问题，有效改善合金的强韧综合性能。
附图说明
图1A至图1C是不同停留时间双级时效后ZL107合金的弥散析出相形貌，其中，图1A：直接人工时效，图1B：自然时效12h，图1C：自然时效48h。
图2是不同自然时效时间后ZL107合金组织中析出的强化相密度对比，其中A：直接人工时效，B：自然时效12h，C：自然时效48h。
具体实施方式
本发明可有效改善Al-Si-Cu系合金强韧性的双级时效热处理工艺，是将固溶处理后到开始进入时效炉的室温停留时间纳入时效工艺流程，即“自然时效时间”，由“自然时效+人工时效”构成双级时效热处理。自然时效时间控制在8h以上，根据实际可以确定为12h、16h、24h、48h；一般不推荐超过48h。自然时效的温度应该保持在零度以上。
下面以ZL107合金(美国牌号A319)为例，来详细说明本发明的技术方案。
ZL107合金成分为Al–6.8Si–3Cu-0.4Mg，采用如表1所示的热处理固溶温度和双级时效工艺制度，固溶处理后在室温(25℃)停留0、12h或48h，然后再进入时效炉进行人工时效热处理，经热处理后合金硬度变化如表1。
对ZL107合金来说，确定各阶段时效温度可以Al-Cu相图为依据，当Cu含量为3％时，G.P.(溶质元素富集区)的溶解温度约为170℃，制定有效分级时效工艺时初级时效温度必须低于170℃，一级时效采用自然时效，停留时间分别为12h和48h，二级时效温度高于170℃，设为175℃。通过采用双级时效，合金的硬度明显提高。
表1 ZL107合金不同T6热处理制度硬度对比
对不同双级时效处理制度、即不同自然时效时间的ZL107合金试样取样进行TEM微观组织分析，图1A至图1C为弥散析出相形貌，图1A为直接人工时效，图1B为自然时效12h，图1C为自然时效48h；图2为合金组织中析出的强化相密度对比，图2中A为直接人工时效，B为自然时效12h，C为自然时效48h。可以看到增加自然时效的双级时效处理的ZL107合金组织中析出的弥散强化相颗粒数量和颗粒大小均有明显变化，即析出相数量增加，颗粒更为细小且分布趋于均匀。经TEM分析确认双级时效处理后在晶界位置存在大量且种类繁多的第二相，包括块状Al2Cu、弥散型Al2Cu、针状β-AlFeSi、多边形Al5Cu2Mg8Si6以及蛇形Al8Mg3FeSi2。增加自然时效的热处理后合金组织中的沉淀析出相密度增加高达20-40％，其合金硬度、抗拉强度和延伸率与连续进行的“固溶+人工时效”工艺相比均有明显提高。
实践证明将经过固溶处理后合金室温停留(即自然时效)8-48小时，然后进入热处理炉进行人工时效、其合金强度(硬度)、延伸率与连续进行的“固溶+人工时效”工艺相比分别提高8％和15％以上。

Claims (6)

1.一种可有效改善Al-Si-Cu系合金强韧性的双级时效热处理方法，其特征在于：所述的双级时效热处理包括自然时效和人工时效，在人工时效前先进行自然时效，所述的自然时效为固溶处理后在自然环境中停留一定的时间，再进入时效炉进行人工时效。
2.根据权利要求1所述的可有效改善Al-Si-Cu系合金强韧性的双级时效热处理方法，其特征在于：所述的自然时效时间为8h-48h。
3.根据权利要求2所述的可有效改善Al-Si-Cu系合金强韧性的双级时效热处理方法，其特征在于：所述的自然时效时间为12h、16h、24h或48h。
4.根据权利要求1所述的可有效改善Al-Si-Cu系合金强韧性的双级时效热处理方法，其特征在于：所述的自然时效的温度为0℃以上。
5.根据权利要求4所述的可有效改善Al-Si-Cu系合金强韧性的双级时效热处理方法，其特征在于：所述的自然时效的温度为室温。
6.根据权利要求1所述的可有效改善Al-Si-Cu系合金强韧性的双级时效热处理方法，其特征在于：所述的Al-Si-Cu系合金包括ZL105～ZL111、YL112～113和3XX系铝合金。
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